JP2012032691A - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】固体光源２４及び集光レンズ３０を有する固体光源ユニット１０を複数組備え、各固体光源ユニット１０からの光を所定の集光位置に集光する光源装置であって、集光レンズ３０の入射面及び射出面はともに非球面からなり、入射面は、固体光源２４からの光を略平行化し、射出面は、入射面で略平行化された光を集光位置に集光することを特徴とする光源装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関する。

従来、固体光源及び集光レンズを有する固体光源ユニットを複数組備え、各固体光源ユニットからの光を所定の集光位置に集光する光源装置が知られている。また、このような光源装置を備えるプロジェクターが知られている（例えば、特許文献１参照。）。従来の光源装置によれば、複数の固体光源からの光を所定の集光位置に集光するため、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能となり、ひいては、光利用効率の高い高輝度な光源装置を提供することが可能となる。また、固体光源及び集光レンズを有する固体光源ユニットを複数組備えるため、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて、光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

特開２００５−２７４９５７号公報

ところで、光源装置の技術分野においては、常に、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置が求められている。

そこで、本発明は、上記したような事情に鑑みてなされたもので、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置を提供することを目的とする。また、このような光源装置を備えることにより、高輝度、小型・軽量かつ従来よりも光利用効率が一層高いプロジェクターを提供することを目的とする。

［１］本発明の光源装置は、固体光源及び集光レンズを有する固体光源ユニットを複数組備え、各固体光源ユニットからの光を所定の集光位置に集光する光源装置であって、前記集光レンズの入射面及び射出面はともに非球面からなり、前記入射面は、前記固体光源からの光を略平行化し、前記射出面は、前記入射面で略平行化された光を前記集光位置に集光することを特徴とする。

このため、本発明の光源装置によれば、集光レンズの入射面及び射出面はともに非球面からなり、入射面は固体光源からの光を略平行化し、射出面は入射面で略平行化された光を集光位置に集光するため、後述する試験例に示すように、例え製造時等のばらつき等に起因して集光レンズにおける入射面の中心軸と射出面の中心軸とがある程度ずれたとしても、所定の集光位置に集光を行うことが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる。

また、本発明の光源装置によれば、複数の固体光源からの光を所定の集光位置に集光するため、従来の光源装置と同様に、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能となる。

また、本発明の光源装置によれば、固体光源及び集光レンズを有する固体光源ユニットを複数組備えるため、従来の光源装置と同様に、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて、光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

その結果、本発明の光源装置は、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置となる。

［２］本発明の光源装置においては、前記集光レンズの前記入射面及び前記射出面はともに双曲面からなり、前記集光レンズの、前記固体光源からの光に相当する波長に対する屈折率をｎとするとき、前記入射面の円錐係数Ｋ１は、Ｋ１＝−ｎ^２を満たし、前記射出面の円錐係数Ｋ２は、Ｋ２＝−ｎ^２を満たすことが好ましい。

このような構成とすることにより、複数の固体光源で生成された光をそれぞれ略平行化する際における光の平行度を向上させることが可能となるとともに、当該平行度を向上させた光を所定の集光位置に確実に集光することが可能となるため、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。

本明細書においては、「Ｋ１＝−ｎ^２」とは、「Ｋ１」と「−ｎ^２」とが完全に一致することのみを表すものではなく、実質的に一致しているとみなせる程度に数値が近いことを表す。具体的には、小数点以下第３桁で四捨五入したときに、小数点以下第２桁までの双方の数値が一致していればよい。「Ｋ２＝−ｎ^２」においても同様である。

［３］本発明の光源装置においては、前記各固体光源ユニットにおける各固体光源は、各固体光源から前記集光位置までの距離が全て等しくなるように配置されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、複数の集光レンズとして単一種類の集光レンズを用いることが可能となるため、光源装置の製造コストを低減することが可能となる。

［４］本発明の光源装置においては、前記集光レンズは、前記入射面を含む入射面側レンズ片と前記射出面を含む射出面側レンズ片とを接着することにより製造されたものであることが好ましい。

このような構成とすることにより、プレス加工等により一度に入射面及び射出面を形成して集光レンズを製造する場合と比べ、入射面の中心軸と射出面の中心軸とを高精度で一致させることができる。

［５］本発明の光源装置においては、前記集光レンズは、前記固体光源が発光している状態で前記固体光源、前記入射面側レンズ片、前記射出面側レンズ片及び前記集光位置のアライメントを行った後に前記入射面側レンズ片と前記射出面側レンズ片とを接着することにより製造されたものであることが好ましい。

このような構成とすることにより、各レンズ片を微動させながらアライメントを行った後に集光レンズとして固定することが可能となるため、固体光源からの光が所定の集光位置に集光された状態で固体光源、集光レンズ及び集光位置の位置関係を固定することが可能となる。

［６］本発明の光源装置においては、前記固体光源は、半導体レーザーからなることが好ましい。

半導体レーザーは小型で高出力であるため、半導体レーザーを高密度で集積することにより、小型で高出力な光源装置とすることが可能となる。

［７］本発明の光源装置においては、前記光源装置は、前記集光位置の近傍に位置し、前記集光レンズからの光の一部又は全部から蛍光を生成する蛍光層をさらに備えることが好ましい。

このような構成とすることにより、固体光源で生成される特定波長の色光を励起光として用いることにより、所望の色光を得ることが可能となる。

［８］本発明の光源装置においては、前記蛍光層は、前記集光レンズからの光がデフォーカス状態で前記蛍光層に入射する位置に配置されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、集光レンズからの光がジャストフォーカス状態で蛍光層に入射する場合と比べて、蛍光層に与える熱的負荷を抑制することができるため、蛍光層の劣化や焼損を抑制して光源装置を長寿命化することが可能となる。

［９］本発明のプロジェクターは、本発明の光源装置を備える照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投写画像として投写する投写光学系とを備えることを特徴とする。

このため、本発明のプロジェクターによれば、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な本発明の光源装置を備えるため、高輝度、小型・軽量かつ従来よりも光利用効率が一層高いプロジェクターとなる。

実施形態１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図。 実施形態１における複数組の固体光源ユニット１０の配置状態を説明するために示す図。 実施形態１における固体光源ユニット１０の断面図。 実施形態１における固体光源２４の発光強度特性及び蛍光体の発光強度特性を示すグラフ。 実施形態１における集光レンズ３０を説明するために示す平面図。 試験例１における集光レンズ３０ａを説明するために示す図。 試験例２における集光レンズ３１ａを説明するために示す図。 比較例１における集光レンズ３０ｂを説明するために示す図。 比較例２における集光レンズ３１ｂを説明するために示す図。 実施形態２に係るプロジェクター１００２の光学系を示す平面図。 実施形態２における集光レンズ８０を説明するために示す図。 実施形態２における集光レンズ８０のアライメントの方法を説明するために示す図。 変形例１に係るプロジェクター１００２の光学系を示す平面図。 変形例１における固体光源２４の配置状態を説明するために示す図。 変形例１における集光レンズ３０の配置状態を説明するために示す図。 変形例２に係る光源装置４の光学系を示す平面図。

以下、本発明の光源装置及びプロジェクターについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。なお、光源ユニット１０近辺については、照明光軸１００ａｘを含む平面において切断した断面図として図示している。後述する図１０、図１３及び図１６においても同様である。
図２は、実施形態１における複数組の固体光源ユニット１０の配置状態を説明するために示す図である。図２（ａ）は複数の光源ユニット１０及び光源ユニット固定具５０の斜視図であり、図２（ｂ）は複数の光源ユニット１０及び光源ユニット固定具５０を蛍光生成部６０側から見た図である。
図３は、実施形態１における固体光源ユニット１０の断面図である。

図４は、実施形態１における固体光源２４の発光強度特性及び蛍光体の発光強度特性を示すグラフである。図４（ａ）は固体光源２４の発光強度特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は蛍光層６４が含有する蛍光体の発光強度特性を示すグラフである。発光強度特性とは、光源であれば電圧を印加したときに、蛍光体であれば励起光が入射したときに、どのような波長の光をどの位の強度で射出するのかという特性のことをいう。グラフの縦軸は相対発光強度を表し、発光強度が最も強い波長における発光強度を１としている。グラフの横軸は波長を表す。
図５は、実施形態１における集光レンズ３０を説明するために示す平面図である。図５において符号Ｌで示すのは対応する固体光源２４の発光領域の位置であり、符号Ｃで示すのは、所定の集光位置である。後述する図６〜図９においても同様である。

実施形態１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置としての３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備える。
照明装置１００は、光源装置１と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備える。

光源装置１は、図１及び図２に示すように、２５組の固体光源ユニット１０と、固体光源ユニット固定具５０と、蛍光生成部６０と、コリメーター光学系７０とを備える。光源装置１は、赤色光、緑色光及び青色光を含む光（つまり、白色光として用いることができる光）を射出する。
なお、図１及び図２においては、１つの固体光源ユニット１０のみに符号を付している。
本発明において固体光源ユニットの数は２５個に限定されず、複数、つまり２個以上であればよい。
光源装置１は、後述するように、各固体光源ユニット１０からの光を所定の集光位置に集光する。

固体光源ユニット１０は、図１及び図３に示すように、基板２２、固体光源２４、集光レンズ３０及び保持部４０を有する。

基板２２は、固体光源２４を搭載する機能を有する。詳細な説明は省略するが、基板２２は、固体光源２４に対する電力の供給を仲介する機能や、固体光源２４で発生する熱を放熱する機能等を併せて有する。

固体光源２４は、青色光（発光強度のピーク：約４６０ｎｍ、図４（ａ）参照。）を生成する半導体レーザーからなる。当該半導体レーザーは、長方形形状の発光領域を有する。半導体レーザーとしては、例えば、発光領域の短辺方向に沿った拡がり角が、発光領域の長辺方向に沿った拡がり角の３倍以上の大きさとなる半導体レーザーを好適に用いることができる。
各固体光源ユニット１０における各固体光源２４は、各固体光源２４から集光位置までの距離が全て等しくなるように配置されている。このため、各固体光源ユニット１０は半球面上に配置されている。

集光レンズ３０は、図３及び図５に示すように、入射面３２及び射出面３４を有する。集光レンズ３０の入射面３２及び射出面３４は、ともに非球面の一種である双曲面からなる。
集光レンズ３０は、全体を一体的に形成することにより製造されたものである。集光レンズ３０は、図示は省略するが、保持部４０に接着剤により固定されている。集光レンズ３０は、アライメントを行った後に固定される。

入射面３２は、固体光源２４からの青色光を略平行化する。集光レンズ３０の、固体光源２４からの青色光に相当する波長（約４６０ｎｍ）に対する屈折率をｎとするとき、入射面３２の円錐係数Ｋ１は、Ｋ１＝−ｎ^２を満たす。つまり、例えば集光レンズ３０がｎ＝１．５０のＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）からなる場合には、Ｋ１が−２．２５であれば上記の条件を満たすことになる。
射出面３４は、入射面３２で略平行化された青色光を集光位置に集光する。射出面３４の円錐係数Ｋ２は、Ｋ２＝−ｎ^２を満たす。

なお、図５においては、青色光の光路を表す線を複数表示するが、これは実施形態１における入射面３２が固体光源２４からの光を略平行化し、射出面３４が入射面３２で略平行化された光を集光することをわかりやすく示すためのものであり、固体光源２４が複数条の光を生成することを示すものではない。

本発明においては、集光レンズにおいて、入射面の近軸曲率半径をｒ１とし、射出面の近軸曲率半径をｒ２とし、集光レンズの投影倍率をＰとし、固体光源から入射面までの距離（以下、物体距離という。）をＬ１とし、射出面から集光位置までの距離（以下、像距離という。）をＬ２とするとき、投影倍率Ｐは、Ｐ≒ｒ２÷ｒ１を満たし、物体距離Ｌ１は、Ｌ１≒ｒ１×２を満たし、像距離Ｌ２は、Ｌ２≒ｒ２×２を満たすことが好ましい。また、投影倍率Ｐは、Ｐ＝ｒ２÷ｒ１を満たし、物体距離Ｌ１は、Ｌ１＝ｒ１×２を満たし、像距離Ｌ２は、Ｌ２＝ｒ２×２を満たすことがさらに好ましい。

保持部４０は、筒状の形状を有し、固体光源２４を搭載する基板２２と、集光レンズ３０とを保持する。

固体光源ユニット固定具５０は、固体光源ユニット１０の保持部４０を固定する。固体光源ユニット固定具５０は、２５個の固定孔を有する半球形状からなり、固定孔に固体光源ユニット１０を差し込むことが可能なように構成されている。

蛍光生成部６０は、集光位置の近傍に位置し、集光レンズ３０からの光の一部から、赤色光（発光強度のピーク：約６１０ｎｍ）及び緑色光（発光強度のピーク：約５５０ｎｍ）を含む蛍光を生成する（図４（ｂ）参照。）蛍光層６４を有する。また、蛍光層６４を担持する透明部材６２を有する。蛍光生成部６０は、蛍光の生成に関わることなく蛍光層６４を通過する青色光を蛍光（赤色光及び緑色光）とともに含む光（つまり、白色光として用いることが可能な光。）を射出する。蛍光生成部６０は、全体として正方形の板状の形状を有し、所定の位置（図１参照。）に固定されている。

透明部材６２は、少なくとも固体光源ユニット１０からの光（青色光）を通過させる。透明部材６２は、例えば、光学ガラスからなる。なお、固体光源ユニットからの光を通過させ、蛍光を反射する層（例えば、誘電体多層膜）が透明部材上に形成されていてもよい。

蛍光層６４は、集光レンズ３０からの光がデフォーカス状態で蛍光層６４に入射する位置に配置されている。
蛍光層６４は、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層からなる。なお、蛍光層は、（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ以外のＹＡＧ系蛍光体を含有する層からなるものであってもよいし、シリケート系蛍光体を含有する層からなるものであってもよいし、ＴＡＧ系蛍光体を含有する層からなるものであってもよい。また、光源部からの光を赤色光に変換する蛍光体（例えばＣａＡｌＳｉＮ_３赤色蛍光体）と、光源部からの光を緑色に変換する蛍光体（例えばβサイアロン緑色蛍光体）との両方を含有する層からなるものであってもよい。
なお、蛍光の生成に関わることなく蛍光層６４を通過する一部の青色光は、蛍光とともに射出される。このとき、青色光は蛍光層６４中で散乱又は反射されるため、蛍光とほぼ同様の分布（いわゆるランバーシャン分布）特性を有する光として蛍光生成部６０から射出される。

コリメーター光学系７０は、蛍光生成部６０からの光を略平行化する。コリメーター光学系７０は、図１に示すように、第１レンズ７２及び第２レンズ７４を備える。
第１レンズ７２及び第２レンズ７４は、両凸レンズからなる。なお、第１レンズ及び第２レンズの形状は、上記形状に限定されるものではなく、要するに、第１レンズと第２レンズとからなるコリメーター光学系が、蛍光生成部６０からの光を略平行化することができる形状であればよい。また、コリメーター光学系を構成するレンズの枚数は、１枚であってもよく、３枚以上であってもよい。

第１レンズアレイ１２０は、図１に示すように、光源装置１からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。第１レンズアレイ１２０は、光源装置１からの光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、複数の第１小レンズ１２２が照明光軸１００ａｘと直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。図示による説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状は、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状に関して略相似形である。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０における複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０における各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸１００ａｘに直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光からなる光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、光源装置１からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過し、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０の光軸と照明光軸１００とが略一致するように、重畳レンズ１５０が配置されている。なお、重畳レンズは、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、光源装置１からの光をより均一にするレンズインテグレーター光学系を構成する。
なお、レンズインテグレーター光学系の代わりにインテグレーターロッドを備えるロッドインテグレーター光学系を用いることもできる。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれの色光を照明対象となる液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する機能を有する。
色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０，２２０は、基板上に、所定の波長領域の光を反射して、他の波長領域の光を通過させる波長選択透過膜が形成されている。
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を反射して、緑色光及び青色光成分を通過させる。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させる。

ダイクロイックミラー２１０で反射された赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０を通過した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０で反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。リレーレンズ２６０，２７０及び反射ミラー２４０，２５０は、ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光成分を液晶光変調装置４００Ｂまで導く機能を有する。

なお、青色光の光路にこのようなリレーレンズ２６０，２７０が設けられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の発散等による光利用効率の低下を防止するためである。実施形態１に係るプロジェクター１０００においては、青色光の光路の長さが長いのでこのような構成とされているが、赤色光の光路の長さを長くして、リレーレンズ及び反射ミラーを赤色光の光路に用いる構成も考えられる。

液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、照明装置１００の照明対象となる。なお、図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が介在配置され、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が介在配置される。これら入射側偏光板、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ及び射出側偏光板によって、入射された各色光の光変調が行われる。
液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶を密閉封入した透過型の液晶光変調装置であり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に応じて、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。

クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

次に、実施形態１に係る光源装置１及びプロジェクター１０００の効果を説明する。

実施形態１に係る光源装置１によれば、集光レンズ３０の入射面３２及び射出面３４はともに非球面からなり、入射面３２は固体光源２４からの光を略平行化し、射出面３４は入射面３２で略平行化された光を集光位置に集光するため、例え製造時のばらつき等に起因して集光レンズ３０における入射面３２の中心軸と射出面３４の中心軸とがある程度ずれたとしても、所定の集光位置に集光を行うことが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、複数の固体光源２４からの光を所定の集光位置に集光するため、従来の光源装置と同様に、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、固体光源２４及び集光レンズ３０を有する固体光源ユニット１０を複数組備えるため、従来の光源装置と同様に、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて、光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。

その結果、実施形態１に係る光源装置１は、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、集光レンズ３０の入射面３２及び射出面３４はともに双曲面からなり、入射面３２の円錐係数Ｋ１は、Ｋ１＝−ｎ^２を満たし、射出面３４の円錐係数Ｋ２は、Ｋ２＝−ｎ^２を満たすため、複数の固体光源２４で生成された光をそれぞれ略平行化する際における光の平行度を向上させることが可能となるとともに、当該平行度を向上させた光を所定の集光位置に確実に集光することが可能となるため、光利用効率をより一層高くすることが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、各固体光源ユニット１０における各固体光源２４は、各固体光源２４から集光位置までの距離が全て等しくなるように配置されているため、複数の集光レンズ２４として単一種類の集光レンズを用いることが可能となるため、光源装置の製造コストを低減することが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、固体光源２４は、半導体レーザーからなるため、半導体レーザーを高密度で集積することにより、小型で高出力な光源装置とすることが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、光源装置１は、集光位置の近傍に位置し、集光レンズ３０からの光（青色光）の一部から蛍光（赤色光及び緑色光）を生成する蛍光層６４を備えるため、固体光源２４で生成される特定波長の色光を励起光として用いることにより、所望の色光を得ることが可能となる。

また、実施形態１に係る光源装置１によれば、蛍光層６４は、集光レンズ３０からの光がデフォーカス状態で蛍光層６４に入射する位置に配置されているため、集光レンズからの光がジャストフォーカス状態で蛍光層に入射する場合と比べて、蛍光層６４に与える熱的負荷を抑制することができるため、蛍光層６４の劣化や焼損を抑制して光源装置を長寿命化することが可能となる。

実施形態１に係るプロジェクター１０００によれば、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な実施形態１に係る光源装置１を備えるため、高輝度、小型・軽量かつ従来よりも光利用効率が一層高いプロジェクターとなる。

［試験例１及び２並びに比較例１及び２］
図６は、試験例１における集光レンズ３０ａを説明するために示す図である。図６（ａ）は集光レンズ３０ａを説明するために示す平面図であり、図６（ｂ）は所定の集光位置における集光の様子を示す図である。図６（ｂ）において黒点で示すのは、集光レンズ３０ａからの光が所定の集光位置に入射する位置であり、当該黒点の数が少なく、ばらつきが小さいほど集光精度がよいということができる。後述する図７（ｂ）、図８（ｂ）及び図９（ｂ）においても同様である。
図７は、試験例２における集光レンズ３１ａを説明するために示す図である。図７（ａ）は集光レンズ３１ａを説明するために示す平面図であり、図７（ｂ）は所定の集光位置における集光の様子を示す図である。

図８は、比較例１における集光レンズ３０ｂを説明するために示す図である。図８（ａ）は集光レンズ３０ｂを説明するために示す平面図であり、図８（ｂ）は所定の集光位置における集光の様子を示す図である。
図９は、比較例２における集光レンズ３１ｂを説明するために示す図である。図９（ａ）は集光レンズ３１ｂを説明するために示す平面図であり、図９（ｂ）は所定の集光位置における集光の様子を示す図である。

以下、試験例１及び２並びに比較例１及び２を用いて、本発明における集光レンズを説明する。各試験例及び各比較例における集光レンズの性質を確認するために、それぞれシミュレーションを行った。

試験例１における集光レンズ３０ａは、図６（ａ）に示すように、実施形態１における集光レンズ３０と同じく、ともに非球面の一種である双曲面からなる入射面３２ａ及び射出面３４ａを有する。
集光レンズ３０ａは、ＰＭＭＡからなり、４４５ｎｍの青色光に対する屈折率ｎは１．５０１５４７である。
入射面３２ａの円錐係数Ｋ１ａ及び射出面３４ａの円錐係数Ｋ２ａは、ともに−２．２５４６である。「−ｎ^２」を小数点以下第３桁で四捨五入すると−２．２５となり、「Ｋ１ａ＝−ｎ^２」及び「Ｋ２ａ＝−ｎ^２」を満たす。

集光レンズ３０ａにおいては、入射面３２ａの近軸曲率半径ｒ１ａは２．００６ｍｍであり、射出面３４ａの近軸曲率半径ｒ２ａは１５．０５７ｍｍである。また、集光レンズ３０ａの投影倍率Ｐａは７であり、物体距離Ｌ１ａは４ｍｍであり、像距離Ｌ２ａは３０ｍｍであるため、「Ｐａ＝ｒ２ａ÷ｒ１ａ」、「Ｌ１ａ＝ｒ１ａ×２」及び「Ｌ２ａ＝ｒ２ａ×２」の関係を全て満たす。

試験例１における集光レンズ３０ａによれば、図６（ｂ）に示すように、固体光源からの光（４４５ｎｍの青色光）を所定の集光位置に精度よく集光することが可能であった。

試験例２における集光レンズ３１ａは、基本的には試験例１における集光レンズ３０ａと同様の構成を有するが、入射面３２ａの中心軸と射出面３４ａの中心軸とが０．５ｍｍずれている（図７（ａ）参照。）。
試験例２における集光レンズ３１ａによっても、図７（ｂ）に示すように、固体光源からの光を所定の集光位置に精度よく集光することが可能であった。

上記試験例１及び２に示したように、本発明の光源装置に用いられる集光レンズにおいては、例え製造時のばらつき等に起因して集光レンズにおける入射面の中心軸と射出面の中心軸とがある程度ずれたとしても、所定の集光位置に集光を行うことが可能となり、その結果、従来よりも光利用効率を一層高くすることが可能となることが確認できた。

比較例１における集光レンズ３０ｂは、双曲面からなる入射面３２ｂ及び楕円面からなる入射面３４ｂを有する。集光レンズ３０ｂは、本発明の光源装置における集光レンズと異なり、集光レンズ３０ｂの入射面３２ｂは、固体光源からの光を略平行化しない（図８（ａ）参照。）。
集光レンズ３０ｂは、試験例１における集光レンズ３０ａと同様に、ＰＭＭＡからなり、４４５ｎｍの青色光に対する屈折率ｎは１．５０１５４７である。
入射面３２ｂの円錐係数Ｋ１ｂは、−２０．４５４であり、射出面３４ｂの円錐係数Ｋ２ｂは、−０．２３５である。「−ｎ^２」を小数点以下第３桁で四捨五入すると−２．２５となり、「Ｋ１ｂ＝−ｎ^２」及び「Ｋ２ｂ＝−ｎ^２」を満たさない。

集光レンズ３０ｂにおいては、入射面３２ｂの近軸曲率半径ｒ１ｂは５．６９６ｍｍであり、射出面３４ｂの近軸曲率半径ｒ２ｂは３．２２１ｍｍである。また、集光レンズ３０ｂの投影倍率Ｐｂは７であり、物体距離Ｌ１ｂは４ｍｍであり、像距離Ｌ２ｂは３０ｍｍであるため、「Ｐｂ＝ｒ２ｂ÷ｒ１ｂ」、「Ｌ１ｂ＝ｒ１ｂ×２」及び「Ｌ２ｂ＝ｒ２ｂ×２」の関係を全て満たさない。

比較例１における集光レンズ３０ｂによっても、図８（ｂ）に示すように、固体光源からの光（４４５ｎｍの青色光）を所定の集光位置に精度よく集光することが可能であった。

比較例２における集光レンズ３１ｂは、基本的には比較例１における集光レンズ３０ｂと同様の構成を有するが、入射面３２ｂの中心軸と射出面３４ｂの中心軸とが０．５ｍｍずれている（図９（ａ）参照。）。
比較例２における集光レンズ３１ａによっては、図９（ｂ）に示すように、固体光源からの光を所定の集光位置に集光することが不可能であった。

上記比較例１に示したように、本発明の光源装置に用いられる集光レンズとは異なる構成を有す集光レンズ（入射面が固体光源からの光を略平行化しない集光レンズ）を用いても、入射面の中心軸と射出面の中心軸とが正確に一致していれば所定の集光位置に集光を行うことが可能である。しかしながら、上記比較例２に示したように、上記したような集光レンズでは、集光レンズにおける入射面の中心軸と射出面の中心軸とがずれてしまうと、所定の集光位置に集光を行うことが不可能となることが確認できた。

［実施形態２］
図１０は、実施形態２に係るプロジェクター１００２の光学系を示す平面図である。
図１１は、実施形態２における集光レンズ８０を説明するために示す図である。図１１（ａ）は集光レンズ８０の側面図であり、図１１（ｂ）は入射面側レンズ片８３の側面図であり、図１１（ｃ）は射出面側レンズ片８５の側面図である。
図１２は、実施形態２における集光レンズ８０のアライメントの方法を説明するために示す図である。図１２（ａ）は保持部４１に入射面側レンズ片８３を取り付けたときの断面図であり、図１２（ｂ）は入射面側レンズ片８３と射出面側レンズ片８５とを接着して集光レンズ８０を製造したときの断面図である。なお、図１２においては、各レンズ片を保持部４１に固定するための接着剤（符号８７，８８）の厚みを大きく表示している。

実施形態２に係る光源装置２は、基本的には実施形態１に係る光源装置１と同様の構成を有するが、集光レンズの構成が実施形態１に係る光源装置１の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係る光源装置２においては、図１０〜図１２に示すように、集光レンズ８０は、入射面８２を含む入射面側レンズ片８３と射出面８４を含む射出面側レンズ片８５とを接着することにより製造されたものである。

入射面側レンズ片８３は、入射面８２と、当該入射面８２の裏面に位置する平面とを含む（図１１（ａ）及び（ｂ）参照。）。
入射面８２は、実施形態１における集光レンズ３０の入射面３２と基本的に同様の構成を有する。
射出面側レンズ片８５は、射出面８４と、当該射出面８４の裏面に位置する平面とを含む（図１１（ａ）及び（ｃ）参照。）。
射出面８４は、実施形態１における集光レンズ３０の射出面３４と基本的に同様の構成を有する。
入射面側レンズ片８３の平面と射出面側レンズ片８５の平面とを接着する接着剤８６は、例えば、ＵＶ硬化型の接着剤である。
保持部４１は、実施形態１における保持部４０と基本的に同様の構成を有する。

集光レンズ８０は、固体光源２４が発光している状態で固体光源２４、入射面側レンズ片８３、射出面側レンズ８５片及び集光位置のアライメントを行った後に入射面側レンズ片８３と射出面側レンズ片８５とを接着することにより製造されたものである。具体的には、図１２（ａ）に示すように、基板２２及び固体光源２４を取り付けた保持部４１に、接着剤８７を塗布し、固体光源２４が発光している状態で入射面側レンズ片８３を微動させながらアライメントを行った後に、接着剤８７を硬化させて入射面側レンズ片８３を固定する。その後に、保持部４１に接着剤８８を塗布し、さらに、入射面側レンズ片８３に接着剤８６を塗布し、射出面側レンズ片８５を仮止めする。固体光源２４が発光している状態で射出面側レンズ片８５を微動させながらアライメントを行った後に接着剤８６，８８を硬化させ、集光レンズ８０を製造するとともに保持部４１に固定する（図１２（ｂ）参照。）。
なお、アライメントの方法は上記した方法に限られるものではない。

上記のように、実施形態２に係る光源装置２は、集光レンズの構成が実施形態１に係る光源装置１の場合とは異なるが、実施形態１に係る光源装置１と同様に、固体光源２４及び集光レンズ８０を有する固体光源ユニット１２を複数組備え、各固体光源ユニット１２からの光を所定の集光位置に集光し、集光レンズ８０の入射面８２及び射出面８４はともに非球面からなり、入射面８２は、固体光源２４からの光を略平行化し、射出面８４は、入射面８２で略平行化された光を集光位置に集光するため、小さな発光領域から高輝度の光を射出することが可能で、各固体光源からの光を単一の大きな集光レンズを用いて集光する場合と比べて光源装置の小型化及び軽量化を図ることが可能で、かつ、光利用効率を従来よりも一層高くすることが可能な光源装置となる。

また、実施形態２に係る光源装置２によれば、集光レンズ８０は、入射面８２を含む入射面側レンズ片８３と射出面８４を含む射出面側レンズ片８５とを接着することにより製造されたものであるためプレス加工等により一度に入射面及び射出面を形成して集光レンズを製造する場合と比べ、入射面８２の中心軸と射出面８４の中心軸とを高精度で一致させることができる。

また、実施形態２に係る光源装置２によれば、集光レンズ８０は、アライメントを行った後に入射面側レンズ片８３と射出面側レンズ片８５とを接着することにより製造されたものであるため、各レンズ片を微動させながらアライメントを行った後に集光レンズとして固定することが可能となり、固体光源２４からの光が所定の集光位置に集光された状態で固体光源２４、集光レンズ８０及び集光位置の位置関係を固定することが可能となる。

なお、実施形態２に係る光源装置２は、集光レンズの構成が実施形態１に係る光源装置１と異なる以外は、実施形態１に係る光源装置１と同様の構成を有するため、実施形態１に係る光源装置１が有する効果のうち該当する効果をそのまま有する。

以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

（１）上記各実施形態においては、保持部を有する固体光源ユニットを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。図１３は、変形例１に係るプロジェクター１００４の光学系を示す平面図である。図１４は、変形例１における固体光源２４の配置状態を説明するために示す図である。図１４（ａ）は複数の基板２３、複数の固体光源２４及び固体光源固定具５２の斜視図であり、図１４（ｂ）は複数の基板２３、複数の固体光源２４及び固体光源固定具５２を蛍光生成部６０側から見た図である。図１５は、変形例１における集光レンズ３０の配置状態を説明するために示す図である。図１５（ａ）は複数の集光レンズ３０及び集光レンズ固定具５４の斜視図であり、図１５（ｂ）は複数の集光レンズ３０及び集光レンズ固定具５４を蛍光生成部６０側から見た図である。変形例１に係る光源装置３においては、固体光源ユニット１４は保持部を有さず、固体光源２４を搭載する基板２３は基板２３同士で、集光レンズ３０は集光レンズ３０同士で、それぞれ固体光源固定具５２及び集光レンズ固定具５４により固定されている。例えば、図１３〜１５に示すように、保持部を有しない固体光源ユニットを用いてもよい。

（２）上記各実施形態においては、各固体光源２４から集光位置までの距離が全て等しくなるように配置されている各固体光源２４を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。図１６は、変形例２に係る光源装置４の光学系を示す平面図である。変形例２に係る光源装置４においては、各固体光源ユニット（１６ａ〜１６ｅ）は、平板状の固体光源ユニット固定具５６に固定されており、各固体光源２４は、各固体光源２４から集光位置までの距離が等しくなるように配置されていない。例えば、図１６に示すように、各固体光源から集光位置までの距離が等しくなるように配置されていない各固体光源を用いてもよい。この場合においては、各固体光源、各集光レンズ及び集光位置の位置関係に応じて、それぞれ適切な種類の集光レンズを用いる必要がある。

（３）上記各実施形態においては、蛍光層を備え、蛍光を含む光を射出する光源装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。蛍光層を備えず、固体光源が生成する光のみを射出する光源装置を用いてもよい。この場合においては、所定の集光位置の近傍にインテグレーターロッド等の光均一化手段を配置することで、固体光源ユニットからの光を均一化することができる。

（４）上記各実施形態においては、励起光として青色光を生成する固体光源２４と、青色光の一部から赤色光及び緑色光を含む蛍光を生成する蛍光層６４とを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、励起光として紫色光又は紫外光を生成する固体光源と、紫色光又は紫外光から赤色光、緑色光及び青色光を含む色光を生成する蛍光層とを用いてもよい。また、上記各実施形態においては、光源装置が白色光として用いることができる光を射出するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。光源装置が白色光として用いることができる光以外の光（例えば、赤色光及び緑色光からなる光や、特定の色光成分を多く含む光）を射出するように構成してもよい。

（５）上記各実施形態においては、発光強度のピークが約４６０ｎｍの青色光を生成する固体光源２４を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光強度のピークが４４０ｎｍ〜４５０ｎｍの青色光を生成する固体光源を用いてもよい。このような構成とすることにより、蛍光体において、青色光から蛍光を生成する効率を向上させることが可能となる。

（６）上記各実施形態においては、半導体レーザーからなる固体光源２４を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光ダイオードからなる固体光源を用いてもよい。

（７）上記各実施形態においては、透過型のプロジェクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射型のプロジェクターを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型の液晶光変調装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型のプロジェクターにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクターと同様の効果を得ることができる。

（８）上記各実施形態においては、プロジェクターの光変調装置として液晶光変調装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。光変調装置としては、一般に、画像情報に応じて入射光を変調するものであればよく、マイクロミラー型光変調装置等を用いてもよい。マイクロミラー型光変調装置としては、例えば、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（ＴＩ社の商標）を用いることができる。

（９）上記各実施形態においては、３つの液晶光変調装置を用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。１つ、２つ又は４つ以上の液晶光変調装置を用いたプロジェクターにも適用可能である。

（１０）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。

（１１）上記各実施形態においては、本発明の光源装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の光源装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、照明機器等。）に適用することもできる。

１，２，３，４…光源装置、１０，１２，１４，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ…固体光源ユニット、２２，２３…基板、２４…固体光源、３０，３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，８０…集光レンズ、３２，３２ａ，３２ｂ，８２…入射面、３４，３４ａ，３４ｂ，８４…射出面、４０，４１，４２…保持部、５０，５６…固体光源ユニット固定具、５２…固体光源固定具、５４…集光レンズ固定具、６０…蛍光生成部、６２…透明部材、６４…蛍光層、７０…コリメート光学系、７２…第１レンズ、７４…第２レンズ、８３…入射面側レンズ片、８５…射出面側レンズ片、８６，８７，８８…接着剤、１００，１０２，１０４…照明装置、１００ａｘ，１０２ａｘ，１０４ａｘ…照明光軸、１２０…第１レンズアレイ、１２２…第１小レンズ、１３０…第２レンズアレイ、１３２…第２小レンズ、１４０…偏光変換素子、１５０…重畳レンズ、２００…色分離導光光学系、２１０，２２０…ダイクロイックミラー、２３０，２４０，２５０…反射ミラー、２６０，２７０…リレーレンズ、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…集光レンズ、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶光変調装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系、１０００，１００２，１００４…プロジェクター、ＳＣＲ…スクリーン

Claims (9)

1. 固体光源及び集光レンズを有する固体光源ユニットを複数組備え、各固体光源ユニットからの光を所定の集光位置に集光する光源装置であって、
   前記集光レンズの入射面及び射出面はともに非球面からなり、
   前記入射面は、前記固体光源からの光を略平行化し、
   前記射出面は、前記入射面で略平行化された光を前記集光位置に集光することを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記集光レンズの前記入射面及び前記射出面はともに双曲面からなり、
   前記集光レンズの、前記固体光源からの光に相当する波長に対する屈折率をｎとするとき、
   前記入射面の円錐係数Ｋ１は、Ｋ１＝−ｎ^２を満たし、
   前記射出面の円錐係数Ｋ２は、Ｋ２＝−ｎ^２を満たすことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１又は２に記載の光源装置において、
   前記各固体光源ユニットにおける各固体光源は、各固体光源から前記集光位置までの距離が全て等しくなるように配置されていることを特徴とする光源装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置において、
   前記集光レンズは、前記入射面を含む入射面側レンズ片と前記射出面を含む射出面側レンズ片とを接着することにより製造されたものであることを特徴とする光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置において、
   前記集光レンズは、前記固体光源が発光している状態で前記固体光源、前記入射面側レンズ片、前記射出面側レンズ片及び前記集光位置のアライメントを行った後に前記入射面側レンズ片と前記射出面側レンズ片とを接着することにより製造されたものであることを特徴とする光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置において、
   前記固体光源は、半導体レーザーからなることを特徴とする光源装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置において、
   前記光源装置は、前記集光位置の近傍に位置し、前記集光レンズからの光の一部又は全部から蛍光を生成する蛍光層をさらに備えることを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置において、
   前記蛍光層は、前記集光レンズからの光がデフォーカス状態で前記蛍光層に入射する位置に配置されていることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光源装置を備える照明装置と、
   前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置からの変調光を投写画像として投写する投写光学系とを備えることを特徴とするプロジェクター。

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