JP2017181603A - 光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】光学系のレイアウトの自由度を高めた光源ユニットを提供すること。
【解決手段】光源ユニット１０は、ビーム形成部３１と、偏光分離素子３２と、位相差板３３と、コンデンサーレンズ３４と、被照射体４１を有する光照射板（反射型波長変換部材）３５とを備える。光照射板３５は、励起光の照射を受けて波長変換した蛍光光ＦＬを戻る方向に射出する第１及び第２要素部（第１部分）ＡＲ１，ＡＲ２と、励起光を波長変換することなく反射する第３要素部（第２部分）ＡＲ３とを有する。光照射板３５は、第３要素部ＡＲ３において励起光を拡散させつつ反射して戻り光とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、投影装置等に組み込まれる画像表示素子の照明に適する光源ユニットに関する。

照明用の光源として、例えば投影装置の分野では、従来から放電ランプが広く利用されている。しかし、放電ランプについては、寿命が短く信頼性が低いという問題点があり、さらには環境保護の観点で使用の抑制が望まれている。
近年では、半導体レーザーや発光ダイオードといった固体光源の開発が進み、かかる固体光源が投影装置の光源として用いられるようになってきている。ところで、この種の光源では、赤色、緑色、及び青色の三原色の高強度光が必要になるが、例えば半導体レーザーとして、赤色及び青色のレーザーは高輝度のものが実用化されているのに対し、十分に高輝度の緑色のレーザーはまだ実用化されていないという問題がある。そこで、青色レーザー光を波長変換して、緑色その他の高輝度光を生成しようとする試みがある。このような手法は、レーザーを単一色とできること、照明光とする３色を同一光路で処理することができ合成光学系が不要になることなどの観点で、コスト的に有利になる。
上記のように波長変換を利用する光源として、例えば青色の励起光を受けて緑色の蛍光を発生させて逆方向に戻す蛍光発光領域と、青色の励起光を拡散透過させる拡散透過領域とを有する蛍光ホイールを備えるものがある（特許文献１参照）。
また、青色の励起光を受けて緑色及び赤色の蛍光を発生させる光源であって、蛍光基板又は蛍光ホイールの蛍光領域に対向してプリズムアレイを配置して蛍光領域を通過した蛍光の指向性を高めるものがある（特許文献２参照）。
しかしながら、上記２つの光源は、蛍光ホイールで励起光又は蛍光を透過させるものであり、光学系の効率的なレイアウトが制限される。結果的に、製品設計の自由度を狭め、小型化などに支障をきたすことになる。

特開２０１１−５３３２３号公報 特開２０１２−２７０５２号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、光学系のレイアウトの自由度を高めた光源ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光源ユニットは、励起光の照射を受けて波長変換した光を戻る方向に射出する第１部分と、励起光を波長変換することなく反射する第２部分とを有する反射型波長変換部材とを備え、反射型波長変換部材は、第２部分において励起光を拡散させつつ反射して戻り光とする。ここで、拡散とは、反射、屈折、散乱等によって光束又は光線束の幅を発散するように広げることを意味する。

上記光源ユニットでは、反射型波長変換部材を用いているので、波長変換した光と波長変換していない光とを同一方向に折り返すように取り出すことができる。さらに、反射型波長変換部材が第２部分において励起光を拡散させつつ反射して戻り光とするので、波長変換した光と波長変換していない戻り光とを同様の拡散状態にすることができ、光路の共通化が容易になるとともに、光の無駄を低減することができる。結果的に、光学的レイアウトの自由度を高めて、光源ユニットや投影装置の小型化を達成することができる。

本発明の具体的な側面では、上記光源ユニットにおいて、第２部分は、第１部分と共通する支持体の表面上に刻設された微細な立体形状を有する。この場合、共通の支持体を利用するとともにこれに形成する立体形状の設定によって、励起光又は戻り光の拡散を所望の程度に調整することができる。

本発明の別の側面では、第２部分は、第１部分と共通する支持体の表面上に設置された微小な反射部品を有する。この場合、共通の支持体に設置された反射部品の形状等の設定によって、励起光又は戻り光の拡散を所望の程度に調整することができる。

本発明のさらに別の側面では、第２部分は、第１部分と共通する支持体上に設置され散乱体を含む光散乱部材を有する。この場合、共通の支持体に設置された光散乱部材の散乱特性の設定によって、励起光又は戻り光の拡散を所望の程度に調整することができる。

本発明のさらに別の側面では、第２部分は、励起光を反射する際に当該励起光の偏光状態を略維持する。この場合、励起光又は戻り光の偏光状態を維持しつつ励起光を無駄なく活用することができる。

本発明のさらに別の側面では、第１部分は、励起光を異なる波長に変換する複数の蛍光体を有する。この場合、一種類の励起光から複数色の蛍光を得ることができる。

本発明のさらに別の側面では、反射型波長変換部材に対向して第１及び第２部分を覆うように配置され、第１及び第２部分に入射する励起光と第１及び第２部分からの戻り光とを散乱する透過型の配光変更部が設置されている。この場合、透過型の配光変更部によって補助的に励起光と波長変換した光との拡散状態を調整することができる。

本発明のさらに別の側面では、励起光を射出する励起光源をさらに備える。この場合、反射型波長変換部材と励起光源とを一体化した光源ユニットを提供することができる。

実施形態の光源ユニットを含む投影装置を説明する図である。 （Ａ）は、光源ユニットの要部を説明する拡大図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す部分に組み込まれた反射型波長変換部材を説明する図である。 （Ａ）は、図２（Ｂ）に示す反射型波長変換部材のうち第１部分を説明する断面図であり、（Ｂ）は、反射型波長変換部材のうち第２部分を説明する断面図であり、（Ｃ）は、透過型の配光変更部を説明する断面図である。 （Ａ）は、変形例の反射型波長変換部材における第１部分を説明する断面図であり、（Ｂ）は、変形例の第２部分を説明する断面図であり、（Ｃ）は、別の変形例の反射型波長変換部材における第１部分を説明する断面図であり、（Ｄ）は、別の変形例の第２部分を説明する断面図である。 （Ａ）は、図３（Ｂ）の反射型波長変換部材等による光線の発散状態を説明する図であり、（Ｂ）は、別の反射型波長変換部材等による光線の発散状態を説明する図であり、（Ｃ）は、さらに別の反射型波長変換部材等による光線の発散状態を説明する図である。 （Ａ）は、図３（Ａ）に示す第１部分からの配光分布を説明する図であり、（Ｂ）は、光源からの直接の配光分布を説明する図であり、（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示すタイプの第２部分からの配光分布を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の光源ユニットを組み込んだ投影装置について説明する。

図１に示すように、投影装置２は、多様な映像信号に対応する画像の投影を可能にするものであり、光源ユニット１０、照明光学系２１、偏光ビームスプリッター２２、反射型液晶素子２３、投影光学系２６、及び回路部２９を備える。

投影装置２のうち光源ユニット１０は、励起光ＥＬとして機能するレーザー光Ｌ１を略平行な状態で射出するビーム形成部３１と、励起光ＥＬの光路から蛍光光ＦＬ等を含む照明光Ｌ２の光路を分離する偏光分離素子３２と、レーザー光Ｌ１の偏光状態を変化させる位相差板３３と、レーザー光Ｌ１を励起光ＥＬとして被照射体４１上に集光するとともに被照射体４１からの蛍光光ＦＬ等を略平行な光線として取り出すコンデンサーレンズ３４と、レーザー光Ｌ１から蛍光光ＦＬを生成するとともにレーザー光Ｌ１を反射する被照射体４１を有する光照射板３５とを備える。
なお、後に詳述するが、光照射板３５は、反射型波長変換部材として機能し、レーザー光Ｌ１の照明下で波長変換した蛍光光ＦＬと、波長変換しないで反射したレーザー光Ｌ１とを含む照明光Ｌ２を射出する。具体的には、光照射板（反射型波長変換部材）３５は、その回転にともなって、照明光Ｌ２としての緑色光、赤色光、及び青色光を周期的に切り換えつつ射出する。

照明光学系２１は、光源ユニット１０から射出された照明光Ｌ２の強度を均一化する均一化光学系３６と、照明光Ｌ２の反射型液晶素子２３への入射角度を調整するフィールドレンズ３８とを備える。

偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２２は、偏光方向に応じて光路を分岐する光学素子である。偏光ビームスプリッター２２は、一対の直角プリズムを貼り合わせたものであり、貼合わせ面において、一方の直角プリズムの斜面には、光源ユニット１０から照明光学系２１を経て入射した所定方向の直線偏光である照明光Ｌ２を選択的に反射する偏光分離膜からなる偏光分離面２２ａが形成されている。この偏光ビームスプリッター２２により、光源ユニット１０から射出された照明光Ｌ２を反射し、後述する反射型液晶素子２３に入射させることができる。また、この偏光ビームスプリッター２２により、反射型液晶素子２３で反射された映像光Ｌ３を透過させ、投影光学系２６に入射させることができる。ここで、偏光分離面２２ａは、これを基準とするＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させるものとなっている。

反射型液晶素子２３は、映像光Ｌ３を形成するための表示パネルすなわち画像表示素子であり、特に空間的に反射率を変化させることによって照明光Ｌ２から映像光Ｌ３を形成する点でライトバルブ又は空間光変調素子と言える。反射型液晶素子（画像表示素子）２３は、板状の電子部品である画像表示パネルからなる。この反射型液晶素子２３は、ＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）とも称されるマイクロディスプレイであり、シリコンチップの表面に直接回路が形成され対向基板との間に液晶層を挟み込んだものである。反射型液晶素子２３は、液晶層に対し駆動信号に応じた電圧が画素毎に印加されると、液晶分子の配列を変化させることで照明光Ｌ２を変調し、反射によって偏光方向を変調した所望の画像を表示するものである。図示のように、偏光分離面２２ａを基準とするＳ偏光を照明光Ｌ２として反射型液晶素子２３に入射させる構成をとる場合、偏光分離面２２ａを基準とするＰ偏光が映像光Ｌ３として反射される。

投影光学系２６は、詳細な説明を省略するが、画像表示素子である反射型液晶素子２３から得られる像を拡大してスクリーンその他の被投影体（不図示）に投影する。投影光学系２６は、複数のレンズ群及び／又は反射面からなり、一部のレンズ群を光軸ＳＸ方向に移動させることにより、フォーカシングや変倍を行わせることができる。

回路部２９のうち、映像駆動回路２５は、コンピューター等の端末機器を含む種々のコンテンツ・ソース（不図示）から入力された映像信号に基づいて反射型液晶素子２３に表示動作を行わせる。光源駆動回路２７は、光源ユニット１０のビーム形成部３１に設けたレーザーアレイ５１に点灯動作を行わせて、反射型波長変換部材である光照射板３５に対してレーザー光Ｌ１を照射する。
制御回路２８は、映像駆動回路２５、光源駆動回路２７等の動作を統括的に制御する。制御回路２８は、光源駆動回路２７を介して光源ユニット１０を動作させてこれから照明光Ｌ２を射出させるとともに、映像駆動回路２５を介して反射型液晶素子２３に映像信号に対応する駆動信号を出力し画像の表示動作を行わせる。この際、映像駆動回路２５は、駆動部３９を介して光照射板３５の回転位置を監視しており、光照射板３５の回転に伴って光照射板３５から順次射出される青色光、緑色光、及び赤色光に同期させて反射型液晶素子２３に各色の表示動作を行わせる。

以下、光源ユニット１０の構成要素、機能、動作等について詳細に説明する。

まず、ビーム形成部３１は、レーザーアレイ５１と、コリメーターアレイであるフライアイ光学系５２と、ビーム縮小レンズ５３とを含む。ここで、レーザーアレイ５１は、光照射板３５の被照射体４１に組み込まれた蛍光体に対する励起光源であるとともに、被照射体４１での反射によって取り出される青色用の照明光源ともなっている。レーザーアレイ（励起光源）５１は、青色のレーザー光Ｌ１を射出する発光源としてのレーザーダイオード５１ａ（以下、ＬＤとも呼ぶ）を２次元的に配列することによって構成されたものであり、偏光方向の揃った光を射出する。なお、レーザー光Ｌ１は、偏光分離素子３２を基準とするＰ偏光の青色光である。フライアイ光学系５２は、レーザーアレイ５１を構成する多数のＬＤ（発光源）５１ａに対応して多数のレンズ素子を含む。フライアイ光学系５２は、レーザーアレイ５１を構成する各ＬＤ５１ａから射出されたレーザー光Ｌ１（青色光）を略平行光線とする。ビーム縮小レンズ５３は、正及び負レンズを組み合わせたアフォーカル系であり、レーザー光Ｌ１を略平行光線のままにしてその光線径を減少させ、所望の断面積を有するレーザー光Ｌ１とする。

偏光分離素子３２は、平板状の光学素子であり、レーザーアレイ（励起光源）５１と光照射板（反射型波長変換部材）３５との光路間であって、ビーム形成部３１から位相差板３３にかけての光路上或いは位相差板３３から均一化光学系３６にかけての光路上に配置されて、照明光Ｌ２を励起光ＥＬの光路から分離する。より詳細には、偏光分離素子３２は、青色光についてはＰ偏光を透過させるとともにＳ偏光を選択的に反射する通常の偏光分離ミラーとしての機能と、緑色光及び赤色光を選択的に反射するダイクロイックミラーとしての機能とを有する。偏光分離素子３２は、平行平板の片面に誘電体多層膜からなる偏光分離面３２ａを形成したものであり、Ｐ偏光である青色の励起光ＥＬを透過させ、光照射板３５から青色光のままで戻る方向に逆進し偏光方向を変えられてＳ偏光となった青色光を反射して均一化光学系３６に導く。また、偏光分離素子３２は、励起光ＥＬの照射によって光照射板３５で発生し励起光ＥＬに対して戻る方向に逆進する緑色及び赤色の蛍光光ＦＬを偏光方向に関わらず反射して均一化光学系３６に導く。なお、偏光分離素子３２は、プリズムで構成されたものであってもよい。

位相差板３３は、複屈折性の材料からなる１／４波長板である。位相差板３３は、偏光分離素子３２で反射されたＰ偏光の励起光ＥＬを透過させてＰ偏光から円偏光とする。また、位相差板３３は、波長変換されず光照射板３５の被照射体４１から戻ってきた青色光（すなわち励起光ＥＬとして用いられなかったレーザー光Ｌ１）を透過させて円偏光からＳ偏光とする。これにより、位相差板３３を経て光照射板３５の被照射体４１から戻ってきた青色光すなわち励起に利用されなかったレーザー光Ｌ１は、偏光分離素子３２で殆ど反射され、均一化光学系３６に効率的に導かれる。

コンデンサーレンズ３４は、偏光分離素子３２を透過したレーザー光Ｌ１を励起光ＥＬとして光照射板３５の被照射体４１に設けられた蛍光体に集光する。また、コンデンサーレンズ３４は、被照射体４１の蛍光体で波長変換によって発生した緑色及び赤色の蛍光光ＦＬを集めて偏光分離素子３２に導く。
コンデンサーレンズ３４は、光照射板３５の被照射体４１において蛍光体とは別に設けられた拡散性の反射面で反射されたレーザー光Ｌ１すなわち青色光を集めて偏光分離素子３２に導く役割も有する。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、光照射板３５は、回転軸ＲＸのまわりに回転する反射型蛍光体ホイール又は反射型波長変換部材であり、回転軸ＲＸのまわりに配置される環帯状の被照射体４１と、これを支持する共通の支持体４２と、この支持体４２に支持されて被照射体４１を覆う透過型の拡散部材４３とを有する。
被照射体４１には、３つに分割した領域である３つの要素部ＡＲ１〜ＡＲ３が設けられている。被照射体４１において、第１要素部ＡＲ１は、蛍光体を有し、励起光ＥＬの照射によって緑色波長域の蛍光光ＦＬを形成し、励起光ＥＬに対して逆行するように射出する。第２要素部ＡＲ２は、第１要素部ＡＲ１とは別の蛍光体を有し、励起光ＥＬの照射によって波長が異なる赤色波長域の蛍光光ＦＬを形成し、励起光ＥＬに対して逆行するように射出する。第３要素部ＡＲ３は、元の青色のレーザー光Ｌ１をその偏光状態を略維持しつつも所定以上に拡散させて反射する。
図２（Ａ）に示す拡散部材４３は、アレイ状の微細な凹凸を有する光透過性の板材であり、被照射体４１の近接した上方に被照射体４１に対向して配置されている。拡散部材４３は、通過光の配光状態を変更する配光変更部である。この拡散部材（配光変更部）４３は、必須の要素ではなく、省略することもできる。拡散部材４３は、第１及び第２部分である第１〜第３要素部ＡＲ１〜ＡＲ３に入射するレーザー光Ｌ１又は励起光ＥＬと、第１及び第２部分である第１〜第３要素部ＡＲ１〜ＡＲ３から波長変換されないで反射された戻り光であるレーザー光Ｌ１等を散乱する。これにより、光照射板３５から照明光学系２１に供給される照明光Ｌ２（特にレーザー光Ｌ１）の拡散状態をより良好な状態に調整することができる。

図１に戻って、ビーム形成部３１から射出され偏光分離素子３２を通過したレーザー光Ｌ１は、励起光ＥＬとして光照射板３５の被照射体４１のうち第１要素部ＡＲ１や第２要素部ＡＲ２に入射した場合、緑色や赤色の蛍光光ＦＬすなわち照明光Ｌ２を発生する。また、ビーム形成部３１から射出され偏光分離素子３２を通過したレーザー光Ｌ１は、光照射板３５の被照射体４１のうち第３要素部ＡＲ３に入射した場合、そのまま青色の照明光Ｌ２として反射される。つまり、照明光Ｌ２には、レーザー光Ｌ１から得た緑色及び赤色の蛍光光ＦＬのほかに、レーザー光Ｌ１自体である青色光が含まれる。
以上において、第１及び第２要素部ＡＲ１，ＡＲ２は、励起光ＥＬの照射を受けて波長変換した蛍光光ＦＬを戻る方向に射出する第１部分として機能し、第３要素部ＡＲ３は、励起光ＥＬを波長変換することなく反射する第２部分として機能している。

なお、詳細な説明を省略するが、図１に示す均一化光学系３６は、偏光分離素子３２を通過した照明光Ｌ２を集光する集光レンズ３６ａと、集光レンズ３６ａからの照明光Ｌ２を一端で受けて均一な強度分布の光線束として他端から射出させる導光ロッド３６ｂとを有する。フィールドレンズ３８は、図示の例では複数のレンズで構成され、導光ロッド３６ｂの他端から射出される照明光Ｌ２が適度の収束角又は発散角で反射型液晶素子２３に入射するように調整する。

図３（Ａ）は、反射型波長変換部材である光照射板３５のうち、第１部分である第１要素部ＡＲ１等を説明する断面図である。緑色用の第１要素部ＡＲ１は、層状の蛍光体として、支持体４２の表面４２ａに対して接着等よって支持・固定された蛍光体層７１を有する。第１要素部ＡＲ１に入射した励起光ＥＬは、蛍光体層７１中の蛍光物質によって蛍光光ＦＬに変換され、略一様に拡散された状態で反対方向に射出される。ここで、蛍光体層（蛍光体）７１は、これに入射した青色のレーザー光Ｌ１によって励起されて緑色の蛍光光ＦＬを生成する。
なお、赤色用の第２要素部ＡＲ２は、第１要素部ＡＲ１と同一の構造を有し蛍光体層７１を構成する蛍光物質が異なるだけであるので、説明を省略する。第２要素部ＡＲ２の蛍光体層（蛍光体）７１は、これに入射した青色のレーザー光Ｌ１によって励起されて赤色の蛍光光ＦＬを生成する。

図３（Ｂ）は、反射型波長変換部材である光照射板３５のうち、第２部分である第３要素部ＡＲ３等を説明する断面図である。第３要素部ＡＲ３は、ここで反射されるレーザー光Ｌ１を適度に拡散させ偏光状態を略維持したままで照明光Ｌ２として偏光分離素子３２に戻す働きを有する。この際、レーザー光Ｌ１を拡散させることにより、青色のレーザー光Ｌ１を均一に発散させることができるだけでなく、スペックルを低減する効果がある。このような機能を発揮するため、第３要素部ＡＲ３は、支持体４２の表面４２ａ上に刻設された微細な凹凸である微細な立体形状を有する。ここで、支持体４２は、金属材料製又は樹脂の表面に金属等をコートしたものであり、第３要素部ＡＲ３に入射したレーザー光Ｌ１を波長変換することなく効率よく反射する。この際、反射されたレーザー光Ｌ１つまり照明光Ｌ２の偏光状態は略元の円偏光の状態のままに維持される。
図示の例では、支持体４２の表面４２ａに、微細な立体形状として球面状で微細な多数の凹面７３が形成され、支持体４２の元の平面４２ｂは殆ど残っていない。凹面７３は、例えば金属光沢を有する。図示の場合、第３要素部ＡＲ３を構成する多数の凹面７３は、同一の形状を有し２次元周期的に配列されているが、凹面７３の形状は、凹の球面に限らず凹又は凸の楕円面、円錐面、角錐面等とすることができるだけでなく、配置ごとに不規則に変化させることができ、凹面７３の配列周期も、不規則に変動させることができる。また、支持体４２の元の平面４２ｂは、必ずしも残す必要はなく、凹面７３の面積的な占有率も例示の状態に限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定することができる。

図３（Ｃ）は、光照射板３５のうち透過型の拡散部材４３を説明する断面図である。拡散部材４３は、光透過性を有する材料で形成された薄板であり、平板状の基板８１と、基板８１の表面８１ａ側に形成された凹凸構造８２とを有する。凹凸構造８２は、微細な凹凸である微細な立体形状を有する。
図示の例では、凹凸構造８２は、球面状で微細な多数の凸面８２ａを有し、基板８１の元の平面である表面８１ａは殆ど露出していない。この場合、凹凸構造８２を構成する多数の凸面８２ａは、同一の形状を有し２次元周期的に配列されているが、凸面８２ａの形状は、凸の球面に限らず様々な形状とできるだけでなく、配置ごとに不規則に変化させることができ、凸面８２ａの配列周期も不規則に変動させることができる。また、基板８１の元の平面である表面８１ａは、必ずしも露出させる必要はなく、凸面８２ａの面積的な占有率も、用途に応じて適宜設定することができる。

図４（Ａ）及び４（Ｂ）は、図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示した光照射板３５の変形例を説明する断面図である。
この場合、図４（Ａ）に示した第１部分としての第１要素部ＡＲ１は、図３（Ａ）に示した第１要素部ＡＲ１と同様の構造を有する。
一方、図４（Ｂ）に示した第２部分としての第３要素部ＡＲ３は、ここで反射されるレーザー光Ｌ１を適度に拡散させ照明光Ｌ２として偏光分離素子３２に戻す働きを有するが、支持体４２の表面４２ａ上に凹凸を刻設したものではなく、共通の支持体４２の表面４２ａ上に多数の微小な反射部品７５を設置したものとなっている。反射部品７５は、ガラス、金属その他無機材料、プラスチックその他の有機材料等で形成され、表面４２ａ上に接着されている。反射部品７５の表面は、金属基材を露出させること、金属コート等により、金属光沢を有する。これにより、第３要素部ＡＲ３は、ここに入射したレーザー光Ｌ１を反射するとともに反射されたレーザー光Ｌ１をその偏光状態を維持しつつ適度に拡散させることができる。このようにレーザー光Ｌ１を拡散させることにより、スペックルを低減する効果がある。
なお、反射部品７５は透過性を有するものであってもよい。この場合も、支持体４２の表面４２ａが高い反射率のミラーとして機能すれば、入射したレーザー光Ｌ１を反射部品７５で屈折させて適度に拡散させることができる。また、反射部品７５の形状は、球又はレンズ状のものに限らず、様々なものとできる。

図４（Ｃ）及び４（Ｄ）は、図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示した光照射板３５の別の変形例を説明する断面図である。
この場合、図４（Ｃ）に示した第１部分としての第１要素部ＡＲ１は、図３（Ａ）に示した第１要素部ＡＲ１と同様の構造を有する。
一方、図４（Ｄ）に示した第２部分としての第３要素部ＡＲ３は、ここで反射されるレーザー光Ｌ１を適度に拡散させ照明光Ｌ２として偏光分離素子３２に戻す働きを有するが、支持体４２の表面４２ａ上に凹凸を刻設したものではなく、共通の支持体４２の表面４２ａ上に光散乱部材として光散乱層７７を設けたものとなっている。光散乱層（光散乱部材）７７は、プラスチックその他の光透過性を有する材料中に屈折率が異なるガラスその他の微小散乱体を混合して均一に分散させたものであり、表面４２ａ上に接着されている。光散乱層７７中の微小散乱体は、入射したレーザー光Ｌ１を一部透過させつつも均一に散乱させる役割を有する。さらに、支持体４２の表面４２ａがミラーとして機能する。これにより、第３要素部ＡＲ３は、ここに入射したレーザー光Ｌ１を反射するとともに反射されたレーザー光Ｌ１をその偏光状態を維持しつつ適度に拡散させることができる。

図５（Ａ）〜５（Ｃ）は、具体的な光照射板３５についてシミュレーションを行った結果を示しており、第２部分としての第３要素部ＡＲ３等による光線の拡散を説明する図である。図５（Ａ）〜５（Ｃ）のいずれの場合も、光照射板３５に対向して透過型の拡散部材４３を配置しており、拡散部材４３には、凹凸構造８２として、一定のピッチで非球面の凸面８２ａが設けられている。図示を省略するが、凸面８２ａは、千鳥配置で紙面に垂直な方向にも配列されている。図５（Ａ）〜５（Ｃ）において、拡散部材４３には、コリメートされたレーザー光Ｌ１が入射し、光照射板３５の対向箇所には、集光した状態でレーザー光Ｌ１が入射している。
図５（Ａ）の場合、光照射板３５側の第３要素部ＡＲ３は、図３（Ｂ）に示すタイプのものであり、支持体４２の表面４２ａに微細な立体形状として多数の凹面７３が形成されている。図示を省略するが、凹面７３は、千鳥配置で紙面に垂直な方向にも配列されている。なお、凹面７３の曲率半径は０．０８ｍｍであり、凹面７３は拡散部材４３の凸面８２ａと同一のピッチで配列されている。
図５（Ｂ）の場合、光照射板３５側の第３要素部ＡＲ３は、図４（Ｂ）に示すタイプのものであり、支持体４２の表面４２ａに微細な立体形状として多数の球面状の凸面１７３が２次元的に形成されている。ただし、図５（Ｂ）の場合、凸面１７３は拡散部材４３の凸面８２ａの１／２倍のピッチで配列され、凸面１７３の曲率半径は０．０３５ｍｍである。
図５（Ｃ）の場合、光照射板３５側の第３要素部ＡＲ３は、図４（Ｄ）に示すタイプのものであり、支持体４２の表面４２ａ上に光散乱層７７を設けたものとなっている。光散乱層７７中には、直径１５μｍのガラスビーズが約７４％の密度で分散する。
以上の図５（Ａ）〜５（Ｃ）から分かるように、光照射板３５で反射されたレーザー光Ｌ１は、元のコリメートされた状態から光照射板３５等での拡散によって十分な広がりを持つ発散状態となって射出される。

図６（Ａ）〜６（Ｃ）は、光照射板３５による配光分布を概念的に説明する図であり、紙面上側の９０°の方向が光軸ＳＸに沿った正面方向を意味し、中心点Ｏから曲線までの間隔が照度を示している。
図６（Ａ）は、光照射板３５の第１要素部ＡＲ１から射出された照明光Ｌ２であって拡散部材４３を省略した場合の照明光Ｌ２の配光特性を示している。この場合、周囲に均等に拡散して射出され指向性のないランバーシャン型の配光であることが分かる。図６（Ｂ）は、光源からの直接の配向特性である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の場合と同様に拡散部材４３を省略するとともに光照射板３５の第３要素部ＡＲ３に、微細な立体形状として図３（Ｂ）に示すタイプの多数の凹面７３を形成した場合の配光特性を示している。この場合、周囲に比較的均等に拡散して射出され指向性の少ない配光であり、図６（Ａ）に示す配光特性と近似していることが分かる。つまり、図６（Ｃ）に示すような光照射板３５の第３要素部ＡＲ３から射出される青色の照明光Ｌ２の配光特性は、図６（Ａ）に示すような光照射板３５の第１要素部ＡＲ１から射出される緑色の照明光Ｌ２の配向特性と近似したものとなっている。結果的に、波長変換した緑色の照明光Ｌ２と、波長変換していない戻り光である青色の照明光Ｌ２とを同様の拡散状態にすることができ、光路の共通化が容易になる。

詳細な説明は省略するが、光照射板３５の直前に拡散部材４３を配置した場合、配光特性の分布形状は全体的に変化し、例えば正面方向に強い楕円球型の分布に変化する。しかしながら、立体形状のサイズや間隔を適宜調整した拡散部材４３を配置することにより、波長変換した緑色の照明光Ｌ２と、波長変換していない戻り光である青色の照明光Ｌ２とを同様の拡散状態に保持することができるので、拡散部材４３を追加しても光路の共通化が容易である点は維持される。

なお、例えば光照射板３５により波長変換された照明光Ｌ２の配光の半値全角と、波長変換していない青色の照明光Ｌ２の配光の半値全角との差が±１０度以内である場合、波長変換した緑色光と波長変換していない青色光とが同様の拡散状態となっているといえる。具体的には、波長変換された蛍光光の拡散角が±３０°（つまり全角又は広がり角６０°）で、波長変換していない元のレーザー光の拡散角が±２５〜３５°（つまり全角又は広がり５０°〜７０°）であれば、同様の拡散状態が確保されているということができ、コンデンサーレンズ３４等を経ても同様の光束径とすることができる。以上の条件は、光照射板３５の直前に拡散部材４３を配置した場合も、拡散部材４３を構成する立体形状の調整により同様に維持可能である。

以上の実施形態で説明した光源ユニット１０では、光照射板（反射型波長変換部材）３５を用いているので、波長変換によって得た蛍光光ＦＬと、波長変換していないレーザー光Ｌ１とを同一方向に折り返すように取り出すことができる。さらに、光照射板（反射型波長変換部材）３５が第２部分である第３要素部ＡＲ３においてレーザー光Ｌ１を拡散させつつ反射して戻り光すなわちレーザー光Ｌ１とするので、波長変換した蛍光光ＦＬと波長変換していない戻り光のレーザー光Ｌ１とを同様の拡散状態にすることができ、光路の共通化が容易になるとともに、光の無駄を低減することができる。結果的に、光学的レイアウトの自由度を高めて、光源ユニット１０や投影装置２の小型化を達成することができる。

以上では、具体的な実施形態の光源ユニットについて説明したが、本発明に係る光源ユニットは、上記のものには限られない。例えば、光源ユニット１０、照明光学系２１、投影光学系２６等の具体的な構成は、図示のものに限らず用途等に応じて適宜変更することができる。また、本発明の光源ユニットは、上記投影装置２に限らず、様々な光学系に組み込むことができる。

また、投影装置２において、画像表示素子として、反射型液晶素子２３に代えてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。この場合、偏光ビームスプリッター２２に代えてＤＭＤに照明光を入射させ、ＤＭＤからの反射光を投影光学系２６に導くプリズムを配置すればよい。さらに、画像表示素子として、反射型液晶素子２３に代えて透過型の液晶素子又は液晶パネルを用いてもよい。

ビーム形成部３１において、レーザーアレイ５１に代えてＬＥＤアレイを用いることもできるが、この際、ＬＥＤアレイからの光の偏光方向を偏光分離素子３２への入射前に揃えることが望ましい。

上記実施形態では、光照射板３５の被照射体４１で緑色及び赤色の蛍光光ＦＬを発生させているが、被照射体４１で緑色の蛍光光ＦＬのみを発生させることができる。この場合において、３原色の表示を可能にするには、図１の光学系において、例えばダイクロイックミラー等を適所に組み込んで赤色光を照明光Ｌ２の光路に導くことができ、或いは偏光分離素子３２を挟んで均一化光学系３６の反対側に赤色の光源を配置するとともに偏光分離素子３２の光学特性を変更し、赤色光を偏光分離素子３２で透過させて照明光Ｌ２の光路に導くことができる。

反射型液晶素子２３は、偏光ビームスプリッター２２の反射特性の切り換えや光源ユニット１０に対する配置関係の変更によって、偏光ビームスプリッター２２を挟んでフィールドレンズ３８の反対側に配置することができる。この場合、偏光ビームスプリッター２２により、光源ユニット１０から射出された照明光Ｌ２を透過させ、反射型液晶素子２３に入射させることができるとともに、反射型液晶素子２３で反射された映像光Ｌ３を偏光ビームスプリッター２２で反射させ、投影光学系２６に入射させることができる。

ＡＲ１-ＡＲ３…要素部、 ＥＬ…励起光、 ＦＬ…蛍光光、 Ｌ１…レーザー光、 Ｌ２…照明光、 Ｌ３…映像光、 ＳＸ…光軸、 １０…光源ユニット、 ２１…照明光学系、 ２２…偏光ビームスプリッター、 ２３…反射型液晶素子、 ２６…投影光学系、 ２９…回路部、 ３１…ビーム形成部、 ３２…偏光分離素子、 ３３…位相差板、 ３４…コンデンサーレンズ、 ３５…光照射板、 ３６…均一化光学系、 ３８…フィールドレンズ、 ３９…駆動部、 ４１…被照射体、 ４２…支持体、 ４２ａ…表面、 ４３…拡散部材、 ５１…レーザーアレイ、 ５２…フライアイ光学系、 ５３…ビーム縮小レンズ、 ７１…蛍光体層、 ７３…凹面、 ７５…反射部品、 ７７…光散乱層、 ８１…基板、 ８２…凹凸構造

Claims (8)

1. 励起光の照射を受けて波長変換した光を戻る方向に射出する第１部分と、励起光を波長変換することなく反射する第２部分とを有する反射型波長変換部材と、を備え、
   前記反射型波長変換部材は、前記第２部分において励起光を拡散させつつ反射して戻り光とすることを特徴とする光源ユニット。
2. 前記第２部分は、前記第１部分と共通する支持体の表面上に刻設された微細な立体形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
3. 前記第２部分は、前記第１部分と共通する支持体の表面上に設置された微小な反射部品を有することを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
4. 前記第２部分は、前記第１部分と共通する支持体上に設置され散乱体を含む光散乱部材を有することを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
5. 前記第２部分は、前記励起光を反射する際に当該励起光の偏光状態を略維持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源ユニット。
6. 前記第１部分は、前記励起光を異なる波長に変換する複数の蛍光体を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源ユニット。
7. 前記反射型波長変換部材に対向して前記第１及び第２部分を覆うように配置され、前記第１及び第２部分に入射する励起光と前記第１及び第２部分からの戻り光とを散乱する透過型の配光変更部が設置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源ユニット。
8. 前記励起光を射出する励起光源をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源ユニット。

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