JP2021005060A - 光源装置およびこれを備える画像投射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、従来よりも小型な光源装置およびこれを備える画像投射装置を提供することを目的とする。【解決手段】 光源装置１００が、第１の青色光と第２の青色光を射出する光源部１、２と、拡散体層９Ｃおよび蛍光体層９Ｂが設けられた回転板９Ａを有する回転ホイール９と、コンデンサーレンズ８を備える。そして、回転板９Ａは拡散体層９Ｃに入射した光を反射するとともに、蛍光体層９Ｂに入射した光を反射するように構成され、コンデンサーレンズ８は、第１の青色光が第１の領域を介して拡散体層９Ｃに入射し、拡散体層９Ｃからの光は第２の領域に入射するように構成されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、光源装置およびこれを備える画像投射装置に関する。
プロジェクタ（画像投射装置）用の光源装置として、特許文献１に記載の光源装置が知られている。特許文献１に記載の光源装置は、波長変換素子を有する第１の回転ホイールと、拡散素子を有する第２の回転ホイールを備えている。この光源装置は、第１の回転ホイールへ入射する青色光を射出する第１の青色レーザーダイオード（以下、青色ＬＤ）と、第２の回転ホイールへ入射する青色光を射出する第２の青色ＬＤも備えている。
特許文献１に記載の光源装置において、第１の青色ＬＤからの青色光は第１の回転ホイールによって拡散反射され、かつ波長変換されて黄色光となって後段の液晶パネルを介してスクリーンへ投射される。第２の青色ＬＤからの青色光は第２の回転ホイールを拡散透過し、青色光のまま後段の液晶パネルを介してスクリーンへ投射される。
特開２０１８−１２４４４５号公報
特許文献１に記載の光源装置では、第１の回転ホイールと第２の回転ホイールという回転する部材が２つ存在するために、回転ホイールを回転させるためのモータも２つ存在する。したがって、特許文献１に記載の光源装置は２つの回転ホイールと２つのモータが存在するために大型化している。光源装置が大型化するとプロジェクタも大型化してしまうために好ましくない。
そこで本発明は、従来よりも小型な光源装置およびこれを備える画像投射装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、
光変調素子を照明するための照明光学系に光を導くことが可能な光源装置であって、
第１の青色光と第２の青色光を射出する光源部と、
前記第１の青色光が入射する拡散素子および前記第２の青色光が入射する波長変換素子が設けられた回転板を有する回転ホイールと、
前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、を備え、
前記回転板は前記拡散素子に入射した光を反射するとともに、前記波長変換素子に入射した光を反射するように構成されており、
前記第１のコンデンサーレンズユニットは、前記光源部からの前記第１の青色光は前記第１のコンデンサーレンズユニットの第１の領域を介して前記拡散素子に入射し、前記拡散素子からの光は前記第１のコンデンサーレンズユニットの第２の領域に入射するように構成されている、
ことを特徴とする。
あるいは、本発明の光源装置は、
光変調素子を照明するための照明光学系に光を導くことが可能な光源装置であって、
第１の青色光と第２の青色光を射出する光源部と、
前記第１の青色光が入射する拡散素子および前記第２の青色光が入射する波長変換素子が設けられた回転板を有する回転ホイールと、
前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、を備え、
前記回転板は前記拡散素子に入射した光を反射するとともに、前記波長変換素子に入射した光を反射するように構成されており、
前記第１のコンデンサーレンズユニットは、前記第１のコンデンサーレンズユニットの光軸が前記回転ホイールの法線と角度をなすように配置されており、
前記光源部からの前記第１の青色光は前記第１のコンデンサーレンズユニットを介して前記拡散素子に入射し、前記拡散素子からの光は前記第１のコンデンサーレンズユニットを介さずに前記照明光学系に導かれる、
ことを特徴とする。
本発明によれば、従来よりも小型な光源装置およびこれを備える画像投射装置を提供することができる。
各実施例の光源装置を備えるプロジェクタの構成を表す図 第１実施例の光源装置の構成を示す図 コンデンサーレンズにおける光の入射位置と出射位置を示す図 各実施例の光源装置が備える回転ホイールの構成を示す図 第２実施例の光源装置の構成を示す図 第３実施例の光源装置の構成を示す図 第４実施例の光源装置の構成を示す図 各実施例に適用可能なプリズムミラーを示す図
（プロジェクタの構成）
図１を用いて後述の各実施例の光源装置を搭載可能なプロジェクタについて説明する。
図１に示すプロジェクタは光源装置１００、照明光学系１１０、色分離合成部１２０、投射レンズ４２、投射レンズ４２を保持可能なレンズ保持部４２０を備えている。光源装置１００の代わりに、後述の第２実施例の光源装置２００、第３実施例の光源装置３００、第４実施例の光源装置４００のいずれかを用いてもよい。
光源装置１００から射出された白色光は照明光学系１１０、色分離合成部１２０、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投射される。
また、各実施例の光源装置はスクリーン（被投射面）Ｓへ画像を投射可能なプロジェクタであれば、スクリーンの表側から画像を投射するフロントプロジェクタだけではなく、スクリーンの裏側から画像を投射するリアプロジェクタにも搭載可能である。
また、投射レンズ４２はレンズ保持部４２０から取り外し可能な交換レンズでもよいし、取り外し不能な固定式レンズでもよい。
（照明光学系１１０の構成）
照明光学系１１０は、光源装置１００の側から順に配置された、第１のレンズアレイ１４、第２のレンズアレイ１５、偏光変換素子１７、コンデンサーレンズ１６を備えている。
第１のレンズアレイ１４は、照明光学系１１０の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列され、光源装置１００からの光を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する。
第２のレンズアレイ１５は、第１のレンズアレイ１４の複数のレンズセルのそれぞれに対応するように照明光学系１１０の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列された複数のレンズセルを有する。第２のレンズアレイ１５は、後述のコンデンサーレンズ１６とともに、第１のレンズアレイ１４の複数のレンズセルの像を後述の光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂの近傍に形成する。
第２のレンズアレイ１５とコンデンサーレンズ１６との間には偏光変換素子１７が配置されている。偏光変換素子１７は光源装置１００からの光の偏光方向を所定の方向に揃えるように構成されている。
コンデンサーレンズ１６は、第２のレンズアレイ１５からの複数の分割光束を集光して各光変調素子上に重ね合わせる。つまり、第１のレンズアレイ１４、第２のレンズアレイ１５およびコンデンサーレンズ１６は、光源装置１００からの光の強度分布を均一にするインテグレータ光学系を構成する。なお、インテグレータ光学系はロッドインテグレータを用いた光学系であってもよい。
（色分離合成部１２０の構成）
色分離合成部１２０は、色分離合成系と光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂからなる。色分離合成系は後述の各光学素子からなる。図１において光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂは透過型液晶パネルであるが、透過型液晶パネルの代わりに反射型液晶パネルやマイクロミラーアレイを用いることもでき、光変調素子の種類によって色分離合成系の構成を適宜変更すればよい。また、図１において光変調素子は合計３つ存在するが、各実施例の光源装置は光変調素子が１つまたは２つのプロジェクタにも搭載可能である。光変調素子が１つの場合には色分離合成系は不要である。
照明光学系１１０からの白色光はダイクロイックミラー２１によって色分離される。ダイクロイックミラー２１は赤色光を反射し、青色光および緑色光を透過させる特性を有する。
（赤色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの赤色光はミラー２３で反射され、コンデンサーレンズ３０Ｒおよび入射側偏光板３１Ｒを介して赤色光用の光変調素子４０Ｒへ入射する。プロジェクタに接続されたコンピュータなどの入力装置からの情報を基に、赤色光用の光変調素子４０Ｒは入射した赤色光を変調する。赤色光用の光変調素子４０Ｒによって変調された赤色光は出射側偏光板３２Ｒとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。クロスダイクロイックプリズム４１は、４つの直角プリズムを貼り合わせた立方体または直方体形状を有し、プリズムの貼り合わせ面には誘電体多層膜であるダイクロイック膜が形成されている。
（緑色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの緑色光はダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。ダイクロイックミラー２２からの緑色光はコンデンサーレンズ３０Ｇおよび入射側偏光板３１Ｇを介して緑色光用の光変調素子４０Ｇへ入射する。緑色光用の光変調素子４０Ｇも赤色光用の光変調素子４０Ｒと同様に入力装置からの情報を基に、入射した緑色光を変調する。緑色光用の光変調素子４０Ｇによって変調された緑色光は出射側偏光板３２Ｇとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。
（青色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２に入射する。前述のようにダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。したがって、ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２を透過し、リレー光学系、コンデンサーレンズ３０Ｂおよび入射側偏光板３１Ｂを介して青色光用の光変調素子４０Ｂへ入射する。ここでいうリレー光学系とは、リレーレンズ２６、ミラー２４、リレーレンズ２７、ミラー２５のことである。
青色光用の光変調素子４０Ｂも赤色光用の光変調素子４０Ｒと同様に入力装置からの情報を基に、入射した青色光を変調する。青色光用の光変調素子４０Ｂによって変調された青色光は出射側偏光板３２Ｂとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。
以上説明した光路で赤色光、緑色光、青色光がスクリーンＳへ投影され、カラー画像が表示される。
（第１実施例）
図２から図４を用いて第１実施例の光源装置１００について説明する。
図２は光源装置１００の構成を示す図である。図２において１は青色光を射出する第１の光源部、２は青色光を射出する第２の光源部である。第１の光源部１からの青色光（第１の青色光）は後述の拡散体層（拡散素子）９Ｃに導かれ、第２の光源部２からの青色光（第２の青色光）は後述の蛍光体層（波長変換素子）９Ｂに導かれる。
なお、第１の光源部１および第２の光源部２は１つの青色ＬＤ（発光素子）あるいは同一の部材に保持された青色ＬＤの集合（青色ＬＤバンク）である。本実施例および後述の第２、第３実施例では第１の光源部１は１つの青色ＬＤバンクのことであり、第２の光源部２は互いに近接して（接触して）配置された２つの青色ＬＤバンクのことである。１つの青色ＬＤバンクは、合計８個の青色ＬＤと、各青色ＬＤからの発散光を平行光にするための８個コリメータレンズと、これら複数の青色ＬＤと複数のコリメータレンズを保持する保持部材を有している。そして、ベース部材Ｂ上において、第１の光源部１である青色ＬＤバンクは、第２の光源部２である２つの青色ＬＤバンクの集合から離れた位置に設けられている。
第１の光源部１の青色ＬＤの個数と第２の光源部２の青色ＬＤの個数および波長は同じでも互いに異なっていてもよい。本実施例で用いる青色ＬＤからの青色光の波長は４４５ｎｍであるが、４５５ｎｍあるいは４６５ｎｍの青色光を射出する青色ＬＤを用いてもよい。本実施例では第１の光源部１が備える青色ＬＤの個数は第２の光源部２が備える青色ＬＤの個数よりも少ないが、青色ＬＤの個数の関係は逆であってもよいし、同数であってもよい。
第１の光源部１および第２の光源部２はともにベース部材Ｂ上に設けられている。ベース部材Ｂは第１の光源部１および第２の光源部２が発する熱を放熱するための複数のフィンなどの放熱部を有する。
第１の光源部１と第２の光源部２は次のように区別してもよい。ベース部材Ｂ上に複数の青色ＬＤバンクが設けられている場合、この複数の青色ＬＤバンクのうち、後述のコンデンサーレンズ（第１のコンデンサーレンズユニット）８に入射する光を射出する青色ＬＤバンクを第１の光源部１とする。コンデンサーレンズ８に入射する光を射出する青色ＬＤバンクが複数ある場合には、それら複数の青色ＬＤバンクを第１の光源部１とする。同様に、ベース部材Ｂ上に設けられている複数の青色ＬＤバンクのうち、後述のコンデンサーレンズユニット６に入射する光を射出する青色ＬＤバンクを第２の光源部２とする。コンデンサーレンズユニット（第２のコンデンサーレンズユニット）６に入射する光を射出する青色ＬＤバンクが複数ある場合には、それら複数の青色ＬＤバンクを第２の光源部２とする。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
第１の光源部１からの青色光（青色の平行光）はミラー７で反射される。ミラー７で反射された青色光は、図２および図３に示すように、コンデンサーレンズ８の、コンデンサーレンズ８の光軸に対して回転ホイール９の回転軸と反対側にずれた領域（第１の領域）８Ａに入射する。コンデンサーレンズ８に入射した光はコンデンサーレンズ８によって回転ホイール９の拡散体層（拡散素子）９Ｃに集光される。
拡散体層９Ｃで拡散された青色光は、図２および図３に示すように、コンデンサーレンズ８の、コンデンサーレンズ８の光軸に対して回転ホイール９の回転軸側にずれた領域（第２の領域）８Ｂに入射する。
つまり、１枚のコンデンサーレンズ８が拡散体層９Ｃへの入射光だけではなく拡散体層９Ｃで拡散された出射光も取り込むため、レンズ枚数を削減し、光源装置１００を小型にすることができる。
また、詳細は後述するが、蛍光体層９Ｂは入射した光の波長（色）を変換する。このため、ダイクロイックミラー（合成素子）５を用いて蛍光体層９Ｂに青色光を入射させつつ、蛍光体層９Ｂからの黄色光を照明光学系１１０へ導くことができる。つまり、ダイクロイックミラー５を用いて蛍光体層９Ｂへの入射光の光路と蛍光体層９Ｂからの出射光の光路を互いに異ならせている。一方、拡散体層９Ｃは入射した光を拡散させるだけであって入射した光の波長を変換しないため、ダイクロイックミラーを拡散体層９Ｃの手前に置く意味がない。そこで本実施例では、図３に示すように拡散体層９Ｃへの入射光がコンデンサーレンズ８を通る領域８Ａと、拡散体層９Ｃからの出射光がコンデンサーレンズ８を通る領域８Ｂを異ならせる。これにより、拡散体層９Ｃへの入射光路と拡散体層９Ｃからの出射光路を互いに分離している。
回転ホイール９は図４に示すように、回転板９Ａの表面に、円環状の蛍光体層（波長変換素子）９Ｂおよび円環状の拡散体層９Ｃを同心円上に形成した構成となっている。
回転板９Ａはアルミなどの金属製であるが、蛍光体層９Ｂおよび拡散体層９Ｃに入射した光を使用上充分に反射させることができれば、この構成に限定されない。また、蛍光体層９Ｂは拡散体層９Ｃよりも外側に設けられているが、逆に蛍光体層９Ｂを拡散体層９Ｃよりも内側に設けてもよい。
本実施例では拡散体層と蛍光体層を同一の回転ホイール上に形成しているため、回転ホイール、その回転支持機構およびモータＭも１つでよい。このため、従来のように波長変換素子と拡散素子をそれぞれ別個の回転ホイールに形成した構成に対し、大幅な小型化が可能となる。
なお、拡散体層９Ｃは、例えば透明な樹脂バインダに細かな拡散粒子を均一に混合させたものを回転板９Ａ上に塗布する等によって形成したが、入射光を使用上問題がない程度に拡散させることができれば、上記の構成に限定されない。
コンデンサーレンズ８から拡散体層９Ｃに入射した青色光は拡散体層９Ｃおよび回転板９Ａによって拡散反射され、コンデンサーレンズ８によって平行光となってミラー１０へ向かう。この際、青色光はコンデンサーレンズ８の領域８Ｂに入射する。本実施例ではコンデンサーレンズ８は１枚の正レンズで構成した、全体として正のパワーを有する構成であれば、複数のレンズの集合で構成してもよい。
ミラー１０で反射された青色光は、負レンズ１１および正レンズ１２からなるアフォーカル光学系（アフォーカルレンズユニット）を介してダイクロイックミラー５へ入射し、径のより大きい平行光に拡大される。アフォーカル光学系を用いる理由は次の通りである。
第２の光源部２からの青色光は蛍光体層９Ｂによって拡散され、第１の光源部１からの青色光は拡散体層９Ｃによって拡散される。蛍光体層９Ｂによる拡散度合いと、拡散体層９Ｃによる拡散度合いを比較すると、蛍光体層９Ｂによる拡散度合いの方が大きい。これは、拡散体層９Ｃによる拡散はコヒーレンス（可干渉性）を有するレーザー光である青色ＬＤからの青色光を使用上問題がない程度に拡散させれば済むためである。拡散体層９Ｃによる拡散度合いが必要以上に大きいと、コンデンサーレンズ８の径が必要以上に大きくなり、光源装置１００が大型化してしまうため、好ましくない。
つまり、コンデンサーレンズ８からの青色の平行光の径と、後述のコンデンサーレンズユニット６からの黄色の平行光の径を比較すると、前者の方が小さい。
径が互いに異なる青色光と黄色光を、照明光学系１１０を介して光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂに導いてしまうと、投射画像に色むらが生じてしまうために好ましくない。そこで、本実施例では径を大きくすることのできるアフォーカル光学系を用いてコンデンサーレンズ８からの青色の平行光の径を大きくし、コンデンサーレンズユニット６からの黄色の平行光の径との差を小さくしている。なお、アフォーカル光学系は入射した平行光をより径の大きい平行光に変換することができる構成であれば、上記の構成には限定されず、例えば、合計３枚以上のレンズからなるアフォーカル光学系を用いてもよい。
ダイクロイックミラー５は青色光を透過させて黄色光（赤色光および緑色光）を反射する特性を有する。このため、正レンズ１２からの青色光はダイクロイックミラー５を透過して照明光学系１１０に導かれる。照明光学系１１０以後の光路は前述の通りである。
（第２の光源部２からの青色光の光路）
第２の光源部２からの青色光（青色の平行光）はミラー３、マイクロレンズアレイ４、ダイクロイックミラー５、コンデンサーレンズユニット６を介して蛍光体層９Ｂに集光される。マイクロレンズアレイ４は入射側と出射側に複数のレンズアレイがマトリックス状に配置されている光学素子である。ミラー３からの青色光はマイクロレンズアレイ４によって複数の部分光束に分割され、コンデンサーレンズユニット６によって蛍光体層９Ｂに重畳される。前述のようにダイクロイックミラー５は青色光を透過させる特性を有するため、マイクロレンズアレイ４からの青色光はダイクロイックミラー５を透過してコンデンサーレンズユニット６へ入射する。なお、マイクロレンズアレイ４の代わりにロッドインテグレータや例えば凹凸構造を有する光拡散素子等を用いてもよい。
また、本実施例ではコンデンサーレンズユニット６は２枚の正レンズからなるが、全体として正のパワーを有する構成であれば、コンデンサーレンズユニット６の代わりに１枚の正レンズ、あるいは複数のレンズの集合を用いてもよい。
蛍光体層９Ｂは、透明な樹脂バインダに細かな蛍光体粒子を均一に混合させたものを回転板９Ａ上に塗布する等して形成した。しかしながら、入射光を使用上問題がない程度に拡散させることができ、かつ青色光を充分に黄色光へ変換することができる構成であれば蛍光体層９Ｂの構成は上記の構成に限定されない。例えば、蛍光体層９Ｂの代わりに量子ドットあるいは量子ロッドを用いてもよい。
コンデンサーレンズユニット６から蛍光体層９Ｂに入射した青色光は前述の蛍光体粒子によって黄色光に変換され、回転板９Ａによって反射されてコンデンサーレンズユニット６に入射する。蛍光体層９Ｂからコンデンサーレンズユニット６に入射した黄色光は平行光となり、ダイクロイックミラー５で反射されて照明光学系１１０に導かれる。これによって光源装置１００は青色光および黄色光、つまり白色光を射出することができる。そして、拡散体層９Ｃと蛍光体層９Ｂの両方を共通の回転ホイール９上に形成したので、光源装置を従来よりも大幅に小型化することが可能である。
（光学系の設定）
光学系の具体例について説明する。
コンデンサーレンズ８の焦点距離をｆ１とし、コンデンサーレンズユニット６の焦点距離をｆ２とする。このとき、光源装置１００は、
１．２≦ｆ１／ｆ２≦１０・・・（１）
あるいは、
２．０≦ｆ１／ｆ２≦６．０・・・（１ａ）
を満足している。本実施例ではｆ１／ｆ２＝４．０である。
条件式（１）および（１ａ）は焦点距離ｆ１の方が焦点距離ｆ２よりも大きい、すなわち、コンデンサーレンズ８のパワーの方がコンデンサーレンズユニット６のパワーよりも弱いことを意味する。光源装置１００が条件式（１）あるいは（１ａ）を満足することによって得られる効果は以下の通りである。
仮に条件式（１）の下限を逸脱するほどに焦点距離ｆ１が小さい場合（コンデンサーレンズ８のパワーが強すぎる場合）を考える。コンデンサーレンズ８のパワーが強すぎると、ミラー７からコンデンサーレンズ８へ入射した青色光はコンデンサーレンズ８で強く曲げられて拡散体層９Ｃに入射する。つまり、拡散体層９Ｃへの青色光の入射角度が大きくなる。拡散体層９Ｃへの青色光の入射角度が大きくなると、拡散体層９Ｃからの青色光の出射角度（反射角度）も大きくなる。そして、拡散体層９Ｃからの青色光の一部がコンデンサーレンズ８に入射せずに所望の光路を進まず、照明光学系１１０に導かれず、結果的に損失が増えてしまう。また、このような損失を減らすためにコンデンサーレンズ８を径方向に大きくすれば、光源装置１００が大きくなってしまう。
逆に焦点距離ｆ１が、条件式（１）の上限を逸脱する場合、すなわち、コンデンサーレンズ８のパワーが弱すぎると、ミラー７からコンデンサーレンズ８へ入射した青色光は充分に曲げられず、拡散体層９Ｃへの青色光の入射角度が小さくなる。その結果、拡散体層９Ｃからの青色光の出射角度（反射角度）も小さくなる。これは、図３に示す領域８Ａと領域８Ｂが互いに近づくこと、すなわち、ミラー７とミラー１０が互いに近づくことを意味する。
コンデンサーレンズ８の光軸方向視において、ミラー７の一部とミラー１０の一部が重なるほどに近付くと、ミラー７からの青色光の一部がミラー１０で蹴られてコンデンサーレンズ８に入射せず、結果的に照明光学系１１０へ導かれなくなり、損失となる。
以上説明したように、光源装置１００が条件式（１）あるいは（１ａ）を満足するように焦点距離ｆ１を設定することで、コンデンサーレンズ８および光源装置１００の大型化を抑制しつつ、損失を減らすこともできる。
コンデンサーレンズ８から拡散体層９Ｃへ入射する青色光の入射角度をθｉとする。このとき、光源装置１００は、
５°≦θｉ≦４５°・・・（２）
あるいは、
１０°≦θｉ≦３０°・・・（２ａ）
を満足している。本実施例ではθｉ＝２０°である。第１の光源部１が有する青色ＬＤが１つのみの場合には、青色ＬＤの発光面の中心点から出射する光線の拡散体層９Ｃへの入射角度をθｉとする。第１の光源部１が有する青色ＬＤが複数ある場合には、この複数の青色ＬＤからの光を集光するためのレンズ（図２では不図示）の光軸を通る光線の拡散体層９Ｃへの入射角度をθｉとする。あるいは、ミラー７の中心点から出射する光線の拡散体層９Ｃへの入射角度をθｉとする。
条件式（２）および（２ａ）は拡散体層９Ｃへの入射角度θｉが小さすぎず、かつ大きすぎないことを意味している。光源装置１００が条件式（２）あるいは（２ａ）を満足することによって得られる効果は以下の通りである。
入射角度θｉが条件式（２）の下限を逸脱するほどに小さいと、拡散体層９Ｃからの青色光の出射角度（反射角度）θｅも小さくなり、ミラー７とミラー１０が互いに近すぎることによる損失が生じる。逆に入射角度θｉが条件式（２）の上限を逸脱するほどに大きいと、出射角度θｅも大きくなり、拡散体層９Ｃからの青色光の一部がコンデンサーレンズ８へ入射せずに損失が生じたり、コンデンサーレンズ８の径を大きくせざるを得なくなったりする。
以上説明したように、光源装置１００が条件式（２）あるいは（２ａ）を満足するように入射角度θｉを設定することで、コンデンサーレンズ８および光源装置１００の大型化を抑制しつつ、光の損失を減らすこともできる。
拡散体層９Ｃにおける拡散度をΦとする。このとき、光源装置１００は、
１°≦Φ≦３０°・・・（３）
あるいは、
１°≦Φ≦１５°・・・（３ａ）
を満足している。本実施例ではΦ＝１０°である。拡散度Φは次に説明するように計測すればよい。拡散体層９Ｃの表面（あるいは回転板９Ａの表面）とコンデンサーレンズ８の回転ホイール９側の面の面頂点間のコンデンサーレンズ８の光軸方向における距離が半分になる位置を計測位置とする。この計測位置における拡散体層９Ｃからの出射光の照度分布を計測し、この照度分布における半値全幅を計算する。そして、半値全幅の端部に相当する２点と、拡散体層９Ｃの径方向における中心点の合計３点からなる角度を拡散度Φとすればよい。
条件式（３）および（３ａ）は拡散体層９Ｃにおける拡散度Φが小さすぎず、かつ大きすぎないことを意味している。光源装置１００が条件式（３）あるいは（３ａ）を満足することによって得られる効果は以下の通りである。
拡散度Φが条件式（３）の下限を逸脱するほどに小さい場合、第１の光源部１が備える青色ＬＤからの光が拡散体層９Ｃで充分に拡散されないことを意味する。コヒーレンスを有するレーザー光である青色ＬＤからの光が充分に拡散されないと、スクリーンＳ上にスペックルノイズ（明暗の斑点模様等の不要な模様）が視認しやすくなる。逆に拡散度Φが条件式（３）の上限を逸脱するほどに大きい場合、第１の光源部１が備える青色ＬＤからの光が拡散体層９Ｃで拡散されすぎることを意味する。青色ＬＤからの光が拡散体層９Ｃで拡散されすぎると、前述のスペックルノイズは低減されるが、拡散体層９Ｃからの光が本実施例よりも広がることになる。その結果、拡散体層９Ｃからの青色光の一部がコンデンサーレンズ８へ入射しないことによって損失が生じたり、コンデンサーレンズ８の径を大きくせざるを得なくなったりする。
以上説明したように、光源装置１００が条件式（３）あるいは（３ａ）を満足するように拡散度Φを設定することで、スペックルノイズを低減し、コンデンサーレンズ８および光源装置１００の大型化を抑制しつつ、光の損失を減らすこともできる。
本実施例の光源装置１００は上記の各条件式を全て満足しているが、上記の各条件式の全てを満足することは光源装置にとって必須のことではない。光源装置が上記の各条件式のうちのいずれか１つあるいは複数を満足してもよい。例えば、条件式（１）および（２）を満足するものの、条件式（３）は満足しない光源装置であってもよい。また、条件式（１）を満足する光源装置に比べ、条件式（１）と（１ａ）の両方を満足する光源装置の方が、前述の効果をより強く得ることができる。これは条件式（２）および（２ａ）等についても同様である。
なお、前述のように光源装置１００は負レンズ１１と正レンズ１２からなるアフォーカル光学系を備えるが、このアフォーカル光学系は必須ではない。拡散度Φと焦点距離ｆ２を調整し、コンデンサーレンズ８からミラー１０へ向かう平行光の径をコリメータレンズユニット６からダイクロイックミラー５へ向かう平行光の径と充分に近づければ、アフォーカル光学系はなくてもよい。
（第２実施例）
図５を用いて第２実施例の光源装置２００について説明する。前述の第１実施例の光源装置１００と本実施例の光源装置２００との主な違いはミラーの枚数と、第１の光源部１からの青色光がコンデンサーレンズ８へ入射する位置が異なる点である。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
本実施例における第１の光源部１からの青色光の光路について説明する。第１の光源部１からの青色光（平行光）は、コンデンサーレンズ８の入射面（回転ホイール９の側の面とは反対側の面）におけるコンデンサーレンズ８の光軸よりも負レンズ１１の側の領域に入射する。前述の第１実施例の光源装置１００では、本実施例とは逆に、第１の光源部１からの青色光は、コンデンサーレンズ８の入射面におけるコンデンサーレンズ８の光軸よりも負レンズ１１の側とは反対側の領域に入射する。
第１の光源部１からの青色光を第１実施例と同様の位置に入射させようとすると、図５に示す第１の光源部１の位置を図５の紙面左側に移動させる必要がある。そして、第１の光源部１の位置が図５の紙面左側に移動させると、その分ベース部材Ｂを大きくする必要がある。つまり、本実施例の光源装置２００の方が前述の第１実施例の光源装置１００よりも小型になる。
第１の光源部１からコンデンサーレンズ８を介して拡散体層９Ｃに入射した青色光は、拡散体層９Ｃおよび回転板９Ａによって拡散反射され、コンデンサーレンズ８を介してミラー２０に入射する。ミラー２０で反射された青色光は負レンズ１１および正レンズ１２とダイクロイックミラーを介して照明光学系１１０に導かれる。
（第２の光源部２からの青色光の光路）
本実施例における第２の光源部２からの青色光は、前述の第１実施例における光源装置１００のミラー３を介さずに照明光学系１１０に導かれる。それ以外は第１実施例と同様なので説明を割愛する。
以上説明したように、本実施例の光源装置２００は前述の第１実施例における光源装置１００よりもミラーの枚数を少なくすることができ、かつベース部材Ｂを小型にできるため好ましい。
（第３実施例）
図６を用いて第３実施例の光源装置３００について説明する。前述の第１実施例の光源装置１００と本実施例の光源装置３００との主な違いは第１の光源部１と拡散体層９Ｃとの間に設けられたコンデンサーレンズの構成である。なお、負レンズ１１と正レンズ１２からなるアフォーカル光学系を備えない点も光源装置１００と光源装置３００の違いではあるが、光源装置３００に負レンズ１１と正レンズ１２からなるアフォーカル光学系を追加してもよい。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
第１の光源部１からの青色光（平行光）はミラー３０で反射されてコンデンサーレンズ３１へ入射する。コンデンサーレンズ３１はミラー３０からの青色の平行光を拡散体層９Ｃに集光させる。
前述の第１および第２実施例では、第１の光源部１からの青色光を、コンデンサーレンズ８の光軸を挟んで左右（あるいは上下）の領域のうち一方の領域に入射され、拡散体層９Ｃからの青色光を他方の領域に入射させる。これに対して本実施例では第１の光源部１からの青色光はコンデンサーレンズ３１の光軸を含む領域に入射し、拡散体層９Ｃからの青色光はコンデンサーレンズ３１に入射しない。つまり、本実施例では前述の第１および第２実施例と比較して、第１１の光源部１と拡散体層９Ｃとの間に設けられたコンデンサーレンズを径方向に小型にできるため好ましい。
拡散体層９Ｃからの青色光はミラー３２で反射されてコリメータレンズ３３によって平行光となり、ダイクロイックミラー５を介して照明光学系１１０に導かれる。
回転ホイール９の法線とコンデンサーレンズ３１の光軸ＯＡ３１とのなす角度をθＬ、コンデンサーレンズ３１から拡散体層９Ｃへ入射する青色光の拡散体層９Ｃへの入射角度をθｉとする。このとき、光源装置３００は、
０．９≦θＬ／θｉ≦１．１・・・（４）
を満足している。条件式（４）はコンデンサーレンズ３１から拡散体層９Ｃへ向かう青色光の進行方向がコンデンサーレンズ３１の光軸とほぼ一致していることを意味する。本実施例ではθＬ／θｉ＝１．０である。条件式（４）の下限を逸脱するほどにθｉがθＬよりも大きすぎる場合として、コンデンサーレンズ３１からの青色光が光軸ＯＡ３１よりも図６紙面右側に傾いた方向Ｄ１へ進む場合が考えられる。この場合、コンデンサーレンズ３１からの青色光がミラー３２と干渉しやすくなってしまうために好ましくない。逆に条件式（４）の上限を逸脱するほどにθｉがθＬよりも小さすぎる場合として、コンデンサーレンズ３１からの青色光が光軸ＯＡ３１よりも図６紙面左側に傾いた方向Ｄ２へ進む場合が考えられる。この場合、拡散体層９Ｃの位置をより外側にする必要があり、回転ホイール９が径方向に大きくなってしまうために好ましくない。
（第２の光源部２からの青色光の光路）
第２の光源部２からの青色光の光路は前述の第１実施例と同様なので説明は割愛する。
（第４実施例）
図７を用いて第４実施例の光源装置４００について説明する。前述の第１実施例の光源装置１００と本実施例の光源装置４００との主な違いは光源部の構成、ハーフミラーを用いる点である。なお、負レンズ１１と正レンズ１２からなるアフォーカル光学系を備えない点も光源装置１００と光源装置４００の違いではあるが、光源装置４００に負レンズ１１と正レンズ１２からなるアフォーカル光学系を追加してもよい。
（光源部４０からの青色光の光路）
光源部４０は第１の光源部１が備える青色ＬＤの個数と第２の光源部２が備える青色ＬＤの個数の合計に等しい個数の青色ＬＤを備える。光源部４０からの青色光はハーフミラー４１へ入射する。ハーフミラー４１の青色光に対する透過率は８０％である。つまり、光源部４０からの青色光のうち８０％はハーフミラーを透過し、ミラー３、マイクロレンズアレイ４、コンデンサーレンズユニット６を介して蛍光体層９Ｂに入射する。一方、残りの２０％はハーフミラーで反射されてコンデンサーレンズ８を介して拡散体層９Ｃに入射する。拡散体層９Ｃに入射した青色光の光路、蛍光体層９Ｂに入射した青色光の光路は前述の第１実施例とほぼ同様なので説明を割愛する。
前述の第１から第３実施例では、拡散体層９Ｃに入射する青色光を出射する光源部と、蛍光体層９Ｂに入射する青色光を出射する光源部とを別々に、ベース部材Ｂ上の互いに離れた位置に設けていた。これに対して本実施例ではベース部材Ｂ上に光源部４０を設けているので、前述の各実施例と比較して本実施例の方がベース部材Ｂをより小型にでき、その結果、光源装置全体をより小型にできるため好ましい。
本実施例で説明したように、光源部の数は前述の第１から第３実施例のような２つではなくてよい。各実施例に共通するのは、光源部（第１の光源部１および第２の光源部２、あるいは光源部４０）が拡散体層９Ｃに入射する第１の青色光と蛍光体層９Ｂに入射する第２の青色光の両方を射出する点である。
（変形例）
前述の各実施例の光源装置が備える回転ホイール９は、前述のようにアルミ等の金属からなる回転板９Ａと、回転板９Ａ上の互いに異なる位置に設けられた拡散体層９Ｃと蛍光体層９Ｂとを含む。しかしながら、回転ホイール９の構成はこのような構成に限定されない。例えば、回転ホイール９は透明な回転板と拡散体層９Ｃと蛍光体層９Ｂを備え、この回転板の全体あるいは拡散体層９Ｃと蛍光体層９Ｂが設けられている部分に反射コーティングが施されている構成などであってもよい。つまり、回転ホイール９が備える回転板は、拡散体層９Ｃと蛍光体層９Ｂに入射した光を反射する構成であればよい。
また、前述の各光源部から回転ホイール９に至るまでの光路上には各図に示されている光学素子とは異なる光学素子を設けてもよい。例えば、図８に示すプリズムミラーＰＭを光源部の直後に設けることで、光源部からの光の幅Ｗ１を幅Ｗ２へ小さくしてもよい。プリズムミラーＰＭの代わりに各光源部からの各青色ＬＤからの光を取り込める大きさを有するレンズを用いてもよい。
１ 第１の光源部（光源部の一部）
２ 第２の光源部（光源部の一部）
９ 回転ホイール
９Ａ 回転板
９Ｂ 蛍光体層（波長変換素子）
９Ｃ 拡散体層（拡散素子）
１００ 光源装置

Claims (20)

  1. 光変調素子を照明するための照明光学系に光を導くことが可能な光源装置であって、
    第１の青色光と第２の青色光を射出する光源部と、
    前記第１の青色光が入射する拡散素子および前記第２の青色光が入射する波長変換素子が設けられた回転板を有する回転ホイールと、
    前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、を備え、
    前記回転板は前記拡散素子に入射した光を反射するとともに、前記波長変換素子に入射した光を反射するように構成されており、
    前記第１のコンデンサーレンズユニットは、前記光源部からの前記第１の青色光は前記第１のコンデンサーレンズユニットの第１の領域を介して前記拡散素子に入射し、前記拡散素子からの光は前記第１のコンデンサーレンズユニットの第２の領域に入射するように構成されている、
    ことを特徴とする光源装置。
  2. 前記第１の青色光を前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第１の領域に導くための第１のミラーと、
    前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第２の領域からの光を前記照明光学系に導くための第２のミラーと、をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第２の領域は前記第１のコンデンサーレンズユニットの光軸よりも前記回転ホイールの回転軸の側に位置しており、
    前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第１の領域は前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記光軸よりも前記回転ホイールの前記回転軸の側とは反対の側に位置している、
    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. 前記光源部はベース部材に設けられており、
    前記光源部は、
    前記第１の青色光を射出するための第１の光源部と、
    前記第２の青色光を射出するための第２の光源部であって、前記ベース部材における位置が前記第１の光源部の位置とは異なる第２の光源部と、を含む、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
  5. 前記光源部からの青色光を前記第１の青色光と前記第２の青色光とに分離するための分離手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
  6. 前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第１の領域は前記第１のコンデンサーレンズユニットの光軸よりも前記回転ホイールの回転軸の側に位置しており、
    前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第２の領域は前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記光軸よりも前記回転ホイールの前記回転軸の側とは反対の側に位置している、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
  7. 前記光源部からの前記第１の青色光はミラーを介さずに前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記第の１の領域に入射し、
    前記拡散素子からの光は前記第第１のコンデンサーレンズの前記第２の領域とミラーを介して前記照明光学系に導かれる、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
  8. 光変調素子を照明するための照明光学系に光を導くことが可能な光源装置であって、
    第１の青色光と第２の青色光を射出する光源部と、
    前記第１の青色光が入射する拡散素子および前記第２の青色光が入射する波長変換素子が設けられた回転板を有する回転ホイールと、
    前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、を備え、
    前記回転板は前記拡散素子に入射した光を反射するとともに、前記波長変換素子に入射した光を反射するように構成されており、
    前記第１のコンデンサーレンズユニットは、前記第１のコンデンサーレンズユニットの光軸が前記回転ホイールの法線と角度をなすように配置されており、
    前記光源部からの前記第１の青色光は前記第１のコンデンサーレンズユニットを介して前記拡散素子に入射し、前記拡散素子からの光は前記第１のコンデンサーレンズユニットを介さずに前記照明光学系に導かれる、
    ことを特徴とする光源装置。
  9. 前記第１のコンデンサーレンズユニットの前記光軸と前記回転ホイールの前記法線がなす角度をθＬとし、前記第１のコンデンサーレンズユニットから前記拡散素子へ入射する光の入射角度をθｉとするとき、
    ０．９≦θＬ／θｉ≦１．１
    を満足することを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
  10. 前記光源部はベース部材に設けられており、
    前記光源部は、
    前記第１の青色光を射出するための第１の光源部と、
    前記第２の青色光を射出するための第２の光源部であって、前記ベース部材における位置が前記第１の光源部の位置とは異なる第２の光源部と、を含む、
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の光源装置。
  11. 前記拡散素子は前記回転板に設けられた円環状の拡散体層であり、
    前記波長変換素子は前記回転板に設けられた円環状の蛍光体層であり、
    前記拡散体層および前記蛍光体層は同心円上に設けられている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光源装置。
  12. 前記拡散素子からの光と前記波長変換素子からの光を合成するための合成素子と、
    前記拡散素子から前記合成素子に至るまでの光路上に設けられ、入射した光の径を拡大するためのアフォーカルレンズユニットと、をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光源装置。
  13. 前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、
    前記第２の青色光を前記波長変換素子に導くための第２のコンデンサーレンズユニットと、をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光源装置。
  14. 前記第１のコンデンサーレンズユニットの焦点距離をｆ１とし、前記第２のコンデンサーレンズユニットの焦点距離をｆ２とするとき、
    １．２≦ｆ１／ｆ２≦１０
    を満足することを特徴とする請求項１３に記載の光源装置。
  15. ２．０≦ｆ１／ｆ２≦６．０
    をさらに満足することを特徴とする請求項１４に記載の光源装置。
  16. 前記第１のコンデンサーレンズユニットから前記拡散素子へ入射する光の入射角度をθｉとするとき、
    ５°≦θｉ≦４５°
    を満足することを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の光源装置。
  17. １０°≦θｉ≦３０°
    をさらに満足することを特徴とする請求項１６に記載の光源装置。
  18. 前記拡散素子における拡散度をΦとするとき、
    １°≦Φ≦３０°
    を満足することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光源装置。
  19. １°≦Φ≦１５°
    をさらに満足することを特徴とする請求項１８に記載の光源装置。
  20. 請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の光源装置と、
    光変調素子と、
    前記光変調素子からの光を被投射面へ導く投射レンズを保持可能なレンズ保持部と、を備える、
    ことを特徴とする画像投射装置。
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