JP2018021990A - 光源装置、及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】合成光線束の径の増大を低減しつつ、複数の光源アレイからの光を合成できる、光源装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】第１〜第３の光源ユニットと、複数の反射素子および複数の偏光合成素子を備えた光線束合成素子と、を備えた光源装置である。第２の光源ユニットから射出された第２の光の偏光状態は、第３の光源ユニットから射出された第３の光の偏光状態とは異なり、第１の光源ユニットから射出された第１の光は、複数の反射素子で反射され、第２の光は複数の偏光合成素子を透過し、第３の光は複数の偏光合成素子で反射される。複数の反射素子および複数の偏光合成素子は、第１〜第３の光が光合成素子から互いに同じ方向に射出されるように、かつ互いに交差するように設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

投写型表示装置用の光源装置として、各々が複数の光源からなる複数のアレイ光源から射出した光を偏光ビームスプリッター（偏光ビームコンバイナー）で合成して射出するものが提案されている（例えば特許文献１）。各アレイ光源が備えている光源の数を増やすことで、光源装置から射出される合成光線束の光量を増やすことができる。

特開２００４−１８４７７７号公報

しかしながら、上記光源装置において光源の数を増やすと、偏光ビームスプリッターから射出される合成光線束の径が増大してしまうといった問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、合成光線束の径の増大を低減しつつ、複数の光源アレイからの光を合成できる、光源装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、第１の光源ユニットと、第２の光源ユニットと、第３の光源ユニットと、複数の反射素子および複数の偏光合成素子を備えた光線束合成素子と、を備え、前記第２の光源ユニットから射出された第２の光の偏光状態は、前記第３の光源ユニットから射出された第３の光の偏光状態とは異なり、前記第１の光源ユニットから射出された第１の光は、前記複数の反射素子で反射され、前記第２の光源ユニットから射出された第２の光は、前記複数の偏光合成素子を透過し、前記第３の光源ユニットから射出された第３の光は、前記複数の偏光合成素子で反射され、前記複数の反射素子および前記複数の偏光合成素子は、前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とが前記光線束合成素子から互いに同じ方向に射出されるように、かつ互いに交差するように設けられている光源装置が提供される。

第１態様に係る光源装置によれば、複数の反射素子及び複数の偏光合成素子を組み合わせた光線束合成素子を備えるので、第１〜第３の光からなる合成光線束の径の増大を低減しつつ、３つの光源ユニットから射出された光を合成することができる。
できる。

上記第１態様において、前記第１の光源ユニット、前記第２の光源ユニット及び前記第３の光源ユニット各々は、二次元的に配列された複数の発光素子と、該複数の発光素子に対応して設けられた複数のコリメーターレンズと、を備え、前記複数の反射素子と前記複数の偏光合成素子とは交互に配置されているのが好ましい。
この構成によれば、複数の反射素子と複数の偏光合成素子とが交互に配置されていない場合と比較して、光線束合成素子から射出される合成後の光線束の径が小さい。

上記第１態様において、前記複数の発光素子はレーザーダイオードからなり、前記複数の反射素子及び前記複数の偏光合成素子各々は、長手方向を有するストライプ形状を有し、前記複数の反射素子各々の長手方向と前記複数の偏光合成素子各々の長手方向とは、前記複数の反射素子と前記複数の偏光合成素子とが交互に配置されている配列方向と交差しており、前記複数の発光素子各々の遅軸方向は、前記配列方向と平行であり、前記第２の光源ユニットは、前記第２の光の光路上に設けられた第１の位相差板を備えているのが好ましい。
この構成によれば、複数の発光素子各々の遅軸方向を反射素子及び偏光合成素子の配列方向と平行とすることで、第１〜第３の光を反射素子或いは偏光合成素子に効率良く入射させることができる。よって、第１〜第３の光を合成するときに生じる損失を低減することができる。
また、第１の位相差板により第２の光の偏光状態を第３の光の偏光状態と異ならせるので、偏光合成素子によって第２の光および第３の光が良好に合成される。

上記第１態様において、前記光線束合成素子の後段に設けられた偏光分離素子と、波長変換素子と、拡散素子とをさらに備え、前記偏光分離素子は、前記光線束合成素子から射出された前記第１の光、前記第２の光及び前記第３の光を、互いに偏光状態が異なる第１の成分と第２の成分とに分離し、前記第１の成分は前記拡散素子に入射し、前記第２の成分は前記波長変換素子に入射するのが好ましい。
この構成によれば、波長変換素子で生成される光と拡散素子で生成される拡散光とを含んだ照明光を生成できる。

上記第１態様において、前記光線束合成素子と前記偏光分離素子との間の光路上に設けられた回転可能な第２の位相差板をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、第２の位相差板の回転角度を調整することで、合成光線束の偏光状態を変化させることができる。合成光線束のうち偏光分離素子によって反射される成分（Ｓ偏光成分）と透過する成分（Ｐ偏光成分）との割合を変化させることができる。よって、拡散素子に入射する光と波長変換素子に入射する光との割合を変化させることで照明光の色バランスを調整することができる。

上記第１態様において、前記第１の光源ユニットは、前記第１の光の光路上に設けられた回転可能な第３の位相差板をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、第３の位相差板の回転角度を適宜調整することで、第１の光源ユニットから射出された第１の光の偏光状態を変化させることができる。これにより、第１の光のうち偏光分離素子によって反射される成分（Ｓ偏光成分）と透過する成分（Ｐ偏光成分）との割合を変化させることができる。よって、拡散素子に入射する光と波長変換素子に入射する光との割合を変化させることで照明光の色バランスを調整することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。

第２態様に係るプロジェクターは、第１態様に係る照明装置を備えているので、小型化が容易である。

第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 発光素子の要部構成を示す図。 光合成部の斜視図。 ホモジナイザー光学系に対する合成光線束の入射状態を示す模式図。 比較例における合成光線束の入射状態を示す模式図。 第２実施形態に係る照明装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６とを備えている。

色分離光学系３は、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａ、第２の反射ミラー８ｂ及び第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過することによって、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の反射ミラー８ｂ及び第３の反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、第２のダイクロイックミラー７ｂの後段における青色光ＬＢの光路中に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長いことに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。液晶パネルは反射型であってもよい。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色，緑色，青色に対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。

投射光学系６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。

（照明装置）
次に、上記照明装置２の構成について説明する。
図２は照明装置２の構成を示す図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置１１と、均一化照明手段１３とを備えている。
光源装置１１は、光源部２０と、光合成部２１と、ホモジナイザー光学系２２と、位相差板１９と、偏光分離素子２３と、位相差板２４と、第１の集光光学系２５と、拡散板ホイール２６と、第２の集光光学系２７と、蛍光体ホイール２８と、を備える。

以下、図面を用いた説明において、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。Ｘ方向は照明装置２から射出された光の光軸（照明光軸）１００ａｘと平行な方向であり、Ｙ方向は光合成部２１から射出された光の光軸ａｘ１と平行な方向であり、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向にそれぞれ直交する方向である。Ｘ方向はＹ方向に直交している。

本実施形態において、光源部２０は、第１の光源ユニット１２１、第２の光源ユニット１２２及び第３の光源ユニット１２３を含む。

第１の光源ユニット１２１は、発光部１２１ａと、コリメーター光学系１２１ｂとを有する。発光部１２１ａは、二次元的に配列された複数の発光素子４０を有する。発光素子４０は、半導体レーザーから構成される。発光素子４０は光線Ｂ１を射出する。光線Ｂ１はピーク波長が例えば４４５ｎｍであるレーザー光である。光線Ｂ１は、後述するように蛍光体層の励起に用いられる光である。

本実施形態において、複数の発光素子４０は支持部材４１の実装面に二次元的に配列されている。支持部材４１は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属材料からなる。これにより、発光素子４０の熱を効率良く放出することが可能となっている。

図３は第１の光源ユニット１２１が備える発光素子４０の要部構成を示す図である。
図３に示すように、第１の光源ユニット１２１が備える発光素子４０は、光線Ｂ１を射出する光射出面４０ａを有している。光射出面４０ａは、光線Ｂ１の主光線Ｂ１ａの方向から視て長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有した、略矩形状の平面形状を有している。

本実施形態において、光射出面４０ａの長手方向Ｗ１の幅は例えば４０μｍであり、光射出面４０ａの短手方向Ｗ２の幅は例えば、１μｍであるが、光射出面４０ａの形状はこれに限定されない。長手方向Ｗ１はＺ方向と平行であり、短手方向Ｗ２はＹ方向と平行である。

短手方向Ｗ２は発光素子４０の速軸方向であり、長手方向Ｗ１は発光素子４０の遅軸方向であるので、光線Ｂ１の短手方向Ｗ２への拡がりは、光線Ｂ１の長手方向Ｗ１への拡がりよりも大きい。そのため、光線Ｂ１の断面形状ＢＳは、長手方向Ｗ１を短軸方向、短手方向Ｗ２を長軸とした楕円形状となる。

発光素子４０から射出された光線Ｂ１は、長手方向Ｗ１と平行な偏光方向を有する直線偏光からなる。本実施形態において、複数の発光素子４０は、各発光素子４０から射出された光線Ｂ１の主光線Ｂ１ａがＸ方向と平行、且つ、遅軸方向がＺ方向と平行となるように、支持部材４１に実装されている。これにより、発光素子４０から射出された時点の光線Ｂ１の偏光状態は、後述の光合成部２１が備えるミラー２１ａに対してＳ偏光である。

図２に戻って、本実施形態において、第１の光源ユニット１２１（複数の発光素子４０）から射出された光はコリメーター光学系１２１ｂに入射する。

コリメーター光学系１２１ｂは、複数のコリメーターレンズ４３を含む。各コリメーターレンズ４３は、各発光素子４０に対応して二次元的に配置されている。すなわち、各コリメーターレンズ４３は、対応する発光素子４０から射出された各光線Ｂ１を平行光に変換する。

本実施形態において、第１の光源ユニット１２１は位相差板１２１ｃをさらに備えている。位相差板１２１ｃは、コリメーター光学系１２１ｂと光合成部２１との間の光線Ｂ１の光路上に配置されている。

位相差板１２１ｃは、１／２波長板から構成される。位相差板１２１ｃは、コリメーター光学系１２１ｂから射出されたＳ偏光の光線Ｂ１をＰ偏光の光線Ｂ１ｐに変換する。

このような構成に基づき、第１の光源ユニット１２１は、平行光からなる複数の光線Ｂ１ｐを光合成部２１に向けて射出するようになっている。
本実施形態において、複数の光線Ｂ１ｐの偏光状態はミラー２１ａに対してＰ偏光となっている。なお、複数の光線Ｂ１ｐは特許請求の範囲の「第１の光源ユニットから射出された第１の光」に相当し、位相差板１２１ｃは特許請求の範囲の「第３の位相差板」に相当する。

第２の光源ユニット１２２は、第１の光源ユニット１２１と同一の構成を有し、発光部１２２ａと、コリメーター光学系１２２ｂとを有する。第２の光源ユニット１２２において、発光素子４０は光線Ｂ２をＹ方向に向けて射出するように配置されている。光線Ｂ２は、ピーク波長が例えば４４５ｎｍであるレーザー光である。光線Ｂ２は、光線Ｂ１ｐとともに蛍光体層の励起光として用いられる光である。

コリメーター光学系１２２ｂは、複数の光線Ｂ２を平行光に変換する。コリメーター光学系１２２ｂから射出された時点において、光線Ｂ２の偏光状態は光合成部２１が備える偏光ビームコンバイナー２１ｂに対してＳ偏光となっている。なお、光線Ｂ２の断面形状は、Ｚ方向を短軸方向、Ｘ方向を長軸方向とした楕円形状となる。

本実施形態において、第２の光源ユニット１２２は位相差板１２２ｃをさらに備えている。位相差板１２２ｃは、コリメーター光学系１２２ｂと光合成部２１との間の光線Ｂ２の光路上に配置されている。

位相差板１２２ｃは、１／２波長板から構成される。位相差板１２２ｃは、コリメーター光学系１２２ｂから射出されたＳ偏光の光線Ｂ２をＰ偏光の光線Ｂ２ｐに変換する。

このような構成に基づき、第２の光源ユニット１２２は平行光からなる複数の光線Ｂ２ｐを光合成部２１に向けて射出するようになっている。
本実施形態において、複数の光線Ｂ２ｐは特許請求の範囲の「第２の光源ユニットから射出された第２の光」に相当し、位相差板１２２ｃは特許請求の範囲の「第１の位相差板」に相当する。

第３の光源ユニット１２３は、第１、第２の光源ユニット１２１，１２２と基本的に同一の構成を有する。具体的に、第３の光源ユニット１２３は、発光部１２３ａと、コリメーター光学系１２３ｂとを有する。発光部１２３ａは、二次元的に配列された複数の発光素子４２を有する。発光素子４２は、半導体レーザーから構成され、光線Ｂ３を−Ｘ方向に向けて射出する。光線Ｂ３は、ピーク波長が例えば４６５ｎｍであるレーザー光である。すなわち、第３の光源ユニット１２３から射出される光線Ｂ３は、第１、第２の光源ユニット１２１，１２２から射出される光線Ｂ１，Ｂ２とは波長帯が異なっている。なお、光線Ｂ３は、後述するようにプロジェクター１が投射するカラー画像の形成に用いられる光である。光線Ｂ３の断面形状は、Ｚ方向を短軸方向、Ｙ方向を長軸方向とした楕円形状である。

本実施形態において、複数の発光素子４２は支持部材４１の実装面に二次元的に配列されている。

コリメーター光学系１２３ｂは、各発光素子４２に対応して二次元的に配置された複数のコリメーターレンズ４３を有する。
このような構成に基づき、第３の光源ユニット１２３は、平行光からなる複数の光線Ｂ３を光合成部２１に向けて射出可能となっている。
本実施形態において、光線Ｂ３の偏光状態は偏光ビームコンバイナー２１ｂに対してＳ偏光となっている。光線Ｂ３の断面形状は光線Ｂ２ｐの断面形状と同一でありながら、光線Ｂ３の偏光状態は光線Ｂ２ｐの偏光状態とは異なっている。
なお、複数の光線Ｂ３は特許請求の範囲の「第３の光源ユニットから射出された第３の光」に相当する。

図４は光合成部２１の斜視図である。
図２、４に示すように、光合成部２１は、複数のミラー２１ａと、複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂとを有する。ミラー２１ａ及び偏光ビームコンバイナー２１ｂ各々は、長手方向を有するストライプ形状からなる。

複数のミラー２１ａは第１の光源ユニット１２１から射出された複数の光線Ｂ１ｐを反射するものである。第１の光源ユニット１２１は、光線Ｂ１ｐがいずれか１つのミラー２１ａに入射するように位置決めされている。

複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂは第２、第３の光源ユニット１２２、１２３それぞれから射出された光線Ｂ２ｐ、Ｂ３を、それらの偏光成分に基づいて透過又は反射させることで合成する。具体的に、複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂは、第２の光源ユニット１２２から射出された複数の光線Ｂ２ｐを透過させ、第３の光源ユニット１２３から射出された複数の光線Ｂ３を反射させる。なお、偏光ビームコンバイナー２１ｂにおいて透過とは入射した全ての光を透過させることに限定せず、偏光ビームコンバイナー２１ｂの特性として起こり得る一部の光の反射を許容する。偏光ビームコンバイナー２１ｂにおいて反射とは入射した全ての光を反射させることに限定せず、偏光ビームコンバイナー２１ｂの特性として起こり得る一部の光の透過を許容する。

第２の光源ユニット１２２は、光線Ｂ２ｐがいずれか１つの偏光ビームコンバイナー２１ｂに入射するように位置決めされており、第３の光源ユニット１２３は、光線Ｂ３が当該偏光ビームコンバイナー２１ｂに入射するように位置決めされている。つまり、１つの偏光ビームコンバイナー２１ｂに対して、少なくとも１本の光線Ｂ２ｐと少なくとも１本の光線Ｂ３とが入射する。

本実施形態において、光合成部２１は特許請求の範囲の「光線束合成素子」に相当し、ミラー２１ａは特許請求の範囲の「反射素子」に相当し、偏光ビームコンバイナー２１ｂは特許請求の範囲の「偏光合成素子」に相当する。

ミラー２１ａ及び偏光ビームコンバイナー２１ｂは、ミラー２１ａで反射した光線Ｂ１ｐと、偏光ビームコンバイナー２１ｂを透過した光線Ｂ２ｐと、偏光ビームコンバイナー２１ｂで反射された光線Ｂ３とを互いに同じ方向に射出するように設けられている。また、図２に示したように、第２の光源ユニット１２２が光線Ｂ２を射出する方向と第３の光源ユニット１２３が光線Ｂ３を射出する方向とに平行な面に対して直交する方向（Ｚ方向）から見たとき、複数のミラー２１ａは複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂと交差している。交差角は４５°である。

本実施形態において、複数のミラー２１ａ各々の長手方向と複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂ各々の長手方向とは、ミラー２１ａ及び偏光ビームコンバイナー２１ｂの配列方向（Ｚ方向）と交差（直交）している。

また、複数のミラー２１ａと複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂとは、図４に示したように、Ｚ方向において交互に配置されている。

このような構成の光合成部２１において、第１の光源ユニット１２１から射出された複数の光線Ｂ１ｐは、複数のミラー２１ａで反射して光軸ａｘ１方向に射出される。また、第２の光源ユニット１２２から射出された複数の光線Ｂ２ｐは、複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂを透過して光軸ａｘ１方向に射出される。また、第３の光源ユニット１２３から射出された複数の光線Ｂ３は、複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂで反射して光軸ａｘ１方向に射出される。このようにして、複数の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３は光合成部２１で合成されて合成光線束Ｋが生成される。
本実施形態では、複数のミラー２１ａ及び複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂをＺ方向に交互に配置してあるので、複数の反射素子と複数の偏光合成素子とが交互に配置されていない場合と比較して、合成光線束ＫのＺ方向のサイズが小さい。

Ｚ方向から見たとき、複数のミラー２１ａは複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂと交差しているので、複数のミラー２１ａと複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂとが互いに分離されてＸ方向に並んで配置されている場合と比較して、合成光線束ＫのＸ方向のサイズが小さい。また、複数のミラー２１ａと複数の偏光ビームコンバイナー２１ｂとが互いに分離されてＹ方向に並んで配置されている場合と比較して、Ｙ方向において光源部２０がコンパクトである。

ところで、上述したように各光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３の断面形状は、いずれもＺ方向を短軸とする楕円状となっている。本実施形態において、複数の発光素子４０、４１各々の遅軸方向（図３に示した長手方向Ｗ１に相当）は、ミラー２１ａ及び偏光ビームコンバイナー２１ｂの配列方向（Ｚ方向）と平行となっている。すなわち、各光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３は、ミラー２１ａ或いは偏光ビームコンバイナー２１ｂの短辺方向に各々の短軸方向を一致させた状態となる。

一方、各光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３の長軸方向とミラー２１ａ或いは偏光ビームコンバイナー２１ｂの短辺方向とが一致する場合、例えば、光線Ｂ３の一部が偏光ビームコンバイナー２１ｂからはみ出し、ミラー２１ａによって第２の光源ユニット１２２側に反射されてしまう。すなわち、複数の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３を合成して合成光線束Ｋを生成するときに損失が発生する。損失を防ぐためには、Ｚ方向に互い隣り合う２つの光線の間隔を大きくして、光線Ｂ１ｐが偏光ビームコンバイナー２１ｂに入射せず、光線Ｂ２ｐ，Ｂ３がミラー２１ａに入射しないようにしなければならない。

これに対し、本実施形態によれば、上述のように各光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３の短軸方向をミラー２１ａ或いは偏光ビームコンバイナー２１ｂの短辺方向と一致させるため、合成光線束Ｋを生成するときに損失が発生する可能性が低い。そのため、各光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３を効率よく利用して合成光線束Ｋを生成することができる。
このように生成された合成光線束Ｋはホモジナイザー光学系２２に入射する。

ここで、ホモジナイザー光学系２２に対する合成光線束Ｋの入射状態について説明する。図５はホモジナイザー光学系２２に対する合成光線束Ｋの入射状態を示す模式図である。なお、図５では、ホモジナイザー光学系２２の図示を省略している。

図５に示すように、合成光線束Ｋにおいて、ミラー２１ａから射出された複数の光線Ｂ１ｐと、偏光ビームコンバイナー２１ｂから射出された複数の光線Ｂ２ｐ，Ｂ３とは、Ｚ方向において交互に配置される。光線Ｂ２ｐ，Ｂ３は偏光ビームコンバイナー２１ｂによって合成されることで互いに重なった状態となる。

ここで、比較として、第１〜第３の光源ユニット１２１〜１２３から射出された各光線をミラーのみで合成した合成光線束Ｋ１について説明する。すなわち、光合成部２１をミラーのみで構成されたものに置き換えた場合について説明する。図６は比較例におけるホモジナイザー光学系２２に対する合成光線束Ｋ１の入射状態を示す模式図である。

ここで、ミラーは偏光ビームコンバイナー２１ｂと異なり、光を透過させない。そのため、第２の光源ユニット１２２から射出された光線Ｂ２ｐの光路上にミラーを配置することができない。したがって、光合成部２１をミラーのみで構成されたものに置き換えた場合、図６に示すように、合成光線束Ｋ１において、複数の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３は互いに重ならず、Ｚ方向において順に配置される。したがって、図５に示した合成光線束Ｋに比べて、Ｚ方向の寸法が３／２倍となる。

このように本実施形態の光合成部２１によれば、ミラー２１ａと偏光ビームコンバイナー２１ｂとを組み合わせて用いることで、合成光線束Ｋの径の増大を低減しつつ、３つの光源ユニット１２１〜１２３から射出された複数の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３を合成することができる。

図２に戻り、ホモジナイザー光学系２２は、光合成部２１から射出された合成光線束Ｋの被照明領域における光強度分布を均一な状態（いわゆるトップハット分布）に変換するものであり、例えば一対のレンズアレイ２２ａおよびレンズアレイ２２ｂからなる。

レンズアレイ２２ａは複数の小レンズ２２ａｍを含み、レンズアレイ２２ｂは複数の小レンズ２２ｂｍを含む。複数の小レンズ２２ｂｍは複数の小レンズ２２ａｍとそれぞれ対応している。小レンズ２２ａｍ，２２ｂｍは光軸ａｘ１に垂直な面内において格子状に配列される。そして、このホモジナイザー光学系２２を通過した合成光線束Ｋは位相差板１９に入射する。

位相差板１９は、光合成部２１と偏光分離素子２３との間の光路上に設けられる。位相差板１９は、１／２波長板から構成される。位相差板１９は、合成光線束Ｋの偏光状態を変換する。位相差板１９を透過することで、Ｐ偏光の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐがＳ偏光の光線Ｂ１ｓ，Ｂ２ｓに変換され、Ｓ偏光の光線Ｂ３がＰ偏光の光線Ｂ３ｐに変換される。
本実施形態において、位相差板１９は特許請求の範囲の「第２の位相差板」に相当する。
位相差板１９を透過した合成光線束Ｋは、偏光分離素子２３に入射する。

偏光分離素子２３は、光軸ａｘ１及び照明光軸１００ａｘに対して４５°の角度をなすように配置される。本実施形態において、偏光分離素子２３は波長選択性を有している。

偏光分離素子２３は、この偏光分離素子２３に入射する合成光線束Ｋを、この偏光分離素子２３に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有している。偏光分離素子２３は、合成光線束ＫのうちＳ偏光成分の光線Ｂ１ｓ，Ｂ２ｓを青色光ＢＬ２として反射させ、合成光線束ＫのうちＰ偏光成分の光線Ｂ３ｐを青色光ＢＬ１として透過させる。本実施形態において、青色光ＢＬ１は特許請求の範囲の「第１の成分」に相当し、青色光ＢＬ２は特許請求の範囲の「第２の成分」に相当する。

また、偏光分離素子２３は、青色光ＢＬ１，ＢＬ２とは異なる波長帯の光を、その偏光状態にかかわらず透過させる。すなわち、偏光分離素子２３は色分離機能を有している。

偏光分離素子２３を透過した青色光ＢＬ１は、位相差板２４及び第１の集光光学系２５を透過して拡散板ホイール２６に入射する。
位相差板２４は、偏光分離素子２３と拡散板ホイール２６との間の光路中に配置された１／４波長板からなる。この位相差板２４に入射するＰ偏光の青色光ＢＬ１は、円偏光の青色光ＢＬｃに変換された後、第１の集光光学系２５に入射する。

第１の集光光学系２５は、青色光ＢＬｃを拡散板ホイール２６に向けて集光させる。第１の集光光学系２５は、例えば２つのピックアップレンズ２５ａ，２５ｂから構成されている。

また、第１の集光光学系２５はホモジナイザー光学系２２と協働して、拡散板ホイール２６上での青色光ＢＬｃの照度分布を均一化する。本実施形態では、第１の集光光学系２５の焦点位置に拡散板ホイール２６が配置されている。

拡散板ホイール２６は、青色光ＢＬｃを第１の集光光学系２５に向けて拡散反射させる。拡散板ホイール２６は、例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬｃを左回り円偏光の青色光ＢＬｄとして反射する。

拡散板ホイール２６は、拡散反射板３０と、拡散反射板３０を回転させるためのモーター３１と、を備えている。拡散反射板３０は、例えば光反射性を持つ部材の表面に凹凸を形成することで形成される。拡散反射板３０は、回転軸の方向から見て例えば円形に形成されている。本実施形態において、拡散板ホイール２６は特許請求の範囲の「拡散素子」に相当する。

拡散板ホイール２６により拡散反射され、第１の集光光学系２５を再び透過した左回り円偏光の青色光ＢＬｄ（拡散光）は、再び位相差板２４を透過して、Ｓ偏光の青色光ＢＬ１ｓとなる。Ｓ偏光の青色光ＢＬ１ｓは偏光分離素子２３で反射されて均一化照明手段１３に向かう。

一方、合成光線束Ｋのうち青色光ＢＬ２は、偏光分離素子２３で反射されて第２の集光光学系２７を通過して蛍光体ホイール２８に入射する。第２の集光光学系２７は、青色光ＢＬ２を蛍光体ホイール２８に向けて集光させる。第２の集光光学系２７は、例えば２つのピックアップレンズ２７ａ，２７ｂから構成されている。

蛍光体ホイール２８は、円板２８ａと、円板２８ａ上にリング状に形成された蛍光体層２９と、円板２８ａを回転させるモーター３３と、を有している。円板２８ａは放熱性に優れた金属部材から構成される。
本実施形態において、蛍光体ホイール２８は特許請求の範囲の「波長変換素子」に相当する。

蛍光体層２９は、励起光としての青色光ＢＬ２を吸収して黄色の蛍光ＹＬに変換して射出する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子としては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよく、２種以上の材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いてもよい。

円板２８ａと蛍光体層２９との間には反射部２８ｂが設けられている。このような構成に基づき、蛍光体ホイール２８は、蛍光体層２９で生成された蛍光ＹＬを第２の集光光学系２７に向けて射出するようになっている。

蛍光ＹＬは、第２の集光光学系２７により平行化される。蛍光ＹＬは偏光分離素子２３を透過し、該偏光分離素子２３により反射された青色光ＢＬ１ｓと合成される。このようにして、白色の照明光ＷＬが生成される。照明光ＷＬは均一化照明手段１３に入射する。

均一化照明手段１３は、第１レンズアレイ１２５、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を含む。

第１レンズアレイ１２５は、偏光分離素子２３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１２５ａを有する。複数の第１小レンズ１２５ａは、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２５の複数の第１小レンズ１２５ａに対応する複数の第２小レンズ１３０ａ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１２５の各第１小レンズ１２５ａの像を光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３０ａは照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、照明光ＷＬを直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、例えば、偏光分離膜と位相差板とミラーとから構成されている。

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光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ１２５、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、照明光ＷＬの面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

以上述べたように、本実施形態によれば、合成光線束Ｋの径の増大を低減しつつ、３つの光源ユニット１２１〜１２３から射出された光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐ，Ｂ３を合成する光源装置１１を実現できる。また、本実施形態の照明装置２は、上記光源装置１１を備えるので、小型であり、且つカラー画像を形成するのに適した色域の照明光ＷＬを生成することができる。したがって、本実施形態のプロジェクター１は、小型化が容易でありながら、色再現性が高いカラー画像を投射できる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る照明装置について説明する。以下、第１実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細の説明については省略若しくは簡略化する。

図７は本実施形態に係る照明装置２Ａの構成を示す図である。
図７に示すように、照明装置２Ａは、光源装置１１Ａと、均一化照明手段１３とを備えている。

光源装置１１Ａは、光源部２０と、光合成部２１と、ホモジナイザー光学系２２と、偏光分離素子２３Ａと、位相差板２４と、第１の集光光学系２５と、拡散板ホイール２６と、第２の集光光学系２７と、蛍光体ホイール２８と、を備える。

本実施形態においては、上記第１実施形態と異なり、ホモジナイザー光学系２２と偏光分離素子２３Ａとの間に１／２波長板を配置していない。そのため、第１実施形態と異なり、偏光分離素子２３Ａへ入射する合成光線束Ｋ１は、Ｐ偏光の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐとＳ偏光の光線Ｂ３とから構成される。

本実施形態の偏光分離素子２３Ａは、合成光線束ＫのうちＳ偏光成分の光線Ｂ３を青色光ＢＬ３として反射させ、合成光線束ＫのうちＰ偏光成分の光線Ｂ１ｐ，Ｂ２ｐを青色光ＢＬ４として透過させる。本実施形態において、青色光ＢＬ３は特許請求の範囲の「第１の成分」に相当し、青色光ＢＬ４は特許請求の範囲の「第２の成分」に相当する。

偏光分離素子２３Ａは、青色光ＢＬ３，ＢＬ４とは異なる波長帯の光（蛍光ＹＬ）を、その偏光状態にかかわらず反射させる色分離機能を有している。

偏光分離素子２３Ａで反射された青色光ＢＬ３は、位相差板２４及び第１の集光光学系２５を透過して拡散板ホイール２６に入射する。位相差板２４に入射するＳ偏光の青色光ＢＬ３は、円偏光の青色光ＢＬｃに変換された後、第１の集光光学系２５に入射する。

第１の集光光学系２５は、青色光ＢＬｃを拡散板ホイール２６に向けて集光させる。拡散板ホイール２６は、例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬｃを左回り円偏光の青色光ＢＬｄとして第１の集光光学系２５に向けて反射する。

拡散板ホイール２６により拡散反射され、第１の集光光学系２５を再び透過した左回り円偏光の青色光ＢＬｄ（拡散光）は、再び位相差板２４を透過して、Ｐ偏光の青色光ＢＬ１ｐとなる。Ｐ偏光の青色光ＢＬ１ｐは偏光分離素子２３Ａを透過して均一化照明手段１３に向かう。

一方、青色光ＢＬ４は、偏光分離素子２３Ａおよび第２の集光光学系２７を透過して蛍光体ホイール２８の蛍光体層２９に入射する。蛍光体層２９で生成された蛍光ＹＬは偏光分離素子２３Ａで反射され、該偏光分離素子２３Ａを透過した青色光ＢＬ１ｐと合成される。このようにして、白色の照明光ＷＬが生成される。
照明光ＷＬは均一化照明手段１３に入射する。

本実施形態の照明装置２Ａも、小型であり、且つカラー画像を形成するのに適した色域の照明光ＷＬを生成することができる。

なお、以上のように本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

（第１変形例）
例えば、上記実施形態においては、第１の光源ユニット１２１及び第２の光源ユニット１２２から青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）の光ビーム（励起用）を射出し、第３の光源ユニット１２３から青色（発光強度のピーク：約４６５ｎｍ）の光ビーム（カラー画像形成用）を射出する場合を例に挙げたが、第１の光源ユニット１２１及び第３の光源ユニット１２３から青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）の光ビーム（励起用）を射出し、第２の光源ユニット１２２から青色（発光強度のピーク：約４６５ｎｍ）の光ビーム（カラー画像形成用）を射出するようにしても良い。

上述のように第２の光源ユニット１２２から４６５ｎｍの光ビームを射出する変形例を採用する場合、第１の光源ユニット１２１から射出される光線Ｂ１の偏光状態と第３の光源ユニット１２３から射出される光線Ｂ３の偏光状態とを一致させる必要がある。

本変形例に係る第１の光源ユニット１２１Ａは位相差板１２１ｃを有しない点において上記実施形態の第１の光源ユニット１２１と異なる。このようにすれば、光線Ｂ１，Ｂ３の偏光状態をＳ偏光に揃えることができる。よって、第１実施形態と同様に、偏光分離素子２３は、光線Ｂ１，Ｂ３を反射させて蛍光体ホイール２８に入射させるとともに、光線Ｂ２を透過させて拡散板ホイール２６に入射させることができる。

（第２変形例）
また、上記実施形態において、コリメーター光学系１２１ｂと光合成部２１との間における光路上に配置された位相差板１２１ｃを回転可能な構成としてもよい。この構成によれば、位相差板１２１ｃ（１／２波長板）の回転角度を適宜調整することで、第１の光源ユニット１２１から射出された光線Ｂ１の偏光状態を変化させることができる。

すなわち、偏光分離素子２３によって反射される成分（Ｓ偏光成分）と透過する成分（Ｐ偏光成分）との割合が変化する。よって、拡散板ホイール２６に入射する光と蛍光体ホイール２８に入射する光との割合を変化させることで照明光ＷＬの色バランスを調整することができる。

（第３変形例）
また、上記実施形態において、光合成部２１と偏光分離素子２３との間の光路上に配置された位相差板１９を回転可能な構成としてもよい。この構成によれば、位相差板１９（１／２波長板）の回転角度を適宜調整することで、位相差板１９を透過した後における合成光線束Ｋの偏光状態を変化させることができる。

すなわち、偏光分離素子２３によって反射される成分（Ｓ偏光成分）と透過する成分（Ｐ偏光成分）との割合が変化する。よって、拡散板ホイール２６に入射する光と蛍光体ホイール２８に入射する光との割合を変化させることで照明光ＷＬの色バランスを調整することができる。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

上記実施形態では本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…プロジェクター、２、２Ａ…照明装置、４Ｂ、４Ｇ、４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、１１、１１Ａ…光源装置、１９…位相差板（第２の位相差板）、２１…光合成部（光線束合成素子）、２１ａ…ミラー（反射素子）、２１ｂ…偏光ビームコンバイナー（偏光合成素子）、２３、２３Ａ…偏光分離素子、２４…位相差板、２６…拡散板ホイール（拡散素子）、２８…蛍光体ホイール（波長変換素子）、４０、４２…発光素子、１２１、１２１Ａ…第１の光源ユニット、１２１ｃ…位相差板（第１の位相差素子）、１２２…第２の光源ユニット、１２２…第３の光源ユニット、１２３…第３の光源ユニット、Ｂ１…光線（第１の光）、Ｂ２…光線（第２の光）、Ｂ３…光線（第３の光）、ＢＬ１…青色光（第１の成分）、ＢＬ２…青色光（第２の成分）、ＢＬ３…青色光（第１の成分）、ＢＬ４…青色光（第２の成分）。

Claims (7)

1. 第１の光源ユニットと、第２の光源ユニットと、第３の光源ユニットと、複数の反射素子および複数の偏光合成素子を備えた光線束合成素子と、を備え、
   前記第２の光源ユニットから射出された第２の光の偏光状態は、前記第３の光源ユニットから射出された第３の光の偏光状態とは異なり、
   前記第１の光源ユニットから射出された第１の光は、前記複数の反射素子で反射され、
   前記第２の光源ユニットから射出された第２の光は、前記複数の偏光合成素子を透過し、
   前記第３の光源ユニットから射出された第３の光は、前記複数の偏光合成素子で反射され、
   前記複数の反射素子および前記複数の偏光合成素子は、前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とが前記光線束合成素子から互いに同じ方向に射出されるように、かつ互いに交差するように設けられている
   光源装置。
2. 前記第１の光源ユニット、前記第２の光源ユニット及び前記第３の光源ユニット各々は、二次元的に配列された複数の発光素子と、該複数の発光素子に対応して設けられた複数のコリメーターレンズと、を備え、
   前記複数の反射素子と前記複数の偏光合成素子とは交互に配置されている
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記複数の発光素子はレーザーダイオードからなり、
   前記複数の反射素子及び前記複数の偏光合成素子各々は、長手方向を有するストライプ形状を有し、
   前記複数の反射素子各々の長手方向と前記複数の偏光合成素子各々の長手方向とは、前記複数の反射素子と前記複数の偏光合成素子とが交互に配置されている配列方向と交差しており、
   前記複数の発光素子各々の遅軸方向は、前記配列方向と平行であり、
   前記第２の光源ユニットは、前記第２の光の光路上に設けられた第１の位相差板を備えている
   請求項２に記載の光源装置。
4. 前記光線束合成素子の後段に設けられた偏光分離素子と、波長変換素子と、拡散素子とをさらに備え、
   前記偏光分離素子は、前記光線束合成素子から射出された前記第１の光、前記第２の光及び前記第３の光を、互いに偏光状態が異なる第１の成分と第２の成分とに分離し、
   前記第１の成分は前記拡散素子に入射し、
   前記第２の成分は前記波長変換素子に入射する
   請求項３に記載の光源装置。
5. 前記光線束合成素子と前記偏光分離素子との間の光路上に設けられた回転可能な第２の位相差板をさらに備える
   請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１の光源ユニットは、前記第１の光の光路上に設けられた回転可能な第３の位相差板をさらに備える
   請求項４又は５に記載の光源装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
   プロジェクター。

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