JP2018189886A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】照度分布の均一性が高い小型の光源装置を提供する。【解決手段】本発明の光源装置は、複数の半導体レーザー素子を備えた光源部とコリメート光学系とを備えた光源ユニットと、光線束圧縮光学系と、均一化光学系と、を備える。光線束圧縮光学系の前段において、複数のレーザー光線の各々の断面の長軸方向と短軸方向のうち、光線束が他の方向よりも太い方向を第１の方向とし、光線束圧縮光学系の屈折力が最大の方向を最大屈折方向としたとき、最大屈折方向と第１の方向とのなす角度は、０°よりも大きく、４５°未満である。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

例えばプロジェクターに用いる光源装置として、レーザー素子と蛍光体とを利用した光源装置が提案されている。下記の特許文献１に、複数のレーザー光源群と複数のミラー群とを含む光源部と、凸レンズ、凹レンズ、マルチレンズアレイ、ダイクロイックミラー、集光レンズ、および蛍光体ホイールを含む蛍光光発生部と、を備えた光源装置が開示されている。この光源装置において、複数のレーザー光源群から射出された複数の光線は、複数のミラー群によって合成され、凸レンズおよび凹レンズによって光束幅が縮小された後、蛍光体ホイールに入射する。

特開２０１４−１８２３５８号公報

特許文献１の光源装置においては、光源部から射出された複数の光線からなる光線束の断面が長手方向と短手方向とを有するため、光線束が入射する集光レンズに無駄な領域が生じ、集光レンズが大きくなる、という問題があった。また、マルチレンズアレイのレンズ間ピッチによっては、蛍光体上において励起光の照度分布を均一化することが難しい、という問題があった。

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、小型化が可能であり、かつ、被照明領域における照度分布の均一性が高い光源装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備え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、複数の半導体レーザー素子を備え、複数のレーザー光線からなる光線束を射出する光源部と、前記光線束を平行化するコリメート光学系と、を備え、平行化された前記光線束を射出する光源ユニットと、前記光源ユニットから射出された前記光線束が入射するアナモフィックな光線束圧縮光学系と、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイと集光レンズとが前記光線束圧縮光学系の後段にこの順に設けられてなる均一化光学系と、を備える。前記光線束圧縮光学系の前段において、前記複数のレーザー光線の各々の断面の長軸方向と短軸方向のうち、前記光線束が他の方向よりも太い方向を第１の方向とし、前記光線束圧縮光学系の屈折力が最大の方向を最大屈折方向としたとき、前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、０°よりも大きく、４５°未満である。

本発明の一つの態様の光源装置においては、光線束圧縮光学系の最大屈折方向と光線束の第１の方向とのなす角度が０°よりも大きく、４５°未満であるため、光線束圧縮光学系の後段での光線束は、光線束圧縮光学系の前段での光線束に比べて細くなるとともに、光線束を構成する複数のレーザー光線のスポット配列が歪んでいる。この光線束が均一化光学系の第１のレンズアレイに入射する。これにより、光線束圧縮光学系の後段の光学系を小型化できるとともに、照度分布の均一性を高めることができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記複数の半導体レーザー素子の各々は、長手方向と短手方向とを有する発光領域を有し、前記第１の方向は、前記長手方向と前記短手方向とのうちのいずれか一方と平行であってもよい。

この構成によれば、簡易な構成を有する光源部を提供することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記光線束圧縮光学系は、正の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズの後段に設けられた第２のシリンドリカルレンズと、を含み、前記第１のシリンドリカルレンズの母線の方向は、前記第２のシリンドリカルレンズの母線の方向と平行であってもよい。

この構成によれば、一つの方向にのみ屈折力を有する光線束圧縮光学系を構成することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、５°以上、３５°以下であってもよい。

この構成によれば、照度分布の均一性をより高めることができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、５°以上、１５°以下であってもよい。

この構成によれば、光線束圧縮光学系の後段の光学系の小型化と照度分布の均一化との双方を十分に満足することができる。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１のレンズアレイは、各々が複数のレンズからなる複数のレンズ列を備え、前記複数のレンズ列のうちの互いに隣り合う２つのレンズ列の間の境界線と前記第１の方向とのなす角度は、０°もしくは９０°であってもよい。

この構成によれば、照度分布の均一性をより高めることができる。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記均一化光学系の後段に設けられた波長変換素子をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、所望の色の照明光を得ることができる。

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。

本発明の一つの態様によれば、画質に優れた小型のプロジェクターを実現することができる。

本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 本発明の一実施形態の光源装置の概略構成図である。 光源ユニットの斜視図である。 半導体レーザー素子の斜視図である。 光源装置の要部を＋Ｘ方向から見た側面図である。 光源装置の要部を＋Ｚ方向から見た平面図である。 光線束圧縮光学系の前段での光線束の断面および光線束圧縮光学系の回転角を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が０°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が０°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が０°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が５°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が５°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が５°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が１０°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が１０°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が１０°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が１５°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が１５°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が１５°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が２０°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が２０°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が２０°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が２５°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が２５°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が２５°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が３０°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が３０°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が３０°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が３５°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が３５°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が３５°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が４０°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が４０°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が４０°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。 光線束圧縮光学系の回転角が４５°のときの光線束圧縮光学系の後段での光線束の断面を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が４５°のときの被照明領域での照度分布を示す図である。 光線束圧縮光学系の回転角が４５°のときの被照明領域での照度分布を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、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。

［プロジェクター］
本実施形態に係るプロジェクターについて説明する。
図１は、本実施形態のプロジェクター１の概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備える。

本実施形態において、照明装置１００は、白色の照明光ＷＬを色分離導光光学系２００に向けて射出する。照明装置１００は、均一化照明光学系９と、光源装置１０と、を備える。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００から射出された光を赤色光と緑色光と青色光とに分離し、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれが対応する光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇおよび光変調装置４００Ｂに導く。

色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間には、フィールドレンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間には、フィールドレンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光を透過し、緑色光および青色光を反射する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光を反射し、青色光を透過する。反射ミラー２３０は、赤色光を反射する。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光を反射する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、入射した色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成する。なお、図示を省略したが、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００と光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置されている。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇおよび光変調装置４００Ｂからそれぞれ射出された画像光を合成する。クロスダイクロイックプリズム５００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、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出された合成画像光は、投射光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

［光源装置］
光源装置１０の構成について説明する。
図２は、光源装置１０の概略構成図である。
図２に示すように、光源装置１０は、光源ユニット１７と、光線束圧縮光学系１３と、１／２波長板１４と、均一化光学系１５と、偏光分離素子２３と、位相差板２４と、波長変換素子３０と、を備える。

光源ユニット１７は、光源部１１と、コリメート光学系１２と、備える。光線束圧縮光学系１３は、第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、第２のシリンドリカルレンズ１３ｂと、を備える。均一化光学系１５は、第１のレンズアレイ１５ａと、第２のレンズアレイ１５ｂと、集光レンズ１５ｃ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、光源装置１０における照明光軸１００ａｘと平行な方向である。Ｙ方向は、光源部１１の光軸ａｘ１と平行な方向である。Ｚ方向は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ直交する方向である。

光源部１１と、コリメート光学系１２と、光線束圧縮光学系１３と、１／２波長板１４と、第１のレンズアレイ１５ａと、第２のレンズアレイ１５ｂと、偏光分離素子２３とは、光軸ａｘ１上でこの順に並んで配置されている。波長変換素子３０と、集光レンズ１５ｃと、位相差板２４と、偏光分離素子２３とは、照明光軸１００ａｘ上でこの順に並んで配置されている。

図３は、光源ユニット１７の構成を示す斜視図である。
図３に示すように、光源ユニット１７において、光源部１１は、第１光源部１１Ａと、第２光源部１１Ｂと、を備える。第１光源部１１Ａと第２光源部１１Ｂは、Ｘ方向に沿って並んで配置されている。
第１光源部１１Ａと第２光源部１１Ｂとは同一の構成を有することから、以下では第１光源部１１Ａの構造を説明する。

第１光源部１１Ａは、複数の半導体レーザー素子４０と、複数の支持部材６０と、を備える。複数の半導体レーザー素子４０は、支持部材６０に支持されている。支持部材６０は、板状の部材であって、例えばアルミニウム、銅などの放熱性に優れた金属材料から構成されている。

半導体レーザー素子４０は、青色のレーザー光線Ｂ０を射出する。半導体レーザー素子４０の発光強度のピーク波長は、例えば４４５ｎｍである。レーザー光線Ｂ０の偏光方向は、レーザー光線Ｂ０が偏光分離素子２３で反射されるように設定されている。

本実施形態において、４個の半導体レーザー素子４０は、一つの支持部材６０の上面にＸ方向に沿って所定の間隔をおいて設けられている。また、各々に４個の半導体レーザー素子４０が設けられた４枚の支持部材６０は、Ｚ方向に沿って所定の間隔をおいて設けられている。すなわち、第１光源部１１Ａは、ＸＺ平面に平行な面内において４行４列に配列された１６個の半導体レーザー素子４０を備える。また、第２光源部１１Ｂは、第１光源部１１Ａと同様、ＸＺ平面に平行な面内に配列された１６個の半導体レーザー素子４０を備える。つまり、光源部１１は、ＸＺ平面に平行な面内に配列された３２個の半導体レーザー素子４０を備える。

図４は、半導体レーザー素子４０の斜視図である。
図４に示すように、半導体レーザー素子４０は、光を射出する発光領域４０ａを有している。発光領域４０ａは、射出されたレーザー光線Ｂ０の主光線ＢＬａの方向から見て、略矩形状の平面形状を有しており、長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有する。長手方向Ｗ１は、Ｘ方向と平行であり、短手方向Ｗ２はＺ方向と平行である。

半導体レーザー素子４０から射出されたレーザー光線Ｂ０は、直線偏光からなり、偏光方向が長手方向Ｗ１と平行な方向（Ｘ方向）である。レーザー光線Ｂ０の偏光方向は、１／２波長板１４により、短手方向Ｗ２と平行な方向（Ｚ方向）に変換される。これにより、レーザー光線Ｂ０は、偏光分離素子２３で反射される。また、レーザー光線Ｂ０の短手方向Ｗ２への発散角は、光線Ｂの長手方向Ｗ１への発散角よりも大きい。そのため、レーザー光線Ｂ０の主光線ＢＬａに垂直な断面ＢＳは、楕円形である。

図３に示すように、コリメート光学系１２は、各半導体レーザー素子４０に対応して設けられた複数の凸レンズ５０を備える。凸レンズ５０は、レーザー光線Ｂ０を平行光に変換する。これにより、コリメート光学系１２は、光源部１１から射出された光線束Ｋ（後述）を平行光に変換する。

図５は、光源装置１０の要部を−Ｘ方向に見た側面図である。図６は、光源装置１０の要部を−Ｚ方向に見た平面図である。
光軸ａｘ１と平行に見たとき、第１光源部１１Ａと第２光源部１１Ｂとからなる光源部１１において、３２個の半導体レーザー素子４０は、Ｚ方向とＸ方向とに沿って、かつ、ＸＺ面と平行な面に４×８のマトリクス状に配列されている。すなわち、Ｘ方向に沿って一列に配置された８個の半導体レーザー素子４０からなる素子列ＳＬがＺ方向に４列配列されている。以下、素子列ＳＬが延在している方向（Ｘ方向）を素子列方向と称する。また、光線束Ｋを構成する複数のレーザー光線Ｂ０のスポット配列も４×８のマトリクス状である。

図３に示すように、光源部１１は複数のレーザー光線Ｂ０を含む光線束Ｋを射出する。光線束Ｋは、全ての素子列ＳＬの複数の半導体レーザー素子４０から射出される複数のレーザー光線Ｂ０からなる。本実施形態において、素子列方向（Ｘ方向）の光線束Ｋの幅は、素子列方向と直交する方向（Ｚ方向）の光線束Ｋの幅よりも大きい。そのため、光線束ＫのＸＺ平面と平行な断面は、Ｘ方向に長辺を有し、Ｚ方向に短辺を有する長方形で近似することができる。

なお、光源部１１における素子列ＳＬの数、および各素子列ＳＬ上に並ぶ半導体レーザー素子４０の数は一例であり、上記数に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、光源部１１が２つの光源部（第１光源部１１Ａおよび第２光源部１１Ｂ）から構成される場合を例に挙げたが、光源部１１は１個のユニットから構成されていてもよい。また、素子列ＳＬは、少なくとも１つあればよい。

図５および図６に示すように、光線束圧縮光学系１３は、コリメート光学系１２の後段に配置されている。光線束圧縮光学系１３は、光源ユニット１７から射出された光線束Ｋが入射するアナモフィックな光線束圧縮光学系であり、入射した光線束Ｋの光束幅を異方的に圧縮して射出させる。

光線束圧縮光学系１３は、第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、第１のシリンドリカルレンズ１３ａの後段に設けられた第２のシリンドリカルレンズ１３ｂと、から構成されている。図６に示すように、第１のシリンドリカルレンズ１３ａは、正の屈折力を持つ。第２のシリンドリカルレンズ１３ｂは、負の屈折力を持つ。第１のシリンドリカルレンズ１３ａと第２のシリンドリカルレンズ１３ｂとは、光軸ａｘ１の方向（Ｙ方向）から見て、第１のシリンドリカルレンズ１３ａの母線と第２のシリンドリカルレンズ１３ｂの母線とが互いに平行になるように配置されている。

光線束圧縮光学系１３は、第１のシリンドリカルレンズ１３ａの母線と垂直な方向に最大の屈折力を有し、第１のシリンドリカルレンズ１３ａの母線と平行な方向には屈折力を有していない。以下、第１のシリンドリカルレンズ１３ａの母線および光軸ａｘ１と垂直な方向を光線束圧縮光学系１３の最大屈折方向と称する。

本実施形態において、図２、図５および図６に示すように、光線束圧縮光学系１３は、最大屈折方向が素子列方向と直交する方向（Ｚ方向）から光軸ａｘ１を中心として所定の角度だけ回転された状態で配置されている。

図７は、光線束圧縮光学系１３の前段での光線束Ｋの断面および光線束圧縮光学系１３の回転角θを示す図である。
図７に示すように、光線束圧縮光学系１３の前段において、光線束Ｋは、複数のレーザー光線Ｂ０が２次元に配列された構成を有する。図７において、符号Ａ１で示す円は、全てのレーザー光線Ｂ０を取り込むのに必要な最小限の円形の領域を示している。

ここで、複数のレーザー光線Ｂ０の各々の断面の長軸方向Ｗ２と短軸方向Ｗ１とのうち、光線束Ｋが他の方向よりも太い方向を第１の方向と定義する。この場合、光線束Ｋの断面形状はＺ方向よりもＸ方向に長い長方形で近似できるため、符号Ｋ１で示す矢印の方向（Ｘ方向）が第１の方向である。第１の方向Ｋ１は、短軸方向Ｗ１と平行である。

図７において、符号Ｍ１で示す矢印の方向は、光線束圧縮光学系１３の最大屈折方向である。上述したように、光線束圧縮光学系１３が光源部１１の光軸ａｘ１を中心として回転されていることによって、図７に示すように、光線束圧縮光学系１３の最大屈折方向Ｍ１と光線束Ｋの第１の方向Ｋ１とは、０°以外の所定の角度θをなす。以下、当該角度θを回転角θと称する。回転角θは、０°よりも大きく、４５°未満である。回転角θは、５°以上、３５°以下であることが好ましく、５°以上、１５°以下であることがより好ましい。

図２に示すように、光線束圧縮光学系１３から射出された光線束ＫＳは、均一化光学系１５に入射する。均一化光学系１５は、第１のレンズアレイ１５ａと第２のレンズアレイ１５ｂと集光レンズ１５ｃとが光線束圧縮光学系１３の後段にこの順に設けられた構成を有する。この構成例のように、第２のレンズアレイ１５ｂと集光レンズ１５ｃとの間には他の光学部材が設けられていてもよい。均一化光学系１５は、被照明領域である波長変換素子３０の蛍光体層３３において光線束ＫＳの強度分布を均一化する。

第１のレンズアレイ１５ａは、光軸ａｘ１に垂直なＸＺ面内において、Ｘ方向とＺ方向に沿って格子状に配列された複数のレンズ１５ａｍを備える。第２のレンズアレイ１５ｂは、光軸ａｘ１に垂直なＸＺ面内において、Ｘ方向とＺ方向に沿って格子状に配列された複数のレンズ１５ｂｍを備える。複数のレンズ１５ｂｍは、複数のレンズ１５ａｍとそれぞれ対応している。第１のレンズアレイ１５ａは、各々が複数のレンズからなる複数のレンズ列を備え、複数のレンズ列のうちの互いに隣り合う２つのレンズ列の間の境界線と第１の方向Ｋ１とのなす角度は、０°もしくは９０°である。

第２のレンズアレイ１５ｂから射出された光線束ＫＬは、偏光分離素子２３に入射する。偏光分離素子２３は、光軸ａｘ１と照明光軸１００ａｘのそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。

偏光分離素子２３は、偏光分離素子２３に入射する光線束ＫＬを、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する。偏光分離素子２３は、Ｓ偏光の光を反射させ、Ｐ偏光の光を透過させる。したがって、偏光分離素子２３に入射した光線束ＫＬは、Ｓ偏光の励起光ＢＬｓとして偏光分離素子２３で反射し、位相差板２４に向かって進む。また、偏光分離素子２３は、波長選択性を有しており、青色の光線束ＫＬとは異なる波長帯の光（蛍光光ＹＬ）を偏光状態に依らずに透過させる。

位相差板２４は、偏光分離素子２３と波長変換素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。Ｓ偏光の励起光ＢＬｓは、位相差板２４を透過することにより円偏光の励起光ＢＬｃに変換された後、集光レンズ１５ｃに入射する。集光レンズ１５ｃは、励起光ＢＬｃを波長変換素子３０の蛍光体層３３に向かって集光させる。

波長変換素子３０は、反射型の回転蛍光板で構成されている。すなわち、波長変換素子３０は、励起光ＢＬｃが入射する側と同じ側に向けて蛍光光ＹＬを射出する。波長変換素子３０は、モーター３１により回転可能とされた基板３２上に環状の蛍光体層３３を備えている。基板３２は、例えば、アルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属製の円板から構成されている。なお、基板３２の形状は、円板状に限らない。

蛍光体層３３は、励起光ＢＬｃによって励起されて、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光光ＹＬを射出する。蛍光体層３３は、例えばＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層からなる。

波長変換素子３０は、基板３２と蛍光体層３３との間に設けられた反射層３４をさらに備えている。反射層３４は、蛍光体層３３で生成された蛍光光ＹＬのうち、基板側に向かう蛍光光ＹＬの大部分を基板３２とは反対側に向けて反射する。このようにして、蛍光体層３３で生成された蛍光光ＹＬは、集光レンズ１５ｃに向かって射出される。

以下、励起光ＢＬｃのうち、蛍光光ＹＬに波長変換されなかった成分を励起光ＢＬｃｒと称する。励起光ＢＬｃｒは反射層３４で反射され、集光レンズ１５ｃを透過し、位相差板２４を再び通過することによってＰ偏光ＢＬｐに変換され、偏光分離素子２３に入射する。

蛍光体層３３から偏光分離素子２３に向かって射出された黄色の蛍光光ＹＬは、集光レンズ１５ｃ、位相差板２４および偏光分離素子２３を透過する。

偏光分離素子２３を透過した青色のＰ偏光ＢＬｐと黄色の蛍光光ＹＬとが合成されることによって、白色の照明光ＷＬが生成される。照明光ＷＬは、偏光分離素子２３を透過した後、図１に示した均一化照明光学系９に入射する。

図１に示すように、均一化照明光学系９は、第１のレンズアレイ１２５と、第２のレンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備えている。

第１のレンズアレイ１２５は、偏光分離素子２３から射出された照明光ＷＬを複数の部分光線束に分割するための複数の第１レンズ１２５ａを有する。複数の第１レンズ１２５ａは、照明光軸１００ａｘと直交するＹＺ面内に格子状に配列されている。

第２のレンズアレイ１３０は、第１のレンズアレイ１２５の複数の第１レンズ１２５ａに対応する複数の第２レンズ１３０ａを有する。第２のレンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１のレンズアレイ１２５の各第１レンズ１２５ａの像を光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３０ａは、照明光軸１００ａｘと直交するＹＺ面内に格子状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、照明光ＷＬの偏光方向を一方向の直線偏光に揃える。偏光変換素子１４０は、図示しない偏光分離層と位相差層と反射層とから構成されている。偏光変換素子１４０は、非偏光である蛍光光ＹＬを直線偏光に変換する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光線束を集光して光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域の近傍で互いに重畳させる。

本実施形態の光源装置１０は、光線束圧縮光学系１３の最大屈折方向Ｍ１と光線束Ｋの第１の方向Ｋ１とが０°よりも大きく、４５°未満の角度θをなしているため、光線束圧縮光学系１３の後段での光線束ＫＳは、光線束圧縮光学系１３の前段での光線束Ｋよりも細い。これにより、光線束圧縮光学系１３の後段の光学系を小型化することができる。

また、光線束Ｋを構成する複数のレーザー光線Ｂ０のスポット配列は、後述するように、光線束圧縮光学系１３の前段のマトリクス状から光線束圧縮光学系１３の後段での歪んだ状態に変化する。これにより、波長変換素子３０の蛍光体層３３上での照度分布の均一性を高めることができる。

ここで、本発明者は、本実施形態の光源装置１０の効果を実証するため、光線束圧縮光学系１３の回転角θと蛍光体層３３上での照度分布との関係を、シミュレーションにより調べた。

図８Ａ〜図８Ｃは、回転角θを０°としたときのシミュレーション結果である。
図９Ａ〜図９Ｃは、回転角θを５°としたときのシミュレーション結果である。
図１０Ａ〜図１０Ｃは、回転角θを１０°としたときのシミュレーション結果である。
図１１Ａ〜図１１Ｃは、回転角θを１５°としたときのシミュレーション結果である。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、回転角θを２０°としたときのシミュレーション結果である。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、回転角θを２５°としたときのシミュレーション結果である。
図１４Ａ〜図１４Ｃは、回転角θを３０°としたときのシミュレーション結果である。
図１５Ａ〜図１５Ｃは、回転角θを３５°としたときのシミュレーション結果である。
図１６Ａ〜図１６Ｃは、回転角θを４０°としたときのシミュレーション結果である。
図１７Ａ〜図１７Ｃは、回転角θを４５°としたときのシミュレーション結果である。

図８Ａ〜図１７Ａは、光線束圧縮光学系１３の後段での光線束、すなわち圧縮後の光線束の断面を示す図である。図中の符号Ａ１で示す円は、図７に示した圧縮前の光線束Ｋの全てのレーザー光線を取り込むのに必要な最小限の領域（以下、必要最小領域Ａ１と称する）を示している。符号Ａ２で示す円は、図８Ａに示したように、回転角を０°としたときの圧縮後の光線束ＫＳの全てのレーザー光線Ｂ２を取り込むのに必要な最小限の領域（以下、必要最小領域Ａ２と称する）を示している。つまり、必要最小領域を示す円Ａ２は、回転角が０°の場合の光線束ＫＳの中心から最も遠い位置（矩形の角にあたる位置）にあるレーザー光線Ｂ２の断面が内接するように描いた円である。
図８Ｂ〜図１７Ｂは、被照明領域における照度分布を示す図である。白く見える箇所が照度の高い箇所を示し、黒く見える箇所が照度の低い箇所を示している。
図８Ｃ〜図１７Ｃは、被照明領域における照度分布を示すグラフである。グラフの横軸は被照明領域上の位置［相対値］、縦軸は照度［相対値］を示している。符号ＢＸのグラフは素子列方向（Ｘ方向）における照度分布を示し、符号ＢＺのグラフは素子列方向と垂直な方向（Ｚ方向）における照度分布を示している。また、各グラフは、被照明領域の中心を通る線に沿った照度分布を示している。

図８Ａに示すように、回転角θを０°とした場合、必要最小領域Ａ２は必要最小領域Ａ１よりも小さい。ところが、この場合、図８Ｂ、図８Ｃに示すように、被照明領域における照度分布のムラが大きく、照度分布の均一性が十分ではない。

これに対して、図９Ａに示すように、回転角θを５°とした場合、光線束ＫＳの断面形状は、平行四辺形で近似されるように歪んでいる。また、複数のレーザー光線Ｂ２のスポット配列も歪んでいる。ただし、光線束ＫＳは、必要最小領域Ａ２からはみ出していない。そのため、回転角θを０°とした場合と同様、光線束圧縮光学系１３の後段の光学系を小型化できる、という効果が得られる。それに加えて、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、回転角θを０°とした場合と比べて、被照明領域における照度分布のムラが少なく、照度分布の均一性が高い。

図１０Ａ〜図１０Ｃ、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、回転角θを１０°もしくは１５°とした場合も、回転角θを５°とした場合と同様、照度分布の均一性が高く、かつ小型化を図れるという効果が得られた。

図１２Ａに示すように、回転角θを２０°とした場合、スポット配列の歪みがやや大きくなり、光線束ＫＳは、必要最小領域Ａ２からわずかにはみ出しているものの、光線束圧縮光学系１３の後段の光学系の小型化を阻害する程ではない。また、図１２Ｂ、図１２Ｃに示すように、照度分布の均一性については、良好な状態を維持できている。

図１３Ａ〜図１３Ｃ、図１４Ａ〜図１４Ｃ、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すように、回転角θを２５°、３０°もしくは３５°とした場合も、回転角θを２０°とした場合と同様な結果が得られた。

図１６Ａに示すように、回転角を４０°とした場合、光線束ＫＳの必要最小領域Ａ２からのはみ出しはさらに大きくなるが、必要最小領域Ａ１に比べて小さく、光線束圧縮光学系１３の後段の光学系の小型化の効果が得られる。図１６Ｂ、図１６Ｃに示すように、照度分布の均一性は、回転角を３５°とした場合よりもやや低いが許容範囲である。

図１７Ａ〜図１７Ｃに示すように、回転角θを４５°とした場合、回転角θが４０°の場合とほぼ同等の均一性が得られた。しかし、光線束ＫＳの断面形状の歪みが大きすぎるため、小型化の効果は得られない。

以上のシミュレーション結果から、光線束圧縮光学系１３の回転角θは、０°よりも大きく、４５°未満である必要があり、さらに、回転角θは、５°以上、３５°以下であることが好ましく、５°以上、１５°以下であることがより好ましいことが判った。

また、本実施形態においては、光線束圧縮光学系１３が、正の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズ１３ａと、負の屈折力を有する第２のシリンドリカルレンズ１３ｂと、を含み、互いの母線の方向が平行であるため、簡易な構成で最大屈折方向を有する光線束圧縮光学系１３を構成することができる。

また、本実施形態の光源装置１０においては、第１のレンズアレイ１５ａのレンズ列の間の境界線と第１の方向Ｋ１とのなす角度が０°もしくは９０°であるため、照度分布の均一性をさらに高めることができる。

また、本実施形態の光源装置１０は、均一化光学系１５の後段に設けられた波長変換素子３０を備えているため、所望の色の照明光を得ることができる。

本実施形態のプロジェクター１は、上記の光源装置１０を備えているため、画質に優れ、小型化が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、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。
例えば上記実施形態では、半導体レーザー素子から射出された青色光の一部を波長変換して得られた黄色の蛍光光と、波長変換されなかった青色光の他の一部と、を合成して白色光を得る光源装置の例を挙げたが、半導体レーザー素子から射出された青色光を波長変換して得られた黄色の蛍光光と、他の半導体レーザー素子から射出された青色光と、を合成して白色光を得る光源装置に本発明を適用してもよい。また、光源装置は、必ずしも波長変換素子を備えていなくてもよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ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。

また、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応用する例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を自動車用ヘッドライトなどの照明器具にも適用することができる。

１…プロジェクター、１０…光源装置、１１…光源部、１２…コリメート光学系、１３…光線束圧縮光学系、１３ａ…第１のシリンドリカルレンズ、１３ｂ…第２のシリンドリカルレンズ、１５…均一化光学系、１５ａ…第１のレンズアレイ、１５ｂ…第２のレンズアレイ、１５ｃ…集光レンズ、１７…光源ユニット、３０…波長変換素子、４０…半導体レーザー素子、４０ａ…発光領域、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…光変調装置、６００…投射光学系、Ｋ，ＫＬ，ＫＳ…光線束、Ｋ１…第１の方向、Ｍ１…最大屈折方向。

Claims (8)

1. 複数の半導体レーザー素子を備え、複数のレーザー光線からなる光線束を射出する光源部と、前記光線束を平行化するコリメート光学系と、を備え、平行化された前記光線束を射出する光源ユニットと、
   前記光源ユニットから射出された前記光線束が入射するアナモフィックな光線束圧縮光学系と、
   第１のレンズアレイと第２のレンズアレイと集光レンズとが前記光線束圧縮光学系の後段にこの順に設けられてなる均一化光学系と、を備え、
   前記光線束圧縮光学系の前段において、前記複数のレーザー光線の各々の断面の長軸方向と短軸方向とのうち、前記光線束が他の方向よりも太い方向を第１の方向とし、前記光線束圧縮光学系の屈折力が最大の方向を最大屈折方向としたとき、
   前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、０°よりも大きく、４５°未満である、光源装置。
2. 前記複数の半導体レーザー素子の各々は、長手方向と短手方向とを有する発光領域を有し、
   前記第１の方向は、前記長手方向と前記短手方向とのうちのいずれか一方と平行である、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光線束圧縮光学系は、正の屈折力を有する第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズの後段に設けられた第２のシリンドリカルレンズと、を含み、
   前記第１のシリンドリカルレンズの母線の方向は、前記第２のシリンドリカルレンズの母線の方向と平行である、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、５°以上、３５°以下である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記最大屈折方向と前記第１の方向とのなす角度は、５°以上、１５°以下である、請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１のレンズアレイは、各々が複数のレンズからなる複数のレンズ列を備え、
   前記複数のレンズ列のうち、互いに隣り合う２つのレンズ列の間の境界線と前記第１の方向とのなす角度は、０°もしくは９０°である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記均一化光学系の後段に設けられた波長変換素子をさらに備えた、請求項１から請求項６まで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まで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、を備えた、プロジェクター。