JP2020204652A - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザが発する励起光を蛍光体に照射して蛍光を得る光源において、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源が求められていた。【解決手段】回転体の表面に設けられた蛍光体と、２次元配列された複数の発光素子と、各発光素子に対応して設けられたコリメートレンズを有し、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、前記励起光源からの励起光を反射し、前記蛍光体からの蛍光を透過するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、前記励起光源と前記ダイクロイックミラーの間に配置され、前記励起光源からの励起光を、前記回転体の表面において前記回転体の回転軸を通る径方向に拡大し、前記回転体の表面において前記回転体の周方向に集光するレンズアレイと、を有する、ことを特徴とする光源装置である。【選択図】図８

Description

本発明は、半導体レーザと集光レンズと回転蛍光体とを備えた光源装置と、当該光源装置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。
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、回転する円板等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多く用いられる。

例えば、特許文献１には、励起光源の出力光を集光レンズを使って集光して回転する蛍光板に照射し、蛍光板が発する蛍光を光変調素子に導く投射型表示装置が記載されている。
しかしながら、高いエネルギーの励起光を微小なスポットに集光して照射すると、円板等とともに回転する蛍光体ではあっても、照射スポットの軌跡に沿ったリング状の領域の温度が過度に上昇し、蛍光体の発光効率が低下してしまう。
そこで、照射スポットの面積を大きくして、照射スポットにおける照射エネルギーのピーク強度を弱めて蛍光体の温度上昇を抑制することが提案されている。

例えば、特許文献２には、複数の励起光源を用い、各励起光源からのスポットが一部重なるようにずらして蛍光体に照射して、照射スポットの形状を疑似的に矩形にする方法が記載されている。

また、特許文献３には、蛍光体面上での励起光の強度分布がトップハット形状になるように励起光を拡散させ、照射エネルギーの密度を下げることにより蛍光体の温度上昇を抑制する方法が記載されている。

また、特許文献４には、複数の半導体レーザを配置する際に向きを適宜異ならせ、半導体レーザの出射特性を利用して、複数の半導体レーザにより形成されるスポット形状を疑似的に矩形形状にする方法が記載されている。

これらの特許文献では、蛍光体（円板）の回転周方向と径方向の両方向について２次元的に照射スポットを拡大して矩形形状あるいはトップハット形状とし、照射エネルギーのピーク強度を弱めて蛍光体の温度上昇を抑制することが提案されている。

特開２０１２−７８４８８号公報 特開２０１２−２１５６３３号公報 特開２０１７−１４２４８２号公報 特開２０１６−１１４７８７号公報

しかしながら、上述したように回転体の回転周方向に沿って照射スポットを拡大すると、混色や励起光利用率の低下の問題が発生する。
投射型表示装置の光源部においては、円板等の回転体の主面上には、カラー表示を可能にするために発光波長特性が異なる複数の蛍光体（例えば赤色蛍光体と緑色蛍光体）が、例えば扇形形状に塗り分けられている。回転体が回転するに連れて、異なる色の蛍光体の領域を励起光が順次照射するようにして、異なる色の光を時分割で発する光源を構成している。尚、回転に伴って励起光が照射する蛍光体の色が変わりさえすればよいので、蛍光体の塗り分け形状は扇形に限るわけではなく、例えば回転軸を中心としたリング領域の周方向に沿って蛍光体を塗り分けてもよい。

このように塗り分けられて回転する蛍光体に、矩形形状あるいはトップハット形状のように回転周方向について拡大されたスポット形状の励起光を照射すると、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に励起光が照射する時間が長く存在する。例えば、励起光のスポットが赤色蛍光体と緑色蛍光体の境界を跨いで照射している間は、赤色光と緑色光が同時に発光するが、スポット形状が回転周方向に長いと境界を跨いで照射している時間も長くなってしまう。この間に光源部から出力される光には、赤色光と緑色光が混合して色純度が低下しており、しかも混合比は時間とともに変化するため、投射される画像の色調が影響を受けて表示画質としては好ましくないものになる。

色調の変化を防止するため、当該光源と変調素子（例えば液晶パネルやＤＭＤ素子）の間に、蛍光体の回転と同期して回転する色選択ホイールを配置する方法も考えられる。例えば、異なる色の蛍光体どうしの境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにすれば、赤色光と緑色光が混合された光が変調素子に入力されることを防止できる。しかし、励起光のスポットが赤色蛍光体と緑色蛍光体の境界を跨いで照射している間、実際に変調素子に入力されるのは色選択ホイールで選択されるどちらか一方の蛍光だけであり、選択される色の蛍光体を照射する励起光の照射面積が回転に伴って変化すると、輝度が時間的に変動してしまう。また、選択されない方の色の蛍光体を照射している励起光は有効に活用されていないことになり、励起光源に投入した電力が無駄になるだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度を上昇させることにもなる。

そこで、半導体レーザが発する励起光を蛍光体に照射して蛍光を得る光源において、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源が求められていた。また、かかる光源を用いた小型で高画質な投射型表示装置が求められていた。

本発明の一態様によれば、投射型表示装置用の光源装置であって、回転体の表面に設けられた蛍光体と、２次元配列された複数の発光素子と、各発光素子に対応して設けられたコリメートレンズを有し、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、前記励起光源からの励起光を反射し、前記蛍光体からの蛍光を透過するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、前記励起光源と前記ダイクロイックミラーの間に配置され、前記励起光源からの励起光を、前記回転体の表面において前記回転体の回転軸を通る径方向に拡大し、前記回転体の表面において前記回転体の周方向に集光するレンズアレイと、を有する、ことを特徴とする光源装置である。

本発明によれば、半導体レーザが発する励起光を蛍光体に照射して蛍光を得る光源において、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源を実現できる。また、かかる光源を用いた小型で高画質な投射型表示装置を提供できる。

（ａ）実施形態の光源装置において励起光源として用いられ得る半導体レーザのＦａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎの例。（ｂ）実施形態の光源装置において励起光源として用いられ得る半導体レーザのＮｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎの例。 半導体レーザから出射した後、コリメートレンズを介して進行するビームの断面形状を説明する模式図。 実施形態で用いるダイクロイックミラーの光学特性を示す図。 （ａ）実施形態１の光源装置の構成を示す模式図。（ｂ）実施形態１の励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図。 実施形態１で用いる回転体の主面を集光レンズ側から見た平面図。 実施形態１で用いる蛍光体の発光スペクトルの例。 （ａ）第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を一体に形成した光学素子の斜視図。（ｂ）一つの発光素子から照射される光束を担当する領域３１０の拡大図。 （ａ）第２シリンダレンズアレイ３０２の作用について説明する模式図。（ｂ）第１シリンダレンズアレイ３０１の作用について説明するために光線を示した模式図。（ｃ）第１シリンダレンズアレイ３０１の配置について説明するため主光線のみを取り出して共役関係を示した図。 実施形態１の光源装置の光学諸元を示す表。 実施形態２として、実施形態１の光源装置を備えた投射型表示装置の全体構成を示す図。 （ａ）実施形態３の光源装置の構成を示す模式図。（ｂ）実施形態３の励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図。 実施形態３の光源装置の光学諸元を示す表。 （ａ）実施形態４の光源装置の構成を示す模式図。（ｂ）実施形態４の励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図。 （ａ）トーリックアレイ面を備えるレンズアレイ３００Ｂの斜視図。（ｂ）一つの発光素子から照射される光束を担当する領域４１０の拡大図。 実施形態４の光源装置の光学諸元を示す表。 （ａ）実施形態５の光源装置の構成を示す模式図。（ｂ）実施形態５の励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図。 （ａ）比較例の光源装置の構成を示す模式図。（ｂ）比較例の励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図。 比較例で用いる回転体の主面を集光レンズ側から見た平面図。

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。尚、以下の実施形態の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。また、例えばＸ方向プラス側とかＸ方向マイナス側と記す場合には、プラス側とは図示の座標軸において矢印が指示する方向と同じ方向を指し、マイナス側とは図示の矢印とは反対方向を指すものとする。

［実施形態１］
実施形態１の光源装置について説明する。最初に、本実施形態の光源装置において、励起光源として用いられ得る半導体レーザについて説明する。半導体レーザの発光特性を説明するため、図１（ａ）にＦａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを、図１（ｂ）にＮｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎを例示する。
半導体レーザの出力光は、出射方向によって角度特性が異なることが知られている。

図１（ａ）に例示したＦａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎから、半導体レーザからは、平行方向については、狭い角度範囲内に強度分布が均一になるパターンでビームが出射することがわかる。一方、直交方向については、広い角度範囲にわたり強度分布が山形になるパターンでビームが出射することがわかる。
また、図１（ｂ）に例示したＮｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎから判るように、半導体レーザの発光部は平行方向に沿って特定の長さを有している。発光部の平行方向の長さが大きな半導体レーザを用いれば、発光出力を増大させることができる。

次に、図２に示す模式図を参照して、半導体レーザから出射した後、コリメートレンズを介して進行するビームについて説明する。２５０は半導体チップ、２５１は給電端子、２５２は半導体チップ２５０に形成された半導体レーザの発光部であり、これらは発光素子２０１としてパッケージされている。図２においては、発光部２５２の長手方向ＨをＹ方向と平行にし、発光部２５２から出射した光の進行方向をＺ方向と平行に図示している。すなわち、図１（ａ）、図１（ｂ）に示したレーザ光のパターンにおいて示した平行方向が図２のＹ方向に相当し、直交方向が図２のＸ方向に相当する。発光素子２０１の半導体レーザからは、直線偏光の光が出射し、その電界の振動方向はＹ方向（平行方向）である。

長手方向の長さがＨｙ１である発光部２５２から出射した光は、コリメートレンズ２０２によりコリメートされ、長径がＸ方向と平行で短径がＹ方向と平行な楕円形状のビームとなって進行する。像高方向であるＹ方向については、コリメートレンズ２０２によってもビームを完全に平行化することはできず、進行すればするほど光線の広がりは拡大していく。これはコリメートレンズ２０２の焦点距離ｆ１が短くなればなるほど顕著になる。

本実施形態では、後に詳述するようにダイクロイックミラーを用いて光路の分岐や合成を行うが、レーザ光を反射させる場合には、入射する光線と出射する光線が作る入射面（図２のＸＺ面）に垂直に電界が振動するＳ偏光（Ｓ波）を用いるのが望ましい。というのも、ブリュースター角で知られるように、反射特性として物理的にＳ波の方がＰ波より入射角θの影響を受けにくいからである。そこで、本実施形態の光源装置では、ダイクロイックミラー１０５の境界面（ダイクロイックミラーと空気の境界）に対する発光素子２０１の相対的な向きが図２に示す関係になるように配置し、ダイクロイックミラーにおいてＳ波のレーザ光が反射されるようにする。

図３に、本実施形態で用いるダイクロイックミラー１０５の光学特性を示す。図の横軸は光の波長で、縦軸は透過率である。透過率が高いほど、反射率は低いといえる。各グラフは、入射角θが、おおむね４５度の場合における透過／反射の波長特性を示している。尚、入射角とは、ダイクロイックミラー１０５のミラー面に立てた法線と入射する光とがなす角である。実線のグラフが示すように、Ｓ波については４８０ｎｍ付近よりも短波長側では透過率が小さく（反射率が高く）、４８０ｎｍ付近よりも長波長側では透過率が大きい（反射率が低い）。一方、点線のグラフが示すように、Ｐ波については４００ｎｍ付近よりも短波長側では透過率が小さく（反射率が高く）、４００ｎｍ付近よりも長波長側では透過率が大きい（反射率が低い）。本実施形態では、蛍光体を励起する励起レーザ光として、図３にＥＸとして示すＳ波の青色レーザ光を入射させるが、ダイクロイックミラー１０５は、この波長のＳ波については高い反射率で反射し、Ｐ波については高い透過率で透過することがわかる。このダイクロイックミラー１０５の特性を利用して、後述するように、蛍光体を励起するためのＳ波の励起光を蛍光体に向けて反射し、回転体の反射領域で反射されたＰ波の励起光を透過させる光路分岐合成機能を実現することができる。光路分岐合成部として機能するダイクロイックミラー１０５は、製造上の誤差は別として板厚が一定の透明な基板に誘電体多層膜を積層することで形成されている。誘電体多層膜は、製造上の誤差は別として、誘電体多層膜の厚みが光学面内で均一になるように積層されている。

次に、図４（ａ）を参照して、本実施形態の光源装置の構成を説明する。光源装置は、半導体レーザである発光素子２０１を２次元的に複数配列した励起光源ユニット２００を備えている。励起光源ユニット２００は、２次元配列された複数の発光素子２０１の各々に対応して配置されたコリメートレンズ２０２を備えるが、各半導体レーザに対応するコリメートレンズを一体化させたコリメートレンズアレイを用いてもよい。

図４（ｂ）は、励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図である。１６個の発光素子２０１が４×４の行列状に配置されており、各発光素子は長さがＨｙ1である発光部２５２を備え、発光部２５２の長手方向がＹ方向と平行になる向きに固定されている。尚、発光素子２０１の行列は、４×４の１６個に限られるわけではなく、適宜変更が可能である。

励起光源ユニット２００から出射した励起光は図４（ａ）のＺ方向に進むが、光路上には、回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１、回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２、第１集光レンズ１０３、光路分岐合成部としてのダイクロイックミラー１０５が配置されている。

第１シリンダレンズアレイ３０１、第２シリンダレンズアレイ３０２、第１集光レンズ１０３の光学的作用については後述する。尚、図４（ａ）では、これら３つの光学素子は記載した順に光路に沿って配置されているが、配置は必ずしもこの順でなくともよい。また、第１集光レンズ１０３は、単一のレンズでなく複数のレンズで構成してもよい。

励起光源ユニット２００からダイクロイックミラー１０５に入射する励起光は、図３においてＥＸとして示した波長を有するＳ波なので、ダイクロイックミラー１０５によって高い効率で反射され、Ｘ方向マイナス側に向かう。その光路上には、１／４波長板１０７、第二集光レンズ群１０６、回転体１２２が配置されている。１／４波長板１０７を透過した励起光は、第二集光レンズ群１０６によって回転体１２２に集光される。

本実施形態の光源装置では、回転体１２２はモータ１２１により回転軸ＲＡの回りに回転可能であり、回転体１２２の主面上には、蛍光体１２３が設けられている。図５に、回転体１２２を第二集光レンズ群１０６側から見た平面図を示すが、回転体１２２の主面上には、発光波長特性が異なる赤色蛍光体１２３Ｒと黄色蛍光体１２３Ｙと緑色蛍光体１２３Ｇが、回転体１２２の回転軸ＲＡを中心としたリング領域の一部にそれぞれ被覆されている。そして、蛍光体が設けられているリング領域の下地には、回転体１２２の方向に放射された蛍光を第二集光レンズ群１０６側に反射するための反射面が設けられ、蛍光の取出し効率の向上が図られている。

図６に、赤色蛍光体１２３Ｒと黄色蛍光体１２３Ｙと緑色蛍光体１２３Ｇに励起光Ｅｘを照射した際の発光スペクトルの例を示す。点線で示す３１が緑色蛍光体１２３Ｇの発光スペクトル、一点鎖線で示す３２が黄色蛍光体１２３Ｙの発光スペクトル、実線で示す３３が赤色蛍光体スペクトルである。尚、波長４５０ｎｍ付近に見られるピークは、蛍光体の発光ではなく、励起光の一部が蛍光体に吸収されずに反射されたものである。尚、本実施形態で用いられ得る蛍光体は、これらの発光特性に限るものではない。たとえば、赤色発光、緑色発光、黄色発光の蛍光体に代えて、白色発光の蛍光体を設けてもよい。

また、本実施形態では、図５に示すように、回転体１２２のリング領域の一部には蛍光体が塗布されずに、励起光を反射するための反射部１２４が設けられている。反射部１２４は、青色レーザ光を高い効率で反射するように鏡面加工しておくのが望ましい。

このような回転体１２２を回転させることにより、励起光Ｅｘは、赤色蛍光体１２３Ｒか、黄色蛍光体１２３Ｙか、緑色蛍光体１２３Ｇか、反射部１２４かのいずれかを照射する。蛍光体の過熱を防ぐため、回転体１２２の基材には熱伝導率が高い金属が好適に用いられ、空冷効率を向上させるため基材に凹凸部や空孔が設けられる場合もある。

図４（ａ）に戻り、回転体１２２と他の光学部材が光源装置内においてＹ方向に大きな内部空間を占有して装置が大型化しないように、回転体１２２の回転軸ＲＡを第二集光レンズ群１０６の光軸およびダイクロイックミラー１０５の入射面により規定される面内に配置し、回転体１２２がＹ方向に突出しないようにするのが好適である。尚、第二集光レンズ群１０６の光軸を含むＸＺ面は、ダイクロイックミラー１０５の入射面（入射する光線と出射する光線が作る面）と一致する面である。また、回転体１２２と他の光学部材が光源装置内においてＺ方向に大きな内部空間を占有して装置が大型化しないように、回転軸ＲＡを第二集光レンズ群１０６の光軸よりも励起光源ユニット２００側に配置し、回転体１２２がダイクロイックミラー１０５等よりもＺ方向に突出しないようにするのが好適である。

次に、本実施形態の光源装置が出力光ＩＬを出力する際の装置各部の作用について説明する。
励起光源ユニット２００から出射されたコリメートされたＳ偏光の青色光（励起光Ｅｘ）は、回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１、回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２、第１集光レンズ１０３を経て、ダイクロイックミラー１０５に入射する。Ｓ偏光の青色光（励起光Ｅｘ）は、ダイクロイックミラー１０５によりＸ方向マイナス側、すなわち回転体１２２の方向に向かう。１／４波長板１０７を経由した励起光は、第二集光レンズ群１０６によって回転体１２２に集光される。

励起光Ｅｘが集光される位置に、緑色蛍光体１２３Ｇが存在するような回転タイミングにおいては、図６に示す発光スペクトル３１の緑色の蛍光が発せられる。同様に黄色蛍光体１２３Ｙが存在するような回転タイミングにおいては、図６に示す発光スペクトル３２の黄色の蛍光が発せられ、赤色蛍光体１２３Ｒが存在するような回転タイミングにおいては、図６に示す発光スペクトル３３の赤色の蛍光が発せられる。また、反射部１２４が存在するような回転タイミングにおいては、励起光Ｅｘ（青色光）は反射される。

緑色蛍光、黄色蛍光、赤色蛍光、反射された青色光は、Ｘ方向プラス側に進みながら第二集光レンズ群１０６によって集光され、１／４波長板１０７を経由してダイクロイックミラー１０５に入射する。尚、反射部１２４で反射された青色光は、再び１／４波長板１０７を経由することでＰ偏光に変換されてダイクロイックミラー１０５に入射する。

図６に示す蛍光体の発光特性と、図３に示すダイクロイックミラー１０５の透過／反射特性を対比させれば明らかなように、ダイクロイックミラー１０５に入射する緑色蛍光および黄色蛍光のうちＰ偏光成分はほとんど全てが、Ｓ偏光成分は波長が約４９０ｎｍ以上の大部分が透過する。また、赤色蛍光については、Ｓ偏光成分もＰ偏光成分もほとんど全てが透過する。また、Ｐ偏光に変換された青色光は、ほとんど全てが透過する。すなわち、これらの光はダイクロイックミラー１０５を高い効率で透過し、集光レンズ１０９により適宜集光され、光源装置の出力光ＩＬとして取り出される。光源装置の出力光ＩＬは、後に実施形態２で述べるように、投射型表示装置の照明光として好適に利用できる。

次に、本実施形態の特徴とも言える部分、すなわち励起光が蛍光体を照射する際の照射スポット形状の制御方法について説明する。本実施形態では、第１集光レンズ１０３と第二集光レンズ群１０６に加えて、回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１と、回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２とを設けることにより、回転体１２２の主面の直径方向に沿って伸びる細長い照射スポットを形成する。

図５に、回転体１２２の主面（回転面）を第二集光レンズ群１０６側から平面視した平面図を示すが、回転体１２２の主面におけるＹ方向とは回転の周方向であり、回転体１２２の主面におけるＺ方向とは回転体１２２の直径方向である。同図に示すように、照射スポット５００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＞Ｈｙ２を満足する細長い形状である。照射スポット５００における光強度分布は、直径方向についてみればピークが平坦化されたトップハット形状であることがわかる。

さらに、図７、図８および図５を参照して、回転体１２２の主面におけるＹ方向（周方向）に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１と、回転体１２２の主面におけるＺ方向（直径方向）に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２の作用について説明する。尚、シリンダレンズアレイの作用についての説明を容易にするため、図８（ａ）〜図８（ｃ）の光学光路図においては、図４（ａ）に示したダイクロイックミラー１０５と１／４波長板１０７を省略し、第１集光レンズ１０３と第二集光レンズ群１０６をまとめて合成集光レンズ１１０として示している。したがって、図８（ａ）〜図８（ｃ）においては、ダイクロイックミラー１０５の反射による光路変更は省略されている。また、図７、図８（ａ）〜図８（ｃ）にて示すＸＹＺ座標系は、図４（ａ）において回転体１２２から見た時のＸＹＺ座標系と一致させている。したがって、励起光源ユニット２００にとっては、図４（ａ）に示すＸＹＺ座標系とは見え方が異なっている。

第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２は、別体で形成されていてもよいし、一体物として形成されていてもよい。分離した別体として形成されたときは、間隔を空けて両者を配置してもよいし、密着させて配置してもよい。また、図４（ａ）では、励起光源ユニット２００側に第１シリンダレンズアレイ３０１を配置したが、励起光源ユニット２００側に第２シリンダレンズアレイ３０２を配置してもよい。

図７（ａ）に、第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を一体に形成した光学素子の斜視図を示す。太線で囲まれた領域３１０は、励起光源ユニット２００の一つの発光素子２０１（半導体レーザ）から照射される光束を担当する領域であり、図７（ｂ）に領域３１０を拡大して示す。
第２シリンダレンズアレイ３０２は、Ｙ方向に沿って伸びるシリンダレンズ（第２シリンダレンズ）をＺ方向に複数並べたもので、各シリンダレンズはＲｃｙｘの曲率半径を有する。一方、第１シリンダレンズアレイ３０１は、Ｚ方向に沿って伸びるシリンダレンズ（第１シリンダレンズ）をＹ方向に複数並べたもので、各シリンダレンズはＲｃｙｙの曲率半径を有する。ここで、第２シリンダレンズアレイ３０２の曲率半径Ｒｃｙｘは、第１シリンダレンズアレイ３０１の曲率半径Ｒｃｙｙよりも小さい。

また、一つの発光素子２０１（半導体レーザ）から照射される光束を担当する領域に関して、第１シリンダレンズアレイ３０１については一つのシリンダレンズが配置されるのに対して、第２シリンダレンズアレイ３０２については発光素子２０１の配列ピッチよりも狭いピッチで複数のシリンダレンズが配列されている。

まず、図８（ａ）を参照して、回転体１２２の主面におけるＺ方向（直径方向）に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２の作用について説明する。
図８（ａ）に示すように、第２シリンダレンズアレイ３０２をＹ方向から見ると、発光素子２０１（半導体レーザ）のＺ方向の配列ピッチよりも小さな配列ピッチで各シリンダレンズが配列されていることがわかる。
拡大作用を機能させるためには、一つの発光素子から照射される光束を、Ｚ方向に例えば３つ以上に分割するようにシリンダレンズの配列ピッチを設定するのが好適である。

励起光源ユニット２００の各々の発光素子２０１（半導体レーザ）から出射された励起光Ｅｘは、ＸＺ面内においてコリメートレンズ２０２により平行化され、第１シリンダレンズアレイ３０１を透過する。第１シリンダレンズアレイ３０１を透過した後も、ＸＺ面内で見る限りにおいては、励起光Ｅｘは平行光束である。そして、第２シリンダレンズアレイ３０２においては、一つの発光素子２０１からの平行光束を複数のシリンダレンズが担当することで複数に分割し、各シリンダレンズは曲率半径Ｒｃｙｘの作用で分割された光束を拡大させる。各々の発光素子２０１から出射された励起光Ｅｘは、第２シリンダレンズアレイ３０２によりＺ方向に拡大され、合成集光レンズ１１０により回転体１２２に向かって光路が重ねられ、回転体１２２の主面に重なるように集光される。回転体１２２の主面においては、どの発光素子２０１から出射された励起光Ｅｘも、回転体１２２の主面における径方向、すなわちＺ方向においてＨｚ２の長さをもつ領域に重なって照射される。

次に、図８（ｂ）を参照して、回転体１２２の主面におけるＹ方向（周方向）に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１の作用について説明する。
図８（ｂ）に示すように、第１シリンダレンズアレイ３０１をＺ方向から見ると、発光素子２０１（半導体レーザ）のＹ方向の配列ピッチと等しい配列ピッチでシリンダレンズが配列されていることがわかる。

励起光源ユニット２００の各々の発光素子２０１（半導体レーザ）から出射された励起光Ｅｘは、コリメートレンズ２０２を透過するが、ＸＹ面内においては平行化されない。というのも、図１、図２を参照して説明したように、発光素子２０１は、物体高Ｈｙ１を有する光源であるため、焦点距離ｆ１のコリメートレンズ２０２を透過した励起光Ｅｘは、図８（ｂ）中でｆ１ｂｐとして示す位置（−ｆ１の位置）をクロスポイントとした非平行光線となる。一つの発光素子２０１からの光束が、一つのシリンダレンズに入射するように第１シリンダレンズアレイ３０１を配置し、ｆ１ｂｐと集光点（回転体１２２の主面）とがほぼ共役関係となるように曲率半径Ｒｃｙｙを有する各シリンダレンズの位置を設定しておく。すると、非平行光線の主光線を圧縮する原理であるから、合成集光レンズ１１０を経由して回転体１２２に向かって集光される。
図８（ｃ）は、図８（ｂ）の光学光路の主光線のみを取り出した図であり、ｆ１ｂｐと回転体上の集光点が共役関係であることを示している。
図９に、実施形態１の光源装置の光学諸元を示す。

上記二つの第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を同時に機能させることによって、図５に示すように、Ｚ方向については強度が平坦化され、平坦化方向Ｈｚ２と圧縮方向Ｈｙ２の長さの比が２：１以上になるような、回転体１２２の径方向に長い照射スポット５００を形成することが可能となる。尚、第２シリンダレンズアレイ３０２の曲率半径Ｒｃｙｘを変更することにより、照射スポット５００の回転体１２２の径方向の長さＨｚ２を変更することができ、曲率半径Ｒｃｙｘを小さくすればＨｚ２を大きくすることができる。発光輝度や蛍光体温度の上限等の要求仕様に応じてシリンダレンズアレイの曲率半径を設定することにより、目的に応じた特性の光源装置を得ることができる。

上述のように、本実施形態によれば、励起光の照射スポット５００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＞Ｈｙ２を満足する細長い形状である。照射スポット５００における光強度分布は、直径方向についてみればピークが平坦化されたトップハット形状であることがわかる。

回転の周方向の長さがＨｙ２と小さいため、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に照射する時間が極めて短くなる。このため、発光色の混色の影響を極めて小さなものとすることができる。また、異なる色の蛍光体の境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて、後段に配置する色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにした場合にも、選択されない方の色の蛍光体を励起光が照射する期間は極めて短い。このため、励起光源に投入した電力の無駄が極めて小さいだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度が過度に上昇してしまうのを抑制することができる。
また、回転体１２２の主面の直径方向において、照射スポットの長さがＨｚ２と拡大されてピーク強度が平坦化されているため、蛍光体の局所に照射エネルギーが過度に集中することを防止できる。

また、図４（ａ）に示したように、本実施形態は、光源装置内において回転体１２２がＹ方向やＺ方向に飛び出して大きな内部空間を占有することがないように回転体１２２を配置している。
したがって、本実施形態によれば、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源を実現することが可能である。

［実施形態２］
実施形態２として、実施形態１の光源装置を備えた投射型表示装置について説明する。図１０を参照して説明するが、投射型表示装置の光源装置の部分については実施形態１と同じであるので、説明を省略する。

図１０に示す投射型表示装置は、実施形態１の光源装置を照明光源として用いており、さらに、リレーレンズ１２９、色選択ホイール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。

リレーレンズ１２９は、光源装置が発する光を、投射レンズ１８０のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定してライトトンネル１４０の入射口に集光するためのレンズである。リレーレンズは、必ずしも１枚のレンズで構成しなければならないわけではない。また、ＮＡが十分である場合には、設けなくともよい。

色選択ホイール１３０は、回転軸ＡＣを中心に回転可能な板状回転体で、Ｒ、Ｙ、Ｇの各色フィルターと、青色光を透過させるための扇状の光透過部が設けられている。各色のカラーフィルターは、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、青色光は色純度が高いレーザ光であり、フィルターを設ける必要がないため、光透過部としているのである。場合によっては、この光透過部には、他の色の出力光とＮＡを一致させるための拡散板が設けられる場合がある。

蛍光体が付与された回転体１２２と色選択ホイール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、黄色蛍光体が発光している時にはＹ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、青色の励起光が反射している時には光透過部が光路上に位置するように回転タイミングが調整されている。尚、蛍光体の発光色純度が十分に高い場合には、色選択ホイールを設けなくてもよい場合があり得る。

照明レンズ１５０は、ライトトンネル１４０で伝播された光を、光変調デバイス１６０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、光変調デバイス１６０に所定の角度で入射させ、光変調デバイス１６０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１６０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。
次に投射型表示装置の全体動作について説明する。

光源装置から出射した照明光は、リレーレンズ１２９、色選択ホイール１３０、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、照明光の色の切り替えに同期させて、映像の各色成分信号に応じて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。

本実施形態の投射型表示装置は、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源装置を用いて光変調素子を照明することができるため、小さな消費電力で高輝度の映像表示を行うことが可能である。

［実施形態３］
図１１を参照して、実施形態３の光源装置について説明する。実施形態３の光源装置は、実施形態１の光源装置の変形例である。実施形態１と共通する部分については、説明を省略する。
図１１（ａ）に、実施形態３の光源装置の構成を示すが、実施形態１では第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２は一体化され、励起光源ユニット２００と第１集光レンズ１０３の間に配置されていた。これに対して、実施形態３では第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を別体とし、前者を励起光源ユニット２００と第１集光レンズ１０３の間に配置し、後者を第１集光レンズ１０３とダイクロイックミラー１０５の間に配置している。
図１１（ｂ）は、励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示す図であり、実施形態１と同様の配置であることがわかる。

本実施形態においても、第１集光レンズ１０３と第二集光レンズ群１０６に加えて、回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１と、回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２とを設けることにより、回転体１２２の主面の直径方向に沿って伸びる細長い照射スポットを形成することができる。第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２の個別の作用は、基本的に実施形態１と同様の原理であるため、ここでは説明を省略する。
図１２に、実施形態３の光源装置の光学諸元を示す。

本実施形態においても、上記二つの第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を同時に機能させることによって、図５に示すように、Ｚ方向については強度が平坦化され、平坦化方向Ｈｚ２と圧縮方向Ｈｙ２の長さの比が２：１以上になるような、回転体１２２の径方向に長い照射スポット５００を形成することが可能となる。

すなわち、本実施形態においても、励起光の照射スポット５００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＞Ｈｙ２を満足する細長い形状である。照射スポット５００における光強度分布は、直径方向についてみればピークが平坦化されたトップハット形状であることがわかる。

回転の周方向の長さがＨｙ２と小さいため、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に照射する時間が極めて短くなる。このため、発光色の混色の影響を極めて小さなものとすることができる。また、異なる色の蛍光体の境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて、後段に配置する色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにした場合にも、選択されない方の色の蛍光体を励起光が照射する期間は極めて短い。このため、励起光源に投入した電力の無駄が極めて小さいだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度が過度に上昇してしまうのを抑制することができる。
また、回転体１２２の主面の直径方向において、照射スポットの長さがＨｚ２と拡大されてピーク強度が平坦化されているため、蛍光体の局所に照射エネルギーが過度に集中することを防止できる。

また、本実施形態では、図１１（ａ）に示したように、光源装置内において回転体１２２がＹ方向やＺ方向に飛び出して大きな内部空間を占有することがないように回転体１２２を配置している。
したがって、本実施形態によれば、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源を実現することが可能である。

［実施形態４］
図１３を参照して、実施形態３の光源装置について説明する。実施形態４の光源装置は、実施形態１の光源装置の変形例である。実施形態１と共通する部分については、説明を省略する。
図１３（ａ）に、実施形態４の光源装置の構成を示す。また、図１３（ｂ）に、励起光源ユニット２００における発光素子２０１の向きと配置を示すが、実施形態１と同様の配置であることがわかる。

実施形態１では、図７に示したように、第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２とが表面と裏面に各々配されるようにして一体化していた。これに対して、実施形態４では、第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２の両方の機能を片面に集約したトーリックアレイ面を備えるレンズアレイ３００Ｂを用いる。図１４（ａ）にレンズアレイ３００Ｂの斜視図を示す。太線で囲まれた領域４１０は、励起光源ユニット２００の一つの発光素子２０１（半導体レーザ）から照射される光束を担当する領域であり、図１４（ｂ）に領域４１０を拡大して示す。トーリック面形状を有する領域４１０をアレイ状に配置したトーリックアレイ面においては、Ｒｃｙｙの曲率半径を有しＺ方向に沿って伸びるシリンダ面と、Ｒｃｙｘの曲率半径を有しＹ方向に沿って伸びるシリンダ面が合成されている。ここで、曲率半径Ｒｃｙｙは、曲率半径Ｒｃｙｘよりも大きい。

励起光源ユニット２００からの励起光Ｅｘを第１集光レンズ１０３で集光した後、発散レンズ１０４（ビームエキスパンドレンズ）を用いてビームをエキスパンドし、レンズアレイ３００Ｂに入射させる。レンズアレイ３００Ｂは、曲率半径Ｒｃｙｙの正のパワーで回転体１２２の主面におけるＹ方向に励起光を圧縮すると同時に、曲率半径Ｒｃｙｘにより回転体１２２の主面におけるＺ方向に励起光を拡大する。
レンズアレイ３００Ｂを通過した励起光はダイクロイックミラー１０５に入射するが、以後の光路についての説明は、概ね実施形態１と同様なので省略する。
図１５に、実施形態４の光源装置の光学諸元を示す。

本実施形態においては、トーリックアレイ面を備えるレンズアレイ３００Ｂを機能させることによって、図５に示すように、Ｚ方向については強度が平坦化され、平坦化方向Ｈｚ２と圧縮方向Ｈｙ２の長さの比が２：１以上になるような、回転体１２２の径方向に長い照射スポット５００を形成することが可能となる。尚、曲率半径Ｒｃｙｘを変更することにより、照射スポット５００の回転体１２２の径方向の長さＨｚ２を変更することができ、曲率半径Ｒｃｙｘを小さくすればＨｚ２を大きくすることができる。発光輝度や蛍光体温度の上限等の要求仕様に応じてシリンダレンズアレイの曲率半径を設定することにより、目的に応じた特性の光源装置を得ることができる。

以上のように、本実施形態においても、励起光の照射スポット５００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＞Ｈｙ２を満足する細長い形状である。照射スポット５００における光強度分布は、直径方向についてみればピークが平坦化されたトップハット形状であることがわかる。

回転の周方向の長さがＨｙ２と小さいため、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に照射する時間が極めて短くなる。このため、発光色の混色の影響を極めて小さなものとすることができる。また、異なる色の蛍光体の境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて、後段に配置する色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにした場合にも、選択されない方の色の蛍光体を励起光が照射する期間は極めて短い。このため、励起光源に投入した電力の無駄が極めて小さいだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度が過度に上昇してしまうのを抑制することができる。
また、回転体１２２の主面の直径方向において、照射スポットの長さがＨｚ２と拡大されてピーク強度が平坦化されているため、蛍光体の局所に照射エネルギーが過度に集中することを防止できる。

また、本実施形態では、図１３（ａ）に示したように、光源装置内において回転体１２２がＹ方向やＺ方向に飛び出して大きな内部空間を占有することがないように回転体１２２を配置している。
したがって、本実施形態によれば、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、小型で消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源を実現することが可能である。

［実施形態５］
図１６を参照して、実施形態５の光源装置について説明する。実施形態５の光源装置は、実施形態１の光源装置の変形例である。実施形態１と共通する部分については、説明を省略する。
実施形態１では、ダイクロイックミラー１０５と回転体１２２の間に１／４波長板１０７を設けるとともに、回転体１２２のリング領域の一部に励起光を反射するための反射部１２４を設けていた。すなわち、回転体１２２の反射部１２４で励起光を反射し、１／４波長板１０７にてＰ偏光に変換し、蛍光と同様にダイクロイックミラー１０５を透過させて出力光ＩＬとして用いていた。

実施形態５の光源装置は、図１６（ａ）に示す全体構成、図１６（ｂ）に示す発光素子２０１の向きと配置から明らかなように、励起光源ユニット２００から回転体１２２までの光路に配された光学要素は、１／４波長板１０７を具備していない点を除けば、実施形態１と同様である。
ただし、実施形態５の光源装置の回転体１２２は、実施形態1において励起光を反射するための反射部１２４を設けていた部分に、励起光を透過させるための透過部が設けられている。透過部は、回転体１２２のこの部分に透光性の材料を用いる構成にしてもよいし、回転体１２２に切り欠きや開口を設ける構造にしてもよい。

そして、実施形態５では、画像表示用の青色光を出力するため、透過部を照射する回転タイミングにおいて、励起光はＳ偏光のまま透過部を透過し、発散光として回転体の裏側に抜けるが、集光レンズ１０１で集光される。そして、３枚のミラー１０８と集光レンズ１０２を経由して、ダイクロイックミラー１０５に導かれる。この青色光はＳ偏光のままであるので、ダイクロイックミラー１０５にて反射され、蛍光と同様に集光レンズ１０９により適宜集光され、光源装置の出力光ＩＬとして取り出される。

本実施形態においても、第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を同時に機能させることによって、図５に示すように、Ｚ方向については強度が平坦化され、平坦化方向Ｈｚ２と圧縮方向Ｈｙ２の長さの比が２：１以上になるような、回転体１２２の径方向に長い照射スポット５００を形成することが可能となる。
本実施形態によれば、励起光の照射スポット５００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＞Ｈｙ２を満足する細長い形状である。照射スポット５００における光強度分布は、直径方向についてみればピークが平坦化されたトップハット形状であることがわかる。

回転の周方向の長さがＨｙ２と小さいため、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に照射する時間が極めて短くなる。このため、発光色の混色の影響を極めて小さなものとすることができる。また、異なる色の蛍光体の境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて、後段に配置する色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにした場合にも、選択されない方の色の蛍光体を励起光が照射する期間は極めて短い。このため、励起光源に投入した電力の無駄が極めて小さいだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度が過度に上昇してしまうのを抑制することができる。
また、回転体１２２の主面の直径方向において、照射スポットの長さがＨｚ２と拡大されてピーク強度が平坦化されているため、蛍光体の局所に照射エネルギーが過度に集中することを防止できる。
したがって、本実施形態によれば、蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源を実現することが可能である。

［比較例］
図１７、図１８を参照して、比較例について説明する。実施形態１や実施形態３の光源装置が、回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束を集光する集光作用を奏する第１シリンダレンズアレイ３０１と、回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する拡大作用を奏する第２シリンダレンズアレイ３０２を備えていたのに対し、比較例の光源装置はこれら２つのシリンダレンズアレイを具備していない点が異なる。また、比較例では、実施形態３において第２シリンダレンズアレイ３０２が配置されていた位置に、励起光のピーク強度を制御するための拡散板３０５が設けられている点が異なる。比較例において実施形態１あるいは実施形態３と共通する部分については、説明を省略する。
図１７（ａ）に示す全体構成、図１７（ｂ）に示す発光素子２０１の向きと配置から明らかなように、第１シリンダレンズアレイ３０１と第２シリンダレンズアレイ３０２を具備していない点と、拡散板３０５が追加されている点を除けば、励起光源ユニット２００から回転体１２２までの光路に配された光学要素は実施形態１と同様である。一般に、集光レンズの集光作用のみで照射スポットを形成するとピーク強度が強くなりすぎて蛍光体の焼損が生じやすいため、比較例では拡散板３０５を用いて照射スポットを制御している。

比較例においては、図１、図２を参照して既に説明した放射パターンの励起光は、第１シリンダレンズアレイ３０１および第２シリンダレンズアレイ３０２の光学作用を受けることがない。すなわち、励起光は、シリンダレンズアレイから回転体１２２の主面におけるＹ方向に光束が集光する作用、および回転体１２２の主面におけるＺ方向に光束を拡大する作用を受けず、拡散板３０５の拡散作用を受ける。このため、照射スポットの形状は、図１８に示す照射スポット６００のように楕円形状になる。

図１８は、比較例の回転体１２２の主面を平面視した平面図であるが、回転体１２２の主面におけるＹ方向とは回転の周方向であり、回転体１２２の主面におけるＺ方向とは回転体１２２の直径方向である。同図に示すように、照射スポット６００の形状は、回転体１２２の主面において、回転の周方向の長さがＨｙ２で、直径方向の長さがＨｚ２であり、Ｈｚ２＜Ｈｙ２を満足する細長い楕円形状である。照射スポット６００における光強度分布は、回転の周方向についてみればピークを持つガウシアン分布の形状であることがわかる。
照射スポット６００がピーク強度の高いガウシアン分布形状であるため、照射された蛍光体の温度上昇が顕著になり、蛍光出力の低下を起こす。

また、図５に示した実施形態１の照射スポット５００と比較すれば明らかなように、比較例においては、回転周方向について長さが大きなスポット形状の励起光が照射されるため、異なる色の蛍光体の境界を跨いで両方の蛍光体を同時に照射する時間が長く存在する。例えば、励起光のスポットが赤色蛍光体と黄色蛍光体の境界を跨いで照射している間は赤色光と黄色光が同時に出力されるが、スポット形状が回転周方向に長いと境界を跨いでいる時間も長くなってしまう。この間に当該光源から出力される光は、赤色光と黄色光が混合されているため、投射される画像の色調が変化して、画質としては好ましくないものになる。

色調の変化を防止するため、当該光源と変調素子（例えば液晶パネルやＤＭＤ素子）の間に、蛍光体の回転と同期して回転する色選択ホイールを配置する方法も考えられる。例えば、蛍光体の境界が照射スポットの中央部に位置するタイミングに合わせて色選択ホイールのフィルター色が切り替わるようにすれば、赤色光と黄色光が混合された光が変調素子に入力されることを防止できる。しかし、励起光のスポットが赤色蛍光体と黄色蛍光体の境界を跨いで照射している間、実際に変調素子に入力されるのは色選択ホイールで選択されるどちらか一方の蛍光だけであり、選択される色の蛍光体を照射する励起光の照射面積が回転に伴って変化すると、輝度が時間的に変動してしまう。また、選択されない方の色の蛍光体を照射している励起光は有効に活用されていないことになり、励起光源に投入した電力が無駄になるだけでなく、蛍光体に無用のエネルギーを投入して蛍光体の温度を上昇させることにもなる。特に、照射スポット６００は回転体の径方向の長さＨｚ２が小さいため、径方向においてはエネルギー密度が分散されずに集中している。図中の一点鎖線の円周に沿った幅がＨｚ２の狭いリング領域に照射エネルギーが集中するため、この領域の蛍光体の温度が上昇しやすくなる。

比較例の光源装置に比べ、実施形態１の光源装置は励起光の照射スポットにおけるピーク強度を低下させ、周方向のロス時間を短くできるため、照射蛍光体の過度の温度上昇による発光出力の低下を抑制でき、消費電力が小さく高輝度かつ色純度の高い光源であることがわかる。

［その他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態１〜実施形態５に限られるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせが可能である。
例えば、蛍光体の材料や形状や配置は、これまでの説明で例示したものには限られない。例えば、白色発光のように、赤色発光、緑色発光、黄色発光、以外の蛍光体を設けてもよい。

また、蛍光体を設ける位置は、回転体の主面上のリング領域に設けるものには限られない。例えば、回転体の斜面や側面である回転面に帯状に配置してもよい。その場合には、回転体の回転軸ＲＡは、図４（ａ）のようにＸ軸と平行ではなくともよく、集光レンズの光軸およびダイクロイックミラー１０５の入射面（入射する光線と出射する光線が作る面）を含むＸＺ面内においてＸ軸に対して適宜傾くように配置するのがスペースの利用効率を上げるために好ましい。

１０１、１０２・・・集光レンズ／１０３・・・第１集光レンズ／１０４・・・発散レンズ／１０５・・・ダイクロイックミラー／１０６・・・第二集光レンズ群／１０７・・・１／４波長板／１０８・・・ミラー／１２１・・・モータ／１２２・・・回転体／１２３・・・蛍光体／１２３Ｇ・・・緑色蛍光体／１２３Ｒ・・・赤色蛍光体／１２３Ｙ・・・黄色蛍光体／１２４・・・反射部／１２９・・・リレーレンズ／１３０・・・色選択ホイール／１４０・・・ライトトンネル／１５０・・・照明レンズ／１６０・・・光変調デバイス／１７１、１７２・・・プリズム／１８０・・・投射レンズ／１９０・・・投影スクリーン／２００・・・励起光源ユニット／２０１・・・発光素子／２０２・・・コリメートレンズ／２５０・・・半導体チップ／２５１・・・給電端子／２５２・・・発光部／３００Ｂ・・・レンズアレイ／３０１・・・第１シリンダレンズアレイ／３０２・・・第２シリンダレンズアレイ／３０５・・・拡散板／５００、６００・・・照射スポット

Claims (9)

1. 光源装置であって、
   回転体の表面に設けられた蛍光体と、
   ２次元配列された複数の発光素子と、各発光素子に対応して設けられたコリメートレンズを有し、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源からの励起光を反射し、前記蛍光体からの蛍光を透過するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、
   前記励起光源と前記ダイクロイックミラーの間に配置され、前記励起光源からの励起光を、前記回転体の表面において前記回転体の回転軸を通る径方向に拡大し、前記回転体の表面において前記回転体の周方向に集光するレンズアレイと、
   を有する、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記複数の発光素子は、発光部の長手方向が同一の向きになるよう配置され、前記ダイクロイックミラーにＳ偏光の励起光を入射させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記回転体の回転軸は、前記集光レンズの光軸および前記ダイクロイックミラーの入射面により規定される面内に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記レンズアレイは、前記励起光を前記回転体の周方向に集光する第１シリンダレンズを複数並べた第１シリンダレンズアレイと、前記励起光を前記回転体の回転軸を通る径方向に拡大する第２シリンダレンズを複数並べた第２シリンダレンズアレイとを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の中のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記第２シリンダレンズの曲率半径は、前記第１シリンダレンズの曲率半径よりも、小さい、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１シリンダレンズアレイと前記第２シリンダレンズアレイは、一体化されている、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の光源装置。
7. 前記第１シリンダレンズアレイと前記第２シリンダレンズアレイは、分離されている、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の光源装置。
8. 前記レンズアレイは、前記励起光を前記回転体の回転軸を通る径方向に拡大し、前記励起光を前記回転体の周方向に集光するトーリックアレイ面を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の中のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 請求項１乃至８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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