CN111708247A - 光源光学系统、光源装置及图像投影装置 - Google Patents

光源光学系统、光源装置及图像投影装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够获得优异的光利用效率的同时还实现小型化的光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。涉及一种和射出第一颜色光的激发光源一起使用的光源光学系统，其特征在于包括：被所述激发光源射出的所述第一颜色光射入，并射出与所述第一颜色光为不同波长的第二颜色光的波长转换单元，以及设置于所述激发光源与所述波长转换单元之间的光路上的第1、第2光学系统，所述第1光学系统包括具有至少1个负屈光力的光学元件，所述第2光学系统整体具有正屈光力，并满足下列的条件式(1)1.8＜|Fn/F2|＜5.0，其中，Fn是所述第1光学系统具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距，F2是所述第2光学系统的d线中的焦距。

Description

光源光学系统、光源装置及图像投影装置
技术领域
本发明涉及光源光学系统、光源装置及图像投影装置。
背景技术
近年来，放大投影各种影像的投影仪(图像投影装置)正在广泛普及。投影仪是使光源射出的光汇聚到数字微镜器件(DMD)或液晶显示元件等空间光调制元件里，并将来自于通过影像信号调制的空间光调制元件的射出光作为彩色影像显示到屏幕上。
以往，在投影仪中主要使用高亮度的超高压水银灯等，但由于寿命短，所以需要频繁进行维护。因此，近年来，使用激光或LED(Light EmittingDiode:发光二极管)等来代替超高压水银灯的投影仪正在增加。这是因为，与超高压水银灯相比，激光和LED的寿命长，另外，因其单色性，颜色再现性也良好。
在投影仪中，是通过向DMD等图像显示元件照射例如颜色的三原色即红色、绿色、蓝色等3种颜色来形成影像的。虽然可以用激光光源来生成全部的该3种颜色，但由于绿色激光和红色激光的发光效率比蓝色激光低，因此不优选。因此而使用的方法是将蓝色激光作为激发光照射到荧光体上，从通过荧光体进行波长转换后的荧光光来生成红色光和绿色光。在专利文献1、2中公开了使用(组合)这样的激光光源和荧光体的光源光学系统。
在专利文献1中，公开了一种照明光学系统，包括有激发光源、荧光体单元、位于激发光与荧光体单元之间的光路上用于使激发光的强度分布接近均匀的扩散板。在专利文献2中，公开了一种光源装置，包括有多个光源、波长转换元件、位于多个光源与波长转换元件之间的光路上的多个反射镜阵列和透镜阵列。
【专利文献1】(日本)特许第6090875号公报
【专利文献1】(日本)特开2017-194523号公报
在投影仪中，为了实现更明亮的投影仪，提高光利用效率的要求变得强烈了。荧光体对光的转换效率因射入荧光体的激发光的能量密度而变动，当射入的激发光的能量密度高时，由于温度上升及荧光体内可激发的电子减少而导致效率降低。因此，考虑通过使能量密度均匀化并增大光斑尺寸，来实现光利用效率的提高。
另一方面，为了抑制荧光体中的激发光的能量密度而增大荧光体上的激发光的光斑尺寸时，由于后级的(后续的)光学系统中的光线晕影变大，因此，投影仪整体的光利用效率降低。即，为了提高投影仪中的光的利用效率，重要的是获得能量密度的均匀化和最佳的光斑尺寸。
上述专利文献1因为在激发光源和荧光体单元之间设置扩散板，导致射入荧光体单元的激发光的强度降低，所以会引起投影仪整体的光利用效率的降低。上述专利文献2不仅因反射镜阵列和透镜阵列导致装置的大型化、复杂化以及高成本化，而且由于反射镜阵列和透镜阵列的吸收等，会使得射入荧光体单元的激发光的效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于上述的问题意识而完成，并能够在使得光的利用效率优异的同时还实现小型化的光源光学系统、光源装置及图像投影装置。
本实施方式的光源光学系统是一种和射出第一颜色光的激发光源一起使用的光源光学系统，其特征在于包括：被所述激发光源射出的所述第一颜色光射入，并射出与所述第一颜色光为不同波长的第二颜色光的波长转换单元，以及设置于所述激发光源与所述波长转换单元之间的光路上的第1、第2光学系统，所述第1光学系统包括具有至少1个负屈光力的光学元件，所述第2光学系统整体具有正屈光力，并满足下列的条件式(1)1.8＜|Fn/F2|＜5.0其中，Fn是所述第1光学系统具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距，F2是所述第2光学系统的d线中的焦距。
根据本发明，能够提供光利用效率优异的同时实现小型化的光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。
附图说明
图1所示是第一实施方式的投影仪的概要构成图。
图2所示是第二实施方式的光源装置的概要构成图。
图3A、图3B所示是第一实施方式的荧光体轮的详细构成图。
图4所示是色轮的概要构成图。
图5所示是第一实施方式的第1光学系统和第2光学系统的结构和通过光线的一个例示图。
图6所示是第二实施方式的第1光学系统和第2光学系统的结构和通过光线的一个例示图。
图7所示是第三实施方式的第1光学系统和第2光学系统的结构和通过光线的一个例示图。
图8所示是第四实施方式的第1光学系统和第2光学系统的结构和通过光线的一个例示图。
图9所示是第五实施方式的第1光学系统和第2光学系统的结构和通过光线的一个例示图。
图10所示是激发光源中的多个发光点的一个例示图。
图11所示是满足和不满足条件式(3)时的光的轮廓(profile)的一个例示图。
图12所示是用于概念性地说明条件式(5)中的各参数的图。
图13A至图13G所示是第一实施方式～第五实施方式及比较例1、2中光的光斑形状的图。
图14所示是第六实施方式的光源装置的概要构成图。
图15A、图15B所示是第六实施方式的荧光体轮的详细构成图。
图16所示是第七实施方式的光源装置的概要构成图。
图17所示是第八实施方式的光源装置的概要构成图。
图18A、图18B所示是第八实施方式的荧光体轮的详细构成图。
图19所示是第九实施方式的光源装置的概要构成图。
图20A、图20B所示是第九实施方式的荧光体轮的详细构成图。
图21所示是通过第十实施方式的光源装置的第1光学系统和第2光学系统的光线的一个例示图。
图22所示是第十实施方式的光源装置的概要构成图。
图23所示是第十一实施方式的光源装置的概要构成图。
具体实施方式
《第一实施方式》
图1所示是第一实施方式的投影仪(图像投影装置)1的概要构成图。
投影仪1具有框体10、光源装置20、光均匀化元件30、照明光学系统40、图像形成元件(图像显示元件)50、投影光学系统60。
框体10收纳光源装置20、光均匀化元件30、照明光学系统40、图像形成元件50以及投影光学系统60。
光源装置20例如射出包含与RGB的各色对应的波长的光。关于光源装置20的内部结构，将在后面进行详细说明。
光均匀化元件30通过混合从光源装置20射出的光来使其均匀化。作为光均匀化元件30，例如使用的是组合了4片反射镜的光隧道、光积分棒、复眼透镜等。
照明光学系统40通过经光均匀化元件30均匀化了的光来对图像形成元件50进行大致均匀的照明。照明光学系统40具有例如1个以上的透镜和1面以上的反射面等。
图像形成元件50具有例如数字微镜器件(DMD)、透射型液晶面板、反射型液晶面板等的光阀。图像形成元件50通过调制由照明光学系统40照明的光(来自光源装置20的光源光学系统的光)来形成图像。
投影光学系统60将图像形成元件50形成的图像放大并投影到屏幕(被投影面)70上。投影光学系统60例如包括1以上的透镜。
图2所示是第二实施方式的光源装置20的概要构成图。
光源装置20具有在光的传播方向上依次配置的激光光源(激发光源)21、准直透镜22、第1光学系统23、偏振光分光镜24、1/4波片25、第2光学系统26、荧光体轮(波长转换单元、荧光体单元)27、聚光透镜28以及色轮29。例如，在光源装置20中，"光源光学系统"是由激光光源21之外的构成要素来构成的。
激光光源21具有多个光源(发光点)。在图2中显示的是沿上下方向排列的6个光源，但实际上，6个光源在垂直于纸面方向(进深方向)上排有4列，6×4＝24个光源呈二维排列。激光光源21的各光源，作为激发被设置在荧光体轮27的荧光区域(波长转换区域)27D(后述)里的荧光体的激发光B(第一颜色光)，例如射出发光强度的中心波长为455nm的蓝色频带的光(蓝色激光)。从激光光源21的各光源射出的蓝色激光是偏振状态恒定的线偏振光，被配置成相对于偏振光分光镜24的射入面为S偏振光。从激光光源21的各个光源射出的蓝色激光是相干光。从激光光源21的各光源射出的激发光B只要是能够激发荧光体轮27的荧光区域27D的荧光体的波长的光即可，并不限定于蓝色频带的光。激光光源21的光源的数量不限于24个，既可以是1-23个，也可以是25个以上。激光光源21例如可以构成为在基板上以阵列状来配置多个光源的光源单元(其具体例将在后面详细说明)。
准直透镜22对应于激光光源21的24个光源而设置有24个。各准直透镜22将激光光源21的各光源射出的激发光B调整为大致平行光。准直透镜22的数量只要与激光光源21的光源的数量对应即可，可以根据激光光源21的光源数量的增减来增减。
第1光学系统23作为整体具有正屈光力，并从激光光源21一侧朝向荧光体轮27一侧依次具有正透镜(具有正屈光力的光学元件)23A和负透镜(具有负屈光力的光学元件)23B。第1光学系统23在使得从准直透镜22成为大致平行光来射入的激发光B会聚的同时引导到偏振光分光镜24。关于第1光学系统23的详细的结构和作用效果，将在后面详细说明。
偏振光分光镜24在对从第1光学系统23导出的激发光B的波长频带的S偏振光(第1偏振光成分)进行反射的同时，还进行涂覆来透射从第1光学系统23导出的激发光B的波长频带的P偏振光(第2偏振光成分)和来自荧光体轮27的荧光光(第二颜色光)。在第一实施方式中，使用的是平板状的偏振光分光镜24，但也可以使用棱镜型的偏振光分光镜24。另外，在第一实施方式中，偏振光分光镜24反射激发光B的波长频带的S偏振光并透射P偏振光，与此相反，也可以反射激发光B的波长频带的P偏振光而透射S偏振光。
这样，偏振光分光镜24位于激光光源21和第2光学系统26(荧光体轮27)之间的光路上，起到了反射激发光B(第一颜色光)和荧光光Y(第二颜色光)的一方并透射另一方的"反射面"的功能。通过偏振光分光镜24来使光路折返，就能够实现光源光学系统的小型化。
1/4波片25相对于被偏振光分光镜24反射的激发光B的线偏振光，以仅将光学轴倾斜45度的状态来配置。1/4波片25将偏振光分光镜24反射的激发光B从线偏振光转换成圆偏振光。
第2光学系统26作为整体具有正屈光力，并从激光光源21一侧朝向荧光体轮27一侧依次具有正透镜(具有正屈光力的光学元件)26A和正透镜(具有正屈光力的光学元件)26B。第2光学系统26一边将从1/4波片25转换为圆偏振光后射入的激发光B会聚，一边引导到荧光体轮27。关于第2光学系统26的详细的结构和作用效果，将在后面详细说明。
从第2光学系统26导出的激发光B射入到荧光体轮27上。图3所示是荧光体轮27的详细结构图。荧光体轮27具有圆盘部件(基板)27A，和以旋转轴27B为中心对圆盘部件27A进行旋转驱动的驱动电动机(驱动部件)27C。圆盘部件27A例如可以使用透明基板或金属基板(铝基板等)，但并不限定于此。
荧光体轮27(圆盘部件27A)的圆周方向的大部分(第一实施方式中大于270°的角度范围)被划分为荧光区域27D，圆周方向的小部分(第一实施方式中小于90°的角度范围)被划分为激发光反射区域27E。
荧光区域27D的构成是从下层一侧朝向上层一侧依次层叠了反射涂层27D1、荧光体层27D2和防反射涂层(AR涂层)27D3。
反射涂层27D1具有对荧光体层27D2的荧光光(发光光)的波长区域的光进行反射的特性。在由反射率高的金属基板来构成圆盘部件27A的情况下，也可以省略反射涂层27D1(也可以使圆盘部件27A具有反射涂层27D1的功能)。
作为荧光体层27D2，例如可以是，将荧光体材料分散到有机/无机的粘结剂内、直接形成荧光体材料的结晶、或使用Ce:YAG系等的稀土类荧光体。荧光体层27D2的荧光光(发光光)的波长频带例如可以使用黄色、蓝色、绿色、红色波长频带，在第一实施方式中是以使用具有黄色波长频带的荧光光(发光光)的情况为例来说明的。另外，在本实施例中，作为波长转换元件使用的是荧光体，但也可以使用磷光体、非线性光学晶体等。
防反射涂层27D3具有防止光在荧光体层27D2的表面上反射的特性。
在激发光反射区域27E上层叠有反射涂层(反射面)27E1，该反射涂层27E1具有反射从第二光学系统26导出的激发光B的波长区域的光的特性。在由反射率高的金属基板来构成圆盘部件27A的情况下，也可以省略反射涂层27E1(也可以使圆盘部件27A具有反射涂层27E1的功能)。
通过驱动电动机27C来旋转驱动圆盘部件27A，荧光体轮27上的激发光B的照射位置就和时间一起移动了。其结果是，射入荧光体轮27的激发光B(第一颜色光)的一部分，在荧光区域(波长转换区域)27D被转换为与激发光B(第一颜色光)的波长为不同的荧光光Y(第二颜色光)并射出，射入荧光体轮27的激发光B的其他部分在激发光反射区域27E以激发光B的状态被直接反射并射出。
通过旋转荧光体轮27(圆盘部件27A)，在防止荧光体轮27的一个部位被激发光持续照射而引起烧灼的同时，还可以获得荧光体轮27的冷却效果。
另外，在荧光区域27D和激发光反射区域27E的数量、范围等中具有自由度，可以进行各种设计变更。例如，也可以将各两个的荧光区域和激发光反射区域以在圆周方向间隔90°的方式来交替配置。
再次参照图2来说明。由荧光体轮27的激发光反射区域27E反射的激发光B成为反方向的圆偏振光后，再次通过第2光学系统26和1/4波片25，并转换为P偏振光。被转换成P偏振光的激发光B穿透偏振光分光镜24，并通过聚光透镜28射入到色轮29上。
另一方面，射入到荧光体轮27的荧光区域27D里的激发光B被转换成荧光光Y并射出。该荧光光Y通过第二光学系统26成为大致平行光，并通过1/4波片25穿透偏振光分光镜24后，通过聚光透镜28射入到色轮29上。
图4所示是色轮29的概要构成图。色轮29具有沿外周方向划分的蓝色区域B、黄色区域Y、红色区域R、绿色区域G。蓝色区域B与荧光体轮27的激发光反射区域27E对应，黄色区域Y、红色区域R、绿色区域G经同步来与荧光体轮27的荧光区域27D分别对应。通过在蓝色区域B中配置透射扩散板(省略图示)，可以降低激光光源21的相干性，并能够降低屏幕70上的散斑。黄色区域Y直接穿透从荧光体轮27发光的黄色的波长区域。红色区域R、绿色区域G分别通过使用分色镜，从黄色的波长来反射不必要的波长区域的光，并得到纯度高的颜色的光。通过色轮29由时分来制作的各种颜色从光均匀化元件30通过照明光学系统40被引导到图像形成元件50，形成与各色对应的图像，并通过投影光学系统60放大投影到屏幕70上来得到彩色图像。
在第一实施方式中，作为光源光学系统设置有激光光源21、荧光体轮27以及被依次设置在激光光源21和荧光体轮27之间的光路上的正屈光力的第1光学系统23和正屈光力的第2光学系统26。
第1光学系统23可以通过S偏振光的激发光B，但不通过荧光光Y。第2光学系统26可以通过S偏振光的激发光B、P偏振光的激发光B以及荧光光Y。这样，第1光学系统23和第2光学系统26被分为前者不通过荧光光Y，后者通过荧光光Y。这是第1光学系统23和第2光学系统26的区分方法(区划的方法)的第一例。
第1光学系统23是来自荧光体轮27的荧光光(第二颜色光)的50％以上不通过，第2光学系统26是来自荧光体轮27的荧光光(第二颜色光)的50％以上通过，两者在这一点上被区分。这是第1光学系统23和第2光学系统26的区分方法(区划的方法)的第二例。
第1光学系统23和第2光学系统26在最大空气间隔处被分开。这是第1光学系统23和第2光学系统26的区分方法(区划的方法)的第三例。
偏振光分光镜(反射面)24位于激光光源21和荧光体轮(波长转换单元)27之间的光路上。第1光学系统23配置在激光光源21与偏振光分光镜(反射面)24之间，第2光学系统26配置在偏振光分光镜(反射面)24与荧光体轮(波长转换单元)27之间。这是第1光学系统23和第2光学系统26的区分方法(区划的方法)的第四例。
图5所示是第一实施方式的第1光学系统23和第二光学系统26的结构和通过光线的一个例示图。
另外，通过表1、表2来表示第1光学系统23和第2光学系统26的透镜数据和非球面数据。在表1、表2中，R表示曲率半径(非球面时的近轴曲率半径)、D表示面间隔、Nd表示折射率、νd表示阿贝数、K表示非球面的圆锥常数、Ai表示i次的非球面常数。表中的面编号中带有*的表示非球面。非球面形状在以近轴曲率半径的倒数(近轴曲率)为C、从光轴开始的高度为H、圆锥常数为K并使用上述各阶的非球面系数，来将X设为光轴方向的非球面量时，可以通过下述的数式1来表示。即，通过提供近轴曲率半径、圆锥常数、非球面系数来确定非球面形状。
Figure BDA0002408744060000081
表1
透镜数据
Figure BDA0002408744060000091
表2
非球面数据
K A4 A6 A8
6面 -0.55865 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
在第一实施方式中，在第1光学系统23中的正透镜23A具有双凸形状，负透镜23B具有双凹形状。另外，在第2光学系统26中，正透镜26A具有双凸形状，正透镜26B具有在物体一侧为凸出的平凸形状。另外，正透镜26A的两面为非球面。虽然省略了图示，但在第1光学系统23的正透镜23A之前，设置了用于调整激发光B的光量的孔径光阑(面编号1)。
如图5所示，第1光学系统23具有的光学特性是，当平行于第1光学系统23的光轴A的光线射入时，从第1光学系统23射出的光线在与光轴A成角度地接近(聚光)的同时射入到第2光学系统26。由此，射入到第2光学系统26的光的聚光点就以荧光体轮27的射入面为基准，形成在第2光学系统26的一侧(近前侧)。其结果是，通过使光斑形状模糊并均匀化，就能够得到尺寸大且均匀的像，从而能够降低荧光体轮27中的聚光密度，提高光的转换效率。
《第二实施方式》
图6所示是第二实施方式的第2光学系统23和第二光学系统26的结构和通过光线的一个例示图。另外，通过表3、表4来表示第1光学系统23和第2光学系统26的透镜数据和非球面数据。第二实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成与第一实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成相同(透镜曲率和透镜间隔等参数不同)。
表3
透镜数据
Figure BDA0002408744060000101
表4
非球面数据
K A4 A6 A8
6面 -0.55865 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
《第三实施方式》
图7所示是第三实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的结构和通过光线的一个例示图。另外，通过表5、表6来表示第1光学系统23和第2光学系统26的透镜数据和非球面数据。第三实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成与第一实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成相同(透镜曲率和透镜间隔等参数不同)。
表5
透镜数据
Figure BDA0002408744060000111
表6
非球面数据
K A4 A6 A8
6面 -0.55865 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
《第四实施方式》
图8所示是第四实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的结构和通过光线的一个例示图。另外，通过表7、表8来表示第1光学系统23和第2光学系统26的透镜数据和非球面数据。第四实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成与第一实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成相同(透镜曲率和透镜间隔等参数不同)。
表7
透镜数据
Figure BDA0002408744060000112
Figure BDA0002408744060000121
表8
非球面数据
K A4 A6 A8
6面 -0.55865 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
《第五实施方式》
图9所示是第五实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的结构和通过光线的一个例示图。另外，通过表9、表10来表示第1光学系统23和第2光学系统26的透镜数据和非球面数据。第五实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成与第一实施方式的第1光学系统23和第2光学系统26的构成相同(透镜曲率和透镜间隔等参数不同)。
表9
透镜数据
Figure BDA0002408744060000122
Figure BDA0002408744060000131
表10
非球面数据
K A4 A6 A8
6面 -0.55865 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
如上述第一实施方式～第五实施方式所示，第1光学系统23具有至少1个正屈光力的光学元件(正透镜23A)和具有至少1个负屈光力的光学元件(负透镜23B)。另外，第2光学系统26整体具有正屈光力。
在本实施方式中，优选满足以下的条件式(1)。
(1)1.8＜Fn/F2＜5.0，其中，
Fn:第1光学系统的具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距、
F2:第2光学系统的d线中的焦距。
一般地，荧光体那样的波长转换单元的转换效率与波长转换元件上的激发光的聚光密度成反比，在某个聚光密度以上时，就会成为烧灼的原因。通过将第1光学系统23的具有负屈光力的光学元件(负透镜23B)和作为聚光光学系统的第2光学系统26的屈光力配置设定在满足条件式(1)那样的适当范围内，就能够以相对于荧光体轮(波长转换单元)27的射入光路和射出光路不会干涉的方式来使得光束变细了。其结果是，因为能够使荧光体轮(波长转换单元)27的激发光的光斑均匀化，所以就能够降低聚光密度，提高光的转换效率。另外，能够实现光源光学系统的小型化。
如果低于条件式(1)的下限，虽然可以实现光源光学系统的小型化，但因为波长转换单元中的激发光的聚光密度过高，不仅降低光的转换效率，还成为烧灼的原因。若超过条件式(1)的上限，虽然能够使波长转换元件上的激发光的光斑均匀化，并降低聚光密度提高转换效率，但光源光学系统会大型化。
在条件式(1)的条件式范围中，更优选的是满足以下的条件式(1')。
(1')1.9＜Fn/F2＜4.5。
在本实施方式中，优选满足以下的条件式(2)。
(2)1.5＜Fp/Fn＜2.4，其中，
Fn:第1光学系统的具有正屈光力的光学元件的d线中的焦距，
Fn:第1光学系统的具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距。
条件式(2)规定了第1光学系统23的光束的缩小率。通过满足条件式(2)，能够优化荧光体轮(波长转换单元)27中的光斑的聚光密度乃至光的转换效率。另外，通过同时满足条件式(1)、(2)，能够以高水平来兼顾光源光学系统的小型化和光的转换效率的提高。
如果低于条件式(2)的下限，波长转换单元中的光斑的聚光密度变大，光的转换效率就会降低。如果超过条件式(2)的上限，虽然波长转换单元中的光斑的聚光密度变小，光的转换效率提高，但构成第2光学系统的透镜的聚光密度变大，就会产生透镜溶解等的问题。
图10所示是激发光源21中的多个发光点的一个例示图。如图10所示，激光光源21具有排列成二维阵列状的多个发光点。作为激光光源21的多个发光点，例如可以使用在金属块中配置有LD(Laser Diode)、或在单一的基板上排列了LD(Laser Diode)芯片的多芯片品。将排列成阵列状的发光点中的任意2个发光点的距离设为S时，将成为最大的距离(多个发光点中的2个发光点之间的最大距离)定义为Smax。在图10的例子中，由于对角方向的2点间距离最大，所以将其设为Smax。
另一方面，在图5～图9中，将第2光学系统26中的第1光学系统23一侧的光学元件(此处为正透镜26A)的外径定义为DL。另外，将第1光学系统23和第2光学系统26中的光学元件的最大外径(在此为正透镜23A的外径)定义为DLmax。
在本实施方式中，优选满足以下的条件式(3)。
(3)Smax/DL＜2.0，其中，
Smax:多个发光点中的2个发光点之间的最大距离、
DL:第2光学系统中的第1光学系统一侧(激发光射入侧)的光学元件的外径。
条件式(3)规定了激光光源21中的多个发光点的尺寸。通过满足条件式(3)，能够抑制荧光体上的聚光密度，提高光的转换效率。如果超过条件式(3)的上限，在使得荧光体上的光斑直径为期望的光斑尺寸时，就需要增大光源光学系统的缩小率。其结果是，波长转换单元中的各发光点的像变小，聚光密度就会上升，光的转换效率就会降低。
图11所示是满足和不满足条件式(3)时的光的轮廓的一个例示图。如图11所示，在与各发光点对应的准直透镜之后的轮廓相同时，对条件式(3)大于2时(左侧)和条件式(3)为2以下时(右侧)时的情况进行比较。这时，要使荧光体上的轮廓的整体尺寸B相同时，由于条件式(3)大于2的情况(左侧)比条件式(3)为2以下的情况(右侧)的缩小倍率要大，所以各发光点的光斑变小，聚光密度就会上升。
即使在条件式(3)的条件式范围中，也更优选满足以下的条件式(3')。
(3')Smax/DL＜1.7。
在本实施方式中，优选满足以下的条件式(4)。
(4)0.5＜Smax/DLmax＜1.0，其中，
Smax:多个发光点中的2个发光点之间的最大距离、
DLmax:第1光学系统和第2光学系统中的光学元件的最大外径。
通过满足条件式(4)，能够在实现光源装置的小型化、低成本化的同时，提高光的转换效率。低于条件式(4)的下限时，由于透镜外径变大，就会无法避免光源装置的大型化、高成本化。超过条件式(4)的上限时，虽然可以实现某种程度的光源装置的小型化、低成本化，但会导致光的转换效率的降低。
如图10所示，优选的是激光光源21的多个发光点，尤其是满足Smax的2个发光点被设置在单一的基板上。由此，能够简单地构成具有多个发光点的激光光源21。
如图2、图10所示，激光光源21具有排列成二维阵列状的多个发光点。如图2所示，光源装置20具有与激光光源21的多个发光点对应的多个准直透镜22。
在本实施方式中，优选满足以下的条件式(5)。
(5)0.5＜Px/L·tanθx＜2.0，其中，
θx:将各发光点的发散角为最大时的方向设为X方向时的X方向上的各发光点的发散角、
Px:将各发光点的发散角为最大时的方向设为X方向时的X方向上的各发光点的间距、
L:各发光点(的出射面)与各准直透镜之间的距离。
图12所示是用于概念性地说明条件式(5)中的各参数的图，表示为能够视觉地识别发散角θx、间距Px、距离L。
通过满足条件式(5)，由于激光光源21的各发光点的轮廓间的距离变小，整体的轮廓成为密集的状态，在荧光体上缩小时能够得到均匀的轮廓，并能够提高荧光体转换效率。
超过条件式(5)的上限时，由于激光光源21的各发光点的距离变大，各发光点的轮廓之间的距离就变大。这时，如上所述，在波长转换单元中要成为所期望的光斑尺寸时，由于缩小率变大，各发光点的像变小，所以波长转换单元的聚光密度会变大，波长转换效率就会降低。低于条件式(5)的下限时，虽然容易在波长转换单元中获得均匀的轮廓，但在相邻的准直透镜上射入来自各发光点的光，并且光线的一部分在不是消耗的方向的方向上前进，所以就不仅是成为杂散光，而且光的转换效率会降低。
在本实施方式中，优选满足以下条件式(6)。
(6)1.6＜Ndave＜1.9，其中，
Ndave:第2光学系统所具有的光学元件的d线中的折射率的平均值。
条件式(6)规定了第2光学系统26所具有的光学元件(此处为正透镜26A和正透镜26B)的折射率的最佳范围。通过满足条件式(6)，能够在提高光源光学系统的光的转换效率的同时，实现光源光学系统的小型化。
超过条件式(6)的上限时，由于短波长一侧的透射率下降，导致激发光的透射率降低，光源光学系统的光的转换效率就会降低。低于条件式(6)的下限时，由于透镜的壁厚等变大，所以光源光学系统就会大型化。另外，由于像差的增大，光斑得不到均匀化，因此波长转换单元的激发光的聚光密度变高，荧光的转换效率就会降低。
表11所示是对于第一实施方式～第五实施方式的条件式(1)～条件式(6)的对应数值。如表11所示，第一实施方式～第五实施方式满足条件式(1)～条件式(6)。
表11
Figure BDA0002408744060000161
Figure BDA0002408744060000171
图13A～图13G所示是第一实施方式～第五实施方式及比较例1、2中光的光斑形状的图。比较例1、2不满足作为本实施方式的构成要件的透镜构成、或条件式(1)～条件式(6)的一部分或全部。图13A～图13G所示是照射了1W的激发光时的光的光斑形状。
图13A所示是第一实施方式中的光的光斑形状的图，获得了整体上均匀的光斑形状。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为0.84W/mm2，能够抑制烧灼等的发生，并有效地获得荧光。
图13B所示是第二实施方式中的光的光斑形状的图，获得了整体上均匀的光斑形状。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为0.92W/mm2，能够抑制烧灼等的发生，并有效地获得荧光。
图13C所示是第三实施方式中的光的光斑形状的图，获得了整体上均匀的光斑形状。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为1.21W/mm2，能够抑制烧灼等的发生，并有效地获得荧光。
图13D所示是第四实施方式中的光的光斑形状的图，获得了整体上均匀的光斑形状。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为1.36W/mm2，能够抑制烧灼等的发生，并有效地获得荧光。
图13E所示是第五实施方式中的光的光斑形状的图，获得了整体上均匀的光斑形状。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为1.49W/mm2，能够抑制烧灼等的发生，并有效地获得荧光。
图13F所示是比较例1中的光的光斑形状的图，可知光斑局部地集中在中央部，密度变高。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为2.0W/mm2，发生烧灼等的可能性变高。
图13G所示是比较例2中的光的光斑形状的图，可知光斑局部地集中在中央部，密度变高。另外，作为光源加入了1W的能量的光时的荧光体上的最大能量密度为1.75W/mm2，发生烧灼等的可能性变高。
《第六实施方式》
参照图14、图15来对第六实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
在第六实施方式中，是在第一实施方式中省略了在偏振光分光镜24与第2光学系统26之间的1/4波片25，并在夹着荧光体轮27的第2光学系统26的相反侧，设置了准直透镜80、1/4波片81、反射面82。另外，荧光体轮27的结构与第一实施方式不同。
图15所示是第六实施方式的荧光体轮27的详细构成图。第六实施方式的荧光体轮27具有激发光透射区域27F来代替第一实施方式的激发光反射区域27E。激发光透射区域27F具有透射从第2光学系统26导出的激发光B的波长区域的光的特性。在激发光透射区域27F中，实施有防止从第2光学系统26导入的激发光B的反射的防反射涂层(AR涂层、透射面)27F1。
穿透荧光体轮27的激发光透射区域27F的激发光B通过准直透镜80变成平行光，并通过1/4波片81转换成圆偏振光，在反射面82上反射后成为相反方向的圆偏振光。然后，激发光B被1/4波片81转换成P偏振光，并在穿透准直透镜80、第2光学系统26、偏振光分光镜24后，通过聚光透镜28射入到色轮29上。
在第六实施方式中，举例说明了使用准直透镜80来使得激发光B成为平行光的情况，但也可以采用没有角度依赖性的1/4波片，从而省略准直透镜的方式。另外，虽然举例说明了准直透镜80、1/4波片81以及反射面82以光学方式相接的结构，但它们也可以是光学地分开的。
如第一实施方式和第六实施方式所示，荧光体轮27具有将激发光B(第一颜色光)转换为荧光光Y(第二颜色光)的波长转换区域(荧光区域27D)，和透射或反射激发光B(第一颜色光)的透射反射区域(激发光反射区域27E、激发光透射区域27F)。由此，在荧光体轮27中，由于激发光B(第一颜色光)和荧光光Y(第二颜色光)被切换，所以就能够实现光源装置20(光源光学系统)的结构的简单化和小型化。
《第七实施方式》
参照图16来对第七实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
第七实施方式在以下方面与第一实施方式不同。即，从激光光源21射出的激发光B是P偏振光，并且偏振光分光镜24具有在透射从第1光学系统23导入的P偏振光的激发光B的同时，还反射来自于1/4波片25、第2光学系统26以及荧光体轮27被转换成S偏振光的激发光B和荧光光Y的特性。
《第八实施方式》
参照图17、图18来对第八实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
在第八实施方式中，是在第一实施方式中省略了聚光透镜28和色轮29的同时，还使得荧光体轮27的结构不同。
图18所示是第八实施方式的荧光体轮27的详细构成图。第八实施方式的荧光体轮27不是如第一实施方式那样地在圆周方向上分割成荧光区域27D和激发光反射区域27E，而是设置有遍及圆周方向全周的荧光区域(波长转换区域)27G。
荧光区域27G的构成是从下层一侧朝向上层一侧依次层叠了第一反射涂层27G1、荧光体层27G2和第二反射涂层27G3。
第一反射涂层27G1具有对从第2光学系统26引导来的激发光B的波长区域的光和荧光体层27G2的荧光光(发光光)的波长区域的光进行反射的特性。
作为荧光体层27G2，例如可以是，将荧光体材料分散到有机/无机的粘结剂内、直接形成荧光体材料的结晶、或使用Ce:YAG系等的稀土类荧光体。荧光体层27D2的荧光光(发光光)的波长频带例如设为黄色时，通过与激发光的蓝色组合，就能够得到白色光。
第二反射涂层27G3具有在对从第2光学系统26导入的激发光B的一部分进行反射的同时，还对从第2光学系统26导入的激发光B的其他部分和荧光体层27D2的荧光光(发光光)进行透射的特性。
这里，荧光体层27G2构成了将激发光(第一颜色光)B转换为荧光光(第二颜色光)Y的"波长转换区域"。另外，第二反射涂层27G3被设置在荧光体层27G2(波长转换区域)的射入面一侧，构成了对激发光(第一颜色光)B的一部分进行反射的"涂层层"。由此，就能够实现不是时分的白色光源。
由荧光体轮27的第二反射涂层27G3反射的激发光B成为反方向的圆偏振光后，再次通过第2光学系统26和1/4波片25，并转换为P偏振光。被转换成P偏振光的激发光B穿透偏振光分光镜24，并射入到光均匀化元件30上。另一方面，穿透荧光体轮27的第二反射涂层27G3的激发光B在荧光体层27G2被转换为荧光光Y，并被第一反射涂层27G1反射。该荧光光Y通过第二光学系统26成为大致平行光，并通过1/4波片25穿透偏振光分光镜24后，射入到光均匀化元件30上。
《第九实施方式》
参照图19、图20来对第九实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
在第九实施方式中，是在第一实施方式中省略了偏振光分光镜24、1/4波片25、聚光透镜28和色轮29。此外，在具有偏振光分光镜24的位置处设置了分色镜90。更进一步地，在夹着分色镜90的第1光学系统23的相反侧，设置有蓝色光源91、准直透镜92、第3光学系统93。
蓝色光源91包括多个光源(固态光源)。蓝色光源91的各光源射出与激发光B不同的蓝色波长区域的光(蓝色激光)。与蓝色光源91的多个光源相对应地设置有多个准直透镜92。在图19中，虽然显示了在上下方向排列的各3个蓝色光源91和准直透镜92，但是，蓝色光源91和准直透镜92组也可以在垂直于纸面方向(进深方向)上多列地配置(也可以被二维排列)。准直透镜92将蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光调整为平行光。蓝色光源91和准直透镜92的数量可以适当地增减。第3光学系统93具有双凸形状的正透镜93A和双凹形状的负透镜93B，并通过蓝色光源91和准直透镜92的蓝色激光向分色镜90引导。另外，蓝色光源91除了激光光源以外，例如也可以使用发光二极管。
分色镜90将从第1光学系统23引导来的激发光B朝着第2光学系统26反射，并将从第3光学系统93引导来的蓝色激光朝向光均匀化元件30反射。另外，分色镜90将来自荧光体轮27的荧光光朝向光均匀化元件30透射。被分色镜90反射的激发光B通过第2光学系统26射入到荧光体轮27。
图20所示是第九实施方式的荧光体轮27的详细构成图。第九实施方式的荧光体轮27不是如第一实施方式那样地在圆周方向上分割成荧光区域27D和激发光反射区域27E，而是设置有遍及圆周方向全周的荧光区域(波长转换区域)27H。
荧光区域27H的构成是从下层一侧朝向上层一侧依次层叠了反射涂层27H1、荧光体层27H2和防反射涂层(AR涂层)27H3。
反射涂层27H1具有对荧光体层27H2的荧光光(发光光)的波长区域的光进行反射的特性。在由反射率高的金属基板来构成圆盘部件27A的情况下，也可以省略反射涂层27H1(也可以使圆盘部件27A具有反射涂层27H1的功能)。
作为荧光体层27H2，例如可以是，将荧光体材料分散到有机/无机的粘结剂内、直接形成荧光体材料的结晶、或使用Ce:YAG系等的稀土类荧光体。荧光体层27H2的荧光光(发光光)的波长频带例如通过与蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光组合来得到白色光。
防反射涂层27H3具有防止荧光体层27H2中的光的反射的特性。
射入到荧光体轮27的荧光区域27H里的激发光B被转换成荧光光Y并射出。该荧光光Y通过第二光学系统26成为大致平行光，并穿透分色镜90后，射入到光均匀化元件30上。另一方面，蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光通过准直透镜92成为平行光，并穿过第3光学系统93，通过分色镜90的反射来射入到光均匀化元件30。
《第十实施方式》
参照图21、图22来对第十实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
在第十实施方式中，是在第一实施方式中省略了在偏振光分光镜24与第2光学系统26之间的1/4波片25的同时，在具有偏振光分光镜24的位置处设置了分色镜100。更进一步地，使得第1光学系统23的光轴X与第2光学系统26的光轴Y在与光轴垂直的方向上偏心。由此，从第1光学系统23射出的激发光B就从第2光学系统26的单侧(夹着图21中的光轴Y的下侧)射入。这里，在第十实施方式中，使第1光学系统23的光轴X与第2光学系统26的光轴Y一致时的光的行为与第一实施方式是相同的。
在第一实施方式中，规定了偏振方向(S偏振光、P偏振光)，但在第十实施方式中，可以配置在任何方向上。由激光光源21射出的光通过准直透镜22分别成为平行光束后，通过第1光学系统23，并由反射激发光B和透射荧光光Y的分色镜100来反射并被引导到第2光学系统26。通过将第1光学系统23相对于第2光学系统26配置成偏心，激发光B从第2光学系统26的单侧射入，并且相对于荧光体轮27倾斜地射入。射入荧光体轮27的荧光区域27D的激发光B被转换为荧光光Y，并通过与第一实施方式同样的光路被引导到光均匀化元件30。
另一方面，由于射入荧光体轮27的激发光反射区域27E的激发光B被正反射，所以如图22所示，通过与射入第2光学系统26一侧(图22中的左侧)的相反侧(图22中的右侧)而从第2光学系统26射出。从第2光学系统26射出的激发光B不通过分色镜100，而是射入到聚光透镜28被引导去色轮29、光均匀化元件30。
在第十实施方式中，显示的是由荧光体轮27的激发光反射区域27E反射的激发光B不通过分色镜100的结构，但也可以增大分色镜100来利用具有使一半的面的涂层反射激发光B并透射荧光光Y，使剩余一半透射激发光B和荧光光Y的特性的分色镜100。
《第十一实施方式》
参照图23来对第十一实施方式的投影仪1进行详细说明。对于与第十实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复说明。
在第十一实施方式中，是在第十实施方式中的激光光源21和准直透镜22组之外，还设有位于其下方的激光光源21X和准直透镜22X的组。激光光源21和准直透镜22的组以及激光光源21X和准直透镜22X的组都射出P偏振光的激发光B。
光源装置20具有合成激光光源21和准直透镜22的组及激光光源21X和准直透镜22X的组射出的激发光B，并射出到第1光学系统23的合成光学系统110。
合成光学系统110具有1/2波片112、反射镜114、偏振光分光镜116。
1/2波片112将激光光源21和准直透镜22的组射出的激发光B从P偏振光转换为S偏振光。
反射镜114将通过1/2波片112转换成S偏振光的激发光B反射去偏振光分光镜116。
偏振光分光镜116具有在反射S偏振光的激发光B的同时还透射P偏振光的激发光B的特性。偏振光分光镜116对于激光光源21X和准直透镜22X的组射出的P偏振光的激发光B进行透射，并引导到第1光学系统23。偏振光分光镜116对反射镜114反射的S偏振光的激发光B进行反射，并引导到第1光学系统23。如此一来，P偏振光和S偏振光的激发光B就被合成并射入到第1光学系统23里了。
激光光源21和激光光源21X分别形成在互为独立的基板上，并在将激光光源21的发光点中任意2个发光点的距离为最大时的距离设为Smax1、激光光源21X的发光点中任意2个发光点的距离为最大时的距离设为Smax2时，可以将Smax1和Smax2中大的一方设为Smax。例如，作为激光光源21和激光光源21X在使用相同的光源阵列时，Smax1＝Smax2＝Smax的关系成立。
还有，这里举例说明了激光光源21和准直透镜22的组以及激光光源21X和准直透镜22X的组都射出P偏振光的激发光B的情况，但也可以射出S偏振光的激发光B。另外，举例说明了使用偏振光分光镜116来合成激发光B的情况，但也可以使用梳齿反射镜等来合成激发光B。
另外，在上述各实施方式中，所示的是本发明的适合的实施方式，但本发明并不限定于该内容。特别地，在各实施方式中例示的各部的具体形状及数值只不过是实施本发明时所进行的具体化的一例，本发明的技术范围不因为它们而作限定的解释。这样，本发明并不限定于在本实施方式中所说明的内容，在不脱离其主旨的范围内，可以适当变更。

Claims (18)

1.一种和射出第一颜色光的激发光源一起使用的光源光学系统，其特征在于包括：
被所述激发光源射出的所述第一颜色光射入，并射出与所述第一颜色光为不同波长的第二颜色光的波长转换单元，以及
设置于所述激发光源与所述波长转换单元之间的光路上的第1、第2光学系统，
所述第1光学系统包括具有至少1个负屈光力的光学元件，
所述第2光学系统整体具有正屈光力，
并满足下列的条件式(1)
1.8＜|Fn/F2|＜5.0 (1)
其中，Fn是所述第1光学系统具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距，F2是所述第2光学系统的d线中的焦距。
2.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于：
所述第1光学系统具有的光学特性是，当平行于所述第1光学系统的光轴的光线射入时，从所述第1光学系统射出的光线在接近所述光轴的同时射入到所述第2光学系统。
3.根据权利要求1或2所述的光源光学系统，其特征在于：
所述第1光学系统包括具有至少1个正屈光力的光学元件，
并满足下列的条件式(2)
1.5＜|Fp/Fn|＜2.4 (2)
其中，Fp是所述第1光学系统具有正屈光力的光学元件的d线中的焦距，Fn是所述第1光学系统具有负屈光力的光学元件的d线中的焦距。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述激发光源具有排列成二维阵列状的多个发光点，
并满足下列条件式(3):
Smax/DL＜2.0 (3)
其中，Smax是所述多个发光点中的2个发光点之间的最大距离，
DL是所述第2光学系统之中的所述第1光学系统一侧的光学元件的外径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述激发光源具有排列成二维阵列状的多个发光点，
并满足下列条件式(4):
0.5＜Smax/DLmax＜1.0 (4)
其中，Smax是所述多个发光点中的2个发光点之间的最大距离，
DLmax是所述第1光学系统和所述第2光学系统之中的光学元件的最大外径。
6.根据权利要求4或5所述的光源光学系统，其特征在于：
满足Smax的2个发光点被配置在单一的基板上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述激发光源具有排列成二维阵列状的多个发光点，
还具有与所述多个发光点对应的多个准直透镜，
并满足下列条件式(5):
0.5＜Px/L·tanθx＜2.0 (5)
其中，θx是将各发光点的发散角为最大时的方向设为X方向时的X方向上的各发光点的发散角，
Px是将各发光点的发散角为最大时的方向设为X方向时的X方向上的各发光点的间距，
L是各发光点与各准直透镜之间的距离。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述波长转换单元具有将所述第一颜色光转换成所述第二颜色光的波长转换区域，和透射或反射所述第一颜色光的透射反射区域。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述波长转换单元具有将所述第一颜色光转换成所述第二颜色光的波长转换区域，以及设置在所述波长转换区域的射入面一侧对所述第一颜色光的一部分进行反射的涂层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
还包括与所述波长转换单元连接，并以所述波长转换单元上的所述第一颜色光的照射位置随时间一起移动的方式来被驱动的驱动构件。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
还具有位于所述激发光源和所述第2光学系统之间的光路上的反射面，所述反射面对所述第一颜色光和所述第二颜色光中的一方进行反射，而对另一方进行透射。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
满足下列条件式(6):
1.6＜Ndave＜1.9 (6)
其中，Ndave是所述第2光学系统所具有的光学元件的d线中的折射率的平均值。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述第1光学系统和所述第2光学系统以所述第1光学系统的光轴和所述第2光学系统的光轴偏心的方式来配置。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述第1光学系统和所述第2光学系统所具有的光学元件为透镜。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
所述第1光学系统是所述第二颜色光的50％以上不通过，
所述第2光学系统是所述第二颜色光的50％以上通过。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的光源光学系统，其特征在于：
还包括位于所述激发光源和所述波长转换单元之间的光路上的反射面，
所述第1光学系统被配置在所述激发光源和所述反射面的之间，
所述第2光学系统被配置在所述反射面和所述波长转换单元之间。
17.一种光源装置，其特征在于包括：
激发光源，以及
权利要求1至16中任一项所述的光源光学系统。
18.一种图像投影装置，其特征在于包括：
激发光源；
权利要求1至16中任一项所述的光源光学系统；
对所述光源光学系统来的光进行调制并形成图像的图像显示元件，以及
将所述图像放大投影到被投影面上的投影光学系统。
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