CN113009755B - 一种光源装置和投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种即使光学配置产生轻微的偏差，荧光体面上的激发光光点的形状和配置的变化也会被抑制的稳定的光源装置和投影显示装置。该光源装置具备：多个激发光源、准直透镜、与各激发光源对应设置的光束分割单元、包括具有凸的光焦度的第一聚光单元和具有凸的光焦度的第二聚光单元的缩小转映光学系统、以及荧光体，从所述多个激发光源射出的多个激光束经过所述准直透镜入射到所述光束分割单元，通过所述光束分割单元被倍数化，倍数化后的激光束组在所述缩小转映光学系统的所述第一聚光单元、或者所述第一聚光单元与所述第二聚光单元之间与所述第二聚光单元的光轴交叉之后，通过所述第二聚光单元被聚光而在所述荧光体上形成倍数化后的照射光点。

Description

一种光源装置和投影显示装置

技术领域

本发明涉及具备半导体激光器、聚光透镜和旋转荧光体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而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，但是如果总是局部地持续照射荧光体的同一点，则会出现温度上升、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等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中记载了一种投影显示装置，使用聚光透镜将激发光源的输出光聚光而照射到旋转的荧光板，并将荧光板发出的荧光引导至光调制器件。

然而，如果将高能量的激发光聚光到微小的光点来进行照射，则即使是与圆板等一起旋转的荧光体，沿着照射光点的轨迹的环状区域的温度也会过度上升，荧光体的发光效率降低。

因此，提出了一种增大照射光点的面积，以减弱照射光点上的照射能量的峰值强度来抑制荧光体的温度上升的方案。

例如，专利文献2中记载了一种投影显示装置，通过在使用聚光透镜将激发光源的输出光聚光而照射到旋转的荧光板的同时，在荧光体位置方面故意从光学上的聚光点偏移，从而形成使多光源的高强度部分相分隔的光点像，在抑制温度上升的同时，将荧光板发出的荧光引导至光调制器件。

另外，专利文献3中记载了一种使用多个激发光源并以来自各激发光源的光点部分重叠的方式错开照射到荧光体，从而使照射光点的形状近似地为矩形的方法。

另外，专利文献4中记载了一种针对荧光体(圆板)的旋转周向和径向的两个方向二维地扩大照射光点，使在荧光体面上的激发光的强度分布为礼帽形状来降低照射能量的密度，由此抑制荧光体的温度上升的方法。

专利文献1：日本专利公开2012-78488号公报

专利文献2：日本专利公开2012-128121号公报

专利文献3：日本专利公开2012-215633号公报

专利文献4：日本专利公开2017-142482号公报

如上所述，在专利文献2～专利文献4中提出了针对荧光体(圆板)的旋转周向和径向两个方向二维地扩大激发光的照射光点，使照射强度分布为矩形形状或礼帽形状，减弱照射能量的峰值强度来抑制荧光体的温度上升的方案。

然而，在专利文献2所公开的方法中，当与焦点位置的偏移量产生误差时，不仅不能保持强度的平坦化，而且可能会使光点的大小发生较大变化。因此，容易产生由制造误差引起的偏差。

另外，在专利文献3所公开的方法中，必须严格调整半导体激光器的位置与准直透镜的相对位置，容易产生由制造误差引起的位置偏差。

另外，在专利文献4所公开的方法中，使用用于使激发光的强度分布为礼帽形状的扩散板，需要使其形状精度高，因此需要使用高成本的微细加工技术来制造。

另一方面，为了降低能量密度，也可以考虑扩大激发光的照射区域的面积(即，荧光体的发光区域的面积)，但这是有限度的。

这是因为，在投影显示装置的照明系统中，为了确保画面亮度的均匀性，使用光通道进行多重反射并转映到显示器件的方法较为普遍。由光源装置产生的光源光被引导至光通道的入口，但是在将从荧光体发出的光用于光源的光源装置中，如果过分扩大荧光体的发光光点的大小，光学扩展量(Etendue)就会增加，会从光通道入口超出，造成光的损耗。

另外，由于在荧光体面上发出的荧光是在朗伯散射下进行发光，为了不浪费地收集该发光光线，需要使荧光体侧聚光透镜组与荧光体面的距离即所谓的WD尽可能接近，如果过分增大光点的尺寸，那么即便使WD接近，收集效率也会降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于实现一种即使光学配置产生轻微的偏差，荧光体面上的激发光光点的形状和配置也不会从所希望的状态发生变化的光源装置。进而，实现一种光学手段，不是使用昂贵的器件来使激发光的照射强度分布为礼帽形状，而是能够在荧光体上使适当大小的激发光光点稳定地相分隔而配置。

根据本发明的一个方面，一种光源装置，其特征在于，具备：二维排列的多个激发光源、与各激发光源对应设置的准直透镜、与各激发光源对应设置的光束分割单元、包括具有凸的光焦度的第一聚光单元和具有凸的光焦度的第二聚光单元的缩小转映光学系统、以及设置在基材上的荧光体，所述缩小转映光学系统被构成为，使得所述激发光源与所述荧光体为非共轭关系，从所述多个激发光源射出的多个激光束经过所述准直透镜入射到所述光束分割单元，通过所述光束分割单元被倍数化，倍数化后的激光束组在所述缩小转映光学系统的所述第一聚光单元、或者所述第一聚光单元与所述第二聚光单元之间、或者所述第二聚光单元之中最靠近所述多个激发光源的透镜内与所述第二聚光单元的光轴交叉之后，通过所述第二聚光单元被聚光而在所述荧光体上形成倍数化后的照射光点。

根据本发明，能够实现一种即使光学配置产生轻微的偏差，荧光体面上的激发光光点的形状和配置也不会从所希望的状态发生变化的光源装置。进而，即便不使用昂贵的器件，也能够在荧光体上使适当大小的激发光光点稳定地相分隔而配置。因此，在将半导体激光器发出的激发光照射到荧光体来得到荧光的光源中，能够抑制由于荧光体的过度的温度上升而导致的发光输出的降低，并且能够以低成本实现小型的功耗小且高亮度的光源。另外，能够提供一种使用这种光源的小型且高画质的投影显示装置。

附图说明

图1的(a)是用于说明实施方式1所涉及的光源装置的结构的图；图1的(b)是示出缩小转映后的激发光的照射光点的图。

图2的(a)是在实施方式的光源装置中可用作激发光源的半导体激光器的远场图案(Far-Field Pattern)的示例；图2的(b)是在实施方式的光源装置中可用作激发光源的半导体激光器的近场图案(Near-Field Pattern)的示例。

图3是对从半导体激光器射出后经由准直透镜而行进的光束的截面形状进行说明的典型图。

图4的(a)是示出激发光源组件200中的发光器件201的方向和配置的图；

图4的(b)是示出从激发光源组件200射出的光束的形状的图；图4的(c)是示出通过光束分割单元300分割后的光束的形状的图。

图5的(a)是放大示出实施方式1所涉及的光源装置的一部分的图；图5的(b)是示出将经过光束分割单元300而倍数化后的激光束用与光轴正交的面CP切割时的截面轮廓的图。

图6的(a)是示出光束分割单元的结构的一例的图；图6的(b)是示出光束分割单元的结构的另一例的图。

图7的(a)是示出使用棱镜的光束分割单元的结构的一例的图；图7的(b)是示出使用棱镜的光束分割单元的结构的另一例的图。

图8的(a)是示出缩小转映光学系统的一例的图；图8的(b)是示出缩小转映光学系统的另一例的图；图8的(c)是示出缩小转映光学系统的又一例的图。

图9是示出实施方式2所涉及的投影显示装置的结构的图。

图10是示出在实施方式中使用的二向色镜的光学特性的图。

图11是示出设置在旋转体上的荧光体的配置的俯视图。

图12是示出荧光体的发光光谱的示例的图。

图13是示出实施方式3所涉及的投影显示装置的结构的图。

图14是例示出荧光体的发光区域的尺寸与光学上的收集效率之间的关系的图。

附图标记说明

105……二向色镜

107……1/4波长板

121……电机

122……旋转体

123……荧光体

123G……绿色荧光体

123R……红色荧光体

123Y……黄色荧光体

124……反射部

129……中继透镜

130……光颜色选择色轮

140……光通道

150……照明透镜

160……光调制器件

171、172……棱镜

180……投影镜头

190……投影屏幕

200……激发光源组件

201……发光器件

202……准直透镜

250……半导体芯片

251……供电端子

252……发光部

300、300A、300B、300C、300D……光束分割单元

301A……半反射镜

301B……全反射镜

500……照射光点

810……中继透镜

820……第一透镜阵列

830……第二透镜阵列

840……偏光转换器件

850……叠加透镜

860、861……二向色镜

862、863、864……反射镜

870……十字分色棱镜

881……红色用透镜

882……红色用透射式液晶面板

883……绿色用透镜

884……绿色用透射式液晶面板

885……蓝色用透镜

886……蓝色用透射式液晶面板

890……投影镜头

891……投影屏幕

CPT……交叉点

G1……第一透镜组

G2……第二透镜组

PH……荧光体

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下实施方式的说明所参考的附图中，除非特别注明，否则对于具有相同功能的部件标注相同的参考编号来表示。另外，例如在记为X方向正侧或X方向负侧的情况下，正侧是指与图示的坐标轴中箭头指示的方向相同的方向，负侧是指与图示的箭头相反的方向。

[实施方式1]

对适合作为用于投影显示装置的光源来使用的实施方式1所涉及的光源装置进行说明。

如图1的(a)所示，本实施方式所涉及的光源装置具备：激发光源组件200，以二维方式排列有多个作为激发光源的发光器件201(半导体激光器)和准直透镜202；光束分割单元300，将从各发光器件201射出的光束分割并倍数化；第一透镜组G1(第一聚光单元)，具有凸的光焦度；第二透镜组G2(第二聚光单元)，具有凸的光焦度；荧光体PH。本实施方式的光源装置从作为激发光源的半导体激光器向荧光体照射激发光，并将荧光体发出的荧光输出。此外，在图1的(a)中，例示出将从激发光源组件200到荧光体PH配置在直线上的结构，但如后述的实施方式2中所示的图9那样，在从激发光源组件200到荧光体PH之间例如设置二向色镜，激发光源组件200与荧光体PH未配置在直线上，但在光学上也可以认为是等价的结构。

以下，对构成光源装置的结构要素进行说明。

[激发光源]

首先，对激发光源进行说明。已知半导体激光器的输出光的角度特性根据射出方向而不同。为了说明用作发光器件201的半导体激光器的发光特性，在图2的(a)中例示出远场图案，在图2的(b)中例示出近场图案。

从图2的(a)例示出的远场图案可以看出，从半导体激光器出发，在平行方向上，光束以在窄角度范围内强度分布均匀的图案射出。另一方面，在正交方向上，可以看出光束以在宽角度范围内强度分布为山形的图案射出。其中，平行方向是指与半导体激光器的发光部的长度方向平行的方向，正交方向是指与发光部的长度方向正交的方向。从图2的(b)例示出的近场图案可以看出，半导体激光器具备沿平行方向具有既定的长度的发光部。如果使用发光部的平行方向的长度大的半导体激光器，则能够使发光输出增大。

接着，参考图3所示的典型图，对从半导体激光器射出之后经由准直透镜202而行进的光束进行说明。250是半导体芯片，251是供电端子，252是设置在半导体芯片250上的半导体激光器的发光部，这三者作为发光器件201被封装。在图2中，使发光部252的长度方向H与Y方向平行，且从发光部252射出的光的行进方向与Z方向平行而进行了图示。即，在图2的(a)、图2的(b)所示的激光图案中示出的平行方向相当于图3的Y方向，正交方向相当于图3的X方向。从发光器件201的半导体激光器射出直线偏光的光，其电场的振动方向为Y方向(平行方向)。

从长度方向的长度为Hy1的发光部252射出的光通过准直透镜202被准直化，成为长轴与X方向平行且短轴与Y方向平行的椭圆形状的光束而行进。对于作为像高方向的Y方向，即使通过准直透镜202也不能使光束完全平行化，越行进则光线的宽度越扩大。这在准直透镜202的焦距f1越短时则越显著。

到此为止对单器件的半导体激光器进行了说明，如图1的(a)所示，实施方式所涉及的光源装置具备以二维方式排列有多个发光器件201(半导体激光器)的激发光源组件200。将激发光源组件200中的发光器件201的方向和配置示于图4的(a)。16个发光器件201以4×4的矩阵状配置，各发光器件具备长度为Hy1的发光部252，发光部252的长度方向被固定为与Y方向平行的方向。此外，发光器件201只要相互隔开间隔以二维方式配置即可，器件数量和配置并不限于4×4的矩阵。激发光源组件200具备与二维排列的多个发光器件201中的每一个对应配置的准直透镜202，但也可以使用使与各半导体激光器对应的准直透镜一体化的准直透镜阵列。

如图4的(b)所示，从各发光器件射出的激发光由与行进方向正交的面切割时的光束截面形状为长轴与X方向平行且短轴与Y方向平行的椭圆形状。此外，

图4的(b)所示的是从激发光源组件200射出的光束入射到光束分割单元300之前的光束形状。

[光束分割单元]

接着，对实施方式的光源装置所具备的光束分割单元进行具体说明。从各发光器件201射出的光束分别通过光束分割单元300在Y方向上被分割成两个。即，图4的(b)所示的4×4的光束组被光束分割单元300分割，如图4的(c)所示成为4×8的光束组。从光束分割单元300射出的光束组的各光束以彼此不重叠的方式相分隔。光束分割单元可以通过各种结构来实现。下面，对于光束分割单元300的具体结构，将举出多个例子来进行说明。

首先，图5的(a)放大示出图1的(a)的一部分，该光束分割单元300包括与各发光器件201相对应并隔开间隔而设置的半反射镜301A和全反射镜301B。从各发光器件201射出的激光束分别通过半反射镜301A而一部分被反射，一部分透射。被半反射镜301A反射的光束成分通过全反射镜301B被全反射而射向第一透镜组G1(第一聚光单元)。半反射镜301A和全反射镜301B的位置和角度被设定为使得从半反射镜301A透射的光束与通过全反射镜301B被全反射的光束平行。另外，优选地，设定各反射镜的反射率，使得从半反射镜301A透射的光束与通过全反射镜301B被全反射的光束的光强度大致相等。如后所述，这是为了使荧光体上的激发光照射强度的峰值尽量均匀。

图5的(b)示出将经过光束分割单元300而倍数化后的激光束用与光轴正交的面CP切割时的截面轮廓。为了区分从半反射镜301A透射的光束与通过全反射镜301B被全反射的光束，方便地用实线示出前者的外缘，用虚线示出后者的外缘。

此外，使激光束倍数化并使其平行射出的光束分割单元的器件结构并不限于图5的(a)的示例，也可以是以下例示的图6的(a)、图6的(b)、图7的(a)、图7的(b)的结构，还可以是除此之外的结构。

例如，图6的(a)所示的光束分割单元300A具备：反射镜，在玻璃等透明部件的第一面(发光器件侧那一面)隔开间隔配置；和半反射镜，配置在与第一面相反侧的第二面(第一透镜组G1侧那一面)。在该光束分割单元300A的情况下，从各发光器件201射出的激光束通过反射镜的间隙从第一面入射到透明部件内并到达半反射镜，一部分被反射，一部分透射。从半反射镜透射的光束成分射向第一透镜组G1。被半反射镜反射的光束成分通过反射镜被全反射，在透明部件与空气的界面处折射，并通过半反射镜之间的间隙而射向第一透镜组G1。半反射镜、全反射镜、透明部件的位置和角度、以及透明部件的折射率被设定为使得倍数化后的光束的每一个向第一透镜组G1相互平行地行进。另外，优选地，设定各反射镜的反射率和透明部件的透射率，使得从半反射镜301A透射的光束与通过全反射镜301B被全反射的光束的光强度大致相等。这是为了使荧光体上的激发光照射强度的峰值尽量均匀。

另外，图6的(b)所示的光束分割单元300B具备：半反射镜，在玻璃等透明部件的第一面隔开间隔配置；和反射镜，配置在与第一面相反侧的第二面。在该光束分割单元300B的情况下，从各发光器件201射出的激光束之中被半反射镜反射的光束成分射向第一透镜组G1。另外，从半反射镜透射的光束成分在入射到透明部件后通过反射镜被全反射，在透明部件与空气的界面处折射，并通过半反射镜之间的间隙而射向第一透镜组G1。

半反射镜、全反射镜、透明部件的位置和角度、以及透明部件的折射率被设定为使得倍数化后的光束的每一个向第一透镜组G1相互平行地行进。另外，优选地，设定各反射镜的反射率和透明部件的透射率，使得从半反射镜301A透射的光束与通过全反射镜301B被全反射的光束的光强度大致相等。这是为了使荧光体上的激发光照射强度的峰值尽量均匀。

根据光束分割单元300B，可以在将激光束倍数化时改变(例如90度)光束的光路方向。在构成投影显示装置时，根据在显示装置内部分配给光源装置的空间的形状，有时适合使用图6的(b)的光束分割单元300B。

另外，光束分割单元也可以不使用半反射镜或反射镜，而是利用透明部件(棱镜)的折射作用来使激光束的光束数量倍数化。

例如，图7的(a)所示的光束分割单元300C具备透明部件，在透明部件设置有第一面和第二面，激光束从各发光器件入射到第一面，倍数化后的激光束从第二面向第一透镜组G1射出。透明部件使用玻璃、塑料等成型性优异且具备既定的折射率的光学材料。

在第一面设置有多个V字形凹部，多个V字形凹部被配置为使得从各发光器件入射的激光束的中心位置与各V字形凹部的底(中心)一致。另外，在第二面设置有多个反V字形凸部，各个反V字形凸部被配置在与设置于第一面的V字形凹部的每一个对应的位置。

由于从各发光器件入射到第一面的激光束在将V字形凹部的底夹住的两侧的斜面上沿不同的方向折射而进入透明部件的内部，因此激光束在Y方向上被分割成两个。然后，在激光束从第二面向第一透镜组G1射出时，由于分割后的激光束的每一个在将反V字形凸部的顶部夹住的两侧的斜面上折射并射出，因此成为相互平行的光束而射向第一透镜组G1。

另外，图7的(b)所示的光束分割单元300D也具备透明部件，在透明部件设置有第一面和第二面，激光束从各发光器件入射到第一面，倍数化后的激光束从第二面向第一透镜组G1射出。透明部件使用玻璃、塑料等成型性优异且具备既定的折射率的光学材料。

在第一面设置有多个反V字形凸部，多个反V字形凸部被配置为使得从各发光器件入射的激光束的中心位置与各个反V字形凸部的顶部(中心)一致。另外，在第二面设置有多个反V字形凸部，各个反V字形凸部被配置在与设置于第一面的反V字形凸部的每一个对应的位置。

由于从各发光器件入射到第一面的激光束在将反V字形凸部的顶部夹住的两侧的斜面上沿不同的方向折射而进入透明部件的内部，因此激光束在Y方向上被分割成两个，在透明部件的内部交叉。然后，在激光束从第二面向第一透镜组G1射出时，由于分割后的激光束的每一个在将反V字形凸部的顶部夹住的两侧的斜面上折射并射出，因此成为相互平行的光束而射向第一透镜组G1。

此外，图7的(a)和图7的(b)所例示的光束分割单元由于不需要设置半透膜和反射膜，仅通过透明部件的成型处理就能够制造，因此存在能够降低制造成本的可能性。

[缩小转映光学系统]

接着，对具有凸的光焦度的第一透镜组G1(第一聚光单元)和具有凸的光焦度的第二透镜组G2(第二聚光单元)进行说明。本实施方式所涉及的光源装置具备用于将从光束分割单元300射出的激发光束组缩小而照射到荧光体PH的缩小光学系统(或者缩小转映光学系统)。如图1的(a)所示，缩小转映光学系统具备：具有凸的光焦度的第一透镜组G1(第一聚光单元)和具有凸的光焦度的第二透镜组G2(第二聚光单元)。另外，为了便于说明，使用透镜组这个术语，但是构成各透镜组的透镜的片数没有限制，可以是单透镜也可以是多透镜。另外，透镜组也可以包括光阑、遮光罩、玻璃盖片、滤片、扩散板等透镜以外的光学元件。

从光束分割单元300射出的4×8的激发光束组经过第一透镜组G1(第一聚光单元)和第二透镜组G2(第二聚光单元)后被照射(缩小转映)到荧光体PH上。即，缩小转映光学系统不是将激发光束组聚集到荧光体PH上的一点上，而是以维持4×8的排列的形式将激发光束组缩小转映(缩小投映)到荧光体PH上。

此外，第二透镜组G2(第二聚光单元)与荧光体PH之间的距离WD(工作距离)优选设定为0.5mm以上且3mm以下。这是因为：如果小于0.5mm，则第二透镜组G2(第二聚光单元)与荧光体PH之间产生机械性干扰(接触)的可能性升高；另一方面，如果超过3mm，则第二透镜组G2(第二聚光单元)捕获(利用)荧光的效率降低。

如图1的(a)所示，从各发光器件201(半导体激光器)射出的激光束通过各准直透镜202被准直化，通过光束分割单元300被倍数化，构成大致平行的光束组而入射到第一透镜组G1。通过具有凸的光焦度的第一透镜组G1的作用，各光束的主光线在位于第一透镜组G1(第一聚光单元)与第二透镜组G2(第二聚光单元)之间的交叉点CPT处与光轴交叉。之后，经过第二透镜组G2(第二聚光单元)到达荧光体PH，但各光束的主光线并不是集中到荧光体PH上的一点，而是以维持4×8的排列的形式到达荧光体PH。

这里，实施方式所涉及的缩小转映光学系统被构成为，使得从激发光源组件200到作为照射位置的荧光体PH为非共轭关系。假如要设为在光学上保持共轭关系的结构，则会采用广为人知的双远心光学系统，但由于共轭长度变长，因此从光源到荧光体面的距离增大，导致装置大型化。在实施方式中，由于设为非共轭关系，在荧光体PH上个别光束的照射光点会稍微模糊，但是，由此能够获得抑制照射能量密度峰值的效果，而且能够抑制装置的大型化。

在缩小光学系统中，往往将轴外的主光线与光轴相交的位置(交叉点CPT)设为光学光阑位置，但在本实施方式的情况下，由于使用发散小的半导体激光器，因此不需要在光学光阑位置配置圆形光阑等机械性光阑。此外，根据缩小倍率的设定和结构，光学光阑位置会发生变化。缩小倍率是指图1的(a)所示的y1与y2之比，根据光源的大小和荧光体的耐久性而适当地设定，具体而言，优选地，y2/y1在1/40以上且1/5以下的范围。激发光源组件200的发光区域(排列有半导体激光器的区域)的一边的长度从安装技术方面优选设定为10mm以上且40mm以下。另一方面，对于荧光体面上被激发光照射的区域，即荧光从荧光体射出的区域，如果面积过小，则照射的激发光的能量密度过高而导致荧光体的劣化加快，因此一边的长度优选设为1mm以上。另外，如果荧光体面上被激发光照射的区域，即荧光从荧光体射出的区域的面积过大，则在光学上收集荧光的效率降低，因此一边的长度优选设为2mm以下。对此进行说明，如后面参考图9或图13所说明的那样，尽管荧光体发出的荧光经由透镜被收集并被引导至光通道，但是由于荧光是在朗伯散射下发光，因此如果想要不浪费地进行收集，则需要将大口径的透镜靠近荧光体来配置。但是，在现实中由于透镜的配置存在限制，因此如图14所示，如果将荧光体的发光区域尺寸持续增大，那么当一边的长度超过2mm时，荧光的收集效率显著降低。

如上所述，激发光源组件200的发光区域(排列有半导体激光器的区域)的一边的长度优选为10mm以上且40mm以下，荧光体面上被激发光照射的区域，即荧光从荧光体射出的区域的一边的长度优选为1mm以上且2mm以下。因此，优选地，缩小倍率在1/40以上且1/5以下的范围。

成为非共轭关系的缩小转映光学系统的透镜结构并不限于图1的(a)所示的方式，例如也可以是图8的(a)～图8的(c)所示的结构。

在图8的(a)所示的示例中，物体面侧(半导体激光器侧)的第一透镜组G1(第一聚光单元)由一个凸透镜构成，缩小成像侧(荧光体侧)的第二透镜组G2(第二聚光单元)由三片凸透镜构成，光阑位置大致为第二透镜组G2的第一透镜的第一面。但是，在缩小倍率为1/5或接近1/5的情况下，也可以以光阑位置配置在第二透镜组G2的第一透镜(最靠近激发光源组件侧的透镜)内部的方式来构成缩小转映光学系统。

在图8的(b)所示的示例中，为了缓和像差，将第一透镜组G1(第一聚光单元)设为三片凸透镜的结构，将其第三透镜设为双凸透镜，光阑位置在第三透镜之中。

在图8的(c)所示的示例中，第一透镜组G1(第一聚光单元)由凸凹凸三片透镜构成，第一透镜和第二透镜使用无焦系统的凸透镜和凹透镜。在该示例中，光阑位置位于第一透镜组G1(第一聚光单元)与第二透镜组G2(第二聚光单元)之间。

图1的(b)示出通过缩小转映光学系统被缩小转映(缩小投映)的激发光的照射光点，如图所示，在荧光体PH上形成了4×8的照射光点组。例如，照射光点SP1与照射光点SP2是从激发光源组件200中的一个发光器件201射出的光束通过光束分割单元300被分割成两个光束，并通过缩小转映光学系统被缩小转映到荧光体PH上而成。

在图1的(b)的右侧典型地示出了激发光的照射强度的图表，可以看出，在维持4×8的激发光束的排列的同时而被缩小转映到荧光体PH上。

这样，在激发光源组件200中，使发光器件201(半导体激光器)相分隔地排列，通过光束分割单元300分割各发光器件201的输出光束，进而使光学上的缩小倍率发挥作用，由此，能够在荧光体上稳定地形成具有既定的大小且相互分隔的照射光点。

如上所述，在本实施方式的光源装置中，使用以阵列状排列有发光器件(半导体激光器)的激发光源组件200和光束分割单元300，形成比发光器件数量多的大致平行的激光束以阵列状排列而成的激光束组。然后，使用构成非共轭关系的缩小光学系统，在维持激光束组的排列的同时，将激光束组缩小转映到荧光体上。根据该结构，例如，即使由于经时变化或外力的施加而使光学配置产生轻微的偏差，荧光体上的激发光光点的大小的变动也会被抑制，因此能够实现稳定运转的光源装置。

根据本实施方式，无需扩大激发光的照射区域，就能够抑制荧光体上的激发光的能量密度的峰值。此时，不需要使用诸如以往使用的扩散板之类的昂贵的器件来使激发光的强度分布为礼帽形状。因此，能够以低廉的价格提供抑制了荧光体过热的稳定的光源。

[实施方式2]

作为实施方式2所涉及的投影显示装置，对具备在实施方式1中说明的光源装置和反射式光调制器件的投影显示装置进行说明。

[投影显示装置]

图9所示的投影显示装置将实施方式所涉及的光源装置用作照明光源，进而还具备：聚光透镜109、中继透镜129、光颜色选择色轮130、光通道140、照明透镜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。

对于光源装置，在图1的(a)中，例示了将从发光器件201到荧光体PH配置在直线上的结构，而在图9所示的示例中，在第一透镜组G1与第二透镜组G2之间配置有二向色镜105。另外，在图9的光源装置中，在能够通过电机121围绕旋转轴RA进行旋转的旋转体122的主面上设置有荧光体123。

从激发光源组件200射出的激发光沿图9的Z方向行进，在光路上配置有光束分割单元300、第一透镜组G1、作为光路分支合成部的二向色镜105。从半导体激光器射出的激光束具有已参考图3进行说明的电场的振动方向，二向色镜105被配置为使得S偏光波在二向色镜105被反射。这是因为，作为反射特性，S波比P波更不易受到入射角θ的影响。

在图10中示出本实施方式中使用的二向色镜105的光学特性。图中的横轴是光的波长，纵轴是透射率。透射率越高，可以说反射率越低。各图表中示出了入射角θ大致为45度时的透射/反射的波长特性。其中，入射角是指在二向色镜105的镜面上竖立的法线与入射的光形成的角。如实线图表所示，对于S波，在与480nm附近相比的短波长侧，透射率小(反射率高)；在与480nm附近相比的长波长侧，透射率大(反射率低)。另一方面，如虚线图表所示，对于P波，在与400nm附近相比的短波长侧，透射率小(反射率高)；在与400nm附近相比的长波长侧，透射率大(反射率低)。在本实施方式中可知，作为激发荧光体的激发激光，使图10中作为EX所示的S波的蓝色激光入射，而二向色镜105对于该波长的S波以高反射率反射，对于P波以高透射率透射。利用该二向色镜105的特性，如后所述，能够实现将用于激发荧光体的S波的激发光向荧光体反射且使在旋转体的反射区域反射的P波的激发光透射的光路分支合成功能。作为光路分支合成部发挥功能的二向色镜105在制造上的误差另当别论，通过在板厚一定的透明基板上层压介质多层膜而形成。介质多层膜在制造上的误差另当别论，以介质多层膜的厚度在光学面内均匀的方式层压。

从激发光源组件200入射到二向色镜105的激发光是具有图10中作为EX所示的波长的S波，因此被二向色镜105高效率地反射而射向X方向负侧。在该光路上配置有1/4波长板107、第二透镜组G2(第二聚光单元)、旋转体122。从1/4波长板107透射的激发光通过第二透镜组G2(第二聚光单元)被聚光到旋转体122。

在本实施方式的光源装置中，旋转体122能够通过电机121围绕旋转轴RA旋转，在旋转体122的主面上设置有荧光体123。图11中示出从第二透镜组G2(第二聚光单元)侧观察旋转体122时的俯视图，在旋转体122的主面上，发光波长特性不同的红色荧光体123R、黄色荧光体123Y和绿色荧光体123G分别包覆在以旋转体122的旋转轴RA为中心的环形区域的一部分上。而且，在设置有荧光体的环形区域的基底上，设置有用于将在旋转体122的方向上放射的荧光反射到第二透镜组G2(第二聚光单元)侧的反射面，以实现荧光收集效率的提高。此外，在图11的下部，放大并典型地图示了倍数化后的激光束照射荧光体的照射光点500。

图12中示出当向红色荧光体123R、黄色荧光体123Y和绿色荧光体123G照射激发光Ex时的发光光谱的示例。用虚线表示的31是绿色荧光体123G的发光光谱，用单点划线表示的32是黄色荧光体123Y的发光光谱，用实线表示的33是红色荧光体光谱。此外，在波长450nm附近观察到的峰值不是荧光体发出的光，而是一部分激发光未被荧光体吸收而被反射的光。此外，可以在本实施方式中使用的荧光体不限于这些发光特性。例如，代替发出红色光、发出绿色光、发出黄色光的荧光体，也可以设置发出白色光的荧光体。

另外，在本实施方式中，如图11所示，在旋转体122的环形区域的一部分设置有未涂布荧光体而用于反射激发光的反射部124。反射部124优选预先进行镜面加工，以高效率地反射蓝色激光。

通过使这样的旋转体122旋转，激发光Ex照射红色荧光体123R、黄色荧光体123Y、绿色荧光体123G、反射部124中的任一个。为了防止荧光体过热，旋转体122的基材优选采用热导率高的金属，为了提高风冷效率，有时也在基材上设置凹凸部或空孔。

回到图9，为了避免旋转体122和其他光学部件在光源装置内沿Y方向占据较大的内部空间而导致装置大型化，优选地，将旋转体122的旋转轴RA配置在由第二透镜组G2(第二聚光单元)的光轴和二向色镜105的入射面所规定的面内，以使旋转体122不在Y方向上突出。此外，包含第二透镜组G2(第二聚光单元)的光轴的XZ面是与二向色镜105的入射面(入射的光线与射出的光线形成的面)一致的面。另外，为了避免旋转体122和其他光学部件在光源装置内沿Z方向占据较大的内部空间而导致装置大型化，优选地，将旋转轴RA配置在比第二透镜组G2(第二聚光单元)的光轴更靠近激发光源组件200侧，以使旋转体122与二向色镜105等相比不在Z方向上突出。

接着，对本实施方式的光源装置将输出光IL作为投影显示装置的照明光而输出时的装置各部的作用进行说明。

从激发光源组件200射出的准直化后的S偏光的蓝色光(激发光Ex)经过光束分割单元300、第一透镜组G1(第一聚光单元)而入射到二向色镜105。S偏光的蓝色光(激发光Ex)通过二向色镜105而射向X方向负侧，即旋转体122的方向。经由1/4波长板107的激发光通过第二透镜组G2(第二聚光单元)被聚光到旋转体122。

在激发光Ex被聚光的位置，在存在绿色荧光体123G的旋转时段，发出图12所示的发光光谱31的绿色荧光。同样地，在存在黄色荧光体123Y的旋转时段，发出图12所示的发光光谱32的黄色荧光，在存在红色荧光体123R的旋转时段，发出图12所示的发光光谱33的红色荧光。另外，在存在反射部124的旋转时段，激发光Ex(蓝色光)被反射。

绿色荧光、黄色荧光、红色荧光、被反射的蓝色光在向X方向正侧行进的同时通过第二透镜组G2(第二聚光单元)被聚光，经由1/4波长板107入射到二向色镜105。此外，被反射部124反射的蓝色光通过再次经由1/4波长板107而被转换为P偏光并入射到二向色镜105。

如果将图12所示的荧光体的发光特性与图10所示的二向色镜105的透射/反射特性进行对比，则明显可知，入射到二向色镜105的绿色荧光和黄色荧光之中的P偏光成分几乎全部会透射，而S偏光成分中波长约为490nm以上的大部分会透射。另外，关于红色荧光，S偏光成分和P偏光成分都是几乎全部会透射。另外，被转换为P偏光的蓝色光几乎全部会透射。即，这些光以高效率从二向色镜105透射，作为光源装置的输出光IL被收集，通过聚光透镜109被适当地聚光。如图9所示，光源装置的输出光IL被用作投影显示装置的照明光。

光源装置的输出光IL通过聚光透镜109被适当地聚光并入射到中继透镜129，中继透镜129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。中继透镜并非必须由一片透镜构成。另外，在NA足够的情况下，也可以不设置中继透镜。

光颜色选择色轮130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)、黄(Y)、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。

被包覆荧光体的旋转体122与光颜色选择色轮130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，当黄色荧光体发光时黄色滤片位于光路上，当绿色荧光体发光时绿色滤片位于光路上。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，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。

从光源装置射出的照明光经由中继透镜129、光颜色选择色轮130、光通道140和照明透镜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。图像光从棱镜171和棱镜172透射，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能够抑制由于荧光体的过度的温度上升而导致的发光输出的降低，能够使用小型的功耗小、高亮度且色纯度高的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够以较小的功耗进行高亮度的图像显示。即使在内置的光源装置中光学配置产生轻微的偏差，由于荧光体面上的激发光光点的形状和配置不易从所希望的状态发生变化，因此也能够稳定地对光调制器件进行照明。

[实施方式3]

作为实施方式3所涉及的投影显示装置，对具备在实施方式1中说明的光源装置和透射式光调制器件的投影显示装置进行说明。

[投影显示装置]

图13所示的投影显示装置将实施方式所涉及的光源装置用作照明光源，进而还具备：中继透镜810；第一透镜阵列820；第二透镜阵列830；偏光转换器件840；叠加透镜850；二向色镜860、861；反射镜862、863、864；十字分色棱镜870；红色(R)用透镜881；红色用透射式液晶面板882；绿色(G)用透镜883；绿色用透射式液晶面板884；蓝色(B)用透镜885；蓝色用透射式液晶面板886；投影镜头890。也存在进一步具备投影屏幕891的情况。

光源装置与图1的(a)同样，将从发光器件201到荧光体PH配置在直线上。在能够通过电机121围绕旋转轴RA进行旋转的透明的旋转体122的主面上设置有环形的荧光体123。荧光体123当被激发光照射时能够输出包含红色光成分、绿色光成分、蓝色光成分的白色光。

在本实施方式的情况下，从激发光源组件200射出的激发光沿图13的Z方向行进，经过光束分割单元300、第一透镜组G1、第二透镜组G2，从透明的旋转体122的背面照射荧光体123。此时，如已参考图1的(a)进行说明的那样，通过构成非共轭关系的缩小光学系统，倍数化后的激光束组在维持排列的同时被缩小转映到荧光体。

荧光体123因被激发光照射而发出的白色光经由中继透镜810被引导至第一透镜阵列820。第一透镜阵列820具备为了将光分割为多个子光束而以矩阵状配置的多个小透镜。第二透镜阵列830和叠加透镜850使第一透镜阵列820的小透镜的图像成像于红色用透射式液晶面板882、绿色用透射式液晶面板884、蓝色用透射式液晶面板886的画面区域附近。第一透镜阵列820、第二透镜阵列830和叠加透镜850使光源装置401的光强度在透射式液晶面板的面内方向均匀化。

偏光转换器件840将第一透镜阵列820分割的子光束转换成直线偏光。二向色镜860是使红色光反射而使绿色光和蓝色光透射的二向色镜。二向色镜861是使绿色光反射而使蓝色光透射的二向色镜。反射镜862和863是使蓝色光反射的反射镜。反射镜864是使红色光反射的反射镜。

成为直线偏光后的红色光经由红色用透镜881入射到红色用透射式液晶面板882，根据图像信号进行调制，并作为图像光射出。另外，在红色用透镜881与红色用透射式液晶面板882之间以及红色用透射式液晶面板882与十字分色棱镜870之间，分别配置有入射侧偏光板(未图示)和出射侧偏光板(未图示)。与红色同样，绿色光经绿色用透射式液晶面板884调制、蓝色光经蓝色用透射式液晶面板886调制而作为图像光射出。

十字分色棱镜870是将四个直角棱镜粘结而构成，在粘结部的X形界面上，设置有介质多层膜。从红色用透射式液晶面板882以及蓝色用透射式液晶面板886输出的图像光经介质多层膜向投影镜头890反射，从绿色用透射式液晶面板884输出的图像光朝向投影镜头890而从介质多层膜透射。各颜色的图像光被叠加并通过投影镜头890投影到投影屏幕891上。

本实施方式的投影显示装置能够抑制由于荧光体的过度的温度上升而导致的发光输出的降低，能够使用小型的功耗小、高亮度且色纯度高的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够以较小的功耗进行高亮度的图像显示。即使在内置的光源装置中光学配置产生轻微的偏差，由于荧光体面上的激发光光点的形状和配置不易从所希望的状态发生变化，因此也能够稳定地对光调制器件进行照明。

[其他实施方式]

本发明的实施方式并不限于上述的实施方式，可以在本发明的技术思想内进行多种变形或组合。

例如，关于设置荧光体的位置，并不限于在旋转体的主面上的环形区域设置，例如还可以在旋转体的侧面设置荧光体。另外，设置有荧光体的基材即使未必是圆盘或旋转体也可以。

另外，在实施方式2中，在第一透镜组G1与第二透镜组G2之间配置有二向色镜，该二向色镜将来自激发光源的光反射，而将荧光体发出的荧光和旋转体反射的激发光透射，但不限于此。例如，还可以构成为将第一透镜组G1、二向色镜、第二透镜组G2配置在直线上，二向色镜的光学特性为，将来自激发光源的光透射，而将荧光体发出的荧光和旋转体反射的激发光反射。在该情况下，被二向色镜反射的光成为光源装置的输出光。

另外，具备二向色镜的光源装置不仅可以用于具备反射式光调制器件的投影显示装置，还可以用于具备透射式光调制器件的投影显示装置。

另外，作为实施方式3示出的从透明旋转体的背面侧对荧光体照射激发光的光源装置不仅可以用于具备透射式光调制器件的投影显示装置，还可以用于具备反射式光调制器件的投影显示装置。

Claims (8)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：二维排列的多个激发光源、与各激发光源对应设置的准直透镜、与各激发光源对应设置的光束分割单元、包括具有正光焦度的第一聚光单元和具有正光焦度的第二聚光单元的缩小转映光学系统、以及设置在基材上的荧光体，

所述缩小转映光学系统被构成为，使得所述激发光源与所述荧光体为非共轭关系，

从所述多个激发光源射出的多个激光束经过所述准直透镜入射到所述光束分割单元，通过所述光束分割单元被倍数化，

倍数化后的激光束组在所述缩小转映光学系统的所述第一聚光单元、或者所述第一聚光单元与所述第二聚光单元之间、或者所述第二聚光单元之中最靠近所述多个激发光源的透镜内与所述第二聚光单元的光轴交叉之后，通过所述第二聚光单元被聚光而在所述荧光体上形成倍数化后的照射光点。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述多个激发光源被配置为，发光部的长度方向为同一方向。

3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，

所述光束分割单元将从所述激发光源射出的激光束沿着所述激发光源的发光部的长度方向分割。

4.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述光束分割单元具备与所述多个激发光源的每一个对应配置的半反射镜与全反射镜的组。

5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述光束分割单元具备与所述多个激发光源的每一个对应配置的透明部件，

所述透明部件为具有第一面和第二面的棱镜，从所述多个激发光源射出的多个激光束入射到所述第一面，倍数化后的激光束从所述第二面向所述第一聚光单元射出。

6.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述缩小转映光学系统的缩小倍率为1/40以上且1/5以下。

7.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

在所述第一聚光单元与所述第二聚光单元之间配置有：

将来自所述激发光源的光反射而将所述荧光体发出的荧光和所述基材反射的激发光透射的二向色镜，

或者，将来自所述激发光源的光透射而将所述荧光体发出的荧光和所述基材反射的激发光反射的二向色镜。

8.一种投影显示装置，其特征在于，具备：

权利要求1～7中任一项所述的光源装置；

光调制器件；以及

投影镜头。

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