JP2020030377A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】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、第１の光および第２の光を射出する光源と、蛍光体を少なくとも含み、第１の光を蛍光に変換する波長変換部と、第２の光と蛍光とを合成して合成光として射出する光合成部と、を備える。波長変換部は、互いに対向する第１端面および第２端面と、第１端面および第２端面に交差する側面と、を有する。光合成部は、互いに対向する第１面および第２面と、第１面および第２面に交差する第３面と、を有する。波長変換部の第１端面と光合成部の第１面とが対向し、波長変換部において、第１の光は側面から入射し、蛍光は第１端面から射出され、光合成部において、蛍光は第１面から入射し、第２の光は第３面から入射し、合成光は第２面から射出される。【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。

プロジェクターに用いられる光源装置として、発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光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には、波長変換作用を有するロッド状のセラミック体と、励起光を射出する発光ダイオード（ＬＥＤ）と、を備え、セラミック体の側面から励起光を入射させ、セラミック体の端面から変換光を取り出す形態の照明装置が開示されている。

特表２０１７−５３６６６４号公報

特許文献１に記載されているように、ＬＥＤから射出された光を波長変換部材に入射させることにより、ＬＥＤから射出された光の波長とは異なる波長の光を得ることができる。例えば波長変換部材が黄色蛍光体を含んでいる場合、ＬＥＤから射出された青色光から黄色光を得ることができる。ところが、プロジェクター用光源装置として必要な白色光を得るためには、特許文献１の照明装置とは別に、青色光を射出する光源、青色光と黄色光とを合成する光合成素子等の光学系を別途設けなければならない。その結果、光源装置が大型化するという課題があった。また、白色以外の色光を得る場合においても、蛍光と他の色光とを合成するための光学系に起因して光源装置が大型化するという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光源装置は、第１の光および第２の光を射出する光源と、蛍光体を少なくとも含み、前記光源から射出された前記第１の光を、前記第１の光の波長帯とは異なる波長帯を有する蛍光に変換する波長変換部と、前記光源から射出された前記第２の光と前記波長変換部から射出された前記蛍光とを合成し、合成光として射出する光合成部と、を備える。前記波長変換部は、互いに対向する第１端面および第２端面と、前記第１端面および前記第２端面に交差する側面と、を有する。前記光合成部は、互いに対向する第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面に交差する第３面と、を有する。前記波長変換部の前記第１端面と前記光合成部の前記第１面とが対向し、前記波長変換部において、前記第１の光は前記側面から入射し、前記蛍光は前記第１端面から射出され、前記光合成部において、前記蛍光は前記第１面から入射し、前記第２の光は前記第３面から入射し、前記合成光は前記第２面から射出される。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１の光の波長帯と前記第２の光の波長帯とが同じであってもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記光合成部は、前記第２の光と前記蛍光とを散乱させる散乱体を有していてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記散乱体は、前記第１面および前記第２面に交差する方向における散乱性が前記第１面および前記第２面に平行な方向における散乱性よりも高い散乱異方性を有していてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記光合成部は、前記蛍光を透過させ、前記第２の光を反射させるダイクロイックプリズムを有していてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記波長変換部の前記第２端面に設けられ、少なくとも前記蛍光を反射させる反射部をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記光合成部の光射出側に設けられ、光入射端面と光射出端面とを有し、前記光射出端面における拡散角を前記光入射端面における拡散角よりも小さくする角度変換素子をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第２の光の波長帯は青色波長帯であり、前記蛍光の波長帯は黄色波長帯であってもよい。

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光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の光源装置の概略構成図である。 第２実施形態の光源装置の概略構成図である。 第３実施形態の光源装置の概略構成図である。 第４実施形態のプロジェクターの概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として液晶パネルを用いたプロジェクターの一例である。
なお、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。

本実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー画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、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。

図１に示すように、プロジェクター１は、光源装置２と、均一照明光学系４０と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、を備えている。

光源装置２は、照明光ＷＬを均一照明光学系４０に向けて射出する。光源装置２の詳細な構成については、後で詳しく説明する。

均一照明光学系４０は、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、を備えている。インテグレーター光学系３１は、第１レンズアレイ３１ａと、第２レンズアレイ３１ｂと、を備えている。均一照明光学系４０は、光源装置２から射出された照明光ＷＬの強度分布を、被照明領域である光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれにおいて均一化する。均一照明光学系４０から射出された照明光ＷＬは、色分離光学系３へ入射する。

色分離光学系３は、白色の照明光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ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、第３反射ミラー８ｃと、第１リレーレンズ９ａと、第２リレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１ダイクロイックミラー７ａは、光源装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）とに分離する。第１ダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過するとともに、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２ダイクロイックミラー７ｂは、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。第２ダイクロイックミラー７ｂは、分離された緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１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反射ミラー８ｂおよび第３反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２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に向けて反射する。また、緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂによって光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１リレーレンズ９ａおよび第２リレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２ダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１リレーレンズ９ａおよび第２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の照明分布の違いを修正する。

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

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置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および射出側には、偏光板（図示せず）がそれぞれ配置され、特定の方向の直線偏光のみを通過させる構成となっている。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置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、およびフィールドレンズ１０Ｂは、それぞれの光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの主光線を平行化する。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された画像光が入射することにより、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学装置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る。

投射光学装置６は、複数の投射レンズから構成されている。投射光学装置６は、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上に画像が表示される。

以下、光源装置２について説明する。
図２は、光源装置２の概略構成図である。

図２に示すように、光源装置２は、波長変換ロッド５０（波長変換部）と、光合成部５３と、光源５１と、角度変換素子５４と、ミラー５５（反射部）と、反射膜５６と、コリメーターレンズ５８と、を備えている。

波長変換ロッド５０は、四角柱状の形状を有し、互いに対向する第１端面５０ａおよび第２端面５０ｂと、第１端面５０ａおよび第２端面５０ｂに交差する４つの側面５０ｃと、を有する。波長変換ロッド５０は、蛍光体を少なくとも含み、光源５１から射出された光のうちの一部の光を、当該光の波長帯とは異なる波長帯を有する蛍光Ｙに変換する。

以下、説明の都合上、光源５１から射出された光のうち、波長変換ロッド５０に入射する一部の光を第１の光Ｌ１と称し、光合成部５３に入射する他の一部の光を第２の光Ｌ２と称する。また、波長変換ロッド５０の第１端面５０ａの中心と第２端面５０ｂの中心とを通る軸を光源装置２の光軸Ｊ１と定義する。波長変換ロッド５０において、第１の光Ｌ１は側面５０ｃから入射し、蛍光Ｙは第１端面５０ａから射出される。

第１端面５０ａの法線方向における波長変換ロッド５０の寸法Ａは、側面５０ｃの法線方向における波長変換ロッド５０の寸法Ｂよりも長い。例えば寸法Ａは、寸法Ｂの１０倍〜数１０倍程度である。なお、波長変換ロッド５０は、必ずしも四角柱状の形状を有していなくてもよく、三角柱などの他の多角形状であってもよい。もしくは、波長変換ロッド５０は、円柱状であってもよい。波長変換ロッド５０が円柱状である場合、波長変換ロッド５０は、互いに対向する第１端面および第２端面と、第１端面および第２端面に交差する１つの側面と、を有する。

波長変換ロッド５０は、第１の光Ｌ１を蛍光Ｙに波長変換するセラミック蛍光体（多結晶蛍光体）を含んでいる。蛍光Ｙの波長帯は、例えば４９０〜７５０ｎｍの黄色波長帯である。波長変換ロッド５０は、多結晶蛍光体に代えて、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。もしくは、波長変換ロッド５０は、蛍光ガラスから構成されていてもよい。もしくは、波長変換ロッド５０は、ガラスや樹脂からなるバインダー中に多数の蛍光体粒子が分散された材料から構成されていてもよい。

具体的には、波長変換ロッド５０は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてのセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例に挙げると、波長変換ロッド５０の材料として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法、ゾルゲル法等の湿式法により得られるＹ−Ａｌ−Ｏアモルファス粒子、噴霧乾燥法、火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるＹＡＧ粒子等を用いることができる。

光合成部５３は、波長変換ロッド５０の第１端面５０ａの光射出側に設けられている。光合成部５３は、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとを合成し、合成光Ｗとして射出する。光合成部５３は、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとを散乱させる散乱体を有する。散乱体として、例えばガラス等の透光性材料からなる母材に母材の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の散乱粒子５３ｓを分散させたものを用いることができる。

光合成部５３は、四角柱状の形状を有し、互いに対向する第１面５３ａおよび第２面５３ｂと、第１面５３ａおよび第２面５３ｂに交差する４つの第３面５３ｃと、を有する。光合成部５３において、蛍光Ｙは第１面５３ａから入射し、第２の光Ｌ２は第３面５３ｃから入射し、合成光Ｗは第２面５３ｂから射出される。

光合成部５３は、光合成部５３の第１面５３ａと波長変換ロッドの第１端面５０ａとが対向するように、光学接着剤（図示略）によって波長変換ロッド５０に固定されている。すなわち、光合成部５３と波長変換ロッド５０とは光学接着剤を介して接触しており、光合成部５３と波長変換ロッド５０との間に空隙（空気層）は存在しない。仮に光合成部５３と波長変換ロッド５０との間に空隙が設けられていた場合、波長変換ロッド５０の第１端面５０ａに到達した蛍光Ｙのうち、臨界角以上の角度で入射した蛍光Ｙは、第１端面５０ａで全反射し、光合成部５３に入射しなくなってしまう。これに対して、光合成部５３と波長変換ロッド５０との間に空隙が設けられていない場合、光合成部５３に入射しない蛍光Ｙを減らすことができる。この観点から、光合成部５３の屈折率と波長変換ロッド５０の屈折率とは、できるだけ一致させることが望ましい。

なお、光合成部５３は、必ずしも光学接着剤によって波長変換ロッド５０に固定されていなくてもよい。光合成部５３は、例えば任意の支持部材によって波長変換ロッド５０に直接接触するように固定されていてもよい。いずれにしても、光合成部５３と波長変換ロッド５０との間に空隙が設けられていないことが望ましい。

光源５１は、第１光源５１１と第２光源５１２とを有し、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を射出する。第１光源５１１は、波長変換ロッド５０の側面５０ｃと光合成部５３の第３面５３ｃとに対向して設けられている。第２光源５１２は、波長変換ロッド５０の側面５０ｃに対向して設けられている。第１光源５１１および第２光源５１２のそれぞれは、基板６０と、基板６０の一面に設けられた複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）６１，６２と、を有する。

複数のＬＥＤ６１，６２のうち、第１ＬＥＤ６１は、波長変換ロッド５０の側面５０ｃに対向して設けられている。第２ＬＥＤ６２は、光合成部５３の第３面５３ｃに対向して設けられている。第１ＬＥＤ６１は第１の光Ｌ１を射出し、第２ＬＥＤ６２は第２の光Ｌ２を射出する。第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２とは、同一のＬＥＤで構成されている。したがって、第１の光Ｌ１の波長帯と第２の光Ｌ２の波長帯とは同じであり、例えば４００ｎｍ〜４８０ｎｍの青色波長帯である。すなわち、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、ともに青色光である。第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２の波長帯は、白色光の一つの成分としての青色光に好適な波長帯であるとともに、波長変換ロッド５０の蛍光体を励起させる励起光としても好適な波長帯である。

なお、光源５１は、波長変換ロッド５０の４つの側面５０ｃのうち、一部の側面５０ｃに対向して設けられていてもよいし、全ての側面５０ｃに対向して設けられていてもよい。また、上記の構成では、第１ＬＥＤ６１は、第１光源５１１のみに設けられているが、第１光源５１１と第２光源５１２の双方に設けられていてもよい。また、光源５１は、ＬＥＤ６１，６２と基板６０の他、導光板、拡散板、レンズ等の他の光学部材を備えていてもよい。また、ＬＥＤ６１，６２の個数は、特に限定されない。

光合成部５３の４つの第３面５３ｃのうち、第２ＬＥＤ６２と対向する第３面５３ｃ以外の第３面５３ｃには、第２ＬＥＤ６２から射出された第２の光Ｌ２を反射させる反射膜５６が設けられている。これにより、第２の光Ｌ２が第３面５３ｃから外部に漏れることが抑制されるため、第２の光Ｌ２の利用効率を高めることができる。なお、第２ＬＥＤ６２と対向する第３面５３ｃ以外の第３面５３ｃには、反射膜５６に代えて、第２の光Ｌ２を反射させる散乱構造体が設けられていてもよい。

角度変換素子５４は、光合成部５３の第２面５３ｂの光射出側に設けられている。角度変換素子５４は、合成光Ｗが入射する光入射端面５４ａと、合成光Ｗが射出する光射出端面５４ｂと、側面５４ｃと、を有するテーパーロッドから構成されている。角度変換素子５４は、四角錐台状の形状を有し、光軸Ｊ１に垂直な断面積が合成光Ｗの進行方向に沿って広がっており、光射出端面５４ｂの面積は光入射端面５４ａの面積よりも大きい。これにより、合成光Ｗは、角度変換素子５４の内部を進行する間に、側面５４ｃで全反射する毎に光軸Ｊ１に平行な方向に角度を変える。このようにして、角度変換素子５４は、光射出端面５４ｂにおける合成光Ｗの拡散角を光入射端面５４ａにおける合成光Ｗの拡散角よりも小さくする。

角度変換素子５４は、光入射端面５４ａが光合成部５３の第２面５３ｂに対向するように光学接着剤（図示略）によって光合成部５３に固定されている。すなわち、角度変換素子５４と光合成部５３とは光学接着剤を介して接触しており、角度変換素子５４と光合成部５３との間に空隙（空気層）は設けられていない。なお、角度変換素子５４は、例えば任意の支持部材によって光合成部５３に直接接触するように固定されていてもよい。いずれにしても、角度変換素子５４と光合成部５３との間に空隙が設けられていないことが望ましい。この場合も、上述した波長変換ロッド５０と光合成部５３との関係と同様、角度変換素子５４の屈折率と光合成部５３の屈折率とは、できるだけ一致させることが望ましい。

なお、角度変換素子５４として、複合放物面型集光器（Compound Parabolic Concentrator, ＣＰＣ）が用いられてもよい。角度変換素子５４としてＣＰＣを用いた場合も、テーパーロッドを用いた場合と同様の効果が得られる。

コリメーターレンズ５８は、角度変換素子５４の光射出端面５４ｂの光射出側に設けられている。コリメーターレンズ５８は、角度変換素子５４から射出された合成光Ｗを平行化する。すなわち、角度変換素子５４によって角度分布が変換された合成光Ｗの平行度は、コリメーターレンズ５８によってさらに高められる。コリメーターレンズ５８は、凸レンズで構成されている。なお、角度変換素子５４のみで十分な平行度が得られている場合、必ずしもコリメーターレンズ５８は設けられていなくてもよい。

ミラー５５は、波長変換ロッド５０の第２端面５０ｂに設けられている。ミラー５５は、波長変換ロッド５０の内部を導光し、第２端面５０ｂに到達した蛍光Ｙおよび第１の光Ｌ１を反射させる。ミラー５５は、波長変換ロッド５０の第２端面５０ｂに形成された金属膜や誘電体多層膜から構成されている。

以下、上記構成の光源装置２における光の振る舞いについて説明する。
第１ＬＥＤ６１から射出された第１の光Ｌ１が側面５０ｃから波長変換ロッド５０に入射すると、波長変換ロッド５０に含まれる蛍光体が励起され、任意の発光点Ｐから蛍光Ｙが発せられる。蛍光Ｙは任意の発光点Ｐから全ての方向に向かって進むが、側面５０ｃに向かった蛍光Ｙは、側面５０ｃで全反射し、全反射を繰り返しつつ第１端面５０ａもしくは第２端面５０ｂに向かって進む。第１端面５０ａに向かった蛍光Ｙは、光合成部５３に入射する。一方、第２端面５０ｂに向かった蛍光Ｙは、ミラー５５で反射された後、第１端面５０ａに向かって進む。

波長変換ロッド５０に入射した第１の光Ｌ１のうち、蛍光体の励起に使われなかった第１の光Ｌ１は、第２端面５０ｂに設けられたミラー５５で反射されるため、波長変換ロッド５０の内部を再度伝播する際に励起光として再利用される。

第２ＬＥＤ６２から射出された第２の光Ｌ２と波長変換ロッド５０から射出された蛍光Ｙとは、光合成部５３に入射する。光合成部５３において、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとは、複数の散乱粒子５３ｓによってあらゆる方向に向かって等方的に散乱される。これにより、青色の第２の光Ｌ２と黄色の蛍光Ｙとが合成され、白色の合成光Ｗが生成される。合成光Ｗのうち、臨界角以上の角度で第３面５３ｃに入射した合成光は、第３面５３ｃで全反射し、第１面５３ａおよび第２面５３ｂに向かって進む。臨界角未満の角度で第２面５３ｂに入射した合成光Ｗは、光合成部５３から射出され、角度変換素子５４に入射する。

なお、臨界角以上の角度で第２面５３ｂに入射した合成光Ｗは、第２面５３ｂで一旦全反射するが、全反射した合成光Ｗが散乱粒子５３ｓによって再度散乱されることにより、一部の合成光Ｗは第２面５３ｂから射出される。また、第１面５３ａに向かって進む合成光Ｗも、散乱粒子５３ｓによって再度散乱されることにより、一部の合成光Ｗは第２面５３ｂから射出される。光合成部５３から射出された合成光Ｗは、角度変換素子５４とコリメーターレンズ５８とによって平行化された後、光源装置２から射出される。光源装置２から射出された合成光Ｗ（照明光ＷＬ）は、図１に示すように、インテグレーター光学系３１に向かって進む。

本実施形態の光源装置２においては、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２を射出する光源５１が波長変換ロッド５０の側面５０ｃおよび光合成部５３の第３面５３ｃに対向して配置され、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとを合成する光合成部５３が波長変換ロッド５０に接合されて一体化されている。これにより、白色光を射出可能な小型の光源装置２を提供することができる。

一般にＬＥＤから射出される光は、半導体レーザーから射出される光に比べて拡散角が大きい。そのため、ＬＥＤを用いた光源は、半導体レーザーを用いた光源に比べて、光源の発光面積と光源からの光の立体角との積で決まるエテンデューが大きくなる。光源装置のエテンデューの増加は、光源装置よりも後段の光学系で取り込むことができない光を増加させ、プロジェクターとしての光利用効率の低下を引き起こす。そのため、プロジェクター用の光源装置として用いる場合、エテンデューは極力小さいことが望ましい。

その観点からすると、本実施形態の場合、光源５１がＬＥＤ６１，６２を有しており、ＬＥＤ６１，６２から射出された拡散角の大きい第１の光Ｌ１は、面積が広い側面５０ｃから波長変換ロッド５０に入射する。一方、波長変換ロッド５０の内部で生成された蛍光Ｙは、側面５０ｃに比べて面積が十分に狭い第１端面５０ａから射出される。波長変換ロッド５０の実質的な発光面積は第１端面５０ａの面積に相当するため、本実施形態の構成によって、発光面積が縮小されたことと等価になる。このように、本実施形態によれば、エテンデューの小さい光源装置２を実現することができ、この光源装置２をプロジェクター１に用いることによって、光利用効率を高めることができる。

また、本実施形態においては、第１の光Ｌ１の波長帯と第２の光Ｌ２の波長帯とが同じであり、第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２とが同一のＬＥＤで構成されているため、１種類のＬＥＤを準備するだけで光源５１を構成することができる。これにより、光源装置２のコストを低減することができる。

本実施形態の場合、第２の光Ｌ２の波長帯は青色波長帯であり、蛍光Ｙの波長帯は黄色波長帯である。すなわち、波長変換ロッド５０から黄色の蛍光Ｙが射出され、第２ＬＥＤ６２から青色の第２の光Ｌ２が射出される。これにより、蛍光Ｙと第２の光Ｌ２とが合成され、合成光Ｗとして白色光が得られる。そのため、蛍光Ｙの光量と第２の光Ｌ２の光量とのバランスを調整することにより、合成光Ｗのホワイトバランスを調整することができる。

具体的なホワイトバランスの調整方法として、例えば光源装置２に蛍光Ｙの光量および第２の光Ｌ２の光量の各々を検出するセンサーを備えておき、センサーが検出した各光量の標準値からのずれに応じて、第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２とに供給する電力を適宜調整する構成としてもよい。もしくは、波長変換ロッド５０と光合成部５３との寸法比率を異ならせる、第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２との数を異ならせるなどの手段を採用することにより、光源装置２の設計段階においてホワイトバランスを調整してもよい。

本実施形態の光源装置２においては、光合成部５３の光射出側に角度変換素子５４が設けられているため、光合成部５３から射出された合成光Ｗを平行化することができる。さらに、角度変換素子５４の光射出側にコリメーターレンズ５８が設けられているため、合成光Ｗの平行度をさらに高めることができる。これにより、光源装置２の後段の光学系における光利用効率を高めることができる。

本実施形態の光源装置２においては、波長変換ロッド５０の第２端面５０ｂにミラー５５が設けられているため、波長変換ロッド５０の内部で発せられた蛍光Ｙが第２端面５０ｂから射出されることが抑えられる。また、蛍光体の励起に使われなかった第１の光Ｌ１が第２端面５０ｂから波長変換ロッド５０の外部に漏れることも抑えられる。これにより、蛍光Ｙや第１の光Ｌ１の利用効率を高めることができる。

本実施形態のプロジェクター１は、上述した光源装置２を備えているため、小型化が図れるとともに、光利用効率に優れる。

［第２実施形態］
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の基本構成は第１実施形態と同様であり、光合成部の構成が第１実施形態と異なる。そのため、光源装置の全体の説明は省略する。
図３は、光源装置の概略構成図である。
図３において、図２と共通の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、光源装置７２は、波長変換ロッド５０（波長変換部）と、光合成部７３と、光源５１と、角度変換素子５４と、ミラー５５（反射部）と、コリメーターレンズ５８と、を備えている。

本実施形態の光源装置７２において、光合成部７３は、互いに対向する第１面７３ａおよび第２面７３ｂと、第１面７３ａおよび第２面７３ｂに交差する４つの第３面７３ｃと、を有する。

光合成部７３は、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとを散乱させる散乱体を有する。本実施形態において、散乱体は、第１面７３ａおよび第２面７３ｂに交差する方向（光軸Ｊ１に平行な方向）における散乱性が第１面７３ａおよび第２面７３ｂに平行な方向（光軸Ｊ１に垂直な方向）における散乱性よりも高い散乱異方性を有する。散乱体として、例えば透光性材料からなる母材に母材の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の針状の散乱粒子７３ｓを第１面７３ａおよび第２面７３ｂに交差する方向に配向させたものを用いることができる。
光源装置７２のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、白色光を射出可能な小型の光源装置７２を実現できる、エテンデューが小さい光源装置７２を実現できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に本実施形態の光源装置７２においては、光合成部７３の散乱体が光軸Ｊ１に平行な方向における散乱性が光軸Ｊ１に垂直な方向における散乱性よりも高い散乱異方性を有している。そのため、光合成部７３の第３面７３ｃから入射する第２の光Ｌ２は、光合成部７３の第１面７３ａから入射する蛍光Ｙよりも強く散乱される。これにより、第２の光Ｌ２と蛍光Ｙとからなる合成光Ｗは、光合成部７３の第２面７３ｂに向かって進みやすくなる。そのため、本実施形態の構成においては、場合によって光合成部７３の第３面７３ｃに設ける反射膜を不要とすることができる。その結果、本実施形態の構成によれば、合成光Ｗの取り出し効率を高めることができる。

［第３実施形態］
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４実施形態の光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光合成部の構成が第１実施形態と異なる。そのため、光源装置の全体構成の説明は省略する。
図４は、光源装置８２の概略構成図である。
図４において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図５に示すように、光源装置８２は、波長変換ロッド５０（波長変換部）と、光合成部８３と、光源５１と、角度変換素子５４と、ミラー５５（反射部）と、コリメーターレンズ５８と、を備えている。

本実施形態の光源装置８２において、光合成部８３は、互いに対向する第１面８３ａおよび第２面８３ｂと、第１面８３ａおよび第２面８３ｂに交差する４つの第３面８３ｃと、を有する。

光合成部８３は、蛍光Ｙを透過させ、第２の光Ｌ２を反射させるダイクロイックプリズムを有する。ダイクロイックプリズムは、黄色波長帯の光を透過させ、青色波長帯の光を反射させるダイクロイックミラー８３ｍを有する。ダイクロイックミラー８３ｍは、光軸Ｊ１に対して４５°の角度をなすように配置されている。
光源装置８２のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、白色光を射出可能な小型の光源装置８２を実現できる、エテンデューが小さい光源装置８２を実現できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に本実施形態の光源装置８２において、波長変換ロッド５０から射出された蛍光Ｙがダイクロイックミラー８３ｍを透過し、第２ＬＥＤ６２から射出された第２の光Ｌ２がダイクロイックミラー８３ｍで反射することにより、これら２つの光が合成される。これにより、合成光Ｗは、光合成部８３の第２面８３ｂから角度変換素子５４に導かれる。

［第４実施形態］
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１実施形態では液晶プロジェクターの例を挙げたが、第４実施形態では、マイクロミラー型の光変調装置を備えたプロジェクターの一例を挙げて説明する。

図５に示すように、第４実施形態のプロジェクター１０は、照明装置１１と、導光光学系１２と、マイクロミラー型の光変調装置１３と、投射光学装置１４と、を備えている。照明装置１１は、光源装置２と、カラーホイール２３と、ピックアップ光学系２１と、を備えている。

第４実施形態では、光源装置２として、第１実施形態の光源装置２が用いられている。ただし、光源装置２として、第２実施形態の光源装置７２もしくは第３実施形態の光源装置８２が用いられてもよい。したがって、第４実施形態では、光源装置２の説明を省略する。

カラーホイール２３は、回転可能な基板上に回転軸の周方向に沿って赤色、緑色、青色の３色のカラーフィルターが設けられた構成を有する。光源装置２から射出された合成光Ｗが高速回転するカラーホイール２３を通過することにより、赤色光、緑色光および青色光がカラーホイール２３から時分割で射出される。

本実施形態の場合、光源装置２の構成は第１実施形態と同様であっても、第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２とを時分割で交互に点灯させ、第１ＬＥＤ６１が点灯した際に光源装置２から射出される黄色光をカラーホイール２３によって赤色光と緑色光とに時間的に分割し、第２ＬＥＤ６２が点灯した際に光源装置２から射出される青色光を赤色光や緑色光とは異なる期間に射出する形態により、赤色光、緑色光および青色光を時分割に生成してもよい。

あるいは、第１ＬＥＤ６１と第２ＬＥＤ６２とを同時に点灯させ、光源装置２から射出される白色光をカラーホイール２３によって時間的に分割する形態により、赤色光、緑色光および青色光を時分割に生成してもよい。

前者の方法を採用した場合、光源装置２の光合成部５３に対して黄色光と青色光とが同時に入射しないことになる。この場合であっても、光合成部５３は、人間の眼で認識できない速度で切り替わる黄色光と青色光とを同じ方向に射出するため、黄色光と青色光とを合成する素子として機能する。

ピックアップ光学系２１は、第１凸レンズ２１１と、第２凸レンズ２１２と、から構成されている。カラーホイールから射出された赤色光、緑色光、および青色光は、ピックアップ光学系２１によって導光光学系１２に伝達される。

導光光学系１２は、反射ミラーから構成されている。導光光学系１２は、光源装置２から射出された赤色光、緑色光、および青色光を反射させ、光変調装置１３に時分割で入射させる。

マイクロミラー型の光変調装置１３として、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーがマトリクス状に配列された構成を有する。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーの傾斜方向を切り換えることにより、入射光の反射方向を、投射光学装置１４に入射する方向と投射光学装置１４に入射しない方向との間で高速に切り替える。このように、光変調装置１３は、光源装置２から射出された赤色光、緑色光、および青色光を順次変調し、緑色画像、赤色画像、および青色画像を生成する。

投射光学装置１４は、緑色画像、赤色画像、および青色画像をスクリーンに投射する。投射光学装置１４は、例えば複数の投射レンズにより構成されている。

本実施形態のプロジェクター１０は、第１実施形態の光源装置２を備えているため、小型化が図れるとともに、光利用効率に優れる。

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。
例えば上記第１、第２実施形態の光源装置において、光合成部は第２の光と蛍光とを散乱させる散乱性を有していたが、必ずしも散乱性を有していなくてもよい。光合成部は、散乱性を有していない透光性部材から構成されていたとしても、第２の光と蛍光とが透光性部材の内部を導光する際に混合されることによって合成光が得られる。

また、波長変換ロッドの第１端面と光合成部の第１面との間に、波長変換ロッド内で生成された蛍光（黄色光）を透過させるとともに、第１ＬＥＤから射出された第２の光（青色光）を反射させるダイクロイックミラーが設けられていてもよい。これにより、蛍光および第２の光の利用効率を高めることができる。

また、波長変換ロッドの側面に、第１ＬＥＤから射出された第１の光（青色光）を透過させるとともに、波長変換ロッド内で生成された蛍光（黄色光）を反射させるダイクロイックミラーが設けられていてもよい。これにより、第１の光および蛍光の利用効率を高め、波長変換効率を高めることができる。

また、上記実施形態では、波長変換ロッドが黄色の蛍光を射出する蛍光体を含んでいる例を挙げたが、波長変換ロッドが緑色の蛍光を射出する蛍光体と赤色の蛍光を射出する蛍光体とからなる２種類の蛍光体を含んでいてもよい。その場合、２種類の蛍光体は、波長変換ロッドの内部に均等に混在していてもよいし、領域を分けて偏在していてもよい。

上記実施形態では、白色光を射出する光源装置の例を挙げたが、本発明は白色以外の色光を射出する光源装置にも適用が可能である。例えば緑色の蛍光を射出する波長変換ロッドと青色光を射出する第２ＬＥＤとを備え、シアン光を射出する光源装置としてもよい。その場合であっても、本発明によれば、シアン光を射出可能な小型の光源装置を提供することができる。また、この光源装置と赤色光源とを別途組み合わせることによって、白色光を得ることができる。

上記実施形態では、第１の光の波長帯と第２の光の波長帯とが同じである例を挙げたが、第１の光の波長帯と第２の光の波長帯とは互いに異なっていてもよい。例えば第１の光の波長帯を、蛍光体の励起にとって最適な波長帯に設定し、第２の光の波長帯を、白色光を得るのに最適な波長帯に設定するというように、各光の波長帯を個々に最適化してもよい。

また、光源装置を構成する各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な構成については、上記実施形態に限定されることなく、適宜変更が可能である。

上記第１実施形態においては、透過型の液晶プロジェクターに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型の液晶プロジェクターにも適用することも可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過する形態であることを意味する。「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射する形態であることを意味する。

上記第１実施形態において、３つの液晶パネルを用いたプロジェクターの例を挙げたが、本発明は、１つの液晶ライトバルブのみを用いたプロジェクター、４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクターにも適用可能である。

上記実施形態では、本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。本発明による照明装置は、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。

１，１０…プロジェクター、２，７２，８２…光源装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ，１３…光変調装置、６，１４…投射光学装置、５０…波長変換ロッド、５０ａ…第１端面、５０ｂ…第２端面、５０ｃ…側面、５１…光源、５３，７３，８３…光合成部、５３ａ，７３ａ，８３ａ…第１面、５３ｂ，７３ｂ，８３ｂ…第２面、５３ｃ，７３ｃ，８３ｃ…第３面、５４…角度変換素子、５４ａ…光入射端面、５４ｂ…光射出端面、５５…ミラー（反射部）、Ｌ１…第１の光、Ｌ２…第２の光、Ｙ…蛍光。

Claims (9)

1. 第１の光および第２の光を射出する光源と、
   蛍光体を少なくとも含み、前記光源から射出された前記第１の光を、前記第１の光の波長帯とは異なる波長帯を有する蛍光に変換する波長変換部と、
   前記光源から射出された前記第２の光と前記波長変換部から射出された前記蛍光とを合成し、合成光として射出する光合成部と、
   を備え、
   前記波長変換部は、互いに対向する第１端面および第２端面と、前記第１端面および前記第２端面に交差する側面と、を有し、
   前記光合成部は、互いに対向する第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面に交差する第３面と、を有し、
   前記波長変換部の前記第１端面と前記光合成部の前記第１面とが対向し、
   前記波長変換部において、前記第１の光は前記側面から入射し、前記蛍光は前記第１端面から射出され、
   前記光合成部において、前記蛍光は前記第１面から入射し、前記第２の光は前記第３面から入射し、前記合成光は前記第２面から射出される、光源装置。
2. 前記第１の光の波長帯と前記第２の光の波長帯とが同じである、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光合成部は、前記第２の光と前記蛍光とを散乱させる散乱体を有する、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記散乱体は、前記第１面および前記第２面に交差する方向における散乱性が前記第１面および前記第２面に平行な方向における散乱性よりも高い散乱異方性を有する、請求項３に記載の光源装置。
5. 前記光合成部は、前記蛍光を透過させ、前記第２の光を反射させるダイクロイックプリズムを有する、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
6. 前記波長変換部の前記第２端面に設けられ、少なくとも前記蛍光を反射させる反射部をさらに備えた、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. 前記光合成部の光射出側に設けられ、光入射端面と光射出端面とを有し、前記光射出端面における拡散角を前記光入射端面における拡散角よりも小さくする角度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. 前記第２の光の波長帯は青色波長帯であり、前記蛍光の波長帯は黄色波長帯である、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。
9. 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と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えた、プロジェクター。

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