JP2018124305A - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度や電力効率を向上できる光源装置および投射型表示装置を提供する。【解決手段】蛍光体を被覆するための基材に、集光レンズ１５の光軸と交わる点を底とする凹部を設け、その凹部に蛍光体を被覆した。凹部表面すなわち蛍光体の下地を鏡面加工する。凹部の斜面４０，４１から伸ばした法線と集光レンズの光軸とが交わる点Ｃが、集光レンズのレンズ面のうち蛍光体に最も蛍光体に近いレンズ面Ａと最も蛍光体から遠いレンズ面Ｂの間に位置するように、凹部と集光レンズを配置する。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザと蛍光体を備えた光源装置と、これを用いた投射型表示装置に関する。

近年、高い発光効率で短波長の光を出力する半導体レーザが開発されている。かかる半導体レーザの出力光で蛍光体を励起し、波長変換された光を投射型表示装置の光源として用いることが行われている。

かかる光源においては、蛍光体を一定の場所に固定して励起光を照射してもよいが、蛍光体の同一点を励起光が常に照射し続けると局所的に温度が上昇し、発光効率が低下する場合や、更には材料劣化が生じる可能性がある。このため、回転する円板の主面上に蛍光体を設けておき、蛍光体の同一点を励起光が定常的には照射しないように構成する光源が用いられることが多い。

例えば、特許文献１には、２次元配列された半導体レーザの出力光を、大口径レンズを通じて回転蛍光板に集光し、励起された回転蛍光板が発する蛍光をダイクロイックミラーで色選択し、選択された光を液晶光変調装置で変調する投射型表示装置が記載されている。

特開２０１６−１４６２９３号公報

投射型表示装置に対しては、高輝度化と省エネルギー化を両立すべきとの要請が高まっており、上述の回転蛍光板を用いた光源部分についても高効率化が求められている。

特許文献１に記載された装置では、励起光及び蛍光の集光を行うためのレンズを回転蛍光板の主面と平行に設けているが、レンズを十分に蛍光体層に近接させるのが困難なため、蛍光の利用効率が低下するという問題があった。

一般に、蛍光体と集光レンズとの距離（以下の説明で、集光レンズのワーキングディスタンスＷＤと呼ぶ場合がある）が近いほど、蛍光を多く取込むのに有利である。というのも、蛍光は蛍光体粒子の表面散乱等の影響で、ランバート反射の拡散光として広い角度範囲に出射するためである。また、蛍光体の局所的な昇温を抑制するため励起光の照射スポットを緩和する結果、蛍光体の発光スポット面積が拡大することもあり、ワーキングディスタンスＷＤが小さいほど蛍光の取込には有利になる。

しかしながら、集光レンズと蛍光体を近接させようとしても、円板の形状精度や取付け誤差、外部から衝撃を受けた際の変形や、モータの軸方向のスラストガタなどを考慮すると、ＷＤを小さくするには限度がある。内部にばねを設けてスラストガタを抑制したモータも開発されているが、大きな衝撃が印加された場合などには、蛍光体が変動して集光レンズや集光レンズの保持具と接触しないとは限らない。このような理由から、特許文献１に記載された装置では、集光レンズのワーキングディスタンスＷＤを小さくするのが困難であり、蛍光の集光効率が低下していた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、集光レンズのワーキングディスタンスＷＤを極端に小さくしなくても蛍光の集光効率を向上することが可能な光源装置と、その光源装置を備えた投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、青色レーザ光源と、蛍光体を被覆された基台と、前記青色レーザ光源から出射される青色レーザ光を前記蛍光体に集光するとともに、前記蛍光体が発する蛍光を集光する集光レンズとを有する光源装置であって、前記基台は、前記集光レンズの光軸と交わる部分を底とする凹部を有し、前記蛍光体は、前記凹部の表面に被覆されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記光源装置と、光変調素子と、投射レンズとを備えることを特徴とする投射型表示装置である。

本発明によれば、集光レンズのワーキングディスタンスＷＤを小さくしなくても蛍光の集光効率を向上することが可能な光源装置と、その光源装置を備えた投射型表示装置を提供することが可能である。

第一の実施形態の投射型表示装置の全体構成図。 （ａ）第一の実施形態の回転体の断面図、（ｂ）第一の実施形態の回転体の蛍光体の配置を示す図。 （ａ）従来の回転体の蛍光の角度分布を示す図、（ｂ）第一の実施形態の回転体の蛍光の角度分布を示す図。 実施形態のＶ字型の凹部形状と集光レンズの位置関係を示す図。 実施形態の曲面を有する凹部形状と集光レンズの位置関係を示す図。 （ａ）第一の実施形態の変形例である回転体の断面図、（ｂ）第一の実施形態の変形例である回転体の形状を示す図。 （ａ）第一の実施形態の変形例である回転体の側面図、（ｂ）第一の実施形態の変形例である回転体の形状を示す図。 第二の実施形態の投射型表示装置の全体構成図。 （ａ）第二の実施形態の基台の断面図、（ｂ）第二の実施形態の基台の形状を示す図、（ｃ）第二の実施形態の変形例である基台の断面図、（ｄ）第二の実施形態の変形例である基台の形状を示す図、（ｅ）第二の実施形態の変形例である基台の断面図、（ｆ）第二の実施形態の変形例である基台の形状を示す図、（ｇ）第二の実施形態の変形例である基台の断面図、（ｈ）第二の実施形態の変形例である基台の形状を示す図。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
［第一の実施形態］
図１に、本発明の第一の実施形態である光源装置、およびそれを備えた投射型表示装置の全体構成を示す。

（装置構成）
図１に示すように、第一の実施形態である投射型表示装置は、光源装置１、リレーレンズ群１２０、カラー選択ホイール１３０、ライトトンネル１４０、照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、を備えている。さらに、投影スクリーン１９０を備える場合もある。

光源装置１は、励起光源ユニット１１、励起光源側集光レンズ１２、偏光ビームスプリッタ１３、１／４波長板１４、蛍光体側集光レンズ１５、蛍光体が付与された回転体１６、モータ１７を備えている。光源装置１については、後に詳しく述べる。

リレーレンズ群１２０は、光源装置１が発する光をカラー選択ホイール１３０に導き、さらにライトトンネル１４０の入射口に集光するためのレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。

照明レンズ１５０は、ライトトンネル１４０で伝播された光を、光変調素子を照明するのに適した光束に整形するレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。

プリズム１７１とプリズム１７２は、合わせてＴＩＲプリズム（内部全反射プリズム）を構成している。ＴＩＲプリズムは、照明光を内部全反射させて、光変調素子に所定の角度で入射させ、光変調素子で変調された反射光を投射レンズ１８０に向けて透過させる。

光変調デバイス１６０は、映像信号に基づき入射光を変調する素子で、マイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤを用いている。ただし、反射型液晶デバイスのような、他の反射型光変調デバイスを用いることも可能である。
投射レンズ１８０は、光変調デバイスにより変調された光を、映像として投射するためのレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。

投影スクリーン１９０は、リヤプロジェクション型の表示装置を構成する場合に用いられる。また、フロントプロジェクション型の場合にも設置されることが多いが、ユーザが任意の壁面などに投射する場合には、必ずしも備える必要はない。
装置全体の動作については、後述する。

（光源装置）
次に、光源装置１について詳述する。
まず、励起光源ユニット１１は、アレイ状に配置された複数の青色レーザ光源と、青色レーザ光源の各々に対応して配置された複数のコリメートレンズを備え、青色レーザ光源とコリメートレンズはモジュール化されている。光源ユニットに用いた青色レーザ光源は、例えば波長４４０ｎｍのＳ偏光を発する半導体レーザである。

励起光源ユニット１１の各モジュールには、青色レーザ光源が２×４にマトリクス配列された発光素子アレイが含まれている。ただし、１つのモジュールに含まれるマトリクス配列の規模は、この例に限られるものではない。より大規模なマトリクス配列でもよいし、縦横が同数のマトリクス配列であってもよい。各レーザ光源から出力される光は、コリメートレンズの作用により、ほぼ平行な光線として励起光源ユニット１１から出射する。

励起光源ユニット１１から出射したＳ偏光の青色レーザ光は、励起光源側集光レンズ１２を経て偏光ビームスプリッタ１３で反射され、蛍光体側集光レンズ１５により回転体１６の上に設けられた蛍光体に集光される。後述するように、回転体１６の面上の励起光が照射される領域には、赤色、緑色、黄色に発光する蛍光体が配置されている。偏光ビームスプリッタ１３は、Ｓ偏光である青色の励起光を反射するが、偏光が揃っていない蛍光、及び回転体１６で反射され１／４波長板１４を経由して戻ってきたＰ偏光の青色光は透過するような選択性を有するミラーである。蛍光体が発する蛍光は、蛍光体側集光レンズ１５により集光され、偏光ビームスプリッタ１３を透過して、リレーレンズ群１２０に向けて出射される。

（回転体）
次に、本発明の特徴とも言える回転体１６について詳しく説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）は、図１の投射型表示装置の光源装置１の一部を抽出して示した図である。図２（ａ）は、回転体１６とモータ１７を側面から見た模式的な断面図であり、図２（ｂ）は、回転体１６の主面を蛍光体側集光レンズ１５の側から見た図である。図中のＡｘ−Ｒは回転体１６の回転軸であり、Ａｘ−Ｌは蛍光体側集光レンズ１５の光軸である。

回転体１６の基材には、熱伝導率と光反射率が高い金属が好適に用いられる。モータ１７が回転することにより回転体１６が回転し、励起光の照射スポットは回転体の主面上を相対的に移動するが、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、照射スポットの軌跡に沿って、赤色発光の蛍光体が付与された領域ＰＲ、緑色発光の蛍光体が付与された領域ＰＧ、黄色発光の蛍光体が付与された領域ＰＹ、励起光を反射する反射領域ＲＢの４つの帯状の領域が設けられている。各領域は、回転軸Ａｘ−Ｒを中心とする同一半径の円弧の上に配置されている。

回転体１６が回転するに従い、領域ＰＲ、領域ＰＧ、領域ＰＹは順次に励起光で照射され、それぞれ赤色、緑色、黄色の蛍光を発する。また、反射領域ＲＢが青色レーザ光で照射されると、青色光は蛍光体側集光レンズ１５に向けて回転体１６で反射される。基材の表面は、領域ＰＲ、領域ＰＧ、領域ＰＹで発した蛍光を蛍光体側集光レンズ１５の方向に有効に取り出せるように、あるいは反射領域ＲＢで青色レーザ光を高い効率で蛍光体側集光レンズ１５の方向に反射するように、鏡面加工しておくのが望ましい。

本実施形態では、領域ＰＲ、領域ＰＧ、領域ＰＹの蛍光体の下地となる基材部分と、反射領域ＲＢの基材部分には、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと交わる部分を底とする凹部（Ｖ字型溝）が設けられている。ただし、反射領域ＲＢの基材部分のみは、蛍光体側集光レンズ１５の光軸と直交する平坦な面で構成してもよい。

図３（ａ）は、本実施形態との比較のために示す従来の回転体の一部分の断面図で、図３（ｂ）は、本実施形態の図２（ａ）中の点線２０で囲んで示した部分を拡大した断面図である。

図３（ａ）に示す従来の回転体では、回転体の基材３０の平坦面の上に蛍光体３１が設けられている。同図に矢印で示すように、蛍光体３１が発する蛍光は、蛍光体粒子の粒子間界面や蛍光体層の表面で生じる散乱の影響により、ランバート反射の拡散光として広い角度範囲に出射する。図３（ａ）では、説明のために蛍光体層の一点から出射される光の角度分布のみを示したが、実際には励起光に照射された照射エリア（スポット）内の各点からの拡散光が重ね合わされて集光レンズ側に出射する。すでに述べたように、集光レンズを蛍光体に近接させるには限度があるため、蛍光面に対して小さな角度で出射する蛍光は集光レンズには取込まれず、投射型表示装置で利用されない損失光となってしまっていた。

一方、図３（ｂ）に示す本発明の実施形態においては、蛍光体３３の下地となる基材３２には、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと交わる部分を底とする凹部（Ｖ字型溝）が設けられている。励起光のビームが、光軸Ａｘ−Ｌを中心にして２本の線３４で挟まれる範囲に照射されるとすると、照射領域内の蛍光体の各点からは、蛍光が拡散光となって出射される。図３（ｂ）では、図示の便宜上、線３４が蛍光体と交わる２点からの拡散光のみを示したが、本実施形態によれば、各点から出射される拡散光のうち最も強度が高い成分は、Ｖ字型溝の斜面から法線方向に出射する。言い換えれば、拡散光のうち最も強度が高い成分は、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと平行ではなく、光軸Ａｘ−Ｌと交差する方向に出射する。図３（ａ）のように平坦面上に設けた蛍光体から拡散光を取出す場合に比べて、同じ集光レンズのレイアウトであった場合、本実施形態によれば、より多くの拡散光を蛍光体側集光レンズに取込むことができる。

図４に、本実施形態における凹部（Ｖ字型溝）と蛍光体側集光レンズ１５の配置関係を模式的に示す。図中の斜面４０及び斜面４１は、凹部のＶ字型を構成する斜面を模式的に示したもので、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌを中心に対称に配置されている。

図中の点Ａは、蛍光体側集光レンズ１５を構成するレンズ面の内で、最も蛍光体に近い面において光軸Ａｘ−Ｌが通る点である。また、点Ｂは、蛍光体側集光レンズ１５を構成するレンズ面の内で最も蛍光体から遠い面、すなわち最も偏光ビームスプリッタ１３に近い面において光軸Ａｘ−Ｌが通る点である。尚、本実施形態では、蛍光体側集光レンズ１５を２枚のレンズで構成したが、レンズの枚数は１枚でも３枚以上でもよく、その場合においても、最も蛍光体に近いレンズ面に点Ａがあり、最も蛍光体から遠いレンズ面に点Ｂが在るものと扱う。また、Ｆは蛍光体側集光レンズ１５の後側主点である。

点Ｃは、凹部のＶ字型斜面における励起光の照射スポットのうち、回転軸Ａｘ−Ｒから最も遠い点あるいは回転軸Ａｘ−Ｒに最も近い点から立てた法線が、光軸Ａｘ−Ｌと交わる点である。本実施形態では、点Ｃは、点Ａと点Ｂの間に位置するように構成されている。そして、点Ｃは、蛍光体側集光レンズ１５の後側主点Ｆに近接または一致するのが望ましい。かかる構成を採用することにより、拡散光として出射する蛍光を効率的に蛍光体側集光レンズに取込むことができる。

蛍光体に照射される励起光のスポット直径をＥＸＤ、Ｖ字型凹部が設けられている幅をＣＷ、蛍光体側集光レンズ１５の焦点距離をｆ、蛍光体と蛍光体側集光レンズ１５のワーキングディスタンスをＷＤ、光軸Ａｘ−Ｌと直交する面に対してＶ字型凹部の斜面がなす角をθ、とした時、好適な実施例として下記の数値を挙げることができる。
すなわち、ＥＸＤ＝２ｍｍ、ＣＷ＝４ｍｍ、ＷＤ＝２ｍｍ、ｆ＝８ｍｍ、θ＝７．１度、である。励起光のスポット直径ＥＸＤに対して、Ｖ字型凹部が設けられている幅ＣＷを大きくしているのは、Ｖ字型凹部を形成する際の工作精度を担保するとともに、回転体と集光レンズの組立て位置精度に余裕を持たせるためである。蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌに直交する面に対してＶ字型凹部の斜面がなす角θを略７．１度に設定すると、ワーキングディスタンスを２ｍｍとしても、より多くの蛍光を集光レンズに取込むことができる。従来のように回転体にＶ字型凹部を設けない平坦面の場合（θ＝０度、ＷＤ＝２ｍｍ）と比較して、上記実施例では集光レンズへの蛍光の取込み量を５％向上することが可能である。もちろん、上記数値は、本発明の実施の一例であって、これに限られるものではない。

（投射型表示装置の動作）
次に、図１に戻り、投射型表示装置の全体動作について説明する。
蛍光体が付与された回転体１６から出射された光は、蛍光体側集光レンズ１５、１／４波長板１４、偏光ビームスプリッタ１３、リレーレンズ群１２０を介して、カラー選択ホイール１３０に導かれる。

カラー選択ホイール１３０は、回転軸Ａｃを中心に回転可能な板状回転体で、Ｒ、Ｇ、Ｙの各色フィルターと、青色光を透過させるための扇状の切り欠き（光透過部）が設けられている。各色のカラーフィルターは、蛍光のうち不要な波長域の光をカットして、表示光の色純度を高めるために設けられている。ただし、励起光が回転体１６で反射されて戻る青色光は色純度が高いレーザ光であるため、フィルターは設ける必要がないのである。

蛍光体が付与された回転体１６とカラー選択ホイール１３０とは、同期して回転しており、前者の赤色蛍光体が発光している時にはＲフィルターが、緑色蛍光体が発光している時にはＧフィルターが、黄色蛍光体が発光している時にはＹフィルターが、青色の励起光が反射している時には光透過部が配置されるように回転タイミングが調整されている。

カラー選択ホイール１３０を透過した光は、ライトトンネル１４０と照明レンズ１５０を経由して、ＴＩＲプリズムのプリズムに入射する。プリズム１７１の全反射面で反射された光は、光変調デバイス１６０に所定角度で入射する。

光変調デバイス１６０は、アレイ状に設けられたマイクロミラーデバイスを有し、各色の映像信号に応じて各マイクロミラーデバイスを駆動して、映像光をプリズム１７１に向けて所定角度で反射する。映像光は、プリズム１７１およびプリズム１７２を透過して、投射レンズ１８０に導かれ、投影スクリーン１９０に投射される。

以上説明した第一の実施形態である投射型表示装置は、回転体の凹部に蛍光体を設けた光源装置を用いたことにより、蛍光の取込み効率が高まり、従来と比較して高輝度、低消費電力の装置を実現することができる。

［第一の実施形態の変形例］
第一の実施形態として、回転体の凹部に蛍光体を設けた光源装置を示したが、種々の変形が有り得るので、例を示す。

（凹部形状）
すでに説明したように、ランバート反射の拡散光として広い角度範囲に出射する蛍光を集光レンズに多く取込むには、断面がＶ字形状となる凹部に蛍光体を設けるのが好適であるが、これ以外の凹部形状も採用し得る。たとえば、２直線からなるＶ字型に限らず、曲線を有する断面形状であってもよい。

図５は、断面形状が曲線５０を有する凹部曲面と、蛍光体側集光レンズ１５の配置関係を模式的に示した図である。図中の点Ａは、蛍光体側集光レンズ１５を構成するレンズ面の内で、最も蛍光体に近い面において光軸Ａｘ−Ｌが通る点である。また、点Ｂは、蛍光体側集光レンズ１５を構成するレンズ面の内で最も蛍光体から遠い面、すなわち最も偏光ビームスプリッタ１３に近い面において光軸Ａｘ−Ｌが通る点である。尚、本実施形態では、蛍光体側集光レンズ１５を２枚のレンズで構成したが、レンズの枚数は１枚でも３枚以上でもよく、その場合においても、最も蛍光体に近いレンズ面に点Ａがあり、最も蛍光体から遠いレンズ面に点Ｂが在るものと扱う。また、Ｆは蛍光体側集光レンズ１５の後側主点である。

点Ｃは、凹部の曲面における励起光の照射スポットのうち、回転軸Ａｘ−Ｒから最も遠い点あるいは回転軸Ａｘ−Ｒに最も近い点から立てた法線が、光軸Ａｘ−Ｌと交わる点である。本実施形態では、点Ｃは、点Ａと点Ｂの間に位置するように構成されている。そして、点Ｃは、蛍光体側集光レンズ１５の後側主点Ｆに近接あるいは一致するのが望ましい。かかる構成を採用することにより、拡散光として出射する蛍光を効率的に蛍光体側集光レンズに取込むことができる。

曲線５０として、円弧を用いた場合には、点Ｃは円の中心となる。この場合、点Ｃは、蛍光体側集光レンズ１５の後側主点Ｆと一致させるのが望ましい。曲線５０としては、円弧の他、楕円の一部や他の曲線を採用することも可能である。他の曲線を採用する場合にも、点Ｃが、点Ａと点Ｂの間に位置し、蛍光体側集光レンズ１５の後側主点Ｆに近接あるいは一致するように構成する。

（蛍光体の色）
回転体の凹部に設ける蛍光体の構成は、図２（ｂ）の例に限るものではない。たとえば、図２（ｂ）では、赤色発光、緑色発光、黄色発光の３色の蛍光体を設けたが、場合によっては、赤色発光と緑色発光の２色だけを用いてもよい。

また、例えば波長が４０５ｎｍのレーザ光を励起光として用いる場合には、回転体上に反射領域は設けないで、回転軸を中心とする円環状の凹部を設けて、円環全体に白色発光の蛍光体を形成してもよい。尚、蛍光体の構成を変更する場合には、カラー選択ホイール１３０の構成もそれに合わせて変更すべきことは言うまでもない。

（凹部及び蛍光体の形成位置）
凹部及び蛍光体を形成するのは、回転体の主面上に限らず、回転体の外縁部（斜面）であってもよい。図６に、その例を示す。図６（ａ）は回転体６１とモータ６２を側面から見た模式的な断面図であり、図６（ｂ）は回転軸方向から回転体６１を見た図である。図中のＡｘ−Ｒはモータ６２及び回転体６１の回転軸であり、Ａｘ−Ｌは蛍光体側集光レンズ１５の光軸である。

同図に示すように、回転体６１の外縁部の斜面に沿って凹部６３が形成されており、凹部６３の上面には不図示の蛍光体が設けられている。蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌは、斜面に対して直交する配置になっているため、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと回転体６１の回転軸Ａｘ−Ｒは、図１の投射型表示装置と異なり、平行にはならずに交差する。凹部を回転体の外縁部（斜面）に設ける場合にも、図４あるいは図５に示したのと同様に、凹部からの法線が光軸Ａｘ−Ｌと交わる点Ｃが、蛍光体側集光レンズの点Ａと点Ｂの間に位置するように構成する。

また、凹部及び蛍光体を形成するのは、回転体の主面上に限らず、回転体の側面であってもよい。図７に、その例を示す。図７（ａ）は回転体７１とモータ７２を側面から見た模式図であり、図７（ｂ）は回転軸方向から回転体７１を見た図である。図中のＡｘ−Ｒはモータ７２及び回転体７１の回転軸であり、Ａｘ−Ｌは蛍光体側集光レンズ１５の光軸である。

同図に示すように、回転体７１の外周の側面に沿って凹部７３が形成されており、凹部７３の上面には不図示の蛍光体が設けられている。蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌは、側面に対して直交する配置になっているため、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと回転体７１の回転軸Ａｘ−Ｒは、図１の投射型表示装置と異なり、直交する。凹部を回転体の側面に設ける場合にも、図４あるいは図５に示したのと同様に、凹部からの法線が光軸Ａｘ−Ｌと交わる点Ｃが、蛍光体側集光レンズの点Ａと点Ｂの間に位置するように構成する。

（光変調素子）
回転体の凹部に蛍光体を設けた光源装置を用いて投射型表示装置を構成する場合に、光変調素子は、マイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤや反射型液晶デバイスのような反射型光変調デバイスに限られるわけではない。後述する第二の実施形態（図８）の装置のように、透過型光変調素子を用いることも可能である。

［第二の実施形態］
第一の実施形態の投射型表示装置では、光源部の回転体上に蛍光体を設けたが、第二の実施形態では、蛍光体を固定された基台の上に設ける。また、第一の実施形態では、反射型光変調素子を用いたが、第二の実施形態では、透過型光変調素子を用いる。
図８に、本発明の第二の実施形態である投射型表示装置の全体構成を示す。

（装置構成と動作）
図８に示すように、第二の実施形態の投射型表示装置は、光源装置８０、リレーレンズ８１０、第一レンズアレイ８２０、第二レンズアレイ８３０、偏光変換素子８４０、重畳レンズ８５０、ダイクロイックミラー８６０、８６１、反射ミラー８６２、８６３、８６４、クロスダイクロイックプリズム８７０、Ｒ用レンズ８８１、Ｒ用透過型液晶パネル８８２、Ｇ用レンズ８８３、Ｇ用透過型液晶パネル８８４、Ｂ用レンズ８８５、Ｂ用透過型液晶パネル８８６、投射レンズ８９０、を備えている。さらに、投影スクリーン８９１を備える場合もある。

光源装置８０は、励起光源ユニット８１、励起光源側集光レンズ８２、偏光ビームスプリッタ８３、１／４波長板８４、蛍光体側集光レンズ８５、蛍光体が付与された基台８６を備えている。光源装置８０については、後に詳しく述べる。

光源装置８０から出射された光は、リレーレンズ８１０を介して第一レンズアレイ８２０に導かれる。第一レンズアレイ８２０は、光を複数の部分光束に分割するため、マトリクス状に配置された複数の小レンズを備える。第二レンズアレイ８３０および重畳レンズ８５０は、第一レンズアレイ８２０の小レンズの像を、Ｒ用透過型液晶パネル８８２、Ｇ用透過型液晶パネル８８４、Ｂ用透過型液晶パネル８８６の画面領域近傍に結像させる。第一レンズアレイ８２０、第二レンズアレイ８３０および重畳レンズ８５０は、光源装置１の光強度を、透過型液晶パネルの面内方向で均一化する。
偏光変換素子８４０は、第一レンズアレイ８２０により分割された部分光束を、直線偏光に変換する。

ダイクロイックミラー８６０は、赤色光を反射させ、緑色光および青色光を透過させるダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー８６１は、緑色光を反射させ、青色光を透過させるダイクロイックミラーである。
反射ミラー８６２と８６３は、青色光を反射させる反射ミラーである。反射ミラー８６４は、赤色光を反射させる反射ミラーである。

直線偏光された赤色光は、Ｒ用レンズ８８１を介してＲ用透過型液晶パネル８８２に入射し、画像信号に応じて変調され、映像光として出射する。尚、Ｒ用レンズ８８１とＲ用透過型液晶パネル８８２の間、およびＲ用透過型液晶パネル８８２とクロスダイクロイックプリズム８７０の間には、それぞれ入射側偏光版（不図示）と出射側偏光版（不図示）が配置されている。
赤色と同様に、緑色光はＧ用透過型液晶パネル８８４により、青色光はＢ用透過型液晶パネル８８６により変調され、映像光として出射する。
クロスダイクロイックプリズム８７０は、４つの直角プリズムを張り合わせて構成され、張り合わせ部のＸ字形界面には、誘電体多層膜が形成されている。

Ｒ用透過型液晶パネル８８２およびＢ用透過型液晶パネル８８６から出力された映像光は、投射レンズ８９０に向けて誘電体多層膜で反射され、Ｇ用透過型液晶パネル８８４から出力された映像光は、投射レンズ８９０に向けて誘電体多層膜を透過する。
各色の映像光は重畳され、投射レンズ８９０により投影スクリーン８９１に投射される。

（光源装置）
次に、光源装置８０について詳述する。
まず、励起光源ユニット８１は、アレイ状に配置された複数の青色レーザ光源と、青色レーザ光源の各々に対応して配置された複数のコリメートレンズを備え、青色レーザ光源とコリメートレンズはモジュール化されている。光源ユニットに用いた青色レーザ光源は、例えば波長４０５ｎｍのＳ偏光を発する半導体レーザである。

励起光源ユニット８１の各モジュールには、青色レーザ光源が２×４にマトリクス配列された発光素子アレイが含まれている。ただし、１つのモジュールに含まれるマトリクス配列の規模は、この例に限られるものではない。より大規模なマトリクス配列でもよいし、縦横が同数のマトリクス配列であってもよい。各レーザ光源から出力される光は、コリメートレンズの作用により、ほぼ平行な光線として励起光源ユニット８１から出射する。

励起光源ユニット８１から出射したＳ偏光の青色レーザ光は、励起光源側集光レンズ８２を経て偏光ビームスプリッタ８３で反射され、蛍光体側集光レンズ８５により基台８６の上に設けられた蛍光体に集光される。励起光が照射される基台８６の面には、青色の励起光により白色発光する蛍光体が配置されている。偏光ビームスプリッタ８３は、Ｓ偏光である青色の励起光を反射するが、蛍光体が発する偏光が揃っていない蛍光は透過するような選択性を有するミラーである。蛍光体が発する蛍光は、蛍光体側集光レンズ８５により集光され、偏光ビームスプリッタ８３を透過して、リレーレンズ８１０に向けて出射される。

（基台）
次に、本発明の特徴とも言える蛍光体が設けられた基台８６について詳しく説明する。
図９（ａ）及び（ｂ）は、図８の投射型表示装置の光源装置８０の一部を抽出して示した図である。図９（ａ）は基台８６を側面から見た模式的な断面図であり、図９（ｂ）は蛍光体側集光レンズ８５の側から基台８６を見た図である。図中のＡｘ−Ｌは、蛍光体側集光レンズ８５の光軸である。

基台８６の基材９０には、熱伝導率と光反射率が高い金属が好適に用いられる。そして、基材９０には、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと交わる部分を底とする凹部が設けられており、凹部の表面は鏡面加工され、白色発光の蛍光体９１により被覆されている。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹部は四角錐が切取られた形状を有している。凹部を構成する斜面は、図４で説明したように、斜面における励起光の照射スポットの外縁から立てた法線が光軸Ａｘ−Ｌと交わる点Ｃが、蛍光体側集光レンズの点Ａと点Ｂの間に位置するように構成されている。そして、点Ｃは、蛍光体側集光レンズの後側主点Ｆに近接あるいは一致するのが望ましい。励起光が照射されたエリアの各点から出射される拡散光のうち最も強度が高い成分は、凹部の斜面から法線方向に出射する。言い換えれば、拡散光のうち最も強度が高い成分は、蛍光体側集光レンズ１５の光軸Ａｘ−Ｌと平行ではなく、光軸Ａｘ−Ｌと交差する方向に出射する。

かかる構成を採用することにより、平坦面上に設けた蛍光体から拡散光を取出す場合に比べて、同じ集光レンズのレイアウトで比較すれば、本実施形態は蛍光を、より多く蛍光体側集光レンズに取込むことができる。

以上説明した第二の実施形態である投射型表示装置は、固定された基台の凹部に蛍光体を配置した光源装置を用いたことにより、蛍光の取込み効率が高まり、従来と比較して高輝度、低消費電力の装置を実現することができる。

［第二の実施形態の変形例］
（凹部形状）
すでに説明したように、ランバート反射の拡散光として広い角度範囲に出射する蛍光を集光レンズに多く取込むには、固定された基材から四角錐が切取られた形状となる凹部に蛍光体を設けるのが好適であるが、これ以外の凹部形状も採用し得る。たとえば、四角錐以外の角錐や円錐、あるいは球面の一部が基材から切取られた形状の凹部でもよい。

図９の（ｃ）、（ｄ）に示すのは基材から六角錐が切取られた形状の凹部の例で、（ｅ）、（ｆ）に示すのは基材から円錐が切取られた形状の凹部の例で、（ｇ）、（ｈ）に示すのは基材から球の一部が切取られた形状の凹部の例である。図９の（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）は、基台８６を側面から見た模式的な断面図であり、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）は、蛍光体側集光レンズ８５の側から基台８６を見た図である。いずれも、凹部の底が光軸Ａｘ−Ｌと交差し、凹面は光軸Ａｘ−Ｌに対して対称になるよう配置されている。また、凹部を構成する斜面は、図４や図５で説明したのと同様に、斜面における励起光スポットの外縁から立てた法線が光軸Ａｘ−Ｌと交わる点Ｃが、蛍光体側集光レンズの点Ａと点Ｂの間に位置するように構成されている。そして、点Ｃは、集光レンズの後側主点Ｆに近接あるいは一致するのが望ましい。

（光変調素子）
固定部材の凹部に蛍光体を設けた光源装置を用いて投射型表示装置を構成する場合に、光変調素子は、透過型光変調素子に限られるわけではない。前述した第一の実施形態（図１）の装置のように、マイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤや反射型液晶デバイスのような反射型光変調デバイスを、カラー選択ホイールと組み合わせて用いることも可能である。

［その他の実施形態］
以上説明したように、第一及び第二の実施形態に示した全ての光源装置は、反射型光変調デバイスを有する投射型表示装置でも、透過型光変調デバイスを有する投射型表示装置でも、自由に組み合わせて用いることができる。また、全ての実施形態に示した光源装置の構成部品の形状、大きさ、組み合わせ、配置などは、本発明が適用される投射型表示装置の構成や仕様等の各種条件により、適宜変更され得る。
蛍光体を設ける基台は、回転させたり固定したものに限られず、直線運動等の運動をするものでもよい。例えば、ピエゾ素子で駆動され、一次元的な往復運動が可能な基台に蛍光体を設ければ、回転体の場合と同様に蛍光体の局所的な過熱を防止することができる。

１・・・光源装置／１１・・・励起光源ユニット／１２・・・励起光源側集光レンズ／１３・・・偏光ビームスプリッタ／１４・・・１／４波長板／１５・・・蛍光体側集光レンズ／１６・・・蛍光体が付与された回転体／１７・・・モータ／８０・・・光源装置／８１・・・励起光源ユニット／８２・・・励起光源側集光レンズ／８３・・・偏光ビームスプリッタ／８４・・・１／４波長板／８５・・・蛍光体側集光レンズ／８６・・・蛍光体が付与された基台／１３０・・・カラー選択ホイール／１６０・・・光変調デバイス／１８０・・・投射レンズ／１９０・・・投影スクリーン／８７０・・・クロスダイクロイックプリズム／８８２・・・Ｒ用透過型液晶パネル／８８４・・・Ｇ用透過型液晶パネル／８８６・・・Ｂ用透過型液晶パネル／８９０・・・投射レンズ／Ａｘ−Ｌ・・・蛍光体側集光レンズの光軸／Ａｘ−Ｒ・・・回転体の回転軸／ｆ・・・蛍光体側集光レンズの焦点距離／Ｆ・・・蛍光体側集光レンズの後側主点

Claims (8)

1. 青色レーザ光源と、
   蛍光体を被覆された基台と、
   前記青色レーザ光源から出射される青色レーザ光を前記蛍光体に集光するとともに、前記蛍光体が発する蛍光を集光する集光レンズと、
   を有する光源装置であって、
   前記基台は、前記集光レンズの光軸と交わる部分を底とする凹部を有し、
   前記蛍光体は、前記凹部の表面に被覆されている、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記凹部の前記青色レーザ光の照射スポットの外縁から伸ばした法線が前記集光レンズの光軸と交わる点は、
   前記集光レンズのレンズ面のうち、前記蛍光体に最も近い面と前記蛍光体から最も遠い面の間に位置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記基台は回転可能な回転体であり、
   前記凹部は、前記回転体の回転軸を中心とした円または円弧に沿って設けられた凹部である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記凹部は、前記基台を前記回転軸を含む面で切った断面において、Ｖ字型または円弧の形状を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記凹部は、前記回転体の外縁部または側面に設けられており、前記光軸と前記回転軸は交差する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
6. 前記凹部は、前記回転体の主面に設けられており、前記光軸と前記回転軸が平行である、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
7. 前記基台は固定されており、
   前記凹部は、前記基台の基材から角錐または円錐または球の一部が切取られた形状である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
8. 請求項１乃至７のうちの何れか１項に記載の光源装置と、
   光変調素子と、投射レンズとを備える、
   ことを特徴とする投射型表示装置。

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