JP2022027474A - 光学系、光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに構成することができる光学系、光源装置および画像表示装置を提供すること。【解決手段】光学系２４、２５、２６は、光源から出射された青色光（第１の光の一例）を反射するダイクロイックミラー２４と、ダイクロイックミラー２４で反射された青色光が入射し、青色光の少なくとも一部を青色光とは異なる波長の蛍光光に変換して出射する蛍光体ユニット２６の蛍光領域２６Ｄと、を備えた光学系であって、ダイクロイックミラー２４は、蛍光光を透過する光学特性を有し、蛍光光の光束外に位置する一端３３ｂと、蛍光光の光束内に位置する他方の端３３ａと、を備えており、ダイクロイックミラー２４を一端３３ｂで保持するミラーホルダー３０を設けた。【選択図】図５

Description

本発明は、光学系、光源装置および画像表示装置に関する。

特許文献１では、光源装置６３や表示素子、プロジェクタ制御手段等を備え、この光源装置６３は、回転制御可能な基材に複数のセグメント領域を有し、基材のセグメント領域の少なくとも一つは反射部とされ、反射部に励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体層が形成され、蛍光体層が形成されないセグメント領域が光を透過させる透過部とされた蛍光ホイール７１と、可視光領域の励起光を蛍光体に照射する第一光源と、蛍光体層から射出される蛍光光及び第一光源７２から射出される励起光と異なる波長帯域光を発する第二光源８２と、蛍光ホイール７１から射出される光及び第二光源８２から射出される光を、同一光路上に集光させる集光光学系と、第一光源７２及び第二光源８２の発光を制御する光源制御手段と、備えているプロジェクタを開示している。

特許文献２では、励起光を射出するレーザー光源９と、励起光の一部を透過させるとともに励起光を受けて蛍光を発するとともに、励起光と蛍光とを反射させる蛍光体ホイール１２と、レーザー光源９と蛍光体ホイール１２との間の励起光の光路上に設けられたダイクロイックミラー１０と、蛍光体ホイール１２とダイクロイックミラー１０との間の励起光の光路上に設けられた１／４波長板１１と、を備え、ダイクロイックミラー１０が、往路の励起光の第１の偏光成分を透過するとともに、復路の励起光の第２の偏光成分と蛍光とを反射する偏光分離特性を有している光源装置２を開示している。

本発明は、コンパクトに構成することができる光学系、光源装置および画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は、光源から出射された第１の光を反射する光学部材と、光学部材で反射された第１の光が入射し、第１の光の少なくとも一部を第１の光とは異なる波長の第２の光に変換して出射する波長変換部と、を備えた光学系であって、光学部材は、第２の光を透過する光学特性を有し、第２の光の光束外に位置する第１の端部と、第２の光の光束内に位置する第２の端部と、を備えており、光学部材を第２の光の光束外で保持する保持部材を設けた。

本発明によれば、コンパクトに構成することができる光学系、光源装置および画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光源装置における青色レーザ光の光路を示す概略構成図である。 本実施形態に係る光源装置における蛍光光の光路を示す概略構成図である。 本実施形態に係るダイクロイックミラーの配置の説明図である。 本実施形態に係る光源装置が有する蛍光体ユニットの構成の説明図である。 本実施形態に係るダイクロイックミラーの固定方法の説明図である。 本実施形態に係るダイクロイックミラーの固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係るダイクロイックミラーの説明図である。 本実施形態に係る固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係る固定方法の変形例の説明図である。 本実施形態に係る光源装置を備えたプロジェクタ装置を示す概略構成図である。

図１は、本発明の実施形態に係る光源装置２０における青色レーザ光の光路を示す概略構成図である。

図１に示すように、光源装置２０は、光の伝搬方向に順に配置された、レーザ光源（励起光源）２１、カップリングレンズ２２、第１の光学系２３、光学部材の一例であるダイクロイックミラー２４（光学部材の一例）、第２の光学系２５（導光光学系の一例）、波長変換ユニットの一例である蛍光体ユニット２６、屈折光学系２７、光ミキシング素子の一例であるライトトンネル２９を有している。

レーザ光源２１は、例えば、複数のレーザ光を出射する光源がアレイ状に配置されている。レーザ光源２１は、例えば、発光強度の中心が４５５［ｎｍ］の青色帯域の光（青色レーザ光）を出射する。以下では、青色レーザ光を、単に青色光と称する。レーザ光源２１から出射される青色光は、偏光方向が一定の方向である直線偏光であり、後述する蛍光体ユニット２６が有する蛍光体を励起させる励起光としても用いられる。

なお、レーザ光源２１から出射される光は、後述する蛍光体を励起させることができる波長の光であればよく、青色波長帯域の光に限定されるものではない。また、レーザ光源２１は、複数の光源を有するものとしたが、これに限定されるものではなく、１個の光源で構成されるものとしてもよい。また、レーザ光源２１は、基板上に複数の光源がアレイ状に配置されたものとして構成することができるが、これに限定されるものではなく、その他の配置構成であってもよい。

カップリングレンズ２２は、レーザ光源２１から出射された青色光を入射し、平行光（コリメート光）に変換するレンズである。なお、以下において、平行光とは、完全にコリメート（平行化）された光に限らず、略平行化された光を含む概念とする。カップリングレンズ２２の数は、レーザ光源２１の光源の数に対応していればよく、レーザ光源２１の光源の数の増減に応じて増減することができる。

本実施形態に係る光源装置２０においては、これらのレーザ光源２１とカップリングレンズ２２とで光源ユニットを構成する。例えば、レーザ光源２１は、行及び列をなして配置される複数のレーザーダイオードで構成される。すなわち、光源ユニットは、これらのレーザーダイオードと、レーザーダイオードの出射面側に配置されたカップリングレンズ２２とで構成される。

第１の光学系２３は、全体として正のパワーを有しており、レーザ光源２１の側から蛍光体ユニット２６の側に向かって順に、大口径レンズ２３ａ及び負レンズ２３ｂを有している。大口径レンズ２３ａは、大口径素子の一例を構成するものであり、正のパワーを有し、カップリングレンズ２２から出射された平行光を集光及び合成するレンズで構成される。負レンズ２３ｂは、平行化素子の一例を構成するものであり、大口径レンズ２３ａにより集光された青色光を平行光に変換するレンズで構成される。第１の光学系２３は、カップリングレンズ２２から略平行光となって入射した青色光（励起光）を縮径させてダイクロイックミラー２４に導く。

ダイクロイックミラー２４は、第１の光学系２３から出射される青色光の伝播方向に対して傾斜して配置されている。より具体的には、第１の光学系２３から出射される青色光の伝播方向に沿って前端部が下方側に傾斜した状態で配置されている。ダイクロイックミラー２４は、第１の光学系２３により略平行光とされた青色光を反射する一方、蛍光体ユニット２６により変換された蛍光光（第２の色光、第２の光の一例）を透過する光学特性を有している。例えば、ダイクロイックミラー２４には、上述した光学特性を有するようなコートが施されている。

ダイクロイックミラー２４は第１の光学系２３の幅よりも短い長さを有している。ダイクロイックミラー２４の寸法が短く構成されることから、光源装置２０を小型化することができる。

屈折光学系２７は、第２の光学系２５から出射する光（青色光及び蛍光光）を集光するレンズで構成される。蛍光体ユニット２６から出射された光（青色光及び蛍光光）は、ダイクロイックミラー２４を通過及び透過した後、屈折光学系２７により集光（屈折）され、ライトトンネル２９に入射する。

このような構成を有する光源装置２０における青色光の光路（以下、適宜「青色光光路」という）について、説明する。青色光光路とは、レーザ光源２１が出射した励起光のうち、蛍光体ユニット２６の反射部で反射する光が進行する光路をいう。

レーザ光源２１から出射された青色光は、カップリングレンズ２２により平行光に変換される。カップリングレンズ２２から出射された青色光は、第１の光学系２３の大口径レンズ２３ａによって集光及び合成された後、負レンズ２３ｂによって平行光に変換される。負レンズ２３ｂから出射された青色光は、ダイクロイックミラー２４で反射され、第２の光学系２５に向かう。ダイクロイックミラー２４は、レーザ光源２１から出射された青色光を反射する反射面２４ａを構成する。上述した励起光の投影像中心の点Ｐは、ダイクロイックミラー２４に形成される。

上述したように、ダイクロイックミラー２４は、第２の光学系２５の光軸に対して第１の光学系２３側にずれて配置されている。このため、青色光光路は、第２の光学系２５（より具体的には、正レンズ２５Ａ）の第１の光学系２３側の一部に入射する。そして、青色光は、第２の光学系２５の光軸に角度を有した状態で近づくように進み、第２の光学系２５（より具体的には、正レンズ２５Ｂ）から出射する。第２の光学系２５から出射した青色光は、蛍光体ユニット２６に入射する。

ここで、蛍光体ユニット２６に入射した青色光は、反射部に入射するものとする。反射部に入射した青色光は、正反射される。反射部で正反射された青色光は、第２の光学系２５（より具体的には、正レンズ２５Ｂ）における第１の光学系２３とは反対側の一部に入射する。そして、青色光は、第２の光学系２５の光軸に角度を有した状態で遠ざかるように進み、第２の光学系２５（より具体的には、正レンズ２５Ａ）から出射する。

第２の光学系２５（より具体的には、正レンズ２５Ａ）から出射した青色光は、ダイクロイックミラー２４と交わらない。蛍光体ユニット２６から正反射された青色光の光束は、蛍光体ユニット２６から出射する励起光の光束を構成する。青色光の光束がダイクロイックミラー２４と交わらないため、光利用効率の低下を抑制することができる。

ここで、ダイクロイックミラー２４の一端３３ｂ（第１の端部の一例）は、第２の光学系２５から出射した青色光から遠い端部であり、ダイクロイックミラー２４の他方の端３３ａ（第２の端部の一例）は、第２の光学系２５から出射した青色光の光束に近い端部である。

ダイクロイックミラー２４と交わらずに通過した青色光は、屈折光学系２７に入射する。そして、青色光は、屈折光学系２７の光軸に角度を有した状態で近づくように進み、ライトトンネル２９に入射する。ライトトンネル２９の内部で複数回反射され、均一化された後、光源装置２０の外部に配置された照明光学系に入射する。

図２は、本実施形態に係る光源装置２０における蛍光光の光路を示す概略構成図である。

光源装置２０における蛍光光の光路（以下、適宜「蛍光光路」という）について、説明する。なお、図２においては、説明の便宜上、蛍光光の光路の一部を省略している。蛍光光路とは、レーザ光源２１が出射した励起光のうち、蛍光体ユニット２６の波長変換部で波長変換される光が進行する光路をいう。

レーザ光源２１から出射された青色光が蛍光体ユニット２６に導かれるまでは、蛍光光路は、上述した青色光光路と同様である。ここで、蛍光体ユニット２６に入射した青色光は、波長変換部に入射するものとする。波長変換部に入射した青色光は、蛍光体に対する励起光として作用し、蛍光体により波長変換され、例えば、黄色の波長域を含む蛍光光になると共に、反射コート及び蛍光体層の作用によりランバート反射される。

波長変換部によってランバート反射された蛍光光は、第２の光学系２５によって平行光に変換される。第２の光学系２５から出射した蛍光光は、ダイクロイックミラー２４を透過し、屈折光学系２７に入射する。

ここで、ダイクロイックミラー２４の一端３３ｂは、蛍光光の光束外に位置し、ダイクロイックミラー２４の他方の端３３ａは、蛍光光の光束内に位置する。

そして、蛍光光は、屈折光学系２７の光軸に角度を有した状態で近づくように進み、ライトトンネル２９に入射する。ライトトンネル２９の内部で複数回反射され、均一化された後、光源装置２０の外部に配置された照明光学系に入射する。

このように本実施形態に係る光源装置２０においては、レーザ光源２１から出射される青色光の光路を、蛍光体ユニット２６の反射前と反射後とで異ならせている。より具体的には、レーザ光源２１からダイクロイックミラー２４上に投影される青色光の投影像中心の点と、蛍光体ユニット２６から反射する青色光の光束とが交わらないように青色光光路を形成している。これにより、蛍光体ユニット２６から出射された青色光の光束が、レーザ光源２１から出射された青色光の投影像中心に交わらないことから、青色光がダイクロイックミラー２４上の同一箇所を透過するのを防止できるので、集光密度の上昇に起因してダイクロイックミラー２４が破損する事態を抑制でき、信頼性を向上することができる。

また、蛍光体ユニット２６から出射される青色光の光路を分離するために位相差板や偏光分離素子（偏光ビームスプリッター）等の特別な光学素子を用意する必要がないので、部品点数を低減でき、製造コストを低減すると共に光源装置２０を小型化することができる。さらに、位相差板や偏光分離素子等の偏光を操作する光学部品を使用しないので、光学部品の反射率、透過率及び吸収率等による光利用効率の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る光源装置２０において、レーザ光源２１から出射される青色光は、偏光方向が一定の方向である直線偏光である。また、複数のレーザ光源２１を有する光源ユニットは、直線偏光の向きが全て同じになるように配置されている。このため、光源ユニットから出射する光の直線偏光の向きは揃っている。直線偏光の向きは、光源ユニットを配置する向きで決定できる。ライトトンネル２９の傾きに合わせて光源ユニットを傾けると直線偏光の向きが変わってしまう。このように直線偏光の向きが変わってしまうような状況下において、偏光分離素子等により偏光を操作する構成である場合、偏光分離素子を透過する際に光利用効率が低下し得る。本実施形態に係る光源装置２０においては、偏光を操作する構成を採用しないため、レーザ光源２１の傾きに起因して光利用効率が低下するのを防止することができる。

図３は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の配置を説明する図である。図３は、ダイクロイックミラー２４および第２の光学系２５を、屈折光学系２７の位置から第２の光学系の光軸方向に（図１および図２の垂直方向の上から）見た図である。蛍光体ユニット２６から射出した蛍光光は、図３の紙面奥から手前に向かって伝搬し、第２の光学系２５により平行光に変換された蛍光光の光束７１として屈折光学系２７に向かって射出される。ダイクロイックミラー２４は、第２の光学系２５の正レンズ２５Ａから射出した蛍光光の光束７２と重なるように配置される。ダイクロイックミラー２４は、その一端３３ｂが蛍光光の光束７２の外になるように配置される。ダイクロイックミラー２４の他端３３ａは、蛍光光束７２の中に配置される。

蛍光体ユニット２６で反射された青色光は、第２の光学系２５に入射し、正レンズ２５Ａから青色光の光束７１として、図３紙面の奥側から手前側に伝搬し屈折光学系２７に入射する。ダイクロイックミラー２４は、青色光の光束７１と重ならないように、青色光の光束７１の外側に配置される。ダイクロイックミラー２４は、第２光学系２５の光軸２５Ｃに対して青色光の光束７１の反対側に配置される。

蛍光光の光束７２のうち、ダイクロイックミラー２４と重なっている蛍光光はダイクロイックミラー２４を透過するが、一部はダイクロイックミラーによって反射または吸収されるので、強度が弱くなる。そのため、蛍光光の光束７２は第２の光学系２５の光軸２５Ｃに対して、非対称の強度分布を持つ。図３に示すダイクロイックミラーの配置では、光軸２５Ｃに対して一端３３ｂの側（図３の左側）の強度が弱く、光軸２５Ｃに対して一端３３ｂの反対側（図３の右側）の強度が強くなる。

図３（Ａ）の配置は、ダイクロイックミラー２４の短辺方向の中心線３３と第２の光学系２５の光軸２５Ｃとが重なるようにした例である。このような配置とすることで、ダイクロイックミラー２４の短辺方向の中心線３３に対して蛍光光束７２の強度分布を対称にすることができ、屈折光学系２７から射出する蛍光光の強度分布をより均一にすることができる。

図３（Ｂ）は、ダイクロイックミラー２４の短辺方向の中心線を、光軸２５Ｃからずらして配置した例である。ダイクロイックミラー２４の中心は、光軸２５Ｃに対して図３ｂの上方向にずれているので、蛍光光の光束７２の強度分布は図３ｂの右下側が強くなる。このとき、ダイクロイックミラー２４の向きを変えない場合は、青色光の光束７１の光路は変わらない。従って、図３（Ｂ）のダイクロイックミラー２４の配置は、光源２１や第１の光学系２３の配置によらず蛍光光の光束７２の強度分布を調整することができる。それにより、屈折光学系２７から射出される蛍光光の角度分布をライトトンネル２９の配置に合わせて調整することができる。その際、前述のとおり、光源２１や第１の光学系２３の配置の影響を受けずに、蛍光光の分布を調整することができる。

図４は、本実施形態に係る光源装置が有する蛍光体ユニットの構成の説明図である。図４（Ａ）においては、蛍光体ユニット２６を青色光の入射方向から示しており、図４（Ｂ）においては、蛍光体ユニット２６を青色光の入射方向と直交する方向から示している。なお、図４に示す蛍光体ユニット２６の構成は、一例を示すものであり、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。

図４に示すように、蛍光体ユニット２６は、円盤部材（基板）２６Ａと、円盤部材２６Ａの中心を通り、当該円盤部材２６Ａの平面に垂直な直線を回転軸２６Ｂとして回転駆動する駆動モータ（駆動部）２６Ｃとを有している。円盤部材２６Ａは、例えば、透明基板や金属基板（アルミニウム基板等）を用いることができるが、これに限定されるものではない。

蛍光体ユニット２６（円盤部材２６Ａ）は、周方向の大部分（第１実施形態では２７０°よりも大きい角度範囲）が蛍光領域２６Ｄに区画されており、周方向の小部分（第１実施形態では９０°よりも小さい角度範囲）が励起光反射領域２６Ｅに区画されている。なお、励起光反射領域２６Ｅは、ダイクロイックミラー２４で反射された励起光を反射（若しくは拡散反射）する第１の領域であって、反射部の一例を構成する。蛍光領域２６Ｄは、ダイクロイックミラー２４で反射された励起光を変換して蛍光光を出射する領域であって、波長変換部の一例を構成する。蛍光領域２６Ｄは、下層側から上層側に向かって順に、反射コート２６Ｄ１と、蛍光体層２６Ｄ２と、反射防止コート（ＡＲコート）２６Ｄ３とを積層して構成されている。

反射コート２６Ｄ１は、蛍光体層２６Ｄ２による蛍光光（発光光）の波長領域の光を反射する特性を有している。円盤部材２６Ａを反射率が高い金属基板で構成した場合には、反射コート２６Ｄ１を省略することも可能である。言い換えると、円盤部材２６Ａに反射コート２６Ｄ１の機能を持たせることも可能である。

蛍光体層２６Ｄ２としては、例えば、蛍光体材料を有機・無機のバインダ内に分散させたもの、蛍光体材料の結晶を直接形成したもの、Ｃｅ：ＹＡＧ系などの希土類蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体層２６Ｄ２は、励起光の少なくとも一部を励起光とは異なる波長の蛍光光に変換して出射する波長変換部材の一例を構成する。蛍光体層２６Ｄ２による蛍光光（発光光）の波長帯域は、例えば、黄、青、緑、赤の波長帯域を用いることができるが、第１実施形態では、黄色の波長帯域を有する蛍光光（発光光）を用いる場合を例示して説明する。また、本実施例では波長変換素子として蛍光体を用いているが、燐光体や、非線形光学結晶などを用いてもよい。

反射防止コート２６Ｄ３は、蛍光体層２６Ｄ２の表面における光の反射を防止する特性を有している。

励起光反射領域２６Ｅには、第２の光学系２５から導かれた青色光の波長領域の光を反射する特性を有する反射コート（反射面）２６Ｅ１が積層されている。円盤部材２６Ａを反射率が高い金属基板で構成した場合には、反射コート２６Ｅ１を省略することも可能である。言い換えると、円盤部材２６Ａに反射コート２６Ｅ１の機能を持たせることも可能である。

円盤部材２６Ａを駆動モータ２６Ｃによって回転駆動することにより、蛍光体ユニット２６上における青色光の照射位置が時間とともに移動する。その結果、蛍光体ユニット２６に入射した青色光（第１の色光、第１の光の一例）の一部分が、蛍光領域（波長変換領域）２６Ｄで青色光（第１の色光）とは波長の異なる蛍光光（第２の色光）に変換されて出射される。一方、蛍光体ユニット２６に入射した青色光の他部分が、励起光反射領域２６Ｅで青色光のままで反射されて出射される。

なお、蛍光領域２６Ｄと励起光反射領域２６Ｅの数や範囲等には自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、各２つの蛍光領域と励起光反射領域とを周方向に９０°間隔となるように交互に配置してもよい。

図５は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の説明図である。

ダイクロイックミラー２４は、光学的に使用する領域と、光学的に使用せずダイクロイックミラー２４を保持に使用する領域を持っている構成になっており、ダイクロイックミラー２４を支持（保持）するミラーホルダー３０（保持部材の一例）と、ダイクロイックミラー２４を押えるミラー押え３１にて固定されている。固定方法は、図に示す構成以外にも、接着固定、ねじ等によるダイクロイックミラー２４の直接固定でもよい。

ダイクロイックミラー２４の一端３３ｂは、図２に示したように、第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束外に位置する。一端３３ｂは、光学的に使用しない領域、すなわち、光学的に機能を必要としない領域に含まれる。ミラーホルダー３０は、この光学的に機能を必要としない領域を保持する。

ダイクロイックミラー２４の他方の端３３ａは、図２に示したように、第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束内に位置し、ミラーホルダー３０により保持されない。

図５（ｂ）に示すように、ミラーホルダー３０には開口３０Ａが形成されており、図２に示した第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束は、開口３０Ａを通過する。

また、図１に示した第２の光学系２５から出射した青色光は、ミラーホルダー３０の開口３０Ａのうち、ダイクロイックミラー２４と重なり合わない領域を通過する。

図６は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の変形例の説明図である。

図５では、ミラーホルダー３０は、一端３３ｂがはみ出すように、ダイクロイックミラー２４を保持したが、図６では、ミラーホルダー３０は、一端３３ｂがはみ出さないように、ダイクロイックミラー２４を保持する。

図７は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の説明図である。

ダイクロイックミラー２４と、ミラーを通過するＸ方向の第１の直線３２、ミラーを通過するＹ方向の第２の直線３３の関係を説明する。ダイクロイックミラー２４は透明基材たとえばガラスやサファイアなどの表面に、偏光分離膜や波長選択性フィルター機能や反射膜などの光学的な機能を施している。特に波長に応じて透過や反射するダイクロイックミラー領域に波長領域に応じて透過や反射する光学薄膜が表面に施されている。その表面上に仮想の２つの直線（３２、３３）を定義した。

第２の直線３３はダイクロイックミラー２４の長手方向、第１の直線３２はダイクロイックミラー２４の短手方向に沿った方向の直線とし、互いに直交している例を示す。第１の直線３２はダイクロイックミラー２４の長辺方向の中心線であり、第２の直線３３はダイクロイックミラー２４の短辺方向の中心線でもある。

２つの仮想の直線には光学素子の端部が存在し、それぞれの端部を３３ａ、３３ｂ、３２ａ、３２ｂが存在する。

一端３３ｂは、前述したように、第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束外に位置し、ミラーホルダー３０により保持される。

他方の端３３ａは、前述したように、第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束内に位置し、ミラーホルダー３０により保持されない。

さらに、一端３２ｂおよび他方の端３２ａも、図５および図６に示したように、第２の光学系２５から出射した蛍光光の光束内に位置し、ミラーホルダー３０により保持されない。

レーザ光源２１から出射された青色光がダイクロイックミラー２４の反射面２４ａに入射する位置は、仮想の第１の直線３２の方向において中心になるようにダイクロイックミラー２４を配置してもよい。ダイクロイックミラー２４の他方の端３３ａは蛍光光の光束内位置するともに、青色光の光束内に位置する。そのため、ダイクロイックミラー２４は、蛍光光及び青色光が照射されることで反射面２４ａ側の温度が上昇する。ダイクロイックミラー２４は片面の温度が上昇するためひずみが生じ、反射面２４ａが湾曲する。このように反射面２４ａに湾曲が生じた場合であっても、反射面２４ａの第１の直線３２の方向の中心部付近の青色光の光束に対する角度の変化は、反射面２４ａの第１の直線３２の方向の端部（反射面２４ａの端部３２ａや３２ｂの近傍）と比較して小さくなる。そのため、ダイクロイックミラー２４の温度が上昇しても、反射面２４ａで反射した青色光の射出方向の変化は小さくなる。それにより、本実施形態の光学系は、青色光の光束の射出方向を安定させることができる。

青色光の光束の中心がダイクロイックミラー２４の第１の直線３２の方向の中心になるようにするには、第１の光学系２３の光軸がダイクロイックミラー２４の仮想線３２の方向の中心で反射面２４ａと交わるように、第１の光学系２３とダイクロイックミラーを配置すればよい。図６の変形例で説明すると、ダイクロイックミラー２４の第１の直線３２と第２の直線３３の交点が第１の光学系の光軸と交わるようにする。

仮想の第１の直線３２と第２の直線３３は互いに略９０度の角度で成すように定義したが、その限りでない。

また、光学素子も長方形を例にして説明したが、正方形でもよいし、多角形でもよいし、円形あるいは楕円でも構わない。ユニット構図に適した光学素子の形状に設計すればよい。

図８は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の変形例の説明図である。ダイクロイックミラー２４はミラーホルダー３０とミラー押さえ３１とで挟持され、ねじ３５でミラー押さえ３１をミラーホルダー３０に締結されることで固定される。ミラーホルダー３０には、ダイクロイックミラー２４の形状に合わせた凹部３４ｃが設けられている。凹部３４ｃの底面はダイクロイックミラー２４の反射面２４ａと当接することで、反射面２４ａの角度を決定する。凹部３４ｃは、ダイクロイックミラーの一端３３ｂ側の反対側を除く３方向に壁部が設けられている。これらの凹部３４ｃの壁部は、ダイクロイックミラー２４の側面と勘合する。さらに凹部３４ｃの底面には突起部３４ａが設けられており、ダイクロイックミラー２４に設けられた穴３４ｂが設けられている。突起部３４ａと穴３４ｂとが勘合することによりダイクロイックミラー２４の反射面２４ａに平行な方向の位置を決めることができる。ここで、凹部３４ｃ，穴３４ｂ，突起部３４ａは、ダイクロイックミラー２４のミラーホルダー３０の位置に対する位置を決定する位置決め部の一例である。これらの位置決め部により、光学系に衝撃や振動が加わった場合でも、水平方向の位置ずれが生じないので、青色光の光束とダイクロイックミラーが干渉することがなく、光学系が射出する青色光の光量を安定させることができる。

図９は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の別の変形例の説明図である。ダイクロイックミラー２４は、図８と同様に凹部３４ｃに勘合し、ミラーホルダー３０とミラー押さえ３１とで挟持されることで位置決めされ固定される。ミラーホルダー３０の凹部の側面に突起部３４ｄが設けられ、ダイクロイックミラー２４の側面には切り欠き部３４ｅが設けられている。切り欠き部３４ｅは突起部３４ｄと勘合することで、ダイクロイックミラー２４とミラーホルダー３０の位置を決めることができる。

図１０は、図９の実施形態に付勢部材を追加した変形例を説明する図である。図１０の変形例のダイクロイックミラー２４には、図９の変形例と同じく切り欠き部３４ｈが設けられている。切り欠き部３４ｈは、ダイクロイックミラーの反射面２４ａに垂直な方向から見てＶ字状の形状である。ミラーホルダー３０には、付勢部材３４ｆが設けられる。付勢部材３４ｆには、突起部３４ｇが設けられており切り欠き部３４ｈと勘合する。付勢部材３４ｆは、図示しない板バネ等の付勢手段でダイクロイックミラー２４をミラーホルダー３０の基準面の一例である壁部３４ｉに押し付けるように付勢する。ここで、突起部３４ｇの形状を半円状とし、突起部３４ｇの円弧は切り欠き部３４ｈのＶ字の２面と２点で当接するようにしてある。ダイクロイックミラー２４は、図９の変形例と同様にミラーホルダー３０とミラー押さえ３１とで挟持されることで固定される。このように付勢部材３４ｆを設けることで、温度変換によってダイクロイックミラー２４の外形が変動した場合でも、ダイクロイックミラー２４の位置を正常に保つことができる。

図１１は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の別の変形例の説明図である。図８の変形例と同様に、ダイクロイックミラー２４は、凹部３４ｃに勘合し、ミラーホルダー３０とミラー押さえ３１とで挟持されることで固定される。図１１の変形例では、ダイクロイックミラー２４の端面３４ｊと端面３４ｋは、凹部の壁部３４ｉと壁部３４ｍとに当接する。端部３４ｋは端部３４ｊに対して平行でなく、壁部３４ｍは壁部３４ｉに対して平行でない。ダイクロイックミラー２４は、凹部３４ｃに勘合するように配置された後に、ダイクロイックミラー２４の一端３３ｂ側を、図示しない付勢手段で矢印３４ｎに示す方向へ付勢される。端面３４ｊと端面３４ｋはテーパー状になっており、壁部３４ｉと壁部３４ｍはテーパー状になっているので、ダイクロイックミラー２４は付勢されることで反射面２４ａに平行な方向の位置が決定される。ダイクロイックミラー２４は、常に付勢されているので、振動や衝撃によって一時的に位置がずれても付勢により再度位置決めされるので、長期間にわたって安定した位置を維持することができる。また、図１１のダイクロイックミラー２４は特殊な形状の切り欠き部や穴の加工が必要ないため、ダイクロイックミラーを簡易に製造することが可能である。

図１２は、本実施形態に係るダイクロイックミラー２４の固定方法の別の変形例の説明である。図１２の変形例は、図１０に示した固定方法と同様にダイクロイックミラー２４をミラーホルダー３０とミラー押さえ３１とで挟持することで固定しているが、図１２Ｂに示すようにダイクロイックミラー２４とミラーホルダー３０との間と、ダイクロイックミラー２４とミラー押さえ３１との間に、それぞれ伝熱部材３６を有する点が異なる。熱伝導部材３６は、ダイクロイックミラー２４の上下に密着するように配置されており、ミラーホルダー３０とミラー押さえ３１によってダイクロイックミラー２４と一緒に挟持される。ミラーホルダー３０とダイクロイックミラー２４との間に配置された伝熱部材３６は、ダイクロイックミラー２４とミラーホルダー３０のそれぞれに密着することで熱接触する。同様にミラー押さえ３１とダイクロイックミラー２４との間に配置された伝熱部材は、ダイクロイックミラー２４とミラー押さえ３１とのそれぞれと密着することで熱接触する。ダイクロイックミラー２４は、入射する青色光や蛍光光によって加熱されるので温度が上昇する。特に、蛍光体ユニット２６から射出する蛍光光は、赤外線の含むため、ダイクロイックミラー２４を加熱しやすい。そのため、ダイクロイックミラー２４の光入射側の面は、入射する青色光や蛍光光により加熱され温度が上昇する。ダイクロイックミラー２４の温度が上昇した場合、ダイクロイックミラー２４の基板の材質やコーティングの材質の熱膨張によって、ダイクロイックミラー２４は変形する。特に、ダイクロイックミラー２４の片面の温度が高くなった場合、ダイクロイックミラー２４の片面の熱膨張による応力によって、ダイクロイックミラー２４は反ったり歪んだりする。ダイクロイックミラーが歪んだ場合、反射面２４ａの角度が変わってしまうため、入射する青色光を反射する方向が変わってしまう。また、ダイクロイックミラー２４の温度変化が大きいと、ミラーホルダーに対するダイクロイックミラー２４の位置が変動してしまい、位置がずれてしまう問題が生じる。

図１２の変形例は、伝熱部材３６をダイクロイックミラー２４とミラーホルダー３０、ミラー押さえ３１との間に配置しているので、ダイクロイックミラー２４の熱をミラーホルダー３０とミラー押さえ３１に効率的に伝熱することができるので、ダイクロイックミラー２４の温度上昇を低減することができる。それにより、ダイクロイックミラー２４の位置ずれや変形を小さくすることができる。

伝熱部材３６の材料は、熱伝導率が高くダイクロイックミラー２４やミラーホルダー３０と密着性の高い材料とすることが好ましい。例えばアルミ、スズ、半田等の比較的剛性の低い金属や、熱伝導率の高いフィルム状の樹脂や熱伝導性の高いゴム材料などとするのが良い。

伝熱部材３６は、ダイクロイックミラー２４の両側に配置してもよく、片側に配置してもよい。伝熱部材３６を両側に配置した場合は、ダイクロイックミラー２４の熱を効率的に伝熱できるのでダイクロイックミラー２４の温度の上昇を抑制できる。伝熱部材３６をダイクロイックミラー２４とミラー押さえ３１の間に配置した場合は、ダイクロイックミラー２４の熱がミラーホルダー側に伝熱しづらくなるので、ミラーホルダー３０の温度上昇を抑制することができる。その場合、ミラーホルダー３０の温度上昇により、ミラーホルダーが変形すること抑制できるので、ダイクロイックミラー２４の位置が安定する。

図１２のミラー押さえ３１またはミラーホルダー３０は、放熱部材とすることができる。ミラー押さえ３１やミラーホルダー３０に放熱用のフィンを形成してもよく、空冷用のファンや水冷用の冷却水の流路などを形成してもよい。

図１３は、第１実施形態に係る光源装置２０を備えたプロジェクタ装置（画像投射装置）１を示す概略構成図である。

プロジェクタ装置１は、筐体１０と、光源装置２０と、照明光学系１３０と、画像形成素子（画像表示素子）４０と、投射光学系５０と、冷却装置６０とを有している。筐体１０は、光源装置２０と、照明光学系１３０と、画像形成素子４０と、投射光学系５０と、冷却装置６０とを収納する。

照明光学系１３０は、光源装置２０のライトトンネル２９が均一化した光で画像形成素子４０を略均一に照明する。照明光学系１３０は、例えば、１枚以上のレンズや１面以上の反射面等を有している。

画像形成素子４０は、照明光学系１３０により照明される光（光源装置２０の光源光学系からの光）を変調することにより画像を形成する。画像形成素子４０は、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や液晶表示素子で構成される。画像形成素子４０は、照明光学系１３０から照射される光（青色光、緑色光、赤色光、黄色光）と同期して微小鏡面を駆動させ、カラー画像を生成する。

投射光学系５０は、画像形成素子４０が形成した画像（カラー画像）を、スクリーン（被投影面）に拡大投影する。投射光学系５０は、例えば、１枚以上のレンズを有している。冷却装置６０は、プロジェクタ装置１内の熱を帯びる各素子及び装置を冷却する。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る光学系２４、２５、２６は、光源から出射された青色光（第１の光の一例）を反射するダイクロイックミラー２４（光学部材の一例）と、ダイクロイックミラー２４で反射された青色光が入射し、青色光の少なくとも一部を青色光とは異なる波長の蛍光光（第２の光の一例）に変換して出射する蛍光体ユニット２６の蛍光領域２６Ｄ（波長変換部の一例）と、を備えた光学系であって、ダイクロイックミラー２４は、蛍光光を透過する光学特性を有し、蛍光光の光束外に位置する一端３３ｂ（第１の端部の一例）と、蛍光光の光束内に位置する他方の端３３ａ（第２の端部の一例）と、を備えており、ダイクロイックミラー２４を蛍光光の光束外で保持するミラーホルダー３０（保持部材の一例）を設けた。一例として、ミラーホルダー３０は、ダイクロイックミラー２４を一端３３ｂで保持する。

これにより、蛍光光の光束外でダイクロイックミラー２４の両端を保持する場合に比べて、光学系は、コンパクトに構成することができる。

他方の端３３ａは、一端３３ｂの反対側に位置する。これにより、光学系は、他方の端３３ａと一端３３ｂを結ぶ方向において、コンパクトに構成することができる。

蛍光光の光束内に位置する第２の端部は、一端３３ｂの反対側に位置する他方の端３３ａだけでなく、一端３３ｂと他方の端３３ａを結ぶ直線３３に直交する直線３２上に位置する一端３２ｂおよび他方の端３２ａを含む。これにより、光学系は、直線３３の方向および直線３２の方向において、コンパクトに構成することができる。

ダイクロイックミラー２４に入射する青色光の中心位置は、一端３２ｂおよび他方の端３２ａとの中点にある。これにより、ダイクロイックミラー２４の温度が上昇しても、反射面２４ａで反射した青色光の射出方向の変化は小さくなり、青色光の光束の射出方向を安定させることができる。

ダイクロイックミラー２４は、他方の端３３ａでは保持されない。これにより、他方の端３３ａに保持部材を設けることに起因して蛍光光の品質が低下することが防止される。

ダイクロイックミラー２４は、蛍光光の光束内に位置する部分では保持されない。これにより、保持部材を設けることに起因して蛍光光の品質が低下することが防止される。

ダイクロイックミラー２４の光学的に機能を必要としない一端３３ｂの保持構造は、接着、または挟み込みにて保持することが好ましい。

ダイクロイックミラー２４の光学的に機能を必要としない一端３３ｂと、ダイクロイックミラー２４の光学的に機能する部分を保護するための構造を設けることが好ましい。

ダイクロイックミラー２４で反射された青色光を反射する蛍光体ユニット２６の励起光反射領域２６Ｅ（反射部の一例）を備え、ダイクロイックミラー２４は、励起光反射領域２６Ｅで反射された青色光の光束の外に位置する。

これにより、ダイクロイックミラー２４により、励起光反射領域２６Ｅで反射された青色光の品質が低下することが防止される。

ダイクロイックミラー２４は、励起光反射領域２６Ｅで反射された青色光の光束に近い端部である他方の端３３ａでは保持されない。これにより、励起光反射領域２６Ｅで反射された青色光の光束に近い端部である他方の端３３ａで、ダイクロイックミラー２４を保持する場合に比べて、光学系は、コンパクトに構成することができる。

ダイクロイックミラー２４とミラーホルダー３０は、互いの位置を決定する位置決め部である穴３４ａと突起部３４ｂを備えてもよい。これにより、ダイクロイックミラーの穴３４ｂとミラーホルダーの突起部３４ａとが勘合することで、ダイクロイックミラー２４の位置が安定し、ダイクロイックミラー２４で反射される青色光の品質が低下することを防止できる。

ダイクロイックミラー２４は位置決め部として切り欠き部３４ｅを備えてもよく、ミラーホルダー３０は切り欠き部３４ｅと勘合する突起部３４ｄを備えてもよい。それにより、ダイクロイックミラー２４が、ミラーホルダー３０に対して位置ずれすることを防止でき、ダイクロイックミラー２４で反射される青色光の品質が低下することを防止できる。

ミラーホルダー３０は、ダイクロイックミラー２４を付勢する付勢部材３４ｆを備えてもよい。それにより、ダイクロイックミラー２４はミラーホルダー３０の基準面３４ｉに突き当てるよう付勢されるので、ダイクロイックミラー２４の位置を安定させることができ、青色光の品質が低下することを防止することができる。

ミラーホルダー３０は、ダイクロイックミラー２４との間に伝熱部材３６を有する。あるいは、ミラーホルダー３０は、ダイクロイックミラー２４の熱を放熱する放熱部材を備える。これにより、ダイクロイックミラー２４の位置ずれや変形を小さくすることができる。

ダイクロイックミラー２４と蛍光領域２６Ｄとの間に、ダイクロイックミラー２４で反射された青色光を蛍光領域２６Ｄに導光する第２の光学系２５（導光光学系の一例）を備え、第２の光学系２５は、蛍光領域２６Ｄから入射する蛍光光を平行光に変換して射出し、第２の光学系２５の光軸は、ダイクロイックミラー２４の一端３２ｂおよび他方の端３２ａとのとの中間にある。これにより、ダイクロイックミラー２４の短辺方向の中心線３３に対して蛍光光束７２の強度分布を対称にすることができる。

ダイクロイックミラー２４と蛍光領域２６Ｄとの間に、ダイクロイックミラー２４で反射された青色光を蛍光領域２６Ｄに導光する第２の光学系２５を備え、第２の光学系２５は、蛍光領域２６Ｄから入射する蛍光光を平行光に変換して射出し、第２の光学系２５の光軸は、ダイクロイックミラー２４の一端３２ｂおよび他方の端３２ａとのとの中間からずれている。これにより、光源２１や第１の光学系２３の配置によらず蛍光光の光束７２の強度分布を調整することができる。

光源装置２０は、レーザ光源２１（光源の一例）と、上述した光学系を備えることにより、コンパクトに構成することができる。

プロジェクタ装置１（画像投射装置の一例）は、光源装置２０と、光源装置２０から出射された光を画像表示素子へ導く照明光学系１３０と、照明光学系１３０により導かれた光を用いて画像表示素子４０により生成された画像を投影する投射光学系５０と、を備えることにより、コンパクトに構成することができる。

１ ：プロジェクタ装置
１０ ：筐体
２０ ：光源装置
２１ ：レーザ光源
２２ ：カップリングレンズ
２３ ：第１の光学系
２３ａ ：大口径レンズ
２３ｂ ：負レンズ
２４ ：ダイクロイックミラー（光学部材の一例）
２５ ：第２の光学系（導光光学系）
２５Ａ、２５Ｂ：正レンズ
２６ ：蛍光体ユニット
２６Ｄ ：蛍光領域（波長変換部の一例）
２６Ｅ ：励起光反射領域（反射部の一例）
２７ ：屈折光学系
２９ ：ライトトンネル
３０ ：ミラーホルダー（保持部材の一例）
３１ ：ミラー押え
３２ ：ミラーを通過するＸ方向の第１の直線
３３ ：ミラーを通過するＹ方向の第２の直線
３３ａ ：他方の端（第２の端部）
３３ｂ ：一端（第１の端部）
３４ａ、３４ｄ：突起部（位置決め部の一例）
３４ｂ ：穴部（位置決め部の一例）
３４ｃ ：凹部
３４ｅ、３４ｇ：突起部（位置決め部の一例）
３４ｆ ：付勢部材
３６ 伝熱部材
４０ ：画像形成素子
５０ ：投射光学系
６０ ：冷却装置
１３０ ：照明光学系

特許第４７１１１５６号公報 特許第５８１７１０９号公報

Claims (17)

1. 光源から出射された第１の光を反射する光学部材と、
   前記光学部材で反射された前記第１の光が入射し、前記第１の光の少なくとも一部を前
   記第１の光とは異なる波長の第２の光に変換して出射する波長変換部と、
   を備えた光学系であって、
   前記光学部材は、
   前記第２の光を透過する光学特性を有し、
   前記第２の光の光束外に位置する第１の端部と、
   前記第２の光の光束内に位置する第２の端部と、を備えており、
   前記光学部材を前記第２の光の光束外で保持する保持部材を設けた光学系。
2. 前記保持部材は、前記光学部材を前記第１の端部で保持する光学系。
3. 前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に位置する請求項１または２記載の光学系。
4. 前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に位置する端部、および前記第１の端部と前記第１の端部の反対側に位置する端部を結ぶ直線に直交する直線上に位置する両端部を含む請求項１または２記載の光学系。
5. 前記光学部材に入射する前記第１の光の中心位置は、前記両端部の一方の端部と他方の端部との中点にある、請求項４記載の光学系。
6. 前記光学部材は、前記第２の端部では保持されない請求項１～５の何れか記載の光学系。
7. 前記光学部材は、前記第２の光の光束内に位置する部分では保持されない請求項１～６の何れか記載の光学系。
8. 前記光学部材で反射された前記第１の光を反射する反射部を備え、
   前記光学部材は、前記反射部で反射された前記第１の光の光束の外に位置する請求項１～７の何れか記載の光学系。
9. 前記第２の端部は、前記反射部で反射された前記第１の光の光束に近い端部である請求項８記載の光学系。
10. 前記光学部材は前記第１の光を反射する反射面を有し、
    前記光学部材は、前記光学部材の前記保持部材に対する前記反射面に平行な方向の位置を決定する位置決め部を有する、請求項６～９のいずれか記載の光学系。
11. 前記保持部材は、前記光学部材を前記反射面に平行な方向に付勢する付勢部材を有する請求項１０記載の光学系。
12. 前記保持部材は、前記光学部材との間に伝熱部材を有する請求項５～１１のいずれか記載の光学系。
13. 前記保持部材は、前記光学部材の熱を放熱する放熱部材を備える請求項６～１２のいずれか記載の光学系。
14. 前記光学部材と前記波長変換部との間に、前記光学部材で反射された第１の光を前記波長変換部に導光する導光光学系を備え、
    前記導光光学系は、前記波長変換部から入射する前記第２の光を平行光に変換して射出し、
    前記導光光学系の光軸は、前記光学部材の前記両端部の一方の端部と他方の端部との中間にある、請求項４記載の光学系。
15. 前記光学部材と前記波長変換部との間に、前記光学部材で反射された第１の光を前記波長変換部に導光する導光光学系を備え、
    前記導光光学系は、前記波長変換部から入射する前記第２の光を平行光に変換して射出し、
    前記導光光学系の光軸は、前記光学部材の前記両端部の一方の端部と他方の端部との中間からずれている、請求項４記載の光学系。
16. 前記光源と、請求項１～１５の何れか記載の光学系を備えた光源装置。
17. 請求項１～１６の何れか記載の光源装置と、
    前記光源装置から出射された光を画像表示素子へ導く照明光学系と、
    前記照明光学系により導かれた光を用いて前記画像表示素子により生成された画像を投影する投射光学系と、を備えることを特徴とする画像投射装置。

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