JP2020101766A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

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Abstract

【課題】小型で低エテンデュー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波長帯を有する第１の光を射出する光源部と、光源部から射出された第１の光の一部を伝播させる導光体と、光源部から射出された第１の光の他の一部により励起されて第２波長帯を有する第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部と、導光体から射出された第１の光の一部と、波長変換部から射出された第２の光と、を合成する光合成部と、を備える。導光体と波長変換部とは、互いに並列して配置され、光源部は、導光体および波長変換部と対向する位置に設けられている。【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む場合、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が必要であり、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波長帯を有する第１の光を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記第１の光の一部を伝播させる導光体と、前記光源部から射出された前記第１の光の他の一部により励起されて前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部と、前記導光体から射出された前記第１の光の一部と、前記波長変換部から射出された前記第２の光と、を合成する光合成部と、を備える。前記導光体と前記波長変換部とは、互いに並列して配置され、前記光源部は、前記導光体および前記波長変換部と対向する位置に設けられている。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記導光体は、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端面と交差する第１側面と、を有し、前記波長変換部は、互いに対向する第３端面および第４端面と、前記第３端面および前記第４端面と交差する第２側面と、を有し、前記光源部は、前記第１側面および前記第２側面と対向する位置に設けられていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記導光体と前記波長変換部とは、前記導光体の長手方向と前記波長変換部の長手方向とが平行になるように、隣り合って配置されていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記光源部は、発光ダイオード光源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、前記第１の光は青色の光であり、前記第２の光は黄色の蛍光であり、前記光合成部において前記第１の光の一部と前記第２の光とが合成されることによって前記光合成部から白色の合成光が射出される構成であってもよい。
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端面および前記第４端面と対向する位置に配置されていてもよい。
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、前記第２端面に対向するプリズムと、前記第４端面に対向するダイクロイックプリズムと、を有していてもよい。
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。 光源装置の平面図である。 光源装置の側面図である。 図２のIV−IV線に沿う断面図である。 第２実施形態の光源装置の平面図である。 第３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〜図４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液晶プロジェクターの一例である。
図１は、第１実施形態のプロジェクター１の概略構成図である。
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。
第１実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー画像を投射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の概略構成を示す平面図である。図３は、導光ロッド５１の側から見た光源装置２の側面図である。図４は、図２のIV−IV線に沿う光源装置２の断面図である。
図２および図３に示すように、光源装置２は、導光ロッド５１（導光体）と、波長変換ロッド５８（波長変換部）と、光源部６２と、透光性部材６５と、光合成部５３と、角度変換素子５６と、コリメーターレンズ５７と、を備えている。
導光ロッド５１は、６つの面を有する四角柱状の形状を有している。６つの面は、互いに対向する２つの端面５１ａ，５１ｂと、２つの端面５１ａ，５１ｂに交差する４つの側面５１ｃ１，５１ｃ３，５１ｃ５，５１ｃ７と、を含んでいる。
以下の説明において、端面５１ａを第１端面５１ａと称し、端面５１ｂを第２端面５１ｂと称する。後述の光合成部５３から遠い側に位置する導光ロッド５１の端面が第１端面５１ａであり、第１端面５１ａと対向し、導光ロッド５１から光が射出される側の端面が第２端面５１ｂである。また、側面５１ｃ１を第１側面５１ｃ１と称し、側面５１ｃ３を第３側面５１ｃ３と称し、側面５１ｃ５を第５側面５１ｃ５と称し、側面５１ｃ７を第７側面５１ｃ７と称する。また、第１端面５１ａと第２端面５１ｂとが対向する方向を、導光ロッド５１の長手方向Ｎ１と定義する。
同様に、波長変換ロッド５８は、６つの面を有する四角柱状の形状を有している。６つの面は、互いに対向する２つの端面５８ａ，５８ｂと、２つの端面５８ａ，５８ｂに交差する４つの側面５８ｃ２，５８ｃ４，５８ｃ６，５８ｃ８と、を含んでいる。
以下の説明において、端面５８ａを第３端面５８ａと称し、端面５８ｂを第４端面５８ｂと称する。導光ロッド５１の第１端面５１ａと同じ側に位置する波長変換ロッド５８の端面が第３端面５８ａであり、第３端面５８ａと対向し、波長変換ロッド５８から光が射出される側の端面が第４端面５８ｂである。また、側面５８ｃ２を第２側面５８ｃ２と称し、側面５８ｃ４を第４側面５８ｃ４と称し、側面５８ｃ６を第６側面５８ｃ６と称し、側面５８ｃ８を第８側面５８ｃ８と称する。また、第３端面５８ａと第４端面５８ｂとが対向する方向を、波長変換ロッド５８の長手方向Ｎ２と定義する。また、波長変換ロッド５８の第３端面５８ａの中心と第４端面５８ｂの中心とを通る軸を光源装置２の光軸Ｊ１と定義する。光源装置２からの合成光ＬＷは、光軸Ｊ１に沿って射出される。
本実施形態では、導光ロッド５１と波長変換ロッド５８とは、略同一の寸法を有している。導光ロッド５１の長手方向Ｎ１の寸法Ａは、導光ロッド５１の短手方向（長手方向Ｎ１と直交する方向）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。波長変換ロッド５８についても、導光ロッド５１と同様である。
導光ロッド５１と波長変換ロッド５８とは、導光ロッド５１の第５側面５１ｃ５と波長変換ロッド５８の第６側面５８ｃ６とが対向するように、間隔をおいて互いに並列して配置されている。なお、本明細書において、「導光ロッドと波長変換ロッドとが並列して配置されている」との記載は、導光ロッドと波長変換ロッドとが互いの側面同士を対向させた状態で配置されていることを意味する。
本実施形態の場合、導光ロッド５１と波長変換ロッド５８とは、導光ロッド５１の長手方向Ｎ１と波長変換ロッド５８の長手方向Ｎ２とが平行になるように、隣り合って配置されている。この配置により、光源装置２の幅（光軸Ｊ１と垂直な方向の寸法）を小さくすることができる。ただし、導光ロッド５１の長手方向Ｎ１と波長変換ロッド５８の長手方向Ｎ２とは、完全に平行でなくてもよく、平行からわずかに傾いていてもよい。
図３に示すように、光源部６２は、第１光源６２Ａと、第２光源６２Ｂと、を有している。図２に示すように、第１光源６２Ａは、導光ロッド５１および波長変換ロッド５８と対向する位置に設けられている。より具体的には、第１光源６２Ａは、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１および波長変換ロッド５８の第２側面５８ｃ２と対向する位置に設けられている。すなわち、光源部６２は、導光ロッド５１および波長変換ロッド５８と対向する位置に設けられている。
図２には図示されないが、第２光源６２Ｂも、第１光源６２Ａと同様、導光ロッド５１および波長変換ロッド５８と対向する位置に設けられている。より具体的には、第２光源６２Ｂは、導光ロッド５１の第３側面５１ｃ３および波長変換ロッド５８の第４側面５８ｃ４と対向する位置に設けられている。なお、光源部６２は、必ずしも２つの光源を備えていなくてもよく、第１光源６２Ａのみを備えていてもよい。
第１光源６２Ａと第２光源６２Ｂとは、同一の構成を有し、基板６２１と、導光ロッド５１および波長変換ロッド５８と対向する基板６２１の一面に実装された複数の発光ダイオード光源６２２（ＬＥＤ光源）と、を備えている。本実施形態では、各光源６２Ａ，６２Ｂが５個のＬＥＤ光源６２２を備えているが、ＬＥＤ光源６２２の個数は特に限定されない。各ＬＥＤ光源６２２は、第１波長帯の第１の光Ｌ１を射出する。第１波長帯は、例えば４００ｎｍ〜４８０ｎｍの青色波長帯であり、ピーク波長は例えば４４５ｎｍである。なお、各光源６２Ａ，６２Ｂは、基板６２１とＬＥＤ光源６２２の他、導光板、拡散板、レンズ等の他の光学部材を有していてもよい。
複数のＬＥＤ光源６２２は、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１および第３側面５１ｃ３、波長変換ロッド５８の第２側面５８ｃ２および第４側面５８ｃ４のそれぞれに対向して設けられている。すなわち、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１の法線方向から見て、第１光源６２Ａを構成する複数のＬＥＤ光源６２２は、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１および波長変換ロッド５８の第２側面５８ｃ２と重なる位置に設けられている。また、導光ロッド５１の第３側面５１ｃ３の法線方向から見て、第２光源６２Ｂを構成する複数のＬＥＤ光源６２２は、導光ロッド５１の第３側面５１ｃ３および波長変換ロッド５８の第４側面５８ｃ４と重なる位置に設けられている。
換言すると、第１光源６２Ａを構成する複数のＬＥＤ光源６２２は、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１および波長変換ロッド５８の第２側面５８ｃ２に対向して設けられている。第２光源６２Ｂを構成する複数のＬＥＤ光源６２２は、導光ロッド５１の第３側面５１ｃ３および波長変換ロッド５８の第４側面５８ｃ４に対向して設けられている。第１光源６２Ａおよび第２光源６２Ｂを構成する複数のＬＥＤ光源６２２は、各ロッド５１，５８の長手方向Ｎ１，Ｎ２に沿って間隔をおいて配列されている。
図２に示すように、ＬＥＤ光源６２２の幅Ｄ（光軸Ｊ１と垂直な方向の寸法）は、導光ロッド５１の幅Ｂと波長変換ロッド５８の幅Ｃとの合計、すなわち導光ロッド５１の第７側面５１ｃ７から波長変換ロッド５８の第８側面５８ｃ８までの距離よりも小さい。ただし、ＬＥＤ光源６２２の幅Ｄは、導光ロッド５１の幅Ｂと波長変換ロッド５８の幅Ｃとの合計と等しくてもよいし、導光ロッド５１の幅Ｂと波長変換ロッド５８の幅Ｃとの合計よりも大きくてもよい。
また、本実施形態では、全てのＬＥＤ光源６２２において、ＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１とが互いに対向する領域の面積と、ＬＥＤ光源６２２と波長変換ロッド５８とが互いに対向する領域の面積と、は略等しい。すなわち、ＬＥＤ光源６２２の幅Ｄ方向の中心線は、導光ロッド５１と波長変換ロッド５８との間に位置している。
図４に示すように、ＬＥＤ光源６２２から射出された第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１は、導光ロッド５１の内部を伝播した後、導光ロッド５１から射出され、照明光の一部を構成する青色光として機能する。ＬＥＤ光源６２２から射出された第１の光Ｌ１のうちの他の一部の光Ｌ１２は、波長変換ロッド５８に入射した後、波長変換ロッド５８に含まれる蛍光体を励起させる励起光として機能する。このように、導光ロッド５１に入射する一部の光Ｌ１１の機能と、波長変換ロッド５８に入射する他の一部の光Ｌ１２の機能と、は互いに異なるため、ＬＥＤ光源６２２はいずれの機能も果たし得る波長の光を射出する必要がある。
導光ロッド５１は、例えばガラス等の透光性材料で構成されている。導光ロッド５１は、各光源６２Ａ，６２Ｂから射出された第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１が入射され、一部の光Ｌ１１を内部で伝播させる。
導光ロッド５１は、４つの側面５１ｃ１，５１ｃ３，５１ｃ５，５１ｃ７のうち、光源６２Ａ，６２Ｂと対向していない第５側面５１ｃ５および第７側面５１ｃ７に設けられたミラー６４を有する。さらに、導光ロッド５１は、第１端面５１ａに設けられたミラー６４を有する。これらのミラー６４は、導光ロッド５１を構成する透光性材料の表面に形成された誘電体多層膜、金属膜等の材料から構成されている。光損失を抑制する観点から、ミラー６４は、誘電体多層膜から構成されていることが望ましい。
波長変換ロッド５８は、光源部６２から射出された第１の光Ｌ１の他の一部の光Ｌ１２が波長変換ロッド５８に入射したとき、他の一部の光Ｌ１２により励起されて第２の光Ｌ２を発する蛍光体を含んでいる。本実施形態では、蛍光体は、セラミック蛍光体（多結晶蛍光体）から構成されている。第２の光Ｌ２の波長帯は、例えば４９０〜７５０ｎｍの黄色波長帯である。すなわち、第２の光Ｌ２は、黄色の蛍光である。波長変換ロッド５８は、多結晶蛍光体に代えて、単結晶蛍光体から構成されていてもよい。もしくは、波長変換ロッド５８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５８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５８は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体から構成されている。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５８の材料として、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ３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。
図２に示すように、波長変換ロッド５８は、第３端面５８ａに設けられたミラー６３を有している。ミラー６３は、誘電体多層膜、金属膜等の材料から構成されている。
図３および図４に示すように、透光性部材６５は、各光源６２Ａ，６２Ｂと導光ロッド５１との間に設けられている。より詳しくは、透光性部材６５は、第１光源６２ＡのＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１との間、および第２光源６２ＢのＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１の第３側面５１ｃ３との間に、ＬＥＤ光源６２２の光射出面を覆うように設けられている。
透光性部材６５は、例えばシリコーン樹脂等の透明樹脂、ガラスフリット等から構成されている。透光性部材６５が透明樹脂から構成されている場合、透光性部材６５を容易に製造することができる。また、透光性部材６５は、光透過性とともに耐熱性を有していることが好ましい。透光性部材６５は、各光源６２Ａ，６２Ｂと導光ロッド５１とを固定する接着材としても機能する。
透光性部材６５の屈折率は、導光ロッド５１の屈折率と等しいことが望ましい。この構成によれば、第１の光Ｌ１が透光性部材６５から導光ロッド５１に入射する際の無用な屈折が生じることなく、第１の光Ｌ１が所定の角度で導光ロッド５１に入射する。これにより、導光ロッド５１の側面から射出される第１の光Ｌ１１の量を減らすことができ、第１の光Ｌ１の利用効率を高めることができる。なお、特許請求の範囲における「透光性部材の屈折率と導光体の屈折率とが等しい」とは、透光性部材と導光体とが、光利用効率の低下が性能に影響しない程度のわずかな屈折が生じるだけの屈折率差を有する場合を含む概念である。
図４に示すように、透光性部材６５は、各光源６２Ａ，６２Ｂと波長変換ロッド５８との間には設けられていないことが望ましい。第１の光Ｌ１の他の一部の光Ｌ１２が波長変換ロッド５８に入射する際には光Ｌ１２が蛍光体に到達しさえすればよく、波長変換ロッド５８に入射する際の屈折は大きな問題とならないため、透光性部材６５は、各光源６２Ａ，６２Ｂと波長変換ロッド５８との間には設けられていなくてもよい。ただし、透光性部材６５は、各光源６２Ａ，６２Ｂと波長変換ロッド５８との間にも設けられていてもよい。
図２に示すように、光合成部５３は、導光ロッド５１の第２端面５１ｂおよび波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂと対向する位置に配置されている。光合成部５３は、導光ロッド５１から射出された第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１と、波長変換ロッド５８から射出された第２の光Ｌ２と、を合成する。光合成部５３は、導光ロッド５１の第２端面５１ｂに対向するプリズム５４と、波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂに対向するダイクロイックプリズム５５と、を有している。
プリズム５４は、導光ロッド５１の第２端面５１ｂに接して設けられている。プリズム５４は、直角二等辺三角形の断面を有する三角柱状プリズムから構成されており、光入射端面５４ａ、反射面５４ｃおよび光射出端面５４ｂを有する。プリズム５４は、入射した光Ｌ１１の光路を９０°折り曲げて射出させる機能を有する。すなわち、プリズム５４は、導光ロッド５１の第２端面５１ｂから射出された光Ｌ１１を反射面５４ｃで反射させることにより光路を曲げ、光射出端面５４ｂから射出させる。
ダイクロイックプリズム５５は、波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂおよびプリズム５４の光射出端面５４ｂに対向して設けられている。ダイクロイックプリズム５５は、プリズム本体の内部にダイクロイックミラー５５１が設けられた構成を有する。ダイクロイックプリズム５５は、立方体状の形状を有し、光入射端面５５ａおよび光入射端面５５ｂと、光射出端面５５ｃと、を有する。ダイクロイックミラー５５１は、青色波長帯の光を反射し、黄色波長帯の光を透過させる特性を有する。したがって、プリズム５４から射出された光Ｌ１１は、ダイクロイックミラー５５１で反射して光射出端面５５ｃに向けて進む。一方、波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂから射出された第２の光Ｌ２は、ダイクロイックミラー５５１を透過して光射出端面５５ｃに向けて進む。
このようにして、ダイクロイックプリズム５５は、導光ロッド５１の第２端面５１ｂから射出された青色の光Ｌ１１と、波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂから射出された黄色の第２の光Ｌ２と、を合成する。その後、青色の光Ｌ１１と黄色の第２の光Ｌ２とからなる白色の合成光ＬＷは、ダイクロイックプリズム５５から射出される。このように、光合成部５３において、第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１と第２の光Ｌ２とが合成されることにより、光合成部５３から白色の合成光ＬＷが射出される。
角度変換素子５６は、ダイクロイックプリズム５５の光射出端面５５ｃの光射出側に設けられている。角度変換素子５６は、合成光ＬＷが入射する光入射端面５６ａと、合成光ＬＷが射出する光射出端面５６ｂ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５６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ＬＷの進行方向に沿って広がっており、光射出端面５６ｂの面積は光入射端面５６ａの面積よりも大きい。これにより、合成光ＬＷは、角度変換素子５６の内部を進行する間に、側面５６ｃ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５６は、光射出端面５６ｂにおける合成光ＬＷの拡散角を光入射端面５６ａにおける合成光ＬＷの拡散角よりも小さくする。
角度変換素子５６は、光入射端面５６ａがダイクロイックプリズム５５の光射出端面５５ｃに対向するようにダイクロイックプリズム５５に固定されている。すなわち、角度変換素子５６とダイクロイックプリズム５５とは光学接着剤（図示略）を介して接触しており、角度変換素子５６とダイクロイックプリズム５５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５６は、例えば任意の支持部材によってダイクロイックプリズム５５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５６とダイクロイックプリズム５５との間に空隙が設けられていないことが望ましい。角度変換素子５６の屈折率とダイクロイックプリズム５５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５６として、テーパーロッドに代えて、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５６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５７は、角度変換素子５６の光射出端面５６ｂの光射出側に設けられている。コリメーターレンズ５７は、角度変換素子５６から射出された合成光ＬＷを平行化する。すなわち、角度変換素子５６によって角度分布が変換された合成光ＬＷの平行度は、コリメーターレンズ５７によってさらに高められる。コリメーターレンズ５７は、凸レンズで構成されている。なお、角度変換素子５６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５７は設けられていなくてもよい。
以下、上記構成の光源装置２の作用について説明する。
図４に示すように、第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１は、ＬＥＤ光源６２２から射出された後、透光性部材６５を透過し、第１側面５１ｃ１から導光ロッド５１に入射する。導光ロッド５１に入射した第１の光Ｌ１のうちの一部の光Ｌ１１は、臨界角以上の入射角でいずれかの側面５１ｃ１，５１ｃ３，５１ｃ５，５１ｃ７に到達する。このような光Ｌ１１は、その側面で反射した後、側面での反射を繰り返しつつ、図３に示すように、導光ロッド５１の内部を伝播し、第１端面５１ａもしくは第２端面５１ｂに向かって進む。第２端面５１ｂに向かって進んだ光Ｌ１１は、第２端面５１ｂから射出された後、プリズム５４に入射する。一方、第１端面５１ａに向かって進んだ光Ｌ１１は、第１端面５１ａに設けられたミラー６４で反射した後、第２端面５１ｂに向かって進む。
その後、図２に示すように、導光ロッド５１の第２端面５１ｂから射出された光Ｌ１１は、プリズム５４の反射面５４ｃで反射して進行方向を変え、ダイクロイックプリズム５５に入射する。なお、プリズム５４とダイクロイックプリズム５５とは直接接触しないように、プリズム５４とダイクロイックプリズム５５との間に間隙（空気層）が設けられていることが望ましい。プリズム５４とダイクロイックプリズム５５との間に間隙が設けられることによって、プリズム５４とダイクロイックプリズム５５との界面近傍に進んだ光Ｌ１１のうち、臨界角未満の入射角で界面に入射した光がプリズム５４やダイクロイックプリズム５５の外部に漏れることが抑えられ、光利用効率を高めることができる。
一方、図４に示すように、第１の光Ｌ１のうちの他の一部の光Ｌ１２は、波長変換ロッド５８に入射する。このとき、波長変換ロッド５８に含まれる蛍光体が光Ｌ１２によって励起され、任意の発光点Ｐ１から第２の光Ｌ２が発せられる。第２の光Ｌ２は、任意の発光点Ｐ１から全ての方向に向かって進むが、側面５８ｃ２，５８ｃ４，５８ｃ６，５８ｃ８に向かって進んだ第２の光Ｌ２は、図２に示すように、側面５８ｃ２，５８ｃ４，５８ｃ６，５８ｃ８で全反射を繰り返しつつ、第３端面５８ａもしくは第４端面５８ｂに向かって進む。第４端面５８ｂに向かって進んだ第２の光Ｌ２は、第４端面５８ｂから射出された後、ダイクロイックプリズム５５に入射する。一方、第３端面５８ａに向かって進んだ第２の光Ｌ２は、第３端面５８ａに設けられたミラー６３で反射した後、第４端面５８ｂに向かって進む。
ダイクロイックプリズム５５に入射した光Ｌ１１は、ダイクロイックミラー５５１で反射する。一方、ダイクロイックプリズム５５に入射した第２の光Ｌ２は、ダイクロイックミラー５５１を透過する。その結果、青色の光Ｌ１１と黄色の第２の光Ｌ２とが合成され、白色の合成光ＬＷがダイクロイックプリズム５５の光射出端面５５ｃから射出される。ダイクロイックプリズム５５から射出された合成光ＬＷは、角度変換素子５６とコリメーターレンズ５７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ＬＷ（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、青色の光Ｌ１１を射出する導光ロッド５１と黄色の第２の光Ｌ２を射出する波長変換ロッド５８とが互いに並列して配置され、導光ロッド５１の第２端面５１ｂおよび波長変換ロッド５８の第４端面５８ｂに光合成部５３が配置され、光源部６２が導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１および波長変換ロッド５８の第２側面５８ｃ２に対向して設けられている。これにより、白色光を射出可能な小型の光源装置２を実現することができる。
本実施形態の光源装置２は、光源部６２から射出された青色の光Ｌ１１を導光ロッド５１によって光合成部５３に導く構成を有している。そのため、光源装置２は、例えば紫外ＬＥＤと青色蛍光体との組み合わせのような青色光を発光可能な蛍光体光源を別途用いることなく、青色光を単純な構成で効率良く得ることができる。
ＬＥＤ光源６２２はランバート配光を示すため、特にＬＥＤ光源６２２の幅（図２における寸法Ｄ）に対して導光ロッド５１の幅（図２における寸法Ｂ）が小さい場合、ＬＥＤ光源６２２から射出された第１の光Ｌ１を導光ロッド５１の端面に効率良く入射させることが難しい場合がある。そのため、ＬＥＤ光源６２２を使用する場合には、本実施形態のように、ＬＥＤ光源６２２を導光ロッド５１の側面に対向させて配置し、第１の光Ｌ１を導光ロッド５１の側面から入射させる構成を採用することが合理的である。
ところが、ＬＥＤ光源６２２を導光ロッド５１の側面に対向させた構成であっても、ＬＥＤ光源６２２の幅が導光ロッド５１の幅に対して大きい場合には、ＬＥＤ光源６２２の光射出面が導光ロッド５１の側面から外側にはみ出す場合がある。この場合、ＬＥＤ光源６２２から射出される第１の光Ｌ１の一部は導光ロッド５１に入射されないため、第１の光Ｌ１の利用効率が低下するという問題がある。一般に、発光効率が高いＬＥＤ光源はサイズが大きいため、サイズが大きいＬＥＤ光源を使用したいという要求がある。
この問題に対して、本実施形態の光源装置２においては、ＬＥＤ光源６２２の幅（図２における寸法Ｄ）が導光ロッド５１の幅（図２における寸法Ｂ）と波長変換ロッドの幅（図２における寸法Ｃ）との合計よりも小さいため、ＬＥＤ光源６２２の光射出面が導光ロッド５１および波長変換ロッド５８の側面から外側にはみ出すことがない。これにより、ＬＥＤ光源６２２から射出される第１の光Ｌ１を十分に導光ロッド５１および波長変換ロッド５８に入射させることができ、第１の光Ｌ１の利用効率を高めることができる。また、各ＬＥＤ光源６２２が導光ロッド５１と波長変換ロッド５８とで共有されているため、ＬＥＤ光源６２２の数をむやみに増やすことなく、光源装置２の小型化、低コスト化、および低エテンデュー化を図ることができる。
本実施形態の光源装置２においては、ＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１との間に透光性部材６５が介在しているため、ＬＥＤ光源６２２から射出された第１の光Ｌ１が透光性部材６５の内部を伝播して導光ロッド５１に入射する。この構成によれば、ＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１とが離れて配置され、これらの間に空気が介在している場合に比べて、無用な屈折や反射を抑制することができ、導光ロッド５１に入射する第１の光Ｌ１の光量を増やすことができる。特に本実施形態の場合、透光性部材６５の屈折率と導光ロッド５１の屈折率とが等しいため、導光ロッド５１に入射する第１の光Ｌ１の光量を最大限に増やすことができる。これにより、第１の光Ｌ１１の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、ダイクロイックプリズム５５の光射出側に角度変換素子５６が設けられているため、ダイクロイックプリズム５５から射出された合成光ＬＷを平行化することができる。さらに、角度変換素子５６の光射出側にコリメーターレンズ５７が設けられているため、合成光ＬＷ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５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、ＬＥＤ光源の配置が第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５は、第２実施形態の光源装置の概略構成を示す平面図である。
図５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１６は、導光ロッド５１（導光体）と、波長変換ロッド５８（波長変換部）と、光源部６７と、透光性部材６５と、光合成部５３と、角度変換素子５６と、コリメーターレンズ５７と、を備えている。
光源部６７を構成する複数のＬＥＤ光源６２２において、ＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１とが互いに対向する領域の面積と、ＬＥＤ光源６２２と波長変換ロッド５８とが互いに対向する領域の面積とは、ＬＥＤ光源６２２毎に異なっている。換言すると、導光ロッド５１の第１側面５１ｃ１の法線方向から見て、ＬＥＤ光源６２２と導光ロッド５１とが重なり合う領域の面積（ＬＥＤ−導光ロッド重なり面積）と、ＬＥＤ光源６２２と波長変換ロッド５８とが重なり合う領域の面積（ＬＥＤ−波長変換ロッド重なり面積）とは、ＬＥＤ光源６２２毎に異なっている。
本実施形態においては、ＬＥＤ−導光ロッド重なり面積よりもＬＥＤ−波長変換ロッド重なり面積の方が大きいＬＥＤ光源６２２と、ＬＥＤ−波長変換ロッド重なり面積よりもＬＥＤ−導光ロッド重なり面積の方が大きいＬＥＤ光源６２２と、が混在しているが、上記のいずれか一方のＬＥＤ光源６２２のみが存在していてもよい。
光源装置１６のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態においても、小型で低エテンデューの光源装置１６を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
第１実施形態のように、ＬＥＤ−導光ロッド重なり面積とＬＥＤ−波長変換ロッド重なり面積とが等しい場合、ＬＥＤ光源６２２から射出された第１の光Ｌ１のうち、導光ロッド５１に入射される光Ｌ１１の量と波長変換ロッド５８に入射される光Ｌ１２の量とは略等しくなる。これに対して、本実施形態のように、ＬＥＤ−導光ロッド重なり面積とＬＥＤ−波長変換ロッド重なり面積とを異ならせた場合、双方の重なり面積を変えることによって、導光ロッド５１から射出される光Ｌ１１の量と波長変換ロッド５８から射出される第２の光Ｌ２の量との割合を調整することができる。これにより、合成光ＬＷの色バランスを調整することができる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６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３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６に示すように、第３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３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１６が用いられてもよい。したがって、第３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から射出された白色の合成光ＬＷ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ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢがカラーホイール２３から時分割で射出される。
ピックアップ光学系２１は、第１レンズ２１１と、第２レンズ２１２と、から構成されている。第１レンズ２１１および第２レンズ２１２は、それぞれ凸レンズから構成されている。カラーホイール２３から射出された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢ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ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢ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ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢ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。例えば青色光を射出する導光ロッドと赤色光を射出する波長変換ロッドとを備え、青色光と赤色光との合成で生成されるマゼンタ色の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、マゼンタ色の光を射出する小型で低エテンデューの光源装置を実現することができる。さらに、この光源装置と緑色光を射出する光源装置とを用いて、白色光を射出する光源装置を構成してもよい。
上記実施形態において、光合成部としてプリズムとダイクロイックプリズムとを用いた構成例を提示したが、光合成を行うことが可能な他の光学部材も適用可能である。例えばプリズムに代えて、反射ミラーを用いてもよい。また、ダイクロイックプリズムに代えて、内部に光散乱構造を持つ散乱体を用いてもよい。散乱体の例としては、散乱粒子を包含するガラスや、異方性散乱層を含む光学部材などが挙げられる。散乱体を用いた場合、光利用効率は多少低下するものの、青色光の一部と黄色光の一部とを同方向に散乱させることにより、光合成が可能である。
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、これに限定されない。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。
１，１０…プロジェクター、２，１６…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ，１３…光変調装置、６，１４…投射光学装置、５１…導光ロッド（導光体）、５１ａ…第１端面、５１ｂ…第２端面、５１ｃ１…第１側面、５１ｃ３…第３側面、５１ｃ５…第５側面、５１ｃ７…第７側面、５３…光合成部、５４…プリズム、５５…ダイクロイックプリズム、５８…波長変換ロッド（波長変換部）、５８ａ…第３端面、５８ｂ…第４端面、５８ｃ２…第２側面、５８ｃ４…第４側面、５８ｃ６…第６側面、５８ｃ８…第８側面、６２，６７…光源部、６２２…発光ダイオード光源、Ｌ１…第１の光、Ｌ１１…（第１の光の）一部の光、Ｌ１２…（第１の光の）他の一部の光、Ｌ２…第２の光、Ｎ１，Ｎ２…長手方向。

Claims (8)

  1. 第１波長帯を有する第１の光を射出する光源部と、
    前記光源部から射出された前記第１の光の一部を伝播させる導光体と、
    前記光源部から射出された前記第１の光の他の一部により励起されて前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部と、
    前記導光体から射出された前記第１の光の一部と、前記波長変換部から射出された前記第２の光と、を合成する光合成部と、
    を備え、
    前記導光体と前記波長変換部とは、互いに並列して配置され、
    前記光源部は、前記導光体および前記波長変換部と対向する位置に設けられた、光源装置。
  2. 前記導光体は、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端面と交差する第１側面と、を有し、
    前記波長変換部は、互いに対向する第３端面および第４端面と、前記第３端面および前記第４端面と交差する第２側面と、を有し、
    前記光源部は、前記第１側面および前記第２側面と対向する位置に設けられた、請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記導光体と前記波長変換部とは、前記導光体の長手方向と前記波長変換部の長手方向とが平行になるように、隣り合って配置されている、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
  4. 前記光源部は、発光ダイオード光源を有する、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. 前記第１の光は青色の光であり、前記第２の光は黄色の蛍光であり、
    前記光合成部において前記第１の光の一部と前記第２の光とが合成されることによって前記光合成部から白色の合成光が射出される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光源装置。
  6. 前記光合成部は、前記第２端面および前記第４端面と対向する位置に配置されている、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. 前記光合成部は、前記第２端面に対向するプリズムと、前記第４端面に対向するダイクロイックプリズムと、を有する、請求項６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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