JP2015031759A - 光源装置および光学エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体からの発光を効率よく集光することができる光源装置および光学エンジンを提供する。
【解決手段】光源装置１は、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３と、赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２と、透過領域１４３とが敷設されたホイール基板１４と、ホイール基板１４の光入射面側に配置され、ホイール基板１４の中心を回転軸１５ｂで支持して回転駆動するモータ１５と、ホイール基板１４の出射面側に配置され、当該ホイール基板１４の出射面から出射された光を集光する集光光学系１６と、を備え、集光光学系１６は、ホイール基板１４の出射面から出射された光の基準軸を光軸としたレンズ（平凸レンズ１６１，１６２）で構成され、レンズ（平凸レンズ１６１）が、ホイール基板１４の中心を覆う大きさで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、透過型の蛍光体ホイールでの蛍光体の発光をレンズで集光する光源装置および光学エンジンに関する。

従来のプロジェクタでは、超高圧水銀ランプやキセノンランプなど放電タイプの光源が使用されているが、消費電力および環境負荷の優位性などを考慮し、発光ダイオードや半導体レーザを光源とする構成が提案されている（特許文献１〜５参照）。

特に、半導体レーザ装置と蛍光体とを組み合わせたハイブリッドタイプのものは、安全性を考慮に入れた高輝度なプロジェクタとして期待が大きい。
例えば、特許文献３には、青色帯域の光を発生するレーザ発光器（青色半導体レーザ装置）と、青色光を吸収し緑色光を出射する蛍光体領域、青色光を吸収し赤色光を出射する蛍光体領域および光拡散効果のある透過領域を含む円形板状の発光板（蛍光体ホイール）と、蛍光体ホイールを円周方向に回転させる駆動装置（モータ）と、蛍光体ホイールの表裏両面近傍に配置された集光レンズ群とにより構成されたプロジェクタが記載されている。

このプロジェクタは、モータにより蛍光体ホイールを回転させながら、青色半導体レーザ装置からの青色光を、蛍光体ホイールの表側に配置された集光レンズ群により蛍光体ホイールに集光照射させる。そして、プロジェクタは、蛍光体ホイールの蛍光体領域から出射された赤色光および緑色光と、透過領域を透過した青色光と、を蛍光体ホイールの裏側に配置された集光レンズ群により取り込み、照明光を作っている。

また、特許文献５には、励起光源を紫外光（青紫色光）とし、青紫色光を吸収し青色光を出射する蛍光体と、青紫色光を吸収し緑色光を出射する蛍光体と、青紫色光を吸収し赤色光を出射する蛍光体と、が塗布された蛍光体ホイールが記載されている。

特開２００８−００２５１８号公報 特開２０１２−０８８４５１号公報 特開２０１１−０１３３１３号公報 特開２０１１−０６５７７０号公報 特開２００４−３４１１０５号公報

ところで、蛍光体からの発光を照明の少なくとも一部に使う場合、高輝度化のためには発光を効率よく集める必要がある。その一方で、蛍光体は散乱光のように広範囲に拡散して光を出射するため、レンズで蛍光体からの発光を効率よく集めるためには、レンズの直径を大きくし、かつ、レンズと蛍光体との間隔をできる限り近づけなければならない。

しかしながら、例えば特許文献３に記載のプロジェクタでは、ホイール基板の拡散光が出射される側にモータが配置されている。また、蛍光体ホイールがモータの回転軸と固定冶具によってモータ本体に接続されている。そのため、レンズと蛍光体ホイールとを近づけると、レンズがモータ本体または固定冶具と干渉するおそれがある。したがって、レンズがモータ本体または固定冶具と干渉しないようにするためには、レンズの直径を小さくしなければならない。一方、レンズの直径を大きくするためには、蛍光体ホイールの直径自体を大きくする必要があり、その結果、光源全体が大型化してしまう。

一方、特許文献４では、光源装置の蛍光体ホイールにおいて、励起光源を拡散透過する領域からの透過拡散光を集光するレンズとして、モータと物理的に干渉する部分を切断したレンズ（Ｄカットレンズ）を用い、このレンズの直径を蛍光体ホイールの半径方向に大きくすることで、透過拡散光を効率良く取り込む手法が提案されている。しかしながら、特許文献４に記載の光源装置では、蛍光体ホイールの透過拡散光が出射される側にモータが配置されているため、レンズと蛍光体とを近づけるためにレンズを所定量切断せざるを得ない。そのため、光の取り込み面積が減少してしまい、なお十分に透過拡散光を集光できていないという問題がある。

このように、前記した従来の光源装置では、モータと蛍光等を集光するレンズとが基板に対して同じ側に配置されているので、モータと干渉しない大きさでレンズを形成しなければならない。このように、従来の光源装置では、蛍光等を集光するレンズの大きさがモータの大きさや位置によって制限されてしまうため、蛍光等の拡散光を十分に集光できず、その結果、光の利用効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、蛍光体からの発光を効率よく集光することができる光源装置および光学エンジンを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために本発明に係る光源装置は、半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置からの出射光を、前記出射光と異なる波長の光に変換する蛍光体が敷設された少なくとも１種類の蛍光領域を備えたホイール基板と、前記ホイール基板の入射面側に配置され、前記ホイール基板の中心を回転軸で支持して回転駆動するモータと、前記ホイール基板の出射面側に配置され、前記ホイール基板の出射面からの光を集光する集光光学系と、を備え、前記集光光学系は、前記ホイール基板の出射面からの光の基準軸を光軸としたレンズで構成され、前記レンズが、前記ホイール基板の中心を覆う大きさで形成されていることとした。

本発明に係る光源装置によれば、ホイール基板からの出射光（蛍光）を集光するレンズをホイール基板の出射面側に、つまり、ホイール基板に対しモータの反対側に配置することで、モータとの干渉を回避することができる。そのため、モータの大きさや位置を考慮してレンズの大きさを設計する必要がなくなり、レンズを大きく形成することができる。具体的には、レンズをホイール基板の中心を覆う大きさで形成することで、光の取り込み面積を増加させることができるので、蛍光体からの発光を効率よく集光することができる。したがって、本発明に係る光源装置によれば、光の利用効率を向上させることができる。

（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る光源装置の全体構成を示す概略図、（ｂ）は、（ａ）に示した光源装置におけるホイール基板の正面図およびＡ−Ａ線切断部端面図である。 （ａ）は、固定部材を留め具とした場合のホイール基板およびモータの側面図、（ｂ）は、（ａ）に示したホイール基板およびモータのＦ−Ｆ線切断部端面図、（ｃ）は、固定部材を接着剤とした場合のホイール基板およびモータの側面図、（ｄ）は、（ｃ）に示したホイール基板およびモータのＧ−Ｇ線切断部端面図である。 （ａ）は、本発明の第二実施形態に係る光源装置の全体構成を示す概略図、（ｂ）は、（ａ）に示したホイール基板の正面図およびＢ−Ｂ線切断部端面図、（ｃ）は、（ａ）に示した光源装置におけるホイール基板およびモータの側面図およびＣ−Ｃ線切断部端面図である。 （ａ）は、本発明の第二実施形態の変形例に係る光源装置の全体構成を示す概略図、（ｂ）は、（ａ）に示したホイール基板の正面図およびＥ−Ｅ線切断部端面図である。 蛍光体からの発光（蛍光）を１枚の平凸レンズで取り込む構成で、レンズの直径および蛍光体とレンズ第一面との距離を変化させて、蛍光の取り込み効率のシミュレーションを行った結果を示すグラフである。 本発明の第一実施形態に係る光源装置を備える光学エンジンを示す概略図である。

［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態に係る光源装置について、図面を参照しながら説明する。以下の説明で参照する図面は、本発明を概略的に示したものであるため、部材のスケールや位置関係などが誇張、あるいは部材の一部が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称および符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

以下、本発明の第一実施形態に係る光源装置１の構成について図１，２を参照しながら説明する。
光源装置１は、図１に示すように、半導体レーザ装置１１と、コリメートレンズ１２と、照射光学系１３と、ホイール基板１４と、モータ１５と、集光光学系１６と、を備える構成とした。

半導体レーザ装置１１は、ここでは、それぞれ４００ｎｍから４８０ｎｍの波長帯の青色レーザ光を出射する３つの半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３により構成されている。なお、以下の説明で前方（前側）、後方（後側）というときは、半導体レーザ装置１１からの出射光の進行方向を基準とするものとする。

コリメートレンズ１２は、半導体レーザ装置１１の前方に配置され、半導体レーザ装置１１から出射される発散光を平行光として出射するものである。コリメートレンズ１２は、半導体レーザ装置１１の数に対応する数だけ設けられる。コリメートレンズ１２は、ここでは半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３のそれぞれに対応するコリメートレンズ１２１，１２２，１２３により構成されている。コリメートレンズ１２１は、半導体レーザ装置１１１から出射される青色光の基準軸を光軸として配置されている。コリメートレンズ１２２は、半導体レーザ装置１１２から出射される青色光の基準軸を光軸として配置されている。コリメートレンズ１２３は、半導体レーザ装置１１３から出射される青色光の基準軸を光軸として配置されている。なお、以下の図面では、コリメートレンズ１２から出射された平行光の光軸を一点鎖線で示している。

照射光学系１３は、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３の前方に配置され、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３から出射された平行光を、ホイール基板１４の光入射面に集光して照射するものである。照射光学系１３は、１つ以上のレンズで構成されている。ここでは、図１に示すように、照射光学系１３は、１つの両凸レンズ１３１と、２つの平凸レンズ１３２，１３３とにより構成されており、光の進行方向に沿って、両凸レンズ１３１、平凸レンズ１３２、平凸レンズ１３３の順で配置されている。

両凸レンズ１３１は、全てのコリメートレンズ１２１，１２２，１２３からの出射光を全て取り込むことができる大きさ（有効口径）で形成され、全ての出射光を両凸レンズ１３１の光軸に近づける。平凸レンズ１３２は、両凸レンズ１３１を通過した光をさらに平凸レンズ１３２の光軸に近づける。平凸レンズ１３３は、平凸レンズ１３２を通過した光をホイール基板１４に照射する。また、平凸レンズ１３３の直径は、近傍に配置されたモータ１５と干渉しない大きさで形成される。

ホイール基板１４は、図１（ｂ）に示すように、例えば石英やガラス等の透明な材料で形成された円板状部材であり、図１（ｂ）に示すように、照射光学系１３に対し反対側の表面に、周方向に沿って、赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２と、透過領域（通過領域）１４３との３つの領域が設けられている。ホイール基板１４は、中心に、モータ１５の回転軸１５ｂを挿通させるための挿入孔１４４が設けられている。また、赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２と、透過領域１４３とは、ホイール基板１４の中心よりも周方向外側の領域に設けられている。また、ここでは赤色蛍光体領域、緑色蛍光体領域として説明するが、これら蛍光体が敷設された領域を総称して蛍光領域と称することがある。

赤色蛍光体領域１４１は、半導体レーザ装置１１から出射され、照射光学系１３により集光照射された青色光によって励起されて、赤色光を出射する蛍光体が敷設された領域である。緑色蛍光体領域１４２は、半導体レーザ装置１１から出射され、照射光学系１３により集光照射された青色光によって励起されて、緑色光を出射する蛍光体が敷設された領域である。透過領域１４３は、ここでは、ホイール基板１４を所定量切り欠いた空間として構成されており、半導体レーザ装置１１から出射され、照射光学系１３により集光照射された青色光を透過させる領域である。

ホイール基板１４は、ここでは、図１（ｂ）に示すように、赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２とが略同じ表面積を有しており、かつ、透過領域１４３よりも広い表面積を有しているが、各領域の範囲は適宜変更することができる。また、ここでは、ホイール基板１４の赤色蛍光体領域１４１に敷設された赤色蛍光体と、緑色蛍光体領域１４２に敷設された緑色蛍光体とは、同じ厚さを有している。

ここで、ホイール基板１４の光入射面とは、ホイール基板１４において、照射光学系１３における平凸レンズ１３３の出射面と対向する面のことである。ホイール基板１４の光出射面とは、ホイール基板１４において、赤色蛍光体領域１４１の光出射側の表面、緑色蛍光体領域１４２の光出射側の表面および透過領域１４３の光出射側の表面のことである。なお、透過領域１４３は、ホイール基板１４の板面を所定量切り欠いて形成された空間であるため、透過領域１４３の光出射側の表面は、赤色蛍光体領域１４１および緑色蛍光体領域１４２の光出射側の表面よりも後側に位置する。以下で、ホイール基板１４の光出射面というときは、赤色蛍光体領域１４１および緑色蛍光体領域１４２の光出射側の表面の位置を指すものとする。

モータ１５は、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、モータ本体１５ａと、モータ本体１５ａの中心から突出する回転軸１５ｂとを備えている。このモータ１５は、ホイール基板１４の入射面側に配置され、ホイール基板１４の中心を回転軸１５ｂで支持して回転駆動する。
モータ本体１５ａは、回転軸１５ｂを駆動させるための動力を発生させて回転軸１５ｂに供給するものである。回転軸１５ｂは、モータ本体１５ａの中心から突出しており、先端部分にホイール基板１４を固定した状態でモータ本体１５ａから供給された動力により自転することでホイール基板１４を周方向に回転させるものである。モータ１５は、ホイール基板１４に対して半導体レーザ装置１１側に配置される。

ここで、モータ１５の回転軸１５ｂにホイール基板１４を固定する方法について説明する。
回転軸１５ｂは、図２（ｂ），（ｄ）に示すように、ホイール基板１４の光入射面側から挿入孔１４４に挿通され、ホイール基板１４の光出射面側から突出した先端部分に固定部材１７が装着されることで、ホイール基板１４を固定する。固定部材１７としては、例えば図２（ｂ）に示す留め具１７ａや、図２（ｄ）に示す接着剤１７ｂ等が挙げられる。なお、図１（ａ）および図２（ａ）では、固定部材１７を図２（ｂ）に示す留め具１７ａとした例を示した。

図２（ａ），（ｂ）に示す留め具１７ａは、例えば金属や樹脂で形成されており、回転軸１５ｂよりも直径が大きい厚肉の円板状部材である。留め具１７ａは、一面側の中央に、回転軸１５ｂの直径と略同等の直径を有する平面視円形状の凹部を有している。この留め具１７ａの凹部を、ホイール基板１４の光出射面側から回転軸１５ｂの先端部分に嵌合することで、ホイール基板１４を回転軸１５ｂから抜けないように固定する。例えば、回転軸１５ｂの先端部分と、留め具１７ａの凹部の内壁とにそれぞれねじ溝を形成しておき、回転軸１５ｂの先端部分のねじ溝に、留め具１７ａの凹部のねじ溝を噛み合わせて固定してもよい。

また、図２（ｃ），（ｄ）に、固定部材１７を接着剤とした場合の例を示した。図２（ｄ）に示すように、固定部材１７を接着剤１７ｂとする場合、ホイール基板１４の光出射面側から突出した回転軸１５ｂの先端部分とその周囲のホイール基板１４の表面とに亘って接着剤１７ｂを塗布して硬化させる。これにより、ホイール基板１４を回転軸１５ｂから抜けないように固定する。

回転軸１５ｂは、先端部分にホイール基板１４を固定した状態で、モータ本体１５ａとホイール基板１４とが当接しない長さとなっている。ここでの長さとは、モータ本体１５ａからの突出長さのことである。つまり、回転軸１５ｂの先端部分にホイール基板１４を固定した状態で、モータ本体１５ａとホイール基板１４の光入射面との間には、適度な隙間が形成されている。これにより、ホイール基板１４とモータ本体１５ａとの干渉を防ぐことができ、ホイール基板１４の回転動作がモータ本体１５ａによって妨げられないようにすることができる。

集光光学系１６は、ホイール基板１４の光出射面から出射された拡散光（蛍光）を集光するものである。集光光学系１６は、複数のレンズで構成されている。ここでは、図１（ａ）に示すように、集光光学系１６を２つの平凸レンズ１６１，１６２で構成した。平凸レンズ１６１，１６２は、ホイール基板１４からの蛍光の基準軸を光軸として、光の進行方向に沿って平凸レンズ１６１、平凸レンズ１６２の順で配置されている。なお、ホイール基板１４からの蛍光の基準軸は、半導体レーザ装置１１からの出射光の基準軸と一致している。また、平凸レンズ１６１，１６２は、平面側を光入射側（ホイール基板１４側）に向け、凸面側を集光側に向けて配置されている。

平凸レンズ１６１は、ホイール基板１４の光出射面から出射された光を取り込んで、平凸レンズ１６２に出射するものである。平凸レンズ１６２は、平凸レンズ１６１からの出射光を入射して平凸レンズ１６１の光軸に近づけ、合波光（図示せず）に出射するものである。

ここで、ホイール基板１４の光出射面に最も近い側に配置される平凸レンズ１６１は、ホイール基板１４の光出射面側から見たときに、ホイール基板１４の中心を覆う大きさ（直径）で形成されている。つまり、ホイール基板１４の光出射面側から見ると、その中心は、平凸レンズ１６１によって隠れることとなる。
なお、集光光学系１６を２つ以上のレンズで構成する場合、ホイール基板１４の光出射面に最も近い側に配置されるレンズを、ホイール基板１４の中心を覆う大きさで形成することとする。

このように、集光光学系１６を構成するレンズのうち、ホイール基板１４の光出射面に最も近い側に配置される平凸レンズ１６１の直径を大きくすることで、光学的な有効範囲（光の取り込み面積）を広くすることができる。そのため、ホイール基板１４の光出射面から出射された拡散光の上下左右方向の光線束を有効光として効率よく集光することができる。これにより、モータとの物理的な干渉がおきないように大きさを制限したレンズを用いた場合に比べて、拡散光の利用効率を向上させることができる。

また、ホイール基板１４に最も近い側に配置されるレンズ（ここでは平凸レンズ１６１）は、ホイール基板１４の回転動作を妨げない範囲で、できる限りホイール基板１４の光出射面側に近接させて配置することが好ましい。これにより、ホイール基板１４の光出射面側から出射された拡散光を、さらに効率よく集光することができるので、有効光を増やすことができる。

ここでは、図２（ｂ），（ｄ）を参照して前記したように、ホイール基板１４の光出射面側において、ホイール基板１４の光出射面よりも固定部材または回転軸１５ｂの先端部分の方が前側に突出している。そのため、固定部材または回転軸１５ｂの先端部分と干渉しない範囲で平凸レンズ１６１をホイール基板１４の光出射面にできる限り近接させて配置するとよい。

このように構成された光源装置１の動作について、図１，２を適宜参照しながら説明する。
光源装置１は、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３によって、青色レーザ光（青色光）を発生し、発生した青色光を対応するコリメートレンズ１２１，１２２，１２３に照射する。光源装置１は、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３によって、対応する半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３からの出射光を入射して平行光とし、照射光学系１３に出射する。

そして、光源装置１は、照射光学系１３の両凸レンズ１３１、平凸レンズ１３２、平凸レンズ１３３によって、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３から出射された平行光を集光し、ホイール基板１４の光入射面に照射する。

このとき、光源装置１は、モータ１５のモータ本体１５ａで発生させた駆動力により、回転軸１５ｂを介してホイール基板１４を回転駆動させ、ホイール基板１４の赤色蛍光体領域１４１、緑色蛍光体領域１４２または透過領域１４３のいずれかの光入射面を照射光学系１３の光出射面に対向させる。つまり、ホイール基板１４の赤色蛍光体領域１４１、緑色蛍光体領域１４２または透過領域１４３のいずれかの光入射面を、半導体レーザ装置１１からの出射光の光軸上に位置させる。

ホイール基板１４は、赤色蛍光体領域１４１によって、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３から出射され、照射光学系１３で集光照射された青色光を入射すると、入射した青色光によって励起されて赤色波長帯域の光を発生して光出射面から出射する。一方、ホイール基板１４は、緑色蛍光体領域１４２によって、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３から出射され、照射光学系１３で集光照射された青色光を入射すると、入射した青色光によって励起されて緑色波長帯域の光を発生して光出射面から出射する。また、ホイール基板１４は、透過領域１４３によって、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３から出射され、照射光学系１３で集光照射された青色光を入射すると、入射した青色光をそのまま透過させて光出射面から出射する。

光源装置１は、集光光学系１６の平凸レンズ１６１によって、ホイール基板１４の光出射面から出射された光を入射して集光し、平凸レンズ１６２に出射する。光源装置１は、集光光学系１６の平凸レンズ１６２によって、平凸レンズ１６１から出射された光を入射して集光し、合波系（図示せず）等に出射する。光源装置１は、以上のように動作する。

以上説明した第一実施形態に係る光源装置１によれば、次のような優れた作用効果を奏する。
つまり、光源装置１によれば、モータ１５をホイール基板１４に対して半導体レーザ装置１１側に配置しているので、モータ１５の配置や大きさによって、集光光学系１６を構成するレンズの大きさ（直径）が制限されない。

そして、光源装置１によれば、集光光学系１６を構成するレンズのうち、ホイール基板１４の光出射面に最も近い側に配置される平凸レンズ１６１を、ホイール基板１４の中心を覆う大きさで形成している。そのため、光源装置１は、ホイール基板１４の光出射面から出射された拡散光を集光光学系１６の平凸レンズ１６１によって、有効光として効率よく集光することができる。そのため、光源装置１によれば、光の利用効率を向上させることができる。

このように、光源装置１によれば、ホイール基板１４の光出射面に最も近い側に配置される平凸レンズ１６１の光の入射面を広くすることができる。よって、モータ本体１５ａと物理的な干渉がおきないよう直径を小さくしたレンズや、モータ本体１５ａと物理的な干渉が起きる部分を切除したレンズを用いた場合に比べて、ホイール基板１４の直径を大きくすることなく蛍光を効率よく集光できるので、装置を小型化しつつ蛍光の利用効率を向上させることができる。

さらに、光源装置１によれば、ホイール基板１４の周方向に赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２と、透過領域１４３とが並んで設けられている。そのため、モータ１５によりホイール基板１４を回転させて、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３からの出射光を入射させる領域を切り替えることで、時分割により、赤色、緑色、青色の蛍光を発生させることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る光源装置１Ａについて、図３を参照しながら説明する。
光源装置１Ａは、図３（ａ）に示すように、半導体レーザ装置１１と、コリメートレンズ１２と、照射光学系１３と、ホイール基板１４Ａと、モータ１５と、集光光学系１６と、を備える構成とした。図３（ａ）に示す光源装置１Ａにおいて、ホイール基板１４Ａ以外の構成は、図１（ａ）に示した光源装置１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

ホイール基板１４Ａは、図３（ｂ）に示すように、円板状部材であって、ホイール基板１４Ａの光出射面側において、ホイール基板１４Ａの中心から所定の半径内の領域を光入射面側に凹状に窪ませた平面視円形状の窪みが形成されている。ここでは、その平面視円形状の窪みを凹状部１４５と呼ぶ。所定の半径は、凹状部１４５が、ホイール基板１４Ａの表面において、赤色蛍光体領域１４１、緑色蛍光体領域１４２および透過領域１４３よりも内側の領域内に収まる範囲内で適宜設定することができる。

ホイール基板１４Ａは、図３（ｂ）に示すように、中心（凹状部１４５の中心）に、モータ１５の回転軸１５ｂを、ホイール基板１４Ａの光入射面側から光出射面側に挿通するための挿入孔１４４が設けられている。以下では、図３（ｂ）に示すように、ホイール基板１４Ａの光出射面から凹状部１４５の表面までの深さ（距離）をＷとして説明する。ここで、「ホイール基板の光出射面」とは、赤色蛍光体領域１４１に敷設された赤色蛍光体の表面（光出射面）、緑色蛍光体領域１４２に敷設された緑色蛍光体の表面、および、透過領域１４３に拡散板が敷設されている場合には拡散板の表面が該当する。

ここで、図３（ｃ）に、図３（ａ）に示すモータ１５およびホイール基板１４ＡのＣ−Ｃ線断面図を示した。図３（ｃ）に示すように、モータ１５の回転軸１５ｂにホイール基板１４Ａが固定された状態で、ホイール基板１４Ａの光出射面が最表面となっている。
最表面とは、モータ１５の回転軸１５ｂにホイール基板１４Ａが固定された状態で、ホイール基板１４Ａの光出射面側で最も光の進行方向前側に位置する面のことである。
ここでは、モータ１５の回転軸１５ｂにホイール基板１４Ａが固定された状態で、回転軸１５ｂの先端に取り付けられた固定部材１７（ここでは留め具１７ａ）の先端面は、ホイール基板１４Ａの光出射面よりも後側に位置している。

図３（ｃ）に示すように、ホイール基板１４Ａは、凹状部１４５が形成された部分の板厚が、凹状部１４５の深さの分だけ、その周辺の他の部分の板厚よりも薄くなっている。そのため、ホイール基板１４Ａは、凹状部１４５の底面が、他の部分の表面よりも低い（下がった）位置となる。このようにして形成された凹状部１４５内に固定部材（留め具１７ａ）を配置すると、凹状部１４５の深さによって、留め具１７ａの高さが吸収されることになる。そのため、図３（ｃ）に示すように、モータ１５の回転軸１５ｂにホイール基板１４Ａが固定された状態で、留め具１７ａの先端面が、ホイール基板１４Ａの光出射面よりも後側に位置することとなる。

図３（ｃ）に示すように、凹状部１４５の底面から留め具１７ａの先端面までの高さは、凹状部１４５の底面からホイール基板１４Ａの光出射面までの高さに比べて、Δ分だけ低くなっている。ホイール基板１４Ａの光出射面から凹状部１４５の底面までの深さＷは、ホイール基板１４Ａを固定部材によりモータ１５の回転軸１５ｂに固定した状態で、ホイール基板１４Ａの光出射面が最表面となる値に設定する。なお、図３（ｃ）では、固定部材を留め具１７ａとした例を示したが、固定部材を図２（ｃ）に示したような接着剤とした場合も、同様にホイール基板１４Ａの光出射面が最表面となるように深さＷを設定する。

このように、ホイール基板１４Ａの光出射面よりも固定部材（ここでは留め具１７ａ）の表面が光の進行方向後側に位置しているので、集光光学系１６のレンズをホイール基板１４Ａの光出射面により近接させて配置することができる。
そして、集光光学系１６を構成するレンズを、ホイール基板１４Ａの光出射面に近接させて配置したとしても固定部材と干渉しないため、ホイール基板１４Ａの回転動作が妨げられることはない。

集光光学系１６を構成する複数のレンズのうち、ホイール基板１４Ａの光出射面に最も近い側に配置されるレンズの入射面と、ホイール基板１４Ａにおける光出射面との間隔が２ｍｍ以下になるように集光光学系１６を配置することが好ましい。ここでは、集光光学系１６を構成するレンズのうち、ホイール基板１４Ａの光出射面に最も近い側に配置されるレンズは平凸レンズ１６１となる。

このようにすると、平凸レンズ１６１によって拡散光を効率よく集光することができるので、有効光を増やすことができる。また、モータ１５のモータ本体１５ａで発生した振動が回転軸１５ｂを介して伝えられることによって、ホイール基板１４Ａの回転に光軸方向の揺れが加わったとしても、ホイール基板１４Ａと平凸レンズ１６１とが干渉しないようにすることができる。

このような光源装置１Ａは、第一実施形態で説明した光源装置１と同様に動作する。
第二実施形態に係る光源装置１Ａによれば、第一実施形態で説明した光源装置１の作用効果に加え、以下のような優れた作用効果を奏する。
光源装置１Ａは、ホイール基板１４Ａが、凹状部１４５を備えているため、ホイール基板１４Ａをモータ１５の回転軸１５ｂに固定した状態で、回転軸１５ｂの先端を出射面と同一平面または出射面より入射面側に凹んだ状態とすることができ、ひいてはホイール基板１４の光出射面が最表面となる。これにより、光源装置１Ａは、集光光学系１６を構成するレンズ（平凸レンズ１６１）をホイール基板１４Ａの光出射面に、より近接させて配置することができる。
そして、光源装置１Ａによれば、ホイール基板１４Ａの光出射面に最も近い位置に配置された平凸レンズ１６１によって、ホイール基板１４Ａの光出射面から出射された拡散光を効率よく集光することができるので、有効光をさらに増やすことができる。したがって、光源装置１Ａによれば、光の利用効率をさらに向上させることができる。

［変形例］
次に、第二実施形態に係る光源装置１Ａのホイール基板１４Ａの変形例に係るホイール基板１４Ｂを備える光源装置１Ｂについて、図４を参照しながら説明する。
なお、図４に示した光源装置１Ｂは、図３に示した第二実施形態に係る光源装置１Ａに対し、ホイール基板１４Ａに代えてホイール基板１４Ｂを備える点のみが相違する。そのため、以下では、光源装置１Ｂのホイール基板１４Ｂの構成のみを説明する。

図３（ｂ）に示した第二実施形態に係る光源装置１Ａのホイール基板１４Ａは、均一な板厚を有する円板状部材の一面側（光出射面側）の中心部分を他面側（光入射面側）に所定量凹ませることにより、凹状部１４５が形成されている。このようにすると、図３（ｂ）に示すように、凹状部１４５の深さを確保するために、ホイール基板１４Ａにおいて、凹状部１４５の周辺部分、つまり、蛍光体領域および透過領域が形成される部分の板厚が大きくなる。例えば、ホイール基板１４Ａを石英等の透明な材料で形成したとしても、板厚が大きいと、照射光学系１３から照射された光を多少吸収してしまうため、蛍光体領域および透過領域に入射される光の量が低減してしまうおそれがある。

これに鑑み、図４（ｂ）に示すように、変形例に係る光源装置１Ｂのホイール基板１４Ｂは、凹状部１４５の周辺部分の板厚を小さくしている。ここでは、図４（ｂ）に示すように、ホイール基板１４Ｂの凹状部１４５の周辺部分の板面において、光入射面側を所定量削減することで、板厚を薄くしている。ホイール基板１４Ｂにおける凹状部１４５の周辺の板厚は、適宜設定することができる。例えば、図１に示したような全て均一な板厚で形成されたホイール基板１４Ａの板厚と同等としてもよい。

ホイール基板１４Ｂは、図４（ｂ）に示すように、凹状部１４５の周辺部分の光入射面側を所定量削減しているので、光出射面および凹状部１４５の底面の光の進行方向における位置は、図３（ｂ）に示したホイール基板１４と変わらない。そのため、ホイール基板１４Ｂの光出射面から凹状部１４５の底面までの深さＷは、図３（ｂ）に示したホイール基板１４Ａと同様となる。

以上説明した変形例に係る光源装置１Ｂによれば、ホイール基板１４Ｂは、蛍光体領域および透過領域が設けられる部分の板厚が小さくなっているので、ホイール基板１４Ｂによる光の吸収を抑制することができる。そのため、光源装置１Ｂによれば、ホイール基板１４Ｂの蛍光体領域および透過領域に入射される光量が低減するのを防止することができる。

［シミュレーション］
次に、図５を参照して、光源装置において、ホイール基板の光出射面から出射された蛍光を１枚の平凸レンズ（集光レンズ）によって集光する場合のシミュレーションを行った。ここでは、平凸レンズのレンズ直径［ｍｍ］と、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離［ｍｍ］を変化させた場合における、平凸レンズの光の取り込み効率［％］の変化をシミュレーションにより調べた。なお、平凸レンズにおいて、光の入射側の面を第一面とし、光の出射側の面を第二面とする。このシミュレーションでは、平凸レンズの平面を第一面としている。

具体的には、シミュレーションにおいて、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離を１〜３ｍｍまで１ｍｍ間隔で変化させるとともに、平凸レンズの直径を１０〜２５ｍｍまで５ｍｍ間隔で変化させた場合における平凸レンズの光の取り込み効率の変化を調べた。なお、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離を１ｍｍとした場合に限り、平凸レンズの直径を５ｍｍとしたときの平凸レンズの光の取り込み効率についてもシミュレーションした。

図５にシミュレーション結果のグラフを示した。図５に示すグラフでは、縦軸に光の取り込み効率［％］をとり、横軸にレンズ直径［ｍｍ］をとった。図５に示すように、平凸レンズの直径が大きくなるにつれて、また、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離が近づくにつれて、光の取り込み効率が上昇する。

まず、平凸レンズの直径に応じた光の取り込み効率の変化について説明する。例えば、図５に示すグラフで、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離が１ｍｍであるときの、平凸レンズの直径に応じた光の取り込み効率の変化に着目する。図５に示すように、光の取り込み効率は、平凸レンズの直径を５ｍｍとした場合７０％前後であるが、１０ｍｍとした場合９０％程度まで上昇し、以降、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと変化させるにつれて、光の取り込み効率が上昇する。

次に、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離に応じた光の取り込み効率の変化について説明する。図５に示すグラフにおいて、破線で示す３本の曲線は、上から順に距離を１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。つまり、平凸レンズの直径によらず、距離を１ｍｍとした場合が最も取り込み効率が高く、次いで、距離を２ｍｍとした場合、距離を３ｍｍとした場合の順で続いていることがわかる。特に距離を２ｍｍとすることによって、レンズの直径が１０ｍｍと小さい場合でも、８０％以上の光の取り込み効率を得ることができる。さらに距離を１ｍｍとすることによって、レンズ直径が５ｍｍから１０ｍｍにかけて急激に高い光の取り込み効率が得られ、レンズ直径が１０ｍｍと小さい場合でも、９０％以上の光の取り込み効率をえることができる。

例えば、図５に示すグラフで、平凸レンズの直径が１５ｍｍであるときの、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離に応じた光の取り込み効率の変化に着目する。図５に示すように、光の取り込み効率は、距離を３ｍｍとした場合８０％未満であるが、距離を２ｍｍとした場合ほぼ９０％まで上昇し、さらに、距離を１ｍｍとした場合９５％以上まで上昇していることがわかる。

以上のように、今回のシミュレーション条件の中で、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面との距離が最も近く、かつ、平凸レンズの直径が最も大きい場合に、光の取り込み効率が最も良好となることが確認できた。
したがって、前記した第一、第二実施形態に係る光源装置のように、ホイール基板の光出射面と平凸レンズの第一面（入射面）との距離をできる限り近づけ、かつ、平凸レンズの直径を大きくすることが可能な構成とすることで、光の利用効率を向上することができることが確認できた。

［光学エンジン］
次に、本実施形態に係る光源装置を備える光学エンジンについて図６を参照しながら説明する。ここでは、図６に示すように、一例として、第一実施形態に係る光源装置１を備える光学エンジンＯについて説明する。この光学エンジンＯは、例えばプロジェクタの光学エンジンとして用いることができる。

光学エンジンＯは、図６に示すように、図１に示した光源装置１と、合波系２０と、ミラー３０と、光変調器４０と、投射光学系５０と、を備えて構成されている。
なお、以下の説明において前方、後方というときは、光源装置１の半導体レーザ装置１１から出射された光の進行方向を基準としている。
以下、光学エンジンＯの各構成要素について説明する。なお、光源装置１は、第一実施形態において説明したとおりであるので、ここでは説明を省略する。

合波系２０は、光源装置１の前方に配置されており、合波素子２１と、合波素子２１の前後に配置される集光光学系２２とにより構成される。ここでは、集光光学系２２を、合波素子２１の前方に配置される両凸レンズ２２１と、合波素子２１の後方に配置される両凸レンズ２２２とにより構成した。

合波素子２１は、光源装置１におけるホイール基板１４の赤色蛍光体領域１４１と、緑色蛍光体領域１４２と、透過領域１４３の光出射面からそれぞれ出射され、集光光学系１６で集光された光を入射して合波（光路合成・色合成）し、空間的に光強度を均一にするものであり、例えば、ロッドインテグレータやライトパイプ等が該当する。

両凸レンズ２２１は、光源装置１の集光光学系１６（平凸レンズ１６１，１６２）によって集光された光を入射し、ビーム径を縮小して合波素子２１に出射するものである。両凸レンズ２２２は、合波素子２１で合波された合波光を入射し、ビーム径を拡大してミラー３０に出射するものである。

ミラー３０は、合波系２０を構成する両凸レンズ２２２の前方に、反射面を光変調器４０側に向けて配置されており、合波系２０の両凸レンズ２２２から出射された合波光を全反射して光変調器４０に出射するものである。ミラー３０は、図６に示した例では、合波系２０の両凸レンズ２２２から入射した合波光の光軸を４５度変換して光変調器４０に出射している。

光変調器４０は、例えばマイクロミラーや液晶素子等の変調素子と表示制御部等を備えて構成されている。光変調器４０は、変調素子によって、ミラー３０からの出射光を入射し、表示制御部から供給される映像信号に基づいて変調しつつ反射（若しくは透過）させて映像光を出射するものである。
投射光学系５０は、光変調器４０から出射された映像光を入射して、この映像光を、例えば表示パネルやスクリーン等に投射（拡大投射）するものである。

このような光学エンジンＯの動作について、図６を適宜参照して説明する。
光学エンジンＯは、光源装置１の半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３により青色光をそれぞれ発生させ、対応するコリメートレンズ１２１，１２２，１２３にそれぞれ出射する。光学エンジンＯは、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３によって、入射した青色光をそれぞれ平行光として、照射光学系１３の両凸レンズ１３１にそれぞれ出射する。

そして、光学エンジンＯは、光源装置１の照射光学系１３（両凸レンズ１３１、平凸レンズ１３２，１３３）によって、コリメートレンズ１２１，１２２，１２３からの平行光を集光してホイール基板１４の光入射面に照射する。

続いて、光学エンジンＯは、光源装置１のモータ１５によってホイール基板１４を回転させ、半導体レーザ装置１１１，１１２，１１３から出射され、照射光学系１３によって集光された青色光を赤色蛍光体領域１４１、緑色蛍光体領域１４２または透過領域１４３のいずれかに入射させる。

光学エンジンＯは、ホイール基板１４の赤色蛍光体領域１４１によって、入射した青色光の波長を変換し、赤色光を出射する。同様に、ホイール基板１４の緑色蛍光体領域１４２によって、入射した青色光の波長を変換し緑色光を出射する。また、ホイール基板１４の透過領域１４３によって、入射した青色光をそのまま透過させて出射する。

光学エンジンＯは、光源装置１の集光光学系１６（平凸レンズ１６１，１６２）によって、ホイール基板１４の各領域から出射された赤色光と、緑色光と、青色光をそれぞれ入射し、ビーム径を拡大して合波系２０に出射する。

光学エンジンＯは、合波系２０の両凸レンズ２２１によって、赤色光、緑色光および青色光を合波素子２１に出射する。光学エンジンＯは、合波系２０の合波素子２１によって、赤色光、緑色光および青色光を合波して、空間的に光強度を均一にした合波光として出射する。そして、光学エンジンＯは、合波系２０の両凸レンズ２２２によって、合波素子２１から出射された合波光をミラー３０に出射する。

光学エンジンＯは、ミラー３０によって、合波光を全反射して光変調器４０に出射する。光学エンジンＯは、光変調器４０によって、ミラー３０からの出射光を映像化して、映像光を投射光学系５０に出射する。光学エンジンＯは、投射光学系５０によって、映像光を入射して図示しない表示装置等に投射する。
光学エンジンＯは、以上のように動作する。

このような光学エンジンＯによれば、光を効率よく集光できる光源装置１を備えるので、投射光学系５０から表示装置等に投射する光量を増やすことができる。そのため、投射光学系５０から投射された光を入射した表示装置等によって、輝度の高い映像を表示することが可能となる。このように、光学エンジンＯで扱う光量を増やすことができるので、光学エンジンＯの性能を向上させることができる。

なお、光学エンジンＯは、ここでは、図１に示した光源装置１を備えることとしたが、これに代えて、図３に示した光源装置１Ａまたは図４に示した光源装置１Ｂを備えることとしてもよい。
また、光学エンジンＯは、ここでは、ミラー３０によって合波系２０から出射された合波光を全反射して光変調器４０に出射することとしたが、ミラー３０を配置せず、合波光２０から出射された合波光を、直接、光変調器４０に出射してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記した実施形態では、ホイール基板は、赤色蛍光体領域と緑色蛍光体領域と透過領域の３つの領域を備えることとしたが、これに限られず、領域は４つ以上であってもよいし、１つまたは２つであってもよい。また、透過領域を青色蛍光体領域としてもよい。さらに蛍光領域は、出射光と異なる波長の光に変換する蛍光体が敷設された少なくとも１種類の蛍光領域を備えていればよい。さらに、透過領域は、ホイール基板の光出射面側に、入射された光を拡散する拡散板を敷設して構成してもよい。この拡散板は、ホイール基板の表面に光学処理を施すほか、光学物質である固体物を付着させることで形成することができる。また、さらに、赤色蛍光体、緑色蛍光体に代えて、他の波長帯の光を発する蛍光体を用いてもよい。

さらに、前記した実施形態では、光源装置は、励起光源として、青色の蛍光を発生する半導体レーザ装置を３つ備えることとしたが、半導体レーザ装置１１の数は特に限定されない。したがって、半導体レーザ装置の数は、４つ以上であってもよいし、１つまたは２つであってもよい。半導体レーザ装置を複数備えていると、ホイール基板に入射する光量を増やすことができるので、高輝度化を図ることができる。また、半導体レーザ装値として、青色以外の特定の波長の光を発生するものを用いてもよい。
また、さらに、前記した実施形態では、光源装置は、ホイール基板を円板状部材としたが、これに限られず、多角形状部材としてもよい。

さらに、前記した実施形態では、照射光学系１３、集光光学系１６、集光光学系２２を平凸レンズと両凸レンズで構成したが、各レンズの形状と配置、レンズの数は特に限定されない。したがって、照射光学系１３、集光光学系１６、集光光学系２２は２つのレンズで構成してもよいし、１つのレンズで構成してもよい。レンズの形状は、メニスカスレンズでもよいし、平凹レンズ、両凹レンズでもよい。

１，１Ａ 光源装置
１１１，１１２，１１３ 半導体レーザ装置
１２１，１２２，１２３ コリメートレンズ
１３ 照射光学系
１３１ 両凸レンズ
１３２，１３３ 平凸レンズ
１４，１４Ａ，１４Ｂ ホイール基板
１４１ 赤色蛍光体領域
１４２ 緑色蛍光体領域
１４３ 透過領域
１４４ 挿入孔
１４５ 凹状部
１５ モータ
１５ａ モータ本体
１５ｂ 回転軸
１６ 集光光学系
１６１，１６２ 平凸レンズ
１７ 固定部材
１７ａ 留め具
１７ｂ 接着剤
２０ 合波系
２１ 合波素子
２２ 集光光学系
２２１，２２２ 両凸レンズ
３０ ミラー
４０ 光変調器
５０ 投射光学系
Ｏ 光学エンジン

Claims (8)

1. 半導体レーザ装置と、
   前記半導体レーザ装置からの出射光を、前記出射光と異なる波長の光に変換する蛍光体が敷設された少なくとも１種類の蛍光領域を備えたホイール基板と、
   前記ホイール基板の入射面側に配置され、前記ホイール基板の中心を回転軸で支持して回転駆動するモータと、
   前記ホイール基板の出射面側に配置され、前記ホイール基板の出射面からの光を集光する集光光学系と、を備え、
   前記集光光学系は、前記ホイール基板の出射面からの光の基準軸を光軸としたレンズで構成され、
   前記レンズが、前記ホイール基板の中心を覆う大きさで形成されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記ホイール基板は、前記出射面が、光の出射側における最表面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記ホイール基板は、前記回転軸の先端を、固定部材により前記出射面と同一平面または前記出射面より前記入射面側に凹んだ状態として取り付けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記ホイール基板は、前記蛍光領域と前記半導体レーザ装置からの出射光を通過させる通過領域とが、当該ホイール基板の周方向に並んで設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記ホイール基板の入射面側に、前記半導体レーザ装置からの出射光を前記ホイール基板へ照射する照射光学系を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記集光光学系は、複数のレンズからなり、前記ホイール基板の中心を覆う大きさのレンズは、前記ホイール基板に最も近い位置に配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記ホイール基板の出射面と前記ホイール基板の中心を覆う大きさのレンズの端面との間隔が２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から出射された光を変調する光変調器と、
   前記光変調器により変調された光を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする光学エンジン。

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