JP2023059524A - 光源装置、画像投射装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換部において励起光を蛍光に効率的に変換し、波長変換部の光変換効率を向上させる。
【解決手段】第１の方向の発散角が、第１の方向と直交する第２の方向の発散角より大きい第１の色光を射出する複数の光源と、入射した第１の色光の一部を第１の色光と異なる波長の第２の色光に変換する波長変換部と、光源と波長変換部との間の第１の色光の光路上に配置される第１の光学系と、第１の光学系と波長変換部との間の第１の色光の光路上に配置され、第１の色光を波長変換部へ射出する第２の光学系と、を備え、第１の光学系は、光源の発散角が大きい方向である第１の方向の屈折力のほうが第２の方向の屈折力よりも強い複数の光学要素が第１の方向に配列された光学素子を含み、第１の光学系は、光学素子によって第１の色光の光束を第１の光学系の光軸に近づく方向に収束させて第２の光学系へ射出する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、光源装置、画像投射装置および表示装置に関する。

今日、様々な映像を拡大投影するプロジェクタ（画像投射装置）が広く普及している。プロジェクタは、光源から射出された光をＤＭＤ（Digital Mirror Device）または液晶表示素子といった空間光変調素子（画像表示素子）に集光させ、映像信号に基づいて変調された空間光変調素子からの射出光（反射光）をスクリーン上にカラー映像として表示させる装置である。

近年、プロジェクタにおいては、光源光学系の高効率化、装置の小型化の要望が強くなってきている。光源光学系の高効率化は、励起光（第１の色光）を蛍光（第２の色光）に変換する波長変換素子の光変換効率を上げることが必要である。波長変換素子の光変換効率は、波長変換素子に入射される励起光のエネルギー密度によって変動する。具体的には、波長変換素子に入射されるエネルギー密度が高い場合には、温度上昇が生じたり、波長変換層内の励起可能な電子が少なくなったりすることにより、波長変換素子の光変換効率が低下することになる。そのため、エネルギー密度を小さくすることで、波長変換素子の光変換効率の向上を図るようにしている。

一方で、波長変換素子上での励起光のエネルギー密度を低下させるために波長変換素子上の励起光スポットサイズを大きくすると、後段の光学系等での光線ケラレが大きくなるため、プロジェクタ全体での光利用効率は低下する。

特許文献１には、励起光源と蛍光体との光路上に拡散板を挿入することにより、励起光源をミキシングし、蛍光体上に均一なスポットを得る技術が開示されている。

しかしながら、従来技術によれば、励起光（第１の色光）を蛍光（第２の色光）に変換する波長変換素子の光変換効率が低下する等の問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、波長変換部において励起光（第１の色光）を蛍光（第２の色光）に効率的に変換し、波長変換部の光変換効率を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の方向の発散角が、前記第１の方向と直交する第２の方向の発散角より大きい第１の色光を射出する複数の光源と、入射した前記第１の色光の一部を前記第１の色光と異なる波長の第２の色光に変換する波長変換部と、前記光源と前記波長変換部との間の前記第１の色光の光路上に配置される第１の光学系と、前記第１の光学系と前記波長変換部との間の前記第１の色光の光路上に配置され、前記第１の色光を前記波長変換部へ射出する第２の光学系と、を備え、前記第１の光学系は、前記光源の発散角が大きい方向である前記第１の方向の屈折力のほうが前記第２の方向の屈折力よりも強い複数の光学要素が前記第１の方向に配列された光学素子を含み、前記第１の光学系は、前記光学素子によって前記第１の色光の光束を前記第１の光学系の光軸に近づく方向に収束させて前記第２の光学系へ射出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、波長変換部において励起光（第１の色光）を蛍光（第２の色光）に効率的に変換し、波長変換部の光変換効率を向上させることができる、という効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態にかかるプロジェクタを示す概略構成図である。 図２は、カラーホイールの構成の一例を示す図である。 図３は、光源部の構成を示す模式図である。 図４は、レーザ光源の構成例を示す図である。 図５は、レーザ光源の各光源から射出される光の発散角を模式的に示す図である。 図６は、レーザ光源の各光源とコリメータレンズとの関係を示す図である。 図７は、波長変換素子の構成の一例を示す平面図である。 図８は、波長変換素子の断面を示す図である。 図９は、波長変換素子の表面に形成されるスポットを例示的に示す図である。 図１０は、レーザ光源から波長変換素子までの光学系における光束を示す模式図である。 図１１は、レーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図１２は、レーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図１３は、シリンドリカルレンズアレイを例示的に示す図である。 図１４は、シリンドリカルレンズアレイのシリンドリカル面の頂点間の距離の違いに基づくスポットの例を示す図である。 図１５は、波長変換素子上のスポットの様子を例示的に示す図である。 図１６は、変形例１にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図１７は、変形例１にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図１８は、変形例１にかかるシリンドリカルレンズアレイを例示的に示す図である。 図１９は、変形例２にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図２０は、変形例２にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図２１は、変形例２にかかるシリンドリカルレンズアレイを例示的に示す図である。 図２２は、変形例３にかかる光源部の構成を示す模式図である。 図２３は、変形例４にかかる波長変換素子の構成の一例を示す平面図である。 図２４は、変形例４にかかる波長変換素子の断面を示す図である。 図２５は、変形例５にかかる光源部の構成を示す模式図である。 図２６は、変形例５にかかる波長変換素子の構成の一例を示す平面図である。 図２７は、変形例５にかかる波長変換素子の断面を示す図である。 図２８は、第２の実施の形態にかかるレーザ光源から波長変換素子までの光学系における光線の光路を示す模式図である。 図２９は、レーザ光源から波長変換素子までの光学系における光線の光路を示す模式図である。 図３０は、波長変換素子上のスポットの様子を例示的に示す図である。 図３１は、第３の実施の形態にかかる光源部の構成を示す模式図である。 図３２は、レーザ光源から波長変換素子までの光学系における光束を示す模式図である。 図３３は、変形例６にかかる光源部の構成を示す模式図である。 図３４は、第４の実施の形態にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図３５は、第４の実施の形態にかかるレーザ光源の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。 図３６は、第５の実施の形態にかかる表示装置の全体構成の一例を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照して、光源装置、画像投射装置および表示装置の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかるプロジェクタ１を示す概略構成図である。

プロジェクタ（画像投射装置）１は、筐体１０と、光源装置２０と、光均一化素子３０と、照明光学系４０と、画像形成素子（画像表示素子）５０と、投射光学系６０と、制御装置８０と、カラーホイール９０と、を有している。概略的には、プロジェクタ（画像投射装置）１は、光源装置２０から射出された光を光均一化素子３０でミキシングすることで均一化する。そして、プロジェクタ（画像投射装置）１は、均一化された光を、照明光学系４０を用いて画像形成素子（画像表示素子）５０を略均一に照明し、画像形成素子（画像表示素子）５０で形成された画像を投射光学系６０でスクリーン（被照射部材）７０に拡大投影する。

筐体１０は、光源装置２０と光均一化素子３０と照明光学系４０と画像形成素子５０と投射光学系６０と制御装置８０とカラーホイール９０とを収納する。

光源装置２０は、例えば、ＲＧＢの各色に対応する波長を含んだ光を射出する。光源装置２０は、光源部２０Ａ、光源部２０Ｂおよび合成部である光路合成素子２０Ｃを有する。光源部２０Ａおよび光源部２０Ｂは同じ構造のものであって、所定の形状の光束を射出する。なお、光源部２０Ａおよび光源部２０Ｂの内部構成については、後に詳細に説明する。光源部２０Ａと光源部２０Ｂから射出された光束は、光路合成素子２０Ｃによりそれぞれ偏向されて光均一化素子３０の入射側面に入射する。なお、本実施の形態においては、光路合成素子２０Ｃとしてプリズムを例として示しているが、これに限るものではない。

図１に示すように、プロジェクタ１は、光源部２０Ａおよび光源部２０Ｂから対向して出力された集光途中の光束を、互いに略９０度の角度をなした二つの反射部（図１では光路合成素子２０Ｃ）に、それぞれの光束を反射させて偏向し、同一方向に反射させ、それぞれの集光光束を隣接あるいは一部重ね合わせて合成し、同時に光均一化素子３０に入射させる。

なお、本実施の形態においては、光源装置２０は、２つの光源部２０Ａ，２０Ｂを用いた例を示しているが、これに限るものではなく、２つ以上例えば４つの光源部を用い、合成する構成としてもよい。

光均一化素子３０は、光源装置２０から射出された光をミキシングすることで均一化する。より詳細には、光均一化素子３０は、入射側面から入射した光束を、反射を繰り返しながら内部を伝搬して射出面から射出する。光均一化素子３０は、入射側面から入射した光束を、内部で複数回反射することで、均一な面光源を射出面上に形成する。光均一化素子３０としては、例えば、内部を中空にして内面に４枚のミラーを組み合わせたライトトンネル、ガラス等の透明な材料で角柱を形成したロッドインテグレータ、フライアイレンズ等が用いられる。例えば、光均一化素子３０としてライトトンネルを適用した場合、画像形成素子５０のアスペクト比とほぼ同じにして、ライトトンネルの出口の形を画像形成素子５０の面上に投影する形とするので、画像形成素子５０の面上に無駄なく効率よく照明することができる。

照明光学系４０は、光均一化素子３０が均一化した光で画像形成素子５０を略均一に照明する。照明光学系４０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５０は、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル等のライトバルブを有している。画像形成素子５０は、照明光学系４０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光を形成する。なお、本実施形態においては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いたプロジェクタ（画像投射装置）１の例を示すが、これに限定されるものではない。

制御装置８０は、画像形成素子５０の面を画素単位で、画像形成素子５０に照射された照明光を入力画像に応じて反射あるいは透過するなどしてスイッチングし、投射光学系６０へと導く。

投射光学系６０は、画像形成素子５０が形成した画像光をスクリーン（被照射部材）７０に拡大投射する。投射光学系６０は、例えば、１枚以上のレンズを有している。投射光学系６０は、画像形成素子５０の面の像を、所望のスクリーン（被照射部材）７０の位置に拡大像として結像するような共役関係としているので、画像形成素子５０の面上に空間変調された画像光を拡大投射して映し出す。

加えて、光均一化素子３０の光の出口には、少なくとも青光、緑光、赤光成分を取り出すようにカラーフィルタを切り替える機能を有したカラーホイール９０を設けている。カラーホイール９０は、蛍光光から所望の色成分を取り出すカラーフィルタを備えている。カラーホイール９０は、光源部２０Ａおよび光源部２０Ｂそれぞれに用いられている波長変換部である波長変換素子２６（図３等参照）の回転と、カラーホイール９０の回転を同期し、カラーフィルタ切り替えを同期駆動させるとともに、それら切り替えのタイミングに応じて画像形成素子５０の面上の画像を表示することで、単色の画像を順次に表示する。このような切り替え時間は目の応答速度より早いため、カラー画像として認識されることになる。

より詳細には、カラーホイール９０は、カラーフィルタを順次切り替えることによって、蛍光光から、必要な色成分、例えば緑色成分や赤色成分を時間分割にて取り出す。このようにカラーフィルタを順次切り替えるには、カラーフィルタごとにセグメントを設けて、回転モータによって回転させて、順次所望のカラーフィルタが切り替わるようにすればよい。

ここで、図２はカラーホイール９０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、カラーホイール９０は、青色領域Ｂ、黄色領域Ｙ、赤領域Ｒ、緑領域Ｇの４つに別れている。青領域Ｂは、波長変換素子２６の青反射領域Ａ３（図７参照）に対応し、黄色領域Ｙ、赤領域Ｒ、緑領域Ｇは、波長変換素子２６の蛍光体領域Ａ１，Ａ２（図７参照）にそれぞれ対応するように、同期される。

青色領域Ｂは、透過拡散板を配置することにより、レーザ光源のコヒーレンスを低減することが可能となり、スクリーン（被照射部材）７０上でのスペックルを低減させることができる。黄色領域Ｙは、波長変換素子２６の蛍光体領域から発光する黄色の波長領域の光をそのまま透過させる。また、赤領域Ｒ、緑領域Ｇは、それぞれダイクロイックミラーを用いることにより、黄色の波長域の光から不要な波長域の光を反射させ、純度の高い色の光を得る。

カラーホイール９０において作られた各色は、照明光学系４０を通して画像形成素子５０に導かれる。画像形成素子５０は、各色に対応した画像を形成する。そして、画像形成素子５０が形成した画像は、投射光学系６０によってスクリーン（被照射部材）７０に拡大投影される。

ここで、図３は光源部２０Ａの構成を示す模式図である。なお、光源部２０Ｂも同様の構成である。

光源部２０Ａ（２０Ｂ）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と、レーザ光源（励起光源）２１を構成するそれぞれの光源に対応して設けられたコリメータレンズ２２と、第１の光学系２３と、光路分岐素子である偏光ビームスプリッタ２４と、１／４波長板３７と、第２の光学系（集光光学系）２５と、波長変換プレートである波長変換素子２６と、第３の光学系２７と、を有している。第１の光学系２３を構成しているのは、正レンズ２３ａと、負レンズ２３ｂと、シリンドリカルレンズアレイ２８と、シリンドリカルレンズ２９と、である。レーザ光源２１の各光源から射出される青色レーザ光（第１の色光）を波長変換素子２６へ射出する第２の光学系２５を構成しているのは、２つの正レンズ２５ａ，２５ｂである。例えば、光源装置２０のうち、レーザ光源２１および波長変換素子２６を除いた構成要素によって「光源光学系」が構成される。光源部２０Ａ（２０Ｂ）は、上述の各部を、レーザ光源２１から射出する励起光である青色レーザ光（第１の色光）の伝搬順に配置する。

レーザ光源２１は、複数の光源（発光点）を有している。レーザ光源２１としては、発光点が二次元アレイ上に並んだレーザダイオードが用いられる。ここで、図４はレーザ光源２１の構成例を示す図、図５はレーザ光源２１の各光源から射出される光の発散角を模式的に示す図である。図３では、上下方向に並ぶ４個の光源を描いているが、実際には、図４に示すように、４個の光源が紙面直交方向（奥行方向）に５列に並んでおり、４×５＝２０個の光源が二次元的に配列されている。レーザ光源２１の各光源は、波長変換素子２６が備える蛍光体を励起させる励起光として、例えば発光強度の中心波長が４５５ｎｍの青色帯域の光（青色レーザ光）を射出する。なお、レーザ光源２１は、ハニカム状や円環状など、矩形配列でなくてもよい。

図５に示すように、レーザ光源２１の各光源は、２つの直交する方向において発散角が異なる。図５に示すように、発散角が最大になる方向をＸ方向（第１の方向）、最小となる方向をＹ方向（第２の方向）とし、それぞれの方向の発散角をθｘ、θｙとする。図５に示すように、互いに直交する２方向において発散角が異なる光源、例えば半導体レーザ等を結像させると、スポット形状はニアフィールドパターンを反映し、発散角が大きい方向を短軸とする楕円形もしくは矩形となる。

光源としては、例えば金属ブロックにレーザダイオードが配置されたもの、または、一つの基板上にアレイ状にレーザダイオードチップを並べたマルチチップ品を用いることができる。なお、本実施形態では、光源としてマルチチップ品を用いることができるとしているが、これに限るものではなく、ＣＡＮタイプのレーザをアレイ状に並べたものなどを用いることも可能である。

レーザ光源２１の各光源から射出される青色レーザ光（第１の色光）は、偏光状態が一定の直線偏光であり、偏光ビームスプリッタ２４に対してＳ偏光となるように配置されている。ここで、Ｓ偏光となるように入射させるとしたが、Ｐ偏光やその他の偏光状態としてもよい。レーザ光源２１の各光源から射出される青色レーザ光は、コヒーレント光である。また、レーザ光源２１の各光源から射出される励起光は、波長変換素子２６が備え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、青色帯域の光に限定されるものではない。

なお、レーザ光源２１は、複数の光源を用いることを例として示しているが、単一のレーザ光源でもよい。また、レーザ光源２１としては、基板上にアレイ状に配置した光源ユニットを使用してもよいが、これに限定されるものではない。

コリメータレンズ２２は、レーザ光源２１の２０個の光源に対応して２０個設けられている。各コリメータレンズ２２は、レーザ光源２１の各光源が射出した励起光を略平行光となるように調整する。コリメータレンズ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。

ここで、図６はレーザ光源２１の各光源とコリメータレンズ２２との関係を示す図である。コリメータレンズ２２の入射面までの距離をＬ、レーザ光源２１の各光源の発散角のうち最大となる発散角の方向をＸ方向としたときに、Ｘ方向の発散角をθｘ、Ｘ方向の発光点のピッチをＰｘとしている。

複数のレーザ光源２１より射出された励起光は、レーザ光源２１の各光源に対応したコリメータレンズ２２により略平行光となる。略平行光となった励起光は、第１の光学系２３に入射する。第１の光学系２３の光軸は、レーザ光源２１のアレイの中心を通るように配置される。つまり、主光線は、第１の光学系２３の光軸と一致する。励起光の光束は、第１の光学系２３により縮小され、第１の光学系２３の光軸に対して４５度の角度で配置された偏光ビームスプリッタ２４へと導かれる。

なお、本実施形態においては、偏光ビームスプリッタ２４を４５度の角度で配置した構成を示しているが、他の角度でもよい。

偏光ビームスプリッタ２４は、第１の光学系２３から射出した励起光（第１の色光）を第２の光学系２５に導く。また、偏光ビームスプリッタ２４は、波長変換素子２６から射出した蛍光光（第２の色光）を透過する。より詳細には、偏光ビームスプリッタ２４は、平行平板形状のガラス板である。偏光ビームスプリッタ２４は、第１の光学系２３から導かれた励起光の波長帯域のＳ偏光（第１の偏光成分）を反射し、第１の光学系２３から導かれた励起光の波長帯域のＰ偏光（第２の偏光成分）および波長変換素子２６からの蛍光光（第２の色光）を透過するようなコートを、入射面側に施している。

偏光ビームスプリッタ２４は、その中心を第２の光学系２５の光軸に対してシフトさせ、励起光を波長変換素子２６の法線に対して傾いて入射する。すなわち、第１の光学系２３より射出された励起光は、偏光ビームスプリッタ２４で折り返される。

なお、本実施の形態では、反射型光学素子として平板状の偏光ビームスプリッタ２４を用いているが、プリズムタイプを用いることも可能である。また、本実施の形態では、偏光ビームスプリッタ２４が、励起光の波長帯域のＳ偏光を反射してＰ偏光を透過しているが、これとは逆に、励起光の波長帯域のＰ偏光を反射してＳ偏光を透過するようにしてもよい。また、反射型光学素子は、単なるミラーであってダイクロイックミラーのような波長特性を持つものでも、ＤＯＥのような回折光学素子でもよい。

図３に示すように、偏光ビームスプリッタ２４により反射された励起光は、１／４波長板３７により円偏光へと変換される。円偏光へと変換された光は、集光光学系である第２の光学系２５へと入射する。第２の光学系２５を通過した励起光は、波長変換素子２６へ導かれる。励起光は、波長変換素子２６に対して入射することにより、所望の集光スポットを波長変換素子２６上に形成する。波長変換素子２６の青反射領域Ａ３（図７参照）で反射された励起光は、再び第２の光学系２５を通過した後、１／４波長板３７に入射してＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換された励起光は、偏光ビームスプリッタ２６を透過した後、第３の光学系２７を透過し、光路合成素子２０Ｃで偏向され、光均一化素子３０に入射する。光均一化素子３０は、入射した光を均一化する。

また、図３に示すように、波長変換素子２６の蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２：図７参照）は、励起光が入射すると、励起光を受けて波長変換された蛍光光を蛍光分子の周辺３６０度において発する。波長変換素子２６の蛍光体領域において発される蛍光光は黄色または緑色の成分を含む。また、波長変換素子２６の基板２６ａ（図８参照）の表面（基板面）で反射された励起光は、再び蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２）を通過して、蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２）の表面側にランバート分布にて蛍光光を発する。波長変換素子２６の蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２）で発せられた蛍光光は、光路合成素子２０Ｃ（図３では省略する）を介して光均一化素子３０に導かれる。より詳細には、蛍光光は、第２の光学系２５により略平行光とされ、１／４波長板３７を透過し、第３の光学系２７により光均一化素子３０近傍に集光するように屈折され、光路合成素子２０Ｃで偏向され、光均一化素子３０に入射する。

図７は、波長変換素子２６の構成の一例を示す平面図である。本実施の形態にかかる波長変換素子２６は、図７に示すように、円盤状である。波長変換素子２６は、波長変換部材（蛍光体）２６ｆを備える変換領域である黄蛍光体領域（第１波長変換領域）Ａ１、波長変換部材（蛍光体）２６ｇを備える変換領域である緑蛍光体領域（第２波長変換領域）Ａ２、およびレーザ光源（励起光源）２１から射出された光を反射させる青反射領域（言い換えると、レーザ光源（励起光源）２１から受光した光の波長を変換することなく射出する無変換領域）Ａ３の３つのセグメントが、所望の角度で円盤状のプレートの周辺に帯状に形成された波長変換プレートである。

黄蛍光体領域Ａ１は、例えば、青色レーザ光を励起光として受けて黄色の波長帯域の蛍光光を発する黄色の蛍光体２６ｆにより形成されている。緑蛍光体領域Ａ２は、例えば、青色レーザ光を励起光として受けて緑色の波長帯域の蛍光光を発する緑色の蛍光体２６ｇにより形成されている。

なお、本実施形態においては、黄蛍光体領域Ａ１と緑蛍光体領域Ａ２との二種の蛍光体を用いたが、これに限るものではない。例えば、黄蛍光体領域Ａ１のみでも構わないし、赤蛍光体領域をさらに追加してもよい。また、波長変換素子２６は、青反射領域Ａ３を複数備えるようにしてもよい。

そして、円盤状の波長変換素子２６は、制御装置８０に制御される駆動部により高速に回転駆動されることで、黄蛍光体領域Ａ１と緑蛍光体領域Ａ２と青反射領域Ａ３とを周期的に順次移動することができる。なお、駆動部は、通常は回転モータＭが好ましい。そして、波長変換素子２６は、駆動部による回転駆動に伴って、レーザ光源（励起光源）２１から光が照射される位置である集光スポットにおいて黄蛍光体領域Ａ１と緑蛍光体領域Ａ２と青反射領域Ａ３とが入れ替わり、波長が異なる光を時分割で射出する。

このように円盤状の波長変換素子２６を回転させることで、一箇所に励起光が照射され続けることによる焼け等を防ぎ、かつ、駆動することにより、蛍光体を冷却することができる。

なお、光源部２０Ａ（２０Ｂ）は、波長変換素子２６のホイールまたは当該ホイールを支持して回転している部材に、光吸収または反射部材を配置し、フォトカプラーで検出するなどして二つの波長変換素子２６の回転速度を同一にする。

図８は、波長変換素子２６の断面を示す図である。波長変換素子２６の基板２６ａとしては、透明基板やアルミニウムのような金属基板を用いることができる。ただし、波長変換素子２６の基板２６ａは、金属基板に限定するものではない。

励起光を反射する青反射領域Ａ３においては、例えば励起光により高い反射率を有する反射コート２６ｂを基板２６ａ上に形成してもよく、また、前述の通り金属基板とすることで反射領域とすることができる。

蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２）においては、基板２６ａ上に蛍光体２６ｆ，２６ｇからの発光光の波長領域の光を反射させる反射コート２６ｂと、蛍光体２６ｆ，２６ｇと、蛍光体表面での反射を低減する反射防止コート（ＡＲコート）２６ｃと、を順に備える。ただし、蛍光体領域（黄蛍光体領域Ａ１および緑蛍光体領域Ａ２）の構成は、これに限るものではない。なお、基板２６ａを金属基板とした場合、反射コート２６ｂを省くことも可能である。

蛍光体２６ｆ，２６ｇとしては、蛍光体材料を有機または無機のバインダー内に分散させたものや、蛍光体材料の結晶を直接形成したものでもよい。また、蛍光体材料としては、例えばＣｅ：ＹＡＧ系のなどの希土類蛍光体を用いることができるが、これに限定したものではなく、燐光体や非線形光学結晶などを用いてもよい。

蛍光体より発光する蛍光光の波長帯域は、例えば黄色や青、緑、赤の波長帯域のものを用いることができるが、本実施形態においては黄色の波長帯域および緑色の波長帯域を有する蛍光光を用いる場合について示している。

続いて、第１の光学系２３が備える、シリンドリカルレンズアレイ２８と、シリンドリカルレンズ２９と、について説明する。

ここで、図９は波長変換素子２６の表面に形成されるスポットを例示的に示す図である。図５で説明したように、レーザ光源２１において互いに直交する２方向において発散角が異なる光源を複数用いた場合において、発散角が大きい方向に光源を並べた場合、互いの光線、コリメータレンズ２２が干渉しないように配置する必要があるため、レーザ光源２１の各光源の間隔を広げる必要がある。そのため、図９（ａ）に示すように、波長変換素子２６の表面に形成されるスポットは、飛び飛びのスポットとなってしまう。なお、図１においては、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ光源を４つずつ配置した一例を示すがこれに限るものではない。

そこで、本実施形態においては、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれ異なる曲率を有していてＸ方向にアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）を有する光学素子であるシリンドリカルレンズアレイ２８を、レーザ光源２１と第２の光学系２５との間に形成することで、図９（ｂ）に示すように、波長変換素子２６上のスポットをＸ方向に広げるようにしたものである。これにより、より均一なスポットを波長変換素子２６上に形成することができ、波長変換素子２６の波長変換効率の向上や焼け等を防ぐことができる。

ここで、図１０はレーザ光源２１から波長変換素子２６までの光学系における光束を示す模式図である。なお、図１０では、直線上に並んだ光学系を記載しているが、図３などに示すように、実際には偏光ビームスプリッタ２６を配置して光を折り曲げる構成であることはいうまでもない。

図１０に示すように、第１の光学系２３は、励起光の入射側から、正レンズ２３ａ、負レンズ２３ｂ、シリンドリカルレンズアレイ２８、シリンドリカルレンズ２９で構成される。シリンドリカルレンズアレイ２８は、レーザ光源２１の各光源の発散角が大きいＸ方向（図４参照）に曲率（屈折力）を有していて、Ｘ方向に並んだシリンドリカルレンズアレイである。シリンドリカルレンズアレイ２８は、Ｘ方向の屈折力のほうがＹ方向の屈折力よりも強い複数の光学要素（球面レンズ）がＸ方向に配列されたシリンドリカル面を有している。シリンドリカルレンズ２９は、レーザ光源２１の各光源の発散角が小さいＹ方向に曲率（屈折力）を有しているシリンドリカルレンズである。シリンドリカルレンズ２９を配置することにより、波長変換素子２６上のＹ方向のスポットサイズを調整することが可能となる。

図１０に示すように、第２の光学系２５は、正のパワー（屈折力）を有する非球面レンズである正レンズ２５ａと、正のパワー（屈折力）を有する平凸レンズである正レンズ２５ｂとで構成される。

なお、本実施形態においては、第１の光学系２３は、正レンズおよび負レンズを１枚ずつ用いた構成としているが、正レンズ１枚での構成でもよく、適宜レンズ枚数を増やしてもよい。

なお、本実施形態においては、第１の光学系２３にシリンドリカルレンズアレイ２８およびシリンドリカルレンズ２９を配置したが、これに限るものではなく、例えばコリメータレンズ２２の直後、正レンズ２３ａと負レンズ２３ｂとの間に、配置してもよい。シリンドリカルレンズアレイ２８およびシリンドリカルレンズ２９は、第１の光学系２３の光軸方向の中心位置よりも波長変換素子２６に近い側（レーザ光源２１から波長変換素子２６への励起光の光路において波長変換素子２６側）に、配置してもよい。このようにシリンドリカルレンズアレイ２８およびシリンドリカルレンズ２９を配置することで、小型化を図ることができる。

なお、本実施形態においては、第１の光学系２３内で最も波長変換素子２６側にシリンドリカルレンズアレイ２８およびシリンドリカルレンズ２９を配置した。このようにシリンドリカルレンズアレイ２８およびシリンドリカルレンズ２９を第１の光学系２３内で最も波長変換素子２６側とすることにより、シリンドリカルレンズアレイ２８の小型化が可能になるため、低コスト化、光学系の小型化を図ることが可能となる。

図１０に示すように、第１の光学系２３の光軸に平行な光線が第１の光学系２３に入射した場合、第１の光学系２３からの射出光は、第１の光学系２３の光軸に近づくように伝搬し、第２の光学系２５に入射する。これにより、波長変換素子２６のレーザ光源２１側に集光点を形成し、波長変換素子２６上のスポットをボケさせることが可能となる。ここで光軸とは、複数のレンズ球心間を結んだ線のことを言う。このように、集光点を波長変換素子２６の青色レーザ光（第１の色光）の射出方向上流側に形成することにより、波長変換素子２６上で均一なスポット形状を得ることが可能になる。

図１１および図１２は、レーザ光源２１の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。図１１はＸＺ面、図１２はＹＺ面をそれぞれ表している。

図１１に示すように、レーザ光源２１は、各光源の発散角がＸ方向に大きいような配置とする。図１１に示すように、レーザ光源２１の各光源から射出された光線は、第１の光学系２３の正レンズ２３ａおよび負レンズ２３ｂを通過した後、それぞれの光源に対応したアレイ状の正のパワー（屈折力）を有したシリンドリカルレンズアレイ２８に入射し、第１の光学系２３の光軸に近づく方向に収束させられる。

なお、本実施形態においてはシリンドリカル面を有するシリンドリカルレンズアレイ２８としているが、アナモフィック面を有するものであってもよい。

また、本実施形態においては、光学要素（球面レンズ）がＸ方向に配列されたシリンドリカル面を有しているシリンドリカルレンズアレイ２８としているが、光学要素を非球面とすることもできる。その場合は、シリンドリカルレンズアレイ２８の光軸付近に比べて、周辺は負のパワー（屈折力）が強い非球面形状とすることで、波長変換素子２６上のスポットのエッジを立たせることが可能となる。すなわち、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のアレイ状に並んだ光学要素を非球面形状とすることで、中心に比べ周辺のほうが負のパワー（屈折力）を強くすることにより、波長変換素子２６上のスポットの周辺部のボケ量を抑えることができるため、後段の光学系でのケラレをなるべくなくすことが可能となり、高効率化、小型化をすることが可能になる。

さらに、本実施形態においてはレンズであるシリンドリカルレンズアレイ２８としているが、曲面ミラーとすることも可能である。さらに、本実施形態においてはレンズであるシリンドリカルレンズアレイ２８としているが、曲面ミラーとすることも可能である。

シリンドリカルレンズアレイ２８によって第１の光学系２３の光軸に近づく方向に収束させた光線は、Ｘ方向にパワー（屈折力）を有さないシリンドリカルレンズ２９を通過し、第２の光学系２５に入射する。それぞれの光線は、第２の光学系２５内に集光点を形成し、波長変換素子２６に入射する。

図１２はレーザ光源２１の各光源の発散角が小さい側、つまりＹ方向に関する光路を示している。図１２に示すように、レーザ光源２１の各光源から射出された光線は、第１の光学系２３の正レンズ２３ａおよび負レンズ２３ｂを通過し、Ｙ方向にはパワー（屈折力）を有さないシリンドリカルレンズアレイ２８に入射し、第１の光学系２３の光軸に近づく方向に収束させられる。その後、正のパワー（屈折力）を有するシリンドリカルレンズ２９を通過し、第２の光学系２５に入射する。それぞれの光線は、第２の光学系２５内に集光点を形成し、波長変換素子２６に入射する。

本実施形態においては、第１の光学系２３を構成する正レンズ２３ａと負レンズ２３ｂとの間隔と、シリンドリカルレンズアレイ２８の曲率を最適化することで、波長変換素子２６上のスポットサイズを最適化する。

ここで、図１３はシリンドリカルレンズアレイ２８を例示的に示す図である。図１３に示すように、第１の光学系２３の光軸に最も近い光学要素（球面レンズ）、つまりシリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の中央の２つの光学要素（球面レンズ）の曲率半径をＲ１、周辺の光学要素（球面レンズ）の曲率半径をＲ２とする。そして、Ｒ１がＲ２よりも小さく設定される。また、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の中央の２つのシリンドリカル面の頂点間の距離をＰ１、その周辺のシリンドリカル面の頂点間の距離をＰ２とする。そして、Ｐ１がＰ２よりも大きく設定される。

第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源以外の光源においては、波長変換素子２６上のスポットのボケ量が大きくなる。そこで、本実施形態においては、第１の光学系２３の光軸に最も近い光学要素（球面レンズ）の曲率半径を、それ以外の光学要素（球面レンズ）の曲率半径に比べて小さくすることで、第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源のボケ量を大きくし、波長変換素子２６上のスポットを均一化する。

また、図１４はシリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の頂点間の距離の違いに基づくスポットの例を示す図である。第２の光学系２５の収差により、第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源の波長変換素子２６上のスポット間距離は短くなる。そこで、本実施形態においては、図１４（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ２８のアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）のピッチを変えることで、スポットの重なりを減らすことができ、よりエネルギー密度を均一化する。

更に、シリンドリカルレンズアレイ２８をレーザ光源２１の各光源に対して偏心させることにより、励起光を、第１の光学系２３の光軸に対して角度をもってシリンドリカルレンズアレイ２８のアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）に入射させる。これにより、スポット形状を偏らせることができるため、波長変換素子２６上の各スポットの重なり量を減らすことができ、より均一化することが可能となる。

ここで、図１５は波長変換素子２６上のスポットの様子を例示的に示す図である。図１５（ａ）はシリンドリカルレンズアレイ２８を用いない場合、図１５（ｂ）がシリンドリカルレンズアレイ２８を用いた場合を示す。図１５においては、白い部分は強度が強い部分、黒い部分は強度の弱い部分を示している。なお、図１５（ａ）および図１５（ｂ）における強度のレンジは、同じである。

図１５（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ２８を用いない場合では、レーザ光源２１の各光源の配置を反映したプロファイルを示し、強度の均一化が不十分である。これに対し、図１５（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ２８を用いた場合では、レーザ光源２１の各光源のプロファイルがボケることにより、全体的に均一なプロファイルを得られており、波長変換素子２６の波長変換効率を向上させることが可能になる。

このようにＸ方向に少なくとも３つの光源を有し、Ｘ方向にアレイ状に並んだシリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の頂点のうち、第１の光学系２３の光軸に最も近い光学要素（球面レンズ）とそれ以外の光学要素（球面レンズ）のパワー（屈折力）を異ならせる。これにより、Ｘ方向に並んだ３つの光源のうち、第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源に対して、それ以外の位置に配置される光源の波長変換素子２６上のスポットは、第２の光学系２５の収差の影響を受けるため、ボケ量が異なる。曲率半径を異ならせることにより、光軸に近い光源と周辺の光源の波長変換素子２６上のボケ量を所望のボケ量にすることができ、より均一化をすることができ、波長変換素子２６の波長変換効率向上をすることが可能となる。

また、第１の光学系２３の光軸に最も近い光学要素（球面レンズ）のパワー（屈折力）をそれ以外に比べて大きくすることで、第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源のボケ量を大きくすることができ、波長変換素子２６上のスポットを均一化することが可能となる。

また、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）のＹ方向はパワー（屈折力）を有さないことにより、低コスト化が可能となる。

また、Ｘ方向に少なくとも４つの光源を有する場合において、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）のうち、光軸に近い光学要素（球面レンズ）間の距離Ｐ１よりも、周辺の光学要素（球面レンズ）間の距離Ｐ２のほうを短くする。これは、第２の光学系２５の収差により、第１の光学系２３の光軸を含みＸ方向と垂直な面に最も近い光源の波長変換素子２６上のスポット間距離が短くなるためである。このように、アレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）のピッチを変えることで、スポットの重なりを減らすことができ、よりエネルギー密度を均一化することができる。更に、光源に対して偏心させることにより、スポット形状を偏らせることができるため、各スポットの重なり量を減らすことができ、より均一化することが可能となる。

また、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）は、正のパワー（屈折力）を有する。これにより、第２の光学系２５へ収束光として入射させる第１の光学系２３に正のパワー（屈折力）をもたせることにより、ボケさせることが可能になる。

このように本実施形態によれば、第２の光学系２５へ収束光として励起光を入射させることにより、波長変換素子２６上のスポットをボケさせることにより、波長変換素子２６において励起光（第１の色光）を蛍光光（第２の色光）に効率的に変換し、光の利用効率を向上させることができる。

次に、いくつか変形例を挙げて説明する。

（変形例１）
まず、変形例１について説明する。図１６および図１７は、変形例１にかかるレーザ光源２１の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。図１６はＸＺ面、図１７はＹＺ面をそれぞれ表している。図１６および図１７に示すように、変形例１は、レーザ光源２１の光源のＸ方向の配列が３列になっているものである。そして、図１６に示すように、レーザ光源２１のＸ方向の光源数が３つになっているため、シリンドリカルレンズアレイ２８のアレイ数が３となっている。

図１８は、変形例１にかかるシリンドリカルレンズアレイ２８を例示的に示す図である。図１８に示すように、第１の光学系２３の光軸に最も近い光学要素（球面レンズ）、つまりシリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の中央の２つの光学要素（球面レンズ）の曲率半径をＲ１、周辺の光学要素（球面レンズ）の曲率半径をＲ２とする。そして、Ｒ１がＲ２よりも小さく設定される。また、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のそれぞれの光学要素（球面レンズ）の頂点の距離をＰ１とする。このようにすることによっても、波長変換素子２６上でのプロファイルを均一化することが可能となる。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。図１９および図２０は、変形例２にかかるレーザ光源２１の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。図１９はＸＺ面、図２０はＹＺ面をそれぞれ表している。図１９および図２０に示すように、変形例２は、レーザ光源２１の光源のＸ方向の配列が２列になっているものである。そして、図１９に示すように、レーザ光源２１のＸ方向の光源数が２つになっているため、シリンドリカルレンズアレイ２８のアレイ数が２となっている。

図２１は、変形例２にかかるシリンドリカルレンズアレイ２８を例示的に示す図である。図２１に示すように、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面の２つの光学要素（球面レンズ）の曲率半径はいずれもＲ１とする。また、シリンドリカルレンズアレイ２８のシリンドリカル面のそれぞれの光学要素（球面レンズ）の頂点の距離をＰ１とする。このようにすることによっても、波長変換素子２６上でのプロファイルを均一化することが可能となる。

（変形例３）
次に、変形例３について説明する。図２２は変形例３にかかる光源部２０Ａの構成を示す模式図である。なお、光源部２０Ｂも同様の構成である。図２２に示すように、変形例３においては、レーザ光源２１の各光源が、射出される励起光（第１の色光）が偏光ビームスプリッタ２４に対してＰ偏光となるように配置されている。そして、偏光ビームスプリッタ２４は、蛍光光を反射するとともに、励起光を透過する構成となっている。

図２２に示すように、偏光ビームスプリッタ２４を透過した励起光は、１／４波長板３７および第２の光学系２５を介して波長変換素子２６に導かれる。波長変換素子２６から反射された励起光と励起光により変換された蛍光光は、偏光ビームスプリッタ２４により反射されて、第３の光学系２７へと導かれる。

（変形例４）
次に、変形例４について説明する。図２３は変形例４にかかる波長変換素子２６の構成の一例を示す平面図、図２４は変形例４にかかる波長変換素子２６の断面を示す図である。図２３に示すように、変形例の波長変換素子２６は、波長変換素子２６の領域が分割されておらず、円周方向に単一の蛍光体領域Ａ４を有している。

図２４に示すように、波長変換素子２６は、基板２６ａ上に蛍光光と励起光の波長領域を反射する反射コート２６ｂと、蛍光体２６ｆと、励起光の一部を反射して蛍光光と励起光の一部を透過する反射コート２６ｄと、が形成されている。蛍光体２６ｆとしては、蛍光体材料を有機または無機のバインダー内に分散させたものや、蛍光体材料の結晶を直接形成したものでもよい。また、蛍光体材料としては、例えばＣｅ：ＹＡＧ系のなどの希土類蛍光体を用いることができるが、これに限定したものではない。蛍光体より発光する光の波長帯域は、例えば黄色とすることで、励起光の青色と組み合わせることで白色光を得ることができる。本実施形態においては、入射側面を反射コート２６ｄとしているが、拡散面などであってもよい。

波長変換素子２６の反射コート２６ｂで反射された励起光は、再び第２の光学系２５を通過し、第２の光学系２５より射出された励起光は、１／４波長板３７に入射し、Ｐ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換された励起光は、偏光ビームスプリッタ２４を透過し、後段の照明光学系に入射する。

また、波長変換素子２６の蛍光体２６ｆに励起光が入射することにより射出される蛍光光は、第２の光学系２５により略平行光とされ、１／４波長板３７および偏光ビームスプリッタ２４を透過し、後段の照明光学系に入射する。

このように本実施形態によれば、カラーホイール９０および第３の光学系２７を省略可能である。このように部品数を削減した安価な構成であっても、均一なスポットを波長変換素子２６上に結像することができ、波長変換素子２６の光変換効率を向上させることが可能になる。

（変形例５）
次に、変形例５について説明する。図２５は変形例５にかかる光源部２０Ａの構成を示す模式図である。なお、光源部２０Ｂも同様の構成である。図２５に示すように、変形例５においては、偏光ビームスプリッタ２４に代えてダイクロイックミラー３１を備えるとともに、固体光源のレーザ光源である光源３２および第４の光学系３３を備える。なお、光源３２は、ここではレーザ光源としているが、発光ダイオードなどを用いることも可能である。

第１の光学系２３を通過した励起光は、ダイクロイックミラー３１へと導かれる。ダイクロイックミラー３１は、励起光の波長帯域の光と光源３２の波長域の光とを反射するとともに、波長変換素子２６の蛍光体より発生する蛍光光を透過するようなコートが施されている。なお、変形例５においては、励起光を反射、蛍光光を透過としているが、蛍光光を反射、励起光を透過するコートとしてもよい。

ダイクロイックミラー３１により反射された励起光は、第２の光学系２５により波長変換素子２６へ導かれる。

図２６は変形例５にかかる波長変換素子２６の構成の一例を示す平面図、図２７は変形例５にかかる波長変換素子２６の断面を示す図である。図２６に示すように、変形例の波長変換素子２６は、波長変換素子２６の領域が分割されておらず、円周方向に単一の蛍光体領域Ａ４を有している。

図２７に示すように、波長変換素子２６は、基板２６ａ上に蛍光光と励起光の波長領域を反射する反射コート２６ｂと、蛍光体２６ｆと、蛍光体表面での反射を低減する反射防止コート（ＡＲコート）２６ｃと、が形成されている。

波長変換素子２６の蛍光体に励起光が入射することにより射出される蛍光光は、第２の光学系２５により略平行光とされ、ダイクロイックミラー３１を透過し、照明光学系に入射する。

また、励起光とは別に用意された光源３２から、例えば青色の波長域の光が射出され、第４の光学系３３により略平行光となってダイクロイックミラー３１に入射する。そして、光源３２から射出された光は、ダイクロイックミラー３１により反射され、照明光学系に入射する。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。

第２の実施の形態は、第１の光学系２３内に拡散板を挿入している点が、第１の実施の形態と異なるものとなっている。以下、第２の実施の形態の説明では、第１の実施の形態と同一部分の説明については省略し、第１の実施の形態と異なる箇所について説明する。

図２８および図２９は、第２の実施の形態にかかるレーザ光源２１から波長変換素子２６までの光学系における光線の光路を示す模式図である。図２８はＸＺ面、図２９はＹＺ面をそれぞれ表している。

図２８および図２９に示すように、本実施形態においては、第１の光学系２３は、負レンズ２３ｂと、シリンドリカルレンズアレイ２８との間に、半値幅が１度の拡散部材である拡散板３４を備える。本実施形態においては、拡散板３４の拡散角を１度としているが、入射させる励起光を強くする場合は拡散角を更に大きくし、３．５度程度とすることで、蛍光体の効率低下と後段の光学系でのケラレのバランスをとることができ、プロジェクタ１全体の効率を向上させることができる。

なお、本件特許出願の発明者は、拡散板３４の拡散角の半値幅が３．５度を超えると、均一化により波長変換素子２６の波長変換効率は向上するが、後段の光学系でのケラレが大きくなり、プロジェクタ１全体の効率は低下してしまうことを見いだした。また、半値幅が０．５度以下では拡散板３４の制作が困難である。

そこで、本実施形態においては、拡散板３４の拡散角の半値幅をθｄとしたときに以下の条件式（１）を満足するものとする。
０．５ ＜ θｄ ＜ ３．５ ・・・ （１）

このように拡散板３４を配置することにより、ボケ量を増やすことができ、効率を向上させることができる。条件式（１）の上限を上回ると、波長変換素子２６上のスポットをより均一化することができるが、スポットのボケ量が大きくなり、後段の光学系でのケラレが発生するため、プロジェクタ全体での効率低下を招く。条件式（１）の下限を下回ると、後段の光学系でのケラレを抑制することが可能になるが、拡散の効果が足りなくなる。

また、本実施形態においては、励起光源の発散角が最大となる方向をＸ方向としたときに、Ｘ方向の発散角をθｘ、Ｘ方向の励起光源の発光点のピッチをＰｘ、コリメータレンズ２２とレーザ光源２２の射出側面との距離をＬとしたときに、以下の条件式（２）を満たすものとする。
０．５ ＜Ｐｘ／Ｌｔａｎθｘ＜２ ・・・ （２）
上記条件式（２）を満たすことにより、各発光点のプロファイル間距離が小さくなるため、全体でのプロファイルが密な状態となり、蛍光体上に縮小したときに均一なプロファイルを得られ、波長変換素子２６の波長変換効率を向上させることができる。

なお、条件式（２）の上限を上回ると、各発光点の距離が大きくなるため、各発光点のプロファイル間の距離が大きくなり、波長変換部材２６上において所望のスポットサイズとしたい場合に縮小率が大きくなるため、各発光点の像が小さくなり、波長変換部材２６上の集光密度が大きくなり、波長変換効率が低下してしまう。一方、条件式（２）の下限を下回ると、波長変換部材２６上で均一なプロファイルを得やすいが、隣接するコリメータレンズ２２に各発光点からの光が入射し、消耗の方向ではない方向に光線の一部が進んでしまうため、迷光となるばかりか、光学系の効率が低下してしまう。

ここで、図３０は波長変換素子２６上のスポットの様子を例示的に示す図である。図３０（ａ）はシリンドリカルレンズアレイ２８のみを用いた場合、図３０（ｂ）が拡散板３４およびシリンドリカルレンズアレイ２８を用いた場合を示す。図３０においては、白い部分は強度が強い部分、黒い部分は強度の弱い部分を示している。なお、図３０（ａ）および図３０（ｂ）における強度のレンジは、同じである。

図３０（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ２８のみを用いた場合、レーザ光源２１の各光源のプロファイルがボケることにより、全体的に均一なプロファイルを得られており、波長変換素子２６の波長変換効率を向上させることが可能になる。一方、図３０（ｂ）に示すように、拡散板３４およびシリンドリカルレンズアレイ２８を用いた場合では、さらにボケ量を増やすことができ、波長変換素子２６の波長変換効率をさらに向上させることができる。

このように本実施形態によれば、波長変換素子２６の波長変換効率をさらに向上させることができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。

第３の実施の形態は、シリンドリカルレンズアレイ２８をレーザ光源２１の各光源に対して偏心させている点が、第１の実施の形態および第２の実施の形態と異なるものとなっている。以下、第３の実施の形態の説明では、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同一部分の説明については省略し、第１の実施の形態および第２の実施の形態と異なる箇所について説明する。

ここで、図３１は第３の実施の形態にかかる光源部２０Ａの構成を示す模式図である。なお、光源部２０Ｂも同様の構成である。また、図３２はレーザ光源２１から波長変換素子２６までの光学系における光束を示す模式図である。なお、図３２では、直線上に並んだ光学系を記載しているが、図３１に示すように、実際には光を折り曲げる構成である。

第３の実施の形態では、図３２に示すように、第１の光学系２３の光軸と第２の光学系２５の光軸を光軸とを垂直方向に偏心させ、励起光が第２の光学系２５の片側から入射するように配置させている。ただし、第３の実施の形態において、第１の光学系２３と第２の光学系２５の光軸を一致させた場合の光の振る舞いは第１の実施の形態と同じである。

また、本実施形態にかかる光源部２０Ａは、偏光ビームスプリッタ２４に代えて、光路分岐素子であるダイクロイックミラー３５を備える。ダイクロイックミラー３５は、励起光を反射し、蛍光光を透過させる。

第１の実施の形態においては、１／４波長板３７によって光の偏光方向を規定していたが、本実施形態においてはどの方向に配置しても構わない。レーザ光源２１より射出した光は、コリメータレンズ２２によってそれぞれ平行光束にされた後、第１の光学系２３を通過し、ダイクロイックミラー３５により反射され、第２の光学系２５に導かれる。

本実施形態においては、図３２に示すように、第１の光学系２３が、第２の光学系２５に対して偏心させるように配置される。これにより、励起光は第２の光学系２５の片側より入射し、波長変換素子２６に対して斜めに入射される。波長変換素子２６の蛍光体領域に入射した励起光は、蛍光光に変換され、ダイクロイックミラー３５を通らずに、第３の光学系２７に入射し、後段の光学系に導かれる。一方、波長変換素子２６の反射領域に入射した励起光は、正反射されるため、図３１に示すように、第２の光学系２５に入射した側と反対側を通って第２の光学系２５より射出される。

なお、本実施形態では、波長変換素子２６で反射された励起光がダイクロイックミラー３５を通らない構成を示したが、ダイクロイックミラー３５を大きくし、半分の面のコートは励起光を反射して蛍光光を透過する特性とし、残りの半分を励起光および蛍光光を透過する特性を有するようにすることも可能である。

このように本実施形態によれば、波長変換素子２６の波長変換効率をさらに向上させることができる。

次に、第３の実施の形態の変形例を挙げて説明する。

（変形例６）
ここでは、変形例６について説明する。図３３は変形例６にかかる光源部２０Ａの構成を示す模式図である。なお、光源部２０Ｂも同様の構成である。図３３に示すように、変形例６の光源部２０Ａにおいては、レーザ光源２１として、複数のレーザ光源２１ａおよび２１ｂを備える。また、変形例６の光源部２０Ａにおいては、コリメータレンズ２２として、レーザ光源２１ａおよび２１ｂに対応させて、コリメータレンズ２２ａおよび２２ｂを備える。さらに、変形例６の光源部２０Ａにおいては、合成光学系３６を備える。合成光学系３６は、偏光ビームスプリッタ３６ａと、ミラー３６ｂと、半波長板３６ｃと、を備える。

図２８に示すように、変形例６の光源部２０Ａにおいては、レーザ光源２１ａおよび２１ｂの２つの光源から射出される光を、合成光学系３６の偏光ビームスプリッタ３６ａを用いて合成する。レーザ光源２１ａおよび２１ｂの２つの光源からは、それぞれＰ偏光の光が射出される。

より詳細には、レーザ光源２１ｂから射出された光は、合成光学系３６の半波長板３６ｃを通過することで、Ｓ偏光に変換され、合成光学系３６のミラー３６ｂで折り返される。Ｓ偏光となった光線は、合成光学系３６の偏光ビームスプリッタ３６ａで反射され、第１の光学系２３に入射する。また、レーザ光源２１ａより射出された光は、合成光学系３６の偏光ビームスプリッタ３６ａを透過し、第１の光学系２３に入射する。

これにより、より高輝度なプロジェクタにおいても本構成を用いることが可能になる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。

第４の実施の形態は、第１の光学系２３の正レンズ２３ａまたは負レンズ２３ｂに、シリンドリカルレンズアレイの機能を有している点が、第１の実施の形態ないし第３の実施の形態と異なるものとなっている。以下、第３の実施の形態の説明では、第１の実施の形態ないし第３の実施の形態と同一部分の説明については省略し、第１の実施の形態ないし第３の実施の形態と異なる箇所について説明する。

図３４および図３５は、第４の実施の形態にかかるレーザ光源２１の各光源から射出される光線の光路を示す模式図である。図３４はＸＺ面、図３５はＹＺ面をそれぞれ表している。なお、図３４および図３５では、直線上に並んだ光学系を記載しているが、図３などに示すように、実際には偏光ビームスプリッタ２６などを配置して光を折り曲げる構成であることはいうまでもない。

図３４および図３５に示すように、本実施形態の光源部２０は、シリンドリカルレンズアレイ２８に代えて、シリンドリカルアレイ面３９が第１の光学系２３の正レンズ２３ａの入射面側に形成されている。

図３４に示すように、第１の光学系２３の正レンズ２３ａは、Ｘ方向においてはレンズ面上にＸ方向にアレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）を有したシリンドリカルアレイ面３９を形成している。一方、図３５に示すように、第１の光学系２３の正レンズ２３ａは、Ｙ方向においてはシリンドリカルアレイ面３９を有さず、集光用の曲率半径を持った曲率となっている。

なお、本実施形態では、第１の光学系２３の正レンズ２３ａの入射面側にシリンドリカルレンズアレイ面３９を形成したが、これに限るものではなく、第１の光学系２３の負レンズ２３ｂの面にシリンドリカルレンズアレイ面３９を形成してもよい。

このように本実施形態によれば、波長変換素子２６の波長変換効率をさらに向上させることができる。

また、アレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）であるシリンドリカルアレイ面３９は、シリンドリカルレンズ２９または拡散板３４と一体化してもよい。また、アレイ状に並んだ光学要素（球面レンズ）であるシリンドリカルアレイ面３９は、コリメータレンズ２２に形成するようにしてもよい。

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。

第５の実施の形態は、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態で説明した画像投射装置の一例であるプロジェクタ１を、３次元像をユーザに視認させる表示装置に適用した点が、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態と異なるものとなっている。以下、第５の実施の形態の説明では、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態と同一部分の説明については省略し、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態と異なる箇所について説明する。

図３６は第５の実施の形態にかかる表示装置１００の全体構成の一例を示すブロック図である。表示装置１００は、３次元像をユーザに視認させる立体ディスプレイとも言う。ここで、３次元像とは、３次元空間上に表示され、人間が視認可能な体積を持った立体的な像をいう。

図３６に示すように、表示装置１００は、情報処理部１１０と、プロジェクタ１と、螺旋スクリーンであるスクリーン７０と、モータ１４０と、モータ制御部１４１とを有する。

表示装置１００は、３次元モデルデータ９０１を受信して、表示装置１００のユーザに３次元像を視認させる。３次元モデルデータ９０１は、ユーザに３次元像を視認させるための３次元モデルを示すデータであって、例えば、３次元ボクセルごとの画素値を示すデータである。具体的には、３次元モデルデータ９０１は、情報処理部１１０に入力される。

情報処理部１１０は、入力された３次元モデルデータ９０１に基づく画像情報９０３を生成する。具体的には、情報処理部１１０は、モータ制御部１４１に回転指示信号２０１を送信し、回転の開始を指示する。指示を受けたモータ制御部１４１は、例えば規定された略一定の速度でスクリーン７０を回転させるように、回転制御信号２０２を送信してモータ１４０を駆動させる。

スクリーン７０は、螺旋軸に直交する平面で切断した断面が曲線状である螺旋形状を含む被照射部材の一例である。

モータ１４０は、螺旋軸周りにスクリーン７０を回転させる駆動部である。モータ１４０には、ステッピングモータ、ＤＣ（Direct Current）モータ又はＡＣ（Alternating Current）モータ等を適用できる。

モータ１４０にはロータリエンコーダが取り付けられている。ロータリエンコーダは、モータ１４０の回転軸の回転角度を示すエンコーダ信号２０３をモータ制御部１４１に送信する。モータ制御部１４１は、受信したエンコーダ信号２０３に基づいて、スクリーン７０の回転角度を示す回転角度情報９０４を生成し、情報処理部１１０に送信する。

情報処理部１１０は、受信した回転角度情報９０４に基づいて、スクリーン７０の回転角度に応じた画像情報９０３を生成し、プロジェクタ１に送信する。画像情報９０３は、２次元画像を示す情報である。

プロジェクタ１は、回転されるスクリーン７０に画像光Ｌを照射する。プロジェクタ１は、情報処理部１１０から出力された画像情報９０３に基づく画像光Ｌをスクリーン７０に照射できる。換言すると、プロジェクタ１は、回転されるスクリーン７０の位置に基づき生成された画像光Ｌを照射することができる。

表示装置１００は、高速に回転されるスクリーン７０に照射された画像光Ｌのうち、スクリーン７０により反射された光で、残像効果を利用して、カラーの３次元像をユーザに視認させることができる。

なお、被照射部材としては、スクリーン７０に限らず、残像効果を利用して像を表示するものであれば、スクリーンを振動させるものでもよい。

なお、各実施形態における光学要素とは、実質的に光学的なパワー（屈折力）があればいずれの形態でもよい。例えば、シリンドリカルレンズやアナモフィックレンズ、フレネルレンズや回折レンズなども本発明の範囲に適用できるのはいうまでもない。また、シンプルな構成で均一化をすることが可能となるため、光学素子による効率低下や、コスト、光学系の大型化等を防ぐことが可能となる。

このように、本発明は、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

特に、実施の形態で例示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例にすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

１ 画像投射装置
２０ 光源装置
２１ 光源
２２ コリメータレンズ
２３ 第１の光学系
２４，３５ 光路分岐素子
２５ 第２の光学系
２６ 波長変換部
２８ 光学素子
２９ レンズ
３０ 光均一化素子
３４ 拡散部材
４０ 照明光学系
５０ 画像形成素子
６０ 投射光学系
７０ 被照射部材
１００ 表示装置

特許第６０９０８７５号公報

Claims (18)

1. 第１の方向の発散角が、前記第１の方向と直交する第２の方向の発散角より大きい第１の色光を射出する複数の光源と、
   入射した前記第１の色光の一部を前記第１の色光と異なる波長の第２の色光に変換する波長変換部と、
   前記光源と前記波長変換部との間の前記第１の色光の光路上に配置される第１の光学系と、
   前記第１の光学系と前記波長変換部との間の前記第１の色光の光路上に配置され、前記第１の色光を前記波長変換部へ射出する第２の光学系と、
   を備え、
   前記第１の光学系は、
   前記光源の発散角が大きい方向である前記第１の方向の屈折力のほうが前記第２の方向の屈折力よりも強い複数の光学要素が前記第１の方向に配列された光学素子を含み、
   前記第１の光学系は、
   前記光学素子によって前記第１の色光の光束を前記第１の光学系の光軸に近づく方向に収束させて前記第２の光学系へ射出する、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記複数の光源は、前記第１の方向に配列する少なくとも３つの光源を含み、
   前記光学素子が有する前記複数の光学要素のうち、前記第１の光学系の光軸に最も近い光学要素の前記第１の方向の屈折力は、他の光学要素の前記第１の方向の屈折力と異なる、
   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の光学系の光軸に最も近い光学要素の前記第１の方向の屈折力は、前記他の光学要素の前記第１の方向の屈折力よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記複数の光源は、前記第１の方向に配列する少なくとも４以上の偶数個の光源を有し、
   前記複数の光学要素は、前記偶数個の光学要素であり、
   前記偶数個の光学要素の内、前記光軸に隣接する前記光学要素の間隔Ｐ１は、他の前記光学要素の互いに隣接する間隔Ｐ２よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
5. 前記光学素子は、前記第２の方向に屈折力を有しない、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記複数の光学要素は、前記第１の方向に正の屈折力を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記複数の光学要素は、非球面形状であり、
   前記複数の光学要素の各々の前記第１の方向における中心部の屈折力は、周辺部の屈折力より大きい、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記第１の光学系は、前記第２の方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズを含む、
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記複数の光源は、前記第１の方向と前記第２の方向とに２次元的に配列されており、前記複数の光源のそれぞれの射出側にコリメータレンズを有し、
   前記複数の光源の前記第１の方向における配置ピッチをＰｘ、前記複数の光源の前記第１の方向における発散角をθｘ、前記コリメータレンズの前記複数の光源に対向する面と前記複数の光源との距離をＬとするとき、
   ０．５＜Ｐｘ／（Ｌ×ｔａｎθｘ）＜２
   を満たす、
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記波長変換部は、前記第１の色光が入射する前記波長変換部の位置が時間の経過により相対的に移動するように、前記波長変換部を駆動する駆動部をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光源装置。
11. 前記第１の光学系から射出した第１の色光を前記第２の光学系に導く光路分岐素子をさらに備え、
    前記光路分岐素子は、前記波長変換部から射出した前記第２の色光を透過する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の光源装置。
12. 前記第１の光学系から射出した前記第１の色光は、前記第１の色光の光路上で前記第１の光学系に最も近い光学面と前記波長変換部との間に、集光点を形成する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光源装置。
13. 前記光学素子は、前記第１の光学系の光路に沿った中心位置よりも前記波長変換部側に位置する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光源装置。
14. 前記第１の光学系は、前記第１の色光を拡散させる拡散面を有する拡散部材を含み、
    前記拡散面の前記第１の色光の拡散角の半値幅をθｄとするとき、
    ０．５°＜θｄ＜３．５°
    を満足する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の光源装置。
15. 前記光学素子が有する前記光学要素に入射する前記第１の色光は、前記第１の光学系の光軸に対して角度をもって入射する、
    ことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の光源装置。
16. 前記光学素子は、前記第１の光学系を構成する正レンズまたは負レンズに形成される、
    ことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光源装置。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出した光を受光して、画像光を射出する画像形成素子と、
    前記画像形成素子が射出した画像光を被照射部材に投射する投射光学系と、
    を備えることを特徴とする画像投射装置。
18. 請求項１７に記載の画像投射装置と、
    前記画像投射装置からの画像光が照射される被照射部材と、
    を備え、
    前記画像光が照射された前記被照射部材を回転または振動をさせることで３次元像を表示する、
    ことを特徴とする表示装置。

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