JP2015040892A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の光変換効率に優れた光源装置を提供する。【解決手段】本発明の光源装置１は、励起光源部２と、励起光源部２から射出された励起光Ｌ１が入射される集光レンズ４と、集光レンズ４から射出された励起光Ｌ１が入射されるロッドインテグレーター５と、ロッドインテグレーター５から射出された励起光Ｌ１が入射される結像レンズ６と、結像レンズ６から射出された励起光Ｌ１が入射され、蛍光Ｌ２を発する蛍光体層１２を含む波長変換素子７と、を備え、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂと蛍光体層１２とが、結像レンズ６に対して共役位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いられる光源装置の一つとして、励起光となるレーザー光を蛍光体に照射し、レーザー光とは異なる波長の蛍光を発生させる光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、蛍光体を利用した光源装置として、ＬＥＤ光源、ロッドレンズ、および蛍光体シートを備えた白色光源装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載の白色光源装置において、ＬＥＤ光源から射出された光は、ロッドレンズにより照度分布が均一化された後、ロッドレンズの射出端面に配置された蛍光体シートに入射する。この白色光源装置では、ＬＥＤ光源からの青色光と、青色光により励起された蛍光体から発せられる黄色光と、が混ざり合うことによって白色光が得られる。

特開２００９−２７７５１６号公報 特開２００８−２３５４３９号公報

特許文献２には、指向性の強い光をロッドレンズに一旦通すことでロッドレンズの射出端面での光の均一性が高まり、均一性の高い光を蛍光体シートに直接照射することで色むらのない白色光が得られる、と記載されている。しかしながら、この白色光源装置の場合、蛍光体シートの大きさがロッドレンズの射出端面の大きさと同じであり、蛍光体シートはロッドレンズの射出端面に接着されている。この構成では、光が照射された際に蛍光体シートで発生する熱を充分に放散できない。その結果、蛍光体シートの光変換効率が低下するという課題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、蛍光体の光変換効率に優れた光源装置を提供することを目的の一つとする。また、この種の光源装置を備え、光利用効率に優れたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光源装置は、第１の励起光源部と、前記第１の励起光源部から射出された第１の励起光が入射される第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系から射出された前記第１の励起光が入射される第１のロッドインテグレーターと、前記第１のロッドインテグレーターから射出された前記第１の励起光が入射される第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系から射出された前記第１の励起光が入射され、第１の蛍光を発する第１の蛍光体層を含む第１の波長変換素子と、を含む第１の光源ユニットを少なくとも備え、前記第１のロッドインテグレーターの光射出端面と前記第１の蛍光体層とが、前記第１の結像光学系に対して共役位置に配置されていることを特徴とする。

なお、本明細書における「励起光」は、蛍光体層に照射された際に全てが蛍光体層の励起に寄与する光のみを含む概念ではなく、一部が蛍光体層の励起に寄与し、他の一部が蛍光体層の励起に寄与せずに蛍光体層から射出される光を含む概念である。本明細書における「励起光源部」は、上記の励起光を射出する光源部である。

本発明の一つの態様の光源装置においては、第１のロッドインテグレーターに入射した第１の励起光は、第１のロッドインテグレーターの内部を進んだ後、光射出端面で照度分布が均一になる。第１のロッドインテグレーターの光射出端面と第１の蛍光体層とが第１の結像光学系に対して共役位置に配置されているため、光射出端面において照度分布が均一となった第１の励起光の像が第１の結像光学系により第１の蛍光体層上に結像される。そのため、第１の蛍光体層上での第１の励起光の照度分布が均一になり、第１の蛍光体層の温度分布は均一化される。また、第１のロッドインテグレーターと第１の蛍光体層とは離れた位置にあるため、第１の蛍光体層で発生した熱の放散が第１のロッドインテグレーターにより阻害されることはない。その結果、第１の蛍光体層の温度上昇を抑制でき、第１の蛍光体層の光変換効率に優れた光源装置が実現できる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１の励起光源部は、複数の固体光源を備えていてもよい。
この構成によれば、小型で高効率の第１の励起光源部を備えた光源装置を実現できる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１の波長変換素子は、前記第１の蛍光体層と、前記第１の蛍光体層の内部を進む光を透過させる透過部材と、を含む透過型の波長変換素子であってもよい。
この構成によれば、第１の波長変換素子の光入射側と光射出側とで各種光学部品を直線的に配置でき、少ない部品点数で簡易な構成の光源装置を実現できる。

本発明の一つの態様の光源装置は、第２の励起光源部と、前記第２の励起光源部から射出された第２の励起光が入射される第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系から射出された前記第２の励起光が入射される第２のロッドインテグレーターと、前記第２のロッドインテグレーターから射出された前記第２の励起光が入射される第２の結像光学系と、前記第２の結像光学系から射出された前記第２の励起光が入射され、前記第１の蛍光の波長域と異なる波長域を含む第２の蛍光を発する第２の蛍光体層を含む第２の波長変換素子と、を含む第２の光源ユニットと、前記第１の蛍光と前記第２の蛍光とが入射される光合成光学系と、をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、第１の蛍光体層から発せられる第１の蛍光と第２の蛍光体層から発せられる第２の蛍光とが光合成光学系により合成された光が得られる。この構成によれば、個々の光源ユニット毎に蛍光体層から発せられる蛍光の光量バランスや分光特性を適宜変更することで、合成光の色味を容易に調整できる。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記第１の蛍光と前記第２の蛍光とが合成された光の波長域と異なる波長域を含む第１の光を射出する第１の光源部を備え、前記第１の光が前記光合成光学系に入射する構成であってもよい。
この構成によれば、上記の合成光と第１の光源部から射出される第１の光とが光合成光学系により合成された光が得られる。第１の光源部から射出される第１の光の波長域を適宜選択することにより所望の色味を有する光が得られる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１の波長変換素子は、前記第１の蛍光体層と、前記第１の蛍光体層の内部を進む光を反射させる反射部と、を含む反射型の波長変換素子であってもよい。
この構成によれば、反射部の第１の蛍光体層が設けられた側と反対側の面に、例えばヒートシンク、フィンなどの放熱用部材を配置できる。これにより、第１の波長変換素子の放熱性が高まり、光変換効率の低下をより確実に抑制できる。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記第１の結像光学系が第１のレンズと第２のレンズとを含み、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の光路上に、前記第１の励起光の波長域の光を反射し、前記第１の蛍光の波長域の光を透過させる波長選択素子を備えていてもよい。
反射型の波長変換素子を用いる場合、第１の蛍光体層の一方の面に第１の励起光を入射させ、同じ面から第１の蛍光を射出させる構成となる。ここで、上記の構成を採用すれば、波長選択素子によって第１の蛍光体層に第１の励起光を選択的に入射させ、第１の蛍光体層からの第１の蛍光を選択的に取り出す構成が実現しやすくなる。そのため、各光学部品を合理的に配置して、光変換効率の高い光源装置を提供できる。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記第１の蛍光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を射出する第２の光源部を備え、前記第２の光が前記波長選択素子に入射する構成であってもよい。
この構成によれば、波長選択素子により、第１の蛍光体層からの第１の蛍光と第２の光源部からの第２の光との合成光が得られる。第２の光の波長域を適宜選択することにより所望の色味を有する光が得られる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１の励起光源部と前記第１の集光光学系との間の光路上に、前記第１の励起光を平行化する平行化光学系を備える構成としてもよい。
この構成によれば、第１の励起光源部から射出された第１の励起光が平行化光学系により平行化されるため、第１の集光光学系による第１の励起光のケラレが、平行化光学系を備えていない場合と比べて少なくなり、第１の励起光の損失が抑えられる。また、第１の励起光をのみ込むために第１の集光光学系を大きくする必要がなく、第１の集光光学系、ひいては光源装置の小型化が図れる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記光射出端面の面積をＳ、前記第１の蛍光体層の面積をＳ’、前記第１の結像光学系の結像倍率をｍとしたとき、ｍ＝Ｓ’／Ｓとしてもよい。
この構成によれば、第１のロッドインテグレーターの光射出端面にできる光源像が第１の蛍光体層の全体に結像されるため、第１の蛍光体層および第１の励起光を無駄なく利用することができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調し、投写することを特徴とする。
この構成によれば、本発明の一つの態様の光源装置を備えたことで、光利用効率に優れたプロジェクターを実現できる。

本発明の第１実施形態の光源装置を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）第１実施形態の光源装置に用いられるロッドインテグレーターの例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の光源装置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態の光源装置を示す平面図である。 本発明の第４実施形態のプロジェクターを示す平面図である。 （Ａ）比較例の光源装置における蛍光体層上の光強度分布を示すシミュレーション結果であり、（Ｂ）第１実施形態の光源装置における蛍光体層上の光強度分布を示すシミュレーション結果である。 比較例の光源装置を示す平面図である。

［第１実施形態：光源装置］
以下、本発明の第１実施形態について、図１、図２を用いて説明する。
第１実施形態の光源装置は、透過型の波長変換素子を備え、白色光を出力する光源装置の一例である。
図１は、第１実施形態の光源装置の概略構成を示す平面図である。図２（Ａ）〜（Ｅ）は、第１実施形態の光源装置に用いることが可能なロッドインテグレーターの例を示す斜視図である。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１に示すように、第１実施形態の光源装置１は、励起光源部２と、平行化光学系３と、集光レンズ４と、ロッドインテグレーター５と、結像レンズ６と、波長変換素子７と、を備えている。励起光源部２は、複数の発光ダイオード８（Light Emitting Diode, 以下、ＬＥＤと略記する）を備えている。複数のＬＥＤ８は、例えばｍ行×ｎ列（ｍ，ｎはともに自然数）のアレイ状に配列されている。励起光源部２のＬＥＤ８は、後述する波長変換素子７の蛍光体層を励起させる励起光Ｌ１を射出する。励起光Ｌ１は、例えば４５０ｎｍの近傍にピーク波長を有する青色光である。ただし、励起光Ｌ１は、後述する蛍光体層を励起できる光であればよく、必ずしも波長が４５０ｎｍ近傍の青色光に限るものではない。

平行化光学系３は、励起光源部２を構成するＬＥＤ８と同数の平行化レンズ９を備えている。個々の平行化レンズ９は、個々のＬＥＤ８に対応して配置されている。すなわち、複数の平行化レンズ９は、ＬＥＤ８と同様、ｍ行×ｎ列（ｍ，ｎはともに自然数）のアレイ状に配列されている。平行化レンズ９は、ＬＥＤ８から射出された励起光Ｌ１を平行化する作用を有する。したがって、ＬＥＤ８から射出された時点である程度の広がりを持つ励起光Ｌ１は、平行化レンズ９によって平行化される。

平行化光学系３を構成する複数の平行化レンズ９から射出された励起光Ｌ１は、集光レンズ４に入射する。集光レンズ４に入射した励起光は、集光レンズ４により集束され、ロッドインテグレーター５に向けて射出される。

ロッドインテグレーター５は、互いに平行な光入射端面５ａと光射出端面５ｂとを有するロッド状部材で構成されている。ロッドインテグレーター５は、入射した励起光Ｌ１を内部で多重反射させつつ、光入射端面５ａから光射出端面５ｂに向けて進行させる。ロッドインテグレーター５は、様々な角度成分を持って入射する励起光Ｌ１の光束を多重反射により混合し、励起光Ｌ１の強度分布を均一化する作用を有する。ロッドインテグレーター５の光入射端面５ａは、集光レンズ４の焦点位置に配置されている。そのため、集光レンズ４から射出された励起光Ｌ１は、集束された状態でロッドインテグレーター５の光入射端面５ａに入射する。

ロッドインテグレーター５の光入射端面５ａは、必ずしも集光レンズ４の焦点位置に配置されていなくてもよいが、集光レンズ４の焦点位置に配置されていることが好ましい。その理由は、ロッドインテグレーター５の光入射端面５ａが集光レンズ４の焦点位置に配置されている場合、励起光Ｌ１を損失させることなく、光入射端面５ａの面積がより小さいロッドインテグレーターを使用できるからである。一般にロッドインテグレーターは、光入射端面の面積に対するロッドの長さ（光の進行方向の寸法）の比が大きい程、内部での励起光の反射回数が多くなり、照度分布の均一化の効果が高まる。そのため、ロッドインテグレーター５の光入射端面５ａが集光レンズ４の焦点位置に配置されている場合、光入射端面５ａの面積がより小さいロッドインテグレーター５を使用することで、励起光Ｌ１の照度分布をより均一化できる。また、所望の照度分布を得るために要するロッドインテグレーター５の長さを短くでき、光源装置１の小型化が図れる。

本実施形態で用いられるロッドインテグレーター５の例を、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示す。
図２（Ａ）に示すロッドインテグレーター７１は、光の進行方向に垂直な断面積が一定な中実の四角柱状のロッドで構成されている。ロッドの材質は、例えばガラス、石英等である。符号７１ａは光入射端面であり、符号７１ｂは光入射端面である。

図２（Ｂ）に示すロッドインテグレーター７２は、光の進行方向に垂直な断面積が一定な中空の管状部材で構成されている。管状部材の内壁面は、反射面とされている。符号７２ａは光入射端面であり、符号７２ｂは光入射端面である。

図２（Ｃ）に示すロッドインテグレーター７３は、光の進行方向に垂直な断面積が光入射端面７３ａから光射出端面７３ｂに向けて大きくなるロッド、いわゆる先広がりのロッドで構成されている。

図２（Ｄ）に示すロッドインテグレーター７４は、光入射端面７４ａ側の半分は光の進行方向に垂直な断面積が光入射端面７４ａからロッド中央部に向けて大きくなり、光射出端面７４ｂ側の半分は光の進行方向に垂直な断面積がロッド中央部から光射出端面７４ｂに向けて小さくなるロッドで構成されている。すなわち、ロッドインテグレーター７４は、光入射端面７４ａ側の半分は先広がり、光射出端面７４ｂ側の半分は先細りのロッドで構成されている。

図２（Ｅ）に示すロッドインテグレーター７５は、光入射端面７５ａ側の半分は光の進行方向に垂直な断面積が光入射端面７５ａからロッド中央部に向けて小さくなり、光射出端面７５ｂ側の半分は光の進行方向に垂直な断面積がロッド中央部から光射出端面７５ｂに向けて大きくなるロッドで構成されている。すなわち、ロッドインテグレーター７５は、光入射端面７５ａ側の半分は先細り、光射出端面７５ｂ側の半分は先広がりのロッドで構成されている。

図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すロッドインテグレーター７１、ロッドインテグレーター７２、ロッドインテグレーター７３、ロッドインテグレーター７４、ロッドインテグレーター７５は、それぞれ特徴を有している。例えば、先広がりのロッドインテグレーターは、光を平行化する作用がその他のロッドインテグレーターに比べて大きい。また、先細りのロッドインテグレーターは、単位長さあたりの反射回数がその他のロッドインテグレーターに比べて多く、より短いロッドで照度分布を均一化できる。よって、必要に応じて、最適なロッドインテグレーターを選択すればよい。

図１に戻って、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂから射出された励起光Ｌ１は、結像レンズ６に入射する。結像レンズ６に入射した励起光Ｌ１は、結像レンズ６により集束され、波長変換素子７に向けて射出される。

波長変換素子７は、基材１１と、基材１１の一面に形成された蛍光体層１２と、を備えている。基材１１は、ガラス等の光透過性を有する部材で構成されている。基材１１は、蛍光体層１２の内部を進む光を透過させる光透過部材として機能する。励起光Ｌ１は、波長変換素子７の第１の面７ａから入射し、蛍光体層１２から発せられた蛍光Ｌ２と励起光の一部Ｌ１’とは、波長変換素子７の第２の面７ｂから射出される。波長変換素子７の第１の面７ａは、結像レンズ６に対向する側の面である。波長変換素子７の第２の面７ｂは、結像レンズ６に対向する側と反対側の面である。第１実施形態の波長変換素子７は、透過型の波長変換素子である。この例では、蛍光体層１２が光入射側に配置され、基材１１が光射出側に配置されているが、この配置とは逆に、基材１１が光入射側に配置され、蛍光体層１２が光射出側に配置されていてもよい。

蛍光体層１２は、粒子状の複数の蛍光体がバインダー中に分散された構成を有している。蛍光体の一例として、例えばイットリウム−アルミニウム−ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ蛍光体）が用いられる。蛍光体層１２は、励起光Ｌ１が入射された際に、励起光Ｌ１の波長域と異なる波長域を含む蛍光Ｌ２を発する。本実施形態では、ＹＡＧ蛍光体を含む蛍光体層１２は、４５０ｎｍ近傍にピーク波長を有する青色光により励起され、黄色光を発する。そのため、蛍光体層１２から発せられた蛍光Ｌ２である黄色光と励起光の一部Ｌ１’である青色光との合成光、すなわち白色光Ｌ４が波長変換素子７の第２の面７ｂから射出される。蛍光体層１２は、例えば粉末状の蛍光体とバインダーとの混合物を基材１１の一面に塗布し、焼成することにより得られる。

ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂと蛍光体層１２とは、結像レンズ６に対して共役位置に配置されている。言い換えると、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂにおける励起光Ｌ１の像が、結像レンズ６により蛍光体層１２上に結像される。

ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂの面積をＳ、蛍光体層１２の面積をＳ’、結像レンズ６の結像倍率をｍとしたとき、これらのパラメータＳ，Ｓ’，ｍは、ｍ＝Ｓ’／Ｓを満たすように設定される。このように設定されている場合、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂに形成される光源像が蛍光体層１２の全面に結像されるため、蛍光体層１２および励起光Ｌ１を無駄なく利用することができる。

第１実施形態の「励起光源部２」は特許請求の範囲の「第１の励起光源部」に相当する。第１実施形態の「集光レンズ４」は特許請求の範囲の「第１の集光光学系」に相当する。第１実施形態の「ロッドインテグレーター５」は特許請求の範囲の「第１のロッドインテグレーター」に相当する。第１実施形態の「結像レンズ６」は特許請求の範囲の「第１の結像光学系」に相当する。第１実施形態の「波長変換素子７」は特許請求の範囲の「第１の波長変換素子」に相当する。第１実施形態の「励起光源部２」、「集光レンズ４」、「ロッドインテグレーター５」、「結像レンズ６」、および「波長変換素子７」は特許請求の範囲の「第１の光源ユニット」を構成する。第１実施形態の「平行化光学系３」は特許請求の範囲の「平行化光学系」に相当する。第１実施形態の「励起光Ｌ１」は特許請求の範囲の「第１の励起光」に相当する。第１実施形態の「蛍光Ｌ２」は特許請求の範囲の「第１の蛍光」に相当する。

第１実施形態の光源装置１においては、ロッドインテグレーター５に入射した励起光Ｌ１の照度分布が光射出端面５ｂにおいて均一化され、その励起光Ｌ１が結像レンズ６により蛍光体層１２上に結像される。そのため、蛍光体層１２上での励起光Ｌ１の照度分布が均一になり、蛍光体層１２の温度分布は全面にわたってほぼ均一になる。また、ロッドインテグレーター５と波長変換素子７とは離れた位置にあるため、励起光Ｌ１の照射時に蛍光体層１２で発生した熱の放散がロッドインテグレーター５により阻害されることはない。その結果、蛍光体層１２の温度上昇を抑制でき、蛍光体層１２の光変換効率に優れた光源装置が実現できる。また、蛍光体層１２の温度上昇を抑制できるため、蛍光体層１２の寿命を改善できる。

第１実施形態の場合、光源装置１が透過型の波長変換素子７を備えているため、波長変換素子７の光入射側と光射出側とで各種光学部品を直線的に配置できる。これにより、少ない部品点数で簡易な構成の光源装置を実現できる。また、第１実施形態の光源装置１は平行化光学系３を備えているため、集光レンズ４における励起光Ｌ１のケラレが、平行化光学系を備えていない場合と比べて少なくなり、励起光Ｌ１の損失が抑えられる。また、励起光Ｌ１の損失を回避するために集光レンズ４を大きくする必要がなく、集光レンズ６、ひいては光源装置１の小型化が図れる。

図６（Ａ）、（Ｂ）を用いて本実施形態の効果を説明する。
図６（Ａ）、（Ｂ）は、蛍光体層に照射された光の蛍光体層表面での強度分布を示しており、図６（Ａ）はロッドインテグレーターを備えていない比較例の光源装置での結果を示し、図６（Ｂ）はロッドインテグレーターを備えた本実施形態の光源装置での結果を示している。符号Ｆは蛍光体層の表面であり、縦軸の目盛りは光強度である。比較例として、図７に示した概略構成を備える光源装置を用いた。図１に示した光源装置１との違いは、ロッドインテグレーター５および結像レンズ６を備えていない点である。

図６（Ａ）に示すように、比較例の光源装置の場合、励起光は、集光レンズにより集光され、強度分布が均一化されることなく蛍光体層に照射される。その結果、蛍光体層の中央部に高いピークを有する強度分布が出現する。これに対して、図６（Ｂ）に示すように、本実施形態の光源装置の場合、励起光は、集光レンズを透過し、ロッドインテグレーターにより強度分布が均一化された後、蛍光体層に照射される。その結果、蛍光体層の略全体にわたって略均等な強度分布が出現することが実証された。

［第２実施形態：光源装置］
以下、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
第２実施形態の光源装置は、反射型の波長変換素子を備え、白色光を出力する光源装置の一例である。
図３は、第２実施形態の光源装置の概略構成を示す平面図である。
図３において第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態の光源装置１５は、励起光源部２と、平行化光学系３と、集光レンズ４と、ロッドインテグレーター５と、結像光学系１６と、波長選択素子１７と、波長変換素子１８と、青色光源部１９と、を備えている。第２実施形態の光源装置１５のうち、励起光源部２からロッドインテグレーター５までの構成は第１実施形態と同様であり、ロッドインテグレーター５よりも光射出側の構成は第１実施形態と異なる。また、第２実施形態の波長変換素子１８は、反射型の波長変換素子である。

結像光学系１６は、ロッドインテグレーター５の光射出側に設けられている。結像光学系１６は、第１のレンズ２１、第２のレンズ２２、および第３のレンズ２３を備えている。第２実施形態の場合、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂと蛍光体層１２とは、結像光学系１６に対して共役位置に配置されている。言い換えると、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂにおける励起光Ｌ１の像が、第１のレンズ２１、第２のレンズ２２、および第３のレンズ２３からなる結像光学系１６により波長変換素子１８の蛍光体層１２上に結像される。

波長選択素子１７は、第１のレンズ２１と第２のレンズ２２との間の光路上に設けられている。波長選択素子１７は、励起光Ｌ１の波長域の光に対応する青色光を反射し、蛍光体層１２から発せられる蛍光の波長域の光に対応する黄色光を透過させる特性を有する。波長選択素子１７は、例えば周知のダイクロイックミラーで構成される。波長選択素子１７が設けられたことで、励起光Ｌ１の光路は第１のレンズ２１と第２のレンズ２２との間で略９０°の角度で折り曲げられている。

第１のレンズ２１は、ロッドインテグレーター５の光射出端面５ｂから射出された励起光Ｌ１を平行化する。第１のレンズ２１により平行化された励起光Ｌ１は、波長選択素子１７の第１の面１７ａに対して略４５°の入射角で入射する。励起光Ｌ１は、波長選択素子１７で反射してその光路を略９０°曲げられ、平行化された状態で第２のレンズ２２に入射する。第２のレンズ２２に入射した励起光Ｌ１は、第２のレンズ２２、第３のレンズ２３を経て集束され、波長変換素子１８に入射する。

波長変換素子１８は、反射性基板２４と、反射性基板２４の一面に形成された蛍光体層１２と、を備えている。反射性基板２４は、蛍光体層１２の内部を進む光を反射させる作用を有する。反射性基板２４は、蛍光体層の内部を進む光を反射させることができれば、その構成は特に限定されない。例えば、反射性基板２４は、反射性基板２４自体が光反射性を有する金属で形成されたものであってもよいし、ガラス等の光透過性基板の一面に反射膜が形成されたものであってもよい。蛍光体層１２の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態の場合、反射型の波長変換素子１８を用いているため、波長変換素子１８の第１の面１８ａ，第２の面１８ｂのうち、励起光が入射しない側の第２の面１８ｂに、例えばヒートシンク、フィンなどの放熱用部材を配置できる。

励起光Ｌ１は波長変換素子１８の第１の面１８ａに入射し、蛍光体層１２から発せられた蛍光Ｌ２は波長変換素子１８の第１の面１８ａから射出される。波長変換素子１８の第１の面１８ａから射出された蛍光Ｌ２は、第３のレンズ２３、第２のレンズ２２を順次透過して平行化される。平行化された蛍光Ｌ２は、波長選択素子１７の第１の面１７ａに入射し、波長選択素子１７を透過する。なお、波長変換素子１７に入射した励起光Ｌ１の全てが蛍光体層１２の励起に寄与するのではなく、励起光Ｌ１の一部は反射性基板２４で反射して波長選択素子１７に戻る。ただし、波長変換素子１８から波長選択素子１７に入射した励起光Ｌ１の一部は励起光源部２の方向に向けて反射し、波長選択素子１７を透過することはなく、出力光とはならない。

青色光源部１９は、波長選択素子１７を挟んで第１のレンズ２１と対向するように配置されている。青色光源部１９は、例えば青色光を射出する１個または複数個のＬＥＤで構成される。青色光源部１９は、蛍光体層１２から発せられる蛍光Ｌ２の波長域と異なる波長域を含む光を波長選択素子１７に入射させる。青色光源部１９を構成するＬＥＤの分光特性は、励起光源部２を構成するＬＥＤ８の分光特性と一致していてもよい。あるいは、青色光源部１９を構成するＬＥＤの分光特性は、波長選択素子１７で反射される波長域の光を含んでいれば、励起光源部２を構成するＬＥＤ８の分光特性と必ずしも一致していなくてもよい。

青色光源部１９から射出された青色光Ｌ３は、波長選択素子１７の第２の面１７ｂに対して略４５°の入射角で入射する。青色光Ｌ３は、波長選択素子１７で反射して光路を略９０°曲げられ、波長選択素子１７を透過した蛍光Ｌ２と合成される。第２実施形態の場合、蛍光体層１２から発せられた黄色の蛍光Ｌ２と青色光源部１９からの青色光Ｌ３とが合成される結果、光源装置１５から白色光Ｌ４が射出される。

第２実施形態の「結像光学系１６」は特許請求の範囲の「第１の結像光学系」に相当する。第２実施形態の「波長選択素子１７」は特許請求の範囲の「波長選択素子」に相当する。第２実施形態の「波長変換素子１８」は特許請求の範囲の「第１の波長変換素子」に相当する。第２実施形態の「励起光源部２」、「集光レンズ４」、「ロッドインテグレーター５」、「結像光学系１６」、および「波長変換素子１８」は特許請求の範囲の「第１の光源ユニット」を構成する。第２実施形態の「青色光源部１９」は特許請求の範囲の「第２の光源部」に相当する。

第２実施形態においても、蛍光体層１２に照度分布が均一な励起光Ｌ１が照射されること、およびロッドインテグレーター５と波長変換素子１８とが離れた位置に配置されることにより、蛍光体層１２の温度上昇を抑制でき、光変換効率に優れた光源装置１５が実現できる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に第２実施形態の場合、反射型の波長変換素子１８を用いているため、波長変換素子１８の励起光が入射しない側の第２の面１８ｂに放熱用部材を配置でき、波長変換素子１８の放熱性をより高めることができる。また、蛍光体層１２から射出された蛍光を照明光として効率良く利用することができる。

第２実施形態の光源装置１５では、蛍光体層１２から発せられた黄色の蛍光Ｌ２に青色光源部１９からの青色光Ｌ３を加えて白色光Ｌ４を得ている。したがって、青色光源部１９から射出される青色光Ｌ３の光量または分光特性を適宜変更することにより、白色光Ｌ４の色味を調整することができる。なお、第２実施形態では光源装置１５が青色光源部１９を備えているが、光源装置１５から射出される光が白色光Ｌ４でなくてよい場合には、光源装置１５は青色光源部１９を備えていなくてもよい。

［第３実施形態：光源装置］
以下、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
第３実施形態の光源装置は、透過型の波長変換素子を含む光源ユニットを２組備え、白色光を出力する光源装置の一例である。
図４は、第４実施形態の光源装置の概略構成を示す平面図である。
図４において第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、第３実施形態の光源装置２７は、赤色光源ユニット２８と、緑色光源ユニット２９と、光合成光学系３０と、青色光源部３１と、を備えている。赤色光源ユニット２８は、蛍光体層から発せられた赤色光Ｌ５を射出する。緑色光源ユニット２９は、蛍光体層から発せられた緑色光Ｌ６を射出する。赤色光源ユニット２８と緑色光源ユニット２９の構成は略同様であり、波長変換素子を構成する蛍光体層の種類が異なるのみである。

赤色光源ユニット２８は、励起光源部２と、第１の平行化光学系３２と、集光レンズ４と、ロッドインテグレーター５と、結像レンズ６と、赤色光用波長変換素子３３と、第２の平行化光学系３４と、を備えている。赤色光源ユニット２８の構成要素のうち、励起光源部２から結像レンズ６までの構成は第１実施形態の光源装置１と同様である。第３実施形態では、２組の平行化光学系を区別するために「第１の平行化光学系３２」と称するが、第１の平行化光学系３２は第１実施形態の平行化光学系３と同様のものである。

赤色光用波長変換素子３３は、基材１１と、基材１１の一面に形成された蛍光体層３５と、を備えている。蛍光体層３５は、励起光Ｌ１が入射された際に、励起光Ｌ１の波長域と異なる波長域を含む蛍光である赤色光Ｌ５を発する。第１実施形態の蛍光体層１２は、青色光により励起されて黄色光を発するものであった。これに対し、第３実施形態の赤色光源ユニット２８の蛍光体層３５は、例えば４５０ｎｍ近傍にピーク波長を有する青色光により励起されて赤色光Ｌ５を発する。

第２の平行化光学系３４は、赤色光用波長変換素子３３の光射出側に配置されている。第２の平行化光学系３４は、第１のレンズ３６と第２のレンズ３７とで構成されている。赤色光用波長変換素子３３から射出された赤色光Ｌ５は、第２の平行化光学系３４により平行化され、後述する光合成光学系３０に入射する。

緑色光源ユニット２９は、励起光源部２と、第１の平行化光学系３２と、集光レンズ４と、ロッドインテグレーター５と、結像レンズ６と、緑色光用波長変換素子３８と、第２の平行化光学系３４と、を備えている。緑色光用波長変換素子３８は、基材１１と、基材１１の一面に形成された蛍光体層３９と、を備えている。蛍光体層３９は、励起光Ｌ１が入射された際に、励起光Ｌ１の波長域と異なる波長域を含む蛍光である緑色光Ｌ６を発する。蛍光体層３９は、例えば４５０ｎｍ近傍にピーク波長を有する青色光により励起されて緑色光Ｌ６を発する。

その他の構成要素は、赤色光源ユニット２８と同様である。ただし、励起光源部２については、赤色光源ユニット２８の励起光源部２のＬＥＤと同じ分光特性を有するＬＥＤを用いてもよいし、赤色光源ユニット２８の励起光源部２のＬＥＤとは異なる分光特性を有するＬＥＤを用いてもよい。

赤色光源ユニット２８と緑色光源ユニット２９とは、赤色光源ユニット２８、緑色光源ユニット２９のそれぞれから射出される光が９０°異なる方向から光合成光学系３０に入射するように配置されている。光合成光学系３０は、赤色光Ｌ５を反射させて緑色光Ｌ６を透過させる波長選択膜と青色光Ｌ３を反射させて緑色光Ｌ６を透過させる波長選択膜とが交差して設けられた、周知のダイクロイックプリズムで構成される。

青色光源部３１は、光合成光学系３０を挟んで赤色光源ユニット２８の第２のレンズ３７と対向するように配置されている。青色光源部３１は、例えば青色光を射出する１個または複数個のＬＥＤで構成される。青色光源部３１は、赤色光用波長変換素子３３から発せられた赤色光Ｌ５と、緑色光用波長変換素子３８から発せられた緑色光Ｌ６と、の合成光の波長域と異なる波長域を含む青色光Ｌ３を射出する。青色光Ｌ３は、光合成光学系３０に入射する。青色光源部３１を構成するＬＥＤの分光特性は、励起光源部２を構成するＬＥＤ８の分光特性と一致していてもよい。あるいは、青色光源部３１を構成するＬＥＤの分光特性は、光合成光学系３０の２つの波長選択膜で反射される波長域の光を含んでいれば、励起光源部２を構成するＬＥＤ８の分光特性と必ずしも一致していなくてもよい。

青色光源部３１から射出された青色光Ｌ３は、光合成光学系３０の波長選択膜に対して略４５°の入射角で入射する。青色光Ｌ３は、波長選択膜で反射して光路を略９０°曲げられ、赤色光Ｌ５および緑色光Ｌ６と合成される。第３実施形態の場合、赤色光源ユニット２８から射出された赤色光Ｌ５と、緑色光源ユニット２９から射出された緑色光Ｌ６と、青色光源部３１から射出された青色光Ｌ３と、が合成される結果、光源装置２７から白色光Ｌ４が射出される。

第３実施形態の「赤色光源ユニット２８」は特許請求の範囲の「第１の光源ユニット」に相当する。第３実施形態の「緑色光源ユニット２９」は特許請求の範囲の「第２の光源ユニット」に相当する。第３実施形態の「青色光源部３１」は特許請求の範囲の「第１の光源部」に相当する。第３実施形態の「赤色光用波長変換素子３３」は特許請求の範囲の「第１の波長変換素子」に相当する。第３実施形態の「蛍光体層３５」は特許請求の範囲の「第１の蛍光体層」に相当する。第３実施形態の「緑色光用波長変換素子３８」は特許請求の範囲の「第２の波長変換素子」に相当する。第３実施形態の「蛍光体層３９」は特許請求の範囲の「第２の蛍光体層」に相当する。

第３実施形態においても、蛍光体層３５、蛍光体層３９に照度分布が均一な励起光が照射されること、およびロッドインテグレーター５と赤色光用波長変換素子３３、ロッドインテグレーター５と緑色光用波長変換素子３８とがそれぞれ離れた位置に配置されることにより、蛍光体層３５、蛍光体層３９の温度上昇を抑制でき、光変換効率に優れた光源装置２７が実現できる、という第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。

特に第３実施形態の場合、射出光の色毎に赤色光源ユニット２８と緑色光源ユニット２９とを分けているため、赤色光源ユニット２８から射出される赤色光Ｌ５の光量と緑色光源ユニット２９から射出される緑色光Ｌ６の光量とのバランスを変えることにより合成光の色味を容易に調整できる。さらに、赤色光源ユニット２８、緑色光源ユニット２９の各々から得られる蛍光に青色光源部３１からの青色光Ｌ３を加えて白色光Ｌ４を得ている。したがって、青色光源部３１から射出される青色光Ｌ３の光量または分光特性を適宜変更することにより、白色光Ｌ４の色味を調整することができる。なお、第３実施形態では光源装置２７が青色光源部３１を備えているが、光源装置２７からの出力光が白色光でなくてもよい場合には光源装置２７が青色光源部３１を備えていなくてもよい。

［第４実施形態：プロジェクター］
以下、本発明の第４実施形態について、図５を用いて説明する。
第４実施形態のプロジェクターは、第１実施形態の光源装置を備えたプロジェクターの一例である。このプロジェクターは、光変調装置として３個の液晶ライトバルブを備えた、いわゆる３板式の液晶プロジェクターである。
図５は、第４実施形態のプロジェクターの概略構成を示す平面図である。
図５において第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第４実施形態のプロジェクターは、第１実施形態の光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調し、スクリーン等の被投写面上に投写する。
図５に示すように、第４実施形態のプロジェクター４１は、光源装置１と、平行化光学系４２と、照度均一化光学系４３と、色分離光学系４４と、光変調装置である液晶ライトバルブ４５と、色合成光学系４６と、投写光学系４７と、を備えている。光源装置１には第１実施形態の光源装置１が用いられるため、光源装置１の構成の説明を省略する。光源装置１は、平行化光学系４２に向けて白色光Ｌ４を射出する。平行化光学系４２は、第１のレンズ４８と第２のレンズ４９とを備えている。光源装置１から射出された白色光Ｌ４は、平行化光学系４２により平行化された後、照度均一化光学系４３に入射する。

照度均一化光学系４３は、光源装置１から射出された白色光Ｌ４を液晶ライトバルブ４５の画像形成領域に対して略均一に照射するための光学系である。照度均一化光学系４３は、第１のレンズアレイ５１と、第２のレンズアレイ５２と、偏光変換素子５３と、重畳レンズ５４と、を備える。

第１のレンズアレイ５１は、複数の小レンズ５１１が照明光軸Ａと直交する面内にマトリクス状に配列された構成を有する。第１のレンズアレイ５１は、平行化光学系４２の第２のレンズ４９から射出された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する。図示による説明は省略するが、小レンズ５１１の外形形状は、液晶ライトバルブ４５の画像形成領域の外形形状と相似形である。なお、照明光軸Ａは、光源装置１から射出される白色光Ｌ４の中心軸である。

第２のレンズアレイ５２は、第１のレンズアレイ５１と同様、複数の小レンズ５２１が照明光軸Ａに直交する面内にマトリクス状に配列された構成を有する。第２のレンズアレイ５２は、重畳レンズ５４とともに、第１のレンズアレイ５１の各小レンズ５１１で生成された像を液晶ライトバルブ４５の画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。

偏光変換素子５３は、第１のレンズアレイ５１により分割された各部分光束の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光として射出する。偏光変換素子５３は、偏光分離膜と、反射膜と、位相差板と、を有する。偏光分離膜は、光源装置１から射出された光のうち、一方の偏光（例えばＰ偏光）を透過し、他方の偏光（例えばＳ偏光）を照明光軸Ａに垂直な方向に向けて反射する。反射膜は、偏光分離膜で反射された他方の偏光成分を有する光を照明光軸Ａに平行な方向に反射する。位相差板は、偏光分離膜を透過した一方の偏光成分を有する光を他方の偏光成分を有する光に変換する。

重畳レンズ５４は、第１のレンズアレイ５１、第２のレンズアレイ５２、および偏光変換素子５３を経た複数の部分光束を集光して液晶ライトバルブ４５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５４は、重畳レンズ５４の光軸と光源装置１の照明光軸Ａとが略一致するように配置されている。重畳レンズ５４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。

色分離光学系４４は、第１のダイクロイックミラー５６と、第２のダイクロイックミラー５７と、反射ミラー５８と、を備えている。第１のダイクロイックミラー５６および第２のダイクロイックミラー５７は、照度均一化光学系４３から射出された複数の部分光束を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー５６は、赤色光ＬＲを反射し、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを透過する。第２のダイクロイックミラー５７は、第１のダイクロイックミラー５６を透過した光のうち、緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１のダイクロイックミラー５６では、赤色光ＬＲが緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢから分離される。赤色光ＬＲは、反射ミラー５８で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ４５Ｒへ導かれる。第２のダイクロイックミラー５７では、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが分離される。緑色光ＬＧは、緑色光用液晶ライトバルブ４５Ｇへ導かれる。

色分離光学系４４は、リレー光学系５９をさらに備えている。リレー光学系５９は、入射側レンズ６０、リレーレンズ６１、反射ミラー６２、および反射ミラー６３を備えている。リレー光学系５９は、他の色光と比べて光路の長い青色光ＬＢの損失を防ぐため、色分離光学系４４で分離された青色光ＬＢを青色光用液晶ライトバルブ４５Ｂまで導く機能を有している。フィールドレンズ６４は、第２のレンズアレイ５２から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。

光変調装置は、液晶ライトバルブ４５（赤色光用液晶ライトバルブ４５Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ４５Ｇ、青色光用液晶ライトバルブ４５Ｂ）と、液晶ライトバルブ４５の光入射側に配置された入射側偏光板（図示略）と、液晶ライトバルブ４５の光射出側に配置されたおよび射出側偏光板（図示略）と、を備える。光変調装置は、光源装置１から入射する光を画像信号に基づいて変調する。

色合成光学系４６は、クロスダイクロイックプリズムによって構成される。色合成光学系４６は、各色の液晶ライトバルブ４５で変調された光を合成する。クロスダイクロイックプリズムは、各色光を合成し、カラー画像を形成する光学素子である。クロスダイクロイックプリズムは、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ている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に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青色光を反射し、他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。これらの誘電体多層膜によって青色光および赤色光の光路は折り曲げられ、緑色光の光路と揃えられることにより、３つの色光が合成される。

投写光学系４７は、色合成光学系４６により合成された光が入射する複数の投写レンズ（図示略）を含んでいる。各色の液晶ライトバルブ４５で変調された光は、投写光学系４７によりスクリーン等の被投写面（図示略）に投写される。

第４実施形態のプロジェクター４１は第１実施形態の光源装置１を備えているため、光利用効率に優れたプロジェクターを実現できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、励起光源部が複数のＬＥＤを備えていたが、ＬＥＤは複数に限ることなく、１個であってもよい。また、励起光源部は、ＬＥＤに代えて、レーザー光源を備えてもよい。また、励起光として４５０ｎｍ近傍にピーク波長を有する青色光を用いたが、励起光は青色光に限ることはなく、例えば４０５ｎｍ近傍にピーク波長を有する紫外光を用いてもよい。その他、光源装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、個数、配置等については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

１，１５，２７…光源装置、２…励起光源部、３…平行化光学系、４…集光レンズ、５，７１，７２，７３，７４，７５…ロッドインテグレーター、５ｂ…光射出端面、６…結像レンズ、７，１８…波長変換素子、８…ＬＥＤ、１１…基材、１２，３５，３９…蛍光体層、１６…結像光学系、１７…波長選択素子、１９，３１…青色光源部、２１…第１のレンズ、２２…第２のレンズ、２８…赤色光源ユニット、２９…緑色光源ユニット、３０…光合成光学系、３２…第１の平行化光学系、３３…赤色光用波長変換素子、３８…緑色光用波長変換素子、４１…プロジェクター
Ｌ１…励起光、Ｌ２…蛍光、Ｌ３…青色光。

Claims (11)

1. 第１の励起光源部と、
   前記第１の励起光源部から射出された第１の励起光が入射される第１の集光光学系と、
   前記第１の集光光学系から射出された前記第１の励起光が入射される第１のロッドインテグレーターと、
   前記第１のロッドインテグレーターから射出された前記第１の励起光が入射される第１の結像光学系と、
   前記第１の結像光学系から射出された前記第１の励起光が入射され、第１の蛍光を発する第１の蛍光体層を含む第１の波長変換素子と、を含む第１の光源ユニットを少なくとも備え、
   前記第１のロッドインテグレーターの光射出端面と前記第１の蛍光体層とが、前記第１の結像光学系に対して共役位置に配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記第１の励起光源部が、複数の固体光源を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１の波長変換素子が、前記第１の蛍光体層と、前記第１の蛍光体層の内部を進む光を透過させる透過部材と、を含む透過型の波長変換素子である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. 第２の励起光源部と、
   前記第２の励起光源部から射出された第２の励起光が入射される第２の集光光学系と、
   前記第２の集光光学系から射出された前記第２の励起光が入射される第２のロッドインテグレーターと、
   前記第２のロッドインテグレーターから射出された前記第２の励起光が入射される第２の結像光学系と、
   前記第２の結像光学系から射出された前記第２の励起光が入射され、前記第１の蛍光の波長域と異なる波長域を含む第２の蛍光を発する第２の蛍光体層を含む第２の波長変換素子と、を含む第２の光源ユニットと、
   前記第１の蛍光と前記第２の蛍光とが入射される光合成光学系と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記第１の蛍光と前記第２の蛍光とが合成された光の波長域と異なる波長域を含む第１の光を射出する第１の光源部を備え、
   前記第１の光は前記光合成光学系に入射することを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１の波長変換素子が、前記第１の蛍光体層と、前記第１の蛍光体層の内部を進む光を反射させる反射部材と、を含む反射型の波長変換素子である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。
7. 前記第１の結像光学系が、第１のレンズと第２のレンズとを含み、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間の光路上に、前記第１の励起光の波長域の光を反射し、前記第１の蛍光の波長域の光を透過させる波長選択素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記第１の蛍光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を射出する第２の光源部を備え、
   前記第２の光は前記波長選択素子に入射することを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記第１の励起光源部と前記第１の集光光学系との間の光路上に、前記第１の励起光を平行化する第１の平行化光学系を備えることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記光射出端面の面積をＳ、前記第１の蛍光体層の面積をＳ’、前記第１の結像光学系の結像倍率をｍとしたとき、ｍ＝Ｓ’／Ｓであることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の光源装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調し、投写することを特徴とするプロジェクター。

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