JP2023131646A - 光源装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射型の表示装置において光源装置を高効率化かつ小型化可能とする。【解決手段】表示装置１１の光源装置１２は、励起光Ｌ１（第１の色光）を射出する光源２１と、光源２１側から順に少なくとも片面に複数のレンズ３９が配置された光学素子２４と、集光光学系２６と、蛍光体ホイール２７と、第１の色光Ｌ１と、蛍光体ホイール２７により波長変換された第２の色光Ｌ２を分離するダイクロイックミラー２５と、を備える。ダイクロイックミラー２５へ入射する第一の色光Ｌ１の入射光と反射光で成す平面（ＹＺ平面）を定義したとき、光学素子２４は、ＹＺ平面に沿ったＹ方向（第１方向）と、ＹＺ平面に垂直なＸ方向（第２方向）のそれぞれの発散角ｙθ、ｘθが異なる素子であって、第１方向の発散角ｙθのほうが、第２方向の発散角ｘθより小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置及び表示装置に関する。

近年、投影型の表示装置（プロジェクタ）においては、高効率化、小型化の要望が強くなってきている。高効率化を実現することで、用いる励起光源数の低減、発熱の低減、消費電力の低減をすることができ、電源や冷却部品の小型化することができる。これにより、表示装置全体の小型化が可能になる。

特許文献１には、励起光をダイクロイックミラーで反射させて波長変換素子に照射し、波長変換素子の光変換効率を上げる目的で、フライアイレンズを用いる構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ダイクロイックミラーで励起光が反射する際に生じる可能性がある光利用効率の低下について課題があることは何ら言及されておらず、光利用効率の低下や、波長変換素子上のスポットの歪に関する問題は解消できていない。

本発明は、投射型の表示装置において光源装置を高効率化かつ小型化可能とすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一観点に係る光源装置は、励起光である第１の色光を含む光を射出する光源と、前記光源側から順に少なくとも片面に複数のレンズが配置された光学素子と、集光光学系と、波長変換素子と、前記第１の色光と、前記波長変換素子により波長変換された第２の色光を分離する色分離素子と、を備え、前記色分離素子へ入射する前記第一の色光の入射光と反射光で成す平面を定義したとき、前記光学素子は、前記平面に沿った第１方向と、前記平面に垂直な第２方向のそれぞれの発散角が異なる素子であって、前記第１方向の発散角のほうが、前記第２方向の発散角より小さい。

投射型の表示装置において光源装置を高効率化かつ小型化できる。

第１実施形態に係る表示装置を示す概略構成図 第１実施形態に係る光源装置の概略構成図 第１実施形態に係る蛍光体ホイールの構成を示す図 第１実施形態で用いる光学素子の概略構成を示す図 光学素子に入射された励起光の発散光の概要図 球面レンズの開口径の差異に応じた発散角の変化を示す模式図 第１実施形態の光源装置における励起光の光束の推移を示す模式図 比較例の光源装置における励起光の光束の推移を示す模式図 第１実施形態における蛍光体ホイール上の像と強度分布を示す図 第１実施形態におけるカラーホイールの構成を示す図 第２実施形態に係る光源装置の概略構成図 光線の入射方向から視たダイクロイックミラーの平面図

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

なお、以下の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに垂直な方向である。Ｙ方向及びＺ方向は水平方向であり、Ｘ方向は鉛直方向である。Ｙ方向は、蛍光体ホイール２７で変換され、光均一化素子１３に入力される蛍光Ｌ２（第２の色光）の光軸方向であり、第２の光学系２６の配列方向である。Ｚ方向は、光源２１から出力される励起光Ｌ１（第１の色光）の光軸方向であり、第１の光学系２３の配列方向である。

なお、本実施形態に係る「表示装置１１」とは、ディスプレイ装置の一種であり、画像や映像を大型スクリーンなどに投影することにより表示する投影型の装置であり、ＤＬＰや液晶を使い、画像を拡大して投影する装置のことを指す。「表示装置」は、プロジェクタや投影装置などの他の名称で呼ばれる場合がある。

＜表示装置１１の開発背景＞
今日、様々な映像を拡大投影するプロジェクタ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デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、あるいは、液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号によって変調された空間光変調素子からの射出光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。

従来、プロジェクタには主に高輝度の超高圧水銀ランプなどが用いられていたが、寿命が短いためメンテナンスを頻繁に行う必要があった。これらの問題を解決するために、近年、超高圧水銀ランプに変えてレーザーやＬＥＤを使用したプロジェクタが増加している。これはレーザーが超高圧水銀ランプと比較して寿命が長く、またその単色性により色再現性も良いためである。

プロジェクタでは上記のＤＭＤなどの画像表示素子に赤色・緑色・青色の３色を照射することにより映像を形成している。この３色すべてをレーザー光源で生成することもできるが、緑色レーザーや赤色レーザーの発光効率が青色レーザーに比べ低い。このため青色レーザーを励起光として蛍光体に照射し、蛍光体により波長変換された蛍光光から緑・赤色光を生成する方法が一般的である。

また、近年プロジェクタにおいては、高効率化、小型化の要望が強くなってきている。高効率化を実現することで、用いる励起光源数の低減、発熱の低減、消費電力の低減をすることができ、電源や冷却部品の小型化することができる。これにより、プロジェクタ装置全体の小型化が可能になる。光源光学系の高効率化は波長変換素子の発光効率を上げることが必要である。波長変換素子の波長変換効率は、波長変換材料に入射される励起光のエネルギー密度によって変動し、入射されるエネルギー密度が高いと温度上昇や、波長変換層内の励起可能な電子が少なくなることにより、効率が低下する。そのため、なるべくエネルギー密度を小さくし、スポットサイズを大きくすることで効率向上を図ることができる。

上記を達成するために、波長変換素子上の励起光のスポットを均一化することが求められるが、その方法として、拡散板やフライアイレンズを用いる技術が既に知られている（例えば特許文献１など）。

しかし、今までの拡散板やフライアイレンズを用いる波長変換材料への励起光のエネルギー密度低減技術では、励起光あるいは励起光の色光が、色分離素子（ダイクロイックミラー）を反射する時に励起光が広がると反射されない部分が生じ、光利用効率を低下させるという問題があった。

このような問題に対して、本実施形態では、高効率化かつ小型化が可能な投射型映像表示装置を提供することを目的とする。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る表示装置１１を示す概略構成図である。図１に示すように、表示装置１１は、光源装置１２から射出された光を光均一化素子１３でミキシングすることで均一化し、均一化された光を、照明光学系１４を用いて画像形成素子１５を略均一に照明し、画像形成素子１５で形成された画像を投射光学系１６でスクリーンＳＣに拡大投影する。ここで、図１においては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いた表示装置１１の構成例を示すが、本実施形態に係る表示装置１１の構成はこれに限定されない。

光源装置１２の具体的な構成についてはあとで詳述する。光均一化素子１３としては具体的には、４枚のミラーを組合せたライトトンネルや、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。画像形成素子１５としては、具体的には例えば、「ＤＭＤ」、「透過型液晶パネル」、「反射型液晶パネル」等のライトバルブである。照明光学系１４、投射光学系１６の具体的な例についてはここでは省略する。

図２は、第１実施形態に係る光源装置１２の概略構成図である。光源装置１２は、固体光源であるレーザー光源２１、それぞれの光源に対応したコリメータレンズ２２、第１の光学系２３、片面もしくは両面に複数のレンズ３９がアレイ状に並んだ光学素子２４（レンズアレイ）、ダイクロイックミラー２５（色分離素子）、第２の光学系（集光光学系）２６、蛍光体ホイール２７（波長変換素子）、集光レンズ２８、カラーホイール２９により構成されている。レーザー光源２１から射出する励起光Ｌ１の伝搬方向にこの順で配置された構成となっている。

レーザー光源２１は、後述する蛍光体ホイール２７が備える蛍光体３７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Ｌ１（第１の色光）を射出する。レーザー光源２１から射出される青色レーザー光Ｌ１は、偏光状態が一定の直線偏光であり、ダイクロイックミラー２５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。また、波長帯域については後述する蛍光体３７を励起させることができる波長の光であれば青色帯域の光に限定されるものではない。また、レーザー光源２１は複数のレーザー光源を用いることを例として示しているが、単一のレーザー光源でもよい。また複数のレーザー光源としては、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。

複数または単数のレーザー光源２１から射出される光Ｌ１（励起光）により形成される光束の中心線を本実施形態では「主光線」とし、図２では白抜きの矢印Ａ、Ｂ、Ａ１、Ｂ１などで図示する。また蛍光体ホイール２７により波長変換された光Ｌ２（蛍光）により形成される光束の中心線も、本実施形態では主光線とし、図２ではグレー色の矢印で図示する。

複数のレーザー光源２１より射出された励起光Ｌ１は、それぞれのレーザー光源２１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Ｌ１は第１の光学系２３に入射する。第１の光学系２３の光軸は、レーザー光源２１の光源アレイの中心を通るように配置される。つまり、励起光Ｌ１の主光線は、第１の光学系２３の光軸と一致する。

第１の光学系２３を通過した励起光Ｌ１は、光学素子２４を通過し、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ダイクロイックミラー２５へと導かれる。ここで本実施形態では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。ダイクロイックミラー２５は、図２に矢印Ａで示すように、励起光Ｌ１の波長帯域の光を反射し、図２に矢印Ｌ２で示すように、後述する蛍光体３７より発生する蛍光Ｌ２を透過するようなコートがされている。また、本実施形態においては平板のダイクロイックミラー２５を用いているが、プリズムタイプのダイクロイックミラーを用いることもできる。ダイクロイックミラー２５により反射された励起光Ｌ１は、図２に主光線Ａで示すように、光路を９０度回転させられ、第２の光学系（集光光学系）２６へと入射する。

ここで、励起光Ｌ１は、光学素子２４を通過したあと、ダイクロイックミラー２５で折り返されるが、ダイクロイックミラー２５への入射光と反射光を含む平面（ＹＺ平面に相当）を定義した時に、平面に沿った方向（Ｙ方向、第１方向）の広がり角（発散角）が、平面に対して垂直な方向（Ｘ方向、第２方向）に沿った面（ＸＹ平面に相当）の広がり角より小さいことが特徴となっている。

ここで、第１の光学系２３と第２の光学系（集光光学系）２６の光軸は実質的に偏心している。第２の光学系（集光光学系）２６を通過した励起光Ｌ１は蛍光体ホイール２７へ導かれる。第２の光学系（集光光学系）２６に偏心して入射されることにより、図２に主光線Ａ１で示すように、蛍光体ホイール２７に対して励起光Ｌ１はＹ負方向かつＺ正方向の斜め方向から入射する。

図３は、第１実施形態に係る蛍光体ホイール２７の構成を示す図である。図３（Ａ）はＹ正方向側から視た平面図であり、図３（Ｂ）はＸ正方向側から視た断面図である。

図３に示すように、円盤状の蛍光体ホイール２７は駆動モータ３１に取り付けられ、高速に回転させることで、励起光Ｌ１が照射される位置を時間的に移動させる。本実施形態においては、蛍光体ホイール２７は、蛍光体３７が塗布されている蛍光体領域３２と、励起光を反射する励起光反射領域３３に分かれている。図３の例では、蛍光体ホイール２７が２つの領域に分かれている例を示しているが、蛍光体領域３２が２つ以上の複数に分かれていてもよく、また励起光反射領域３３が複数あってもよい。

図３（Ｂ）に示すように、蛍光体ホイール２７の基板３４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がこれに限定するものではない。励起光反射領域３３においては、例えば励起光Ｌ１により高い反射率を有する反射コート３５を基板３４上に形成してもよく、また、前述の通り金属基板３４とすることで反射領域とすることもできる。

図３（Ｂ）では、蛍光体領域３２の積層構造として、基板３４上に蛍光体３７からの発光光Ｌ２の波長領域の光を反射させる反射コート３６と、蛍光体層３７と、蛍光体３７の表面での反射を低減する反射防止コート（ＡＲコート）３８とを形成した例を示すが、これに限ったものではない。基板３４を金属とすることで反射コート３６をなくすことも可能である。蛍光体層３７としては、蛍光体材料を有機、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３７より発光する光Ｌ２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を有する蛍光光Ｌ２を用いる場合のみ説明する。

なお、蛍光体ホイール２７において、複数の波長変換素子を用いることで、色再現性の範囲を拡大することができ、より色彩豊かな表現のできる表示装置１１を実現することができる。

再び図２に基づいて説明する。蛍光体ホイール２７の蛍光体３７が形成されていない励起光反射領域３３に入射した励起光Ｌ１は、図２に主光線Ｂ２で示すように、斜めに入力された入射光Ａ１に対応して反射コート３５の反射面に対してＹ正方向かつＺ正方向の斜め方向に反射され、集光光学系２６に入射する。そして、集光光学系２６にて図２に主光線Ｂで示すように方向がＹ正方向に変更されて、ダイクロイックミラー２５を通らずに、レンズ２８に入射し、カラーホイール２９を通過後に光均一化素子１３に入射する。ここで蛍光体ホイール２７に入射する励起光Ｌ１の主光線Ａ、Ａ１と、蛍光体ホイール２７で反射された励起光Ｌ１の主光線Ｂ、Ｂ１は、図２のＹＺ平面に平行となっている。

図４は、第１実施形態で用いる光学素子２４の概略構成を示す図である。図４（Ａ）は、励起光Ｌ１の入射側（Ｚ負方向側）から視た平面図であり、図４（Ｂ）は、入射方向と直交するＸ方向視の断面図である。図４（Ｂ）では、図面上方から励起光Ｌ１が入射する配置となる。

光学素子２４は、図４（Ａ）に示すように、矩形の複数の球面レンズ３９が、図４（Ｂ）に示すように表側（Ｚ負方向側）と裏側（Ｚ正方向側）にアレイ状に並んでいる。光学素子２４のレンズアレイの焦点距離と、第２の光学系２６の焦点距離とを適切に設定することにより、レンズアレイのそれぞれのレンズ３９と同様の形状の像を蛍光体ホイール２７上に形成することが可能になる。

図４（Ｂ）に示すとおり、光学素子２４の各レンズ３９の頂点間の距離をレンズピッチＰとする。本実施形態においては、図４（Ａ）に示すように、光学素子２４の球面レンズ３９は、Ｚ方向視においてそれぞれ長方形の形状をしている。つまり、Ｘ方向（第２方向）とＹ方向（第１方向）で、レンズピッチＰが異なっている。本実施形態では、Ｘ方向を球面レンズ３９の長手方向、Ｙ方向を球面レンズ３９の短手方向としている。球面レンズ３９を長方形形状としているのは、光均一化素子１３または画像形成素子１５と略相似形状とするためであり、これにより光学系１４、１６での光のケラレが少なくなるため効率向上させることができる。

なお、本実施形態においては球面レンズ３９の形状を矩形としたが、矩形に限らず、三角形、六角形等の別の形状でもよい。その場合においても長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向とする。つまり、主光線Ａ、主光線Ｂと平行な平面（ＹＺ平面）に対して光学素子２４のレンズアレイの長手方向を平行としている。なお、本実施形態では平行としているが、ＹＺ平面に対して球面レンズ３９の長手方向が０度から４５度の間にあればよい。

また、本実施形態では、光学素子２４は、図４（Ｂ）に示すように表側（Ｚ負方向側）と裏側（Ｚ正方向側）に複数の球面レンズ３９がアレイ状に並ぶ構成を例示したが、光源２１側（Ｚ負方向）から順に少なくとも片面（表側の面）に複数のレンズ３９が配置されればよく、表側のみに複数の球面レンズ３９が配列される構成でもよい。

図５は、光学素子２４に入射された励起光Ｌ１の発散光の概要図である。図５（Ａ）は光学素子２４を各球面レンズ３９の長手側（Ｙ方向）から視たときの図であり、図５（Ｂ）は短手側（Ｘ方向）から視たときの図である。つまり図５（Ａ）に図示される光学素子２４の上下方向は各球面レンズ３９の長手方向に対応し、図５（Ｂ）に図示される光学素子２４の上下方向は各球面レンズ３９の短手方向に対応する。図５では、発散角を強調して図示している。

図５（Ａ）に示す長手方向（Ｘ方向、第２方向）に入射した励起光Ｌ１の発散角ｘθに対して、図５（Ｂ）に示す短手方向（Ｙ方向、第１方向）に入射した励起光Ｌ１の発散角ｙθは小さくなっていることがわかる。このように、光学素子２４のレンズアレイの各球面レンズ３９を矩形にし、二次元配列することにより、矩形の短手方向のほうが長手方向よりも発散角が小さくなるので、最も好都合な構成となる。

図６は、球面レンズ３９の開口径の差異に応じた発散角の変化を示す模式図である。図６では、長い開口径を有した場合（矩形状の長手方向に対応）の発散角ｘθより、短い開口径を有した場合（矩形状の短手方向に対応）の発散角ｙθが小さくなる様子を図示している。図６で明らかなように、開口が小さいほど、球面レンズ３９の曲面での屈折力が小さいので発散角が小さくなる。つまり、マイクロレンズ（球面レンズ３９）の形状を所望の発散角に合わせて縦横の長さを設定し、矩形にすることで本実施形態の作用をなすことができる。なお、これは回転対称な曲率とした場合であるが、縦方向と横方向とで曲率が異なるような自由曲面にし、発散角が異なるように設定してもよい。

図７は、第１実施形態の光源装置１２における励起光Ｌ１の光束の推移を示す模式図である。図８は、比較例の光源装置１２Ａにおける励起光Ｌ１の光束の推移を示す模式図である。図８に示すように、比較例の光源装置１２Ａでは、光学素子２４の矩形レンズ３９の長手方向が、ＹＺ平面に平行な構成となる。一方、図７に示すように、本実施形態の光源装置１２では、上述のように光学素子２４の各レンズ３９の短手方向がＹＺ平面と平行となる。

図７、図８では、共に破線で示すのが励起光Ｌ１の光束の幅となる。図７に示すように、本実施形態の光源装置１２においては、ダイクロイックミラー２５で９０度光路を偏向された励起光Ｌ１１が、蛍光体ホイール２７で反射され、この反射光Ｌ１２がダイクロイックミラー２５を避けて光均一化素子１３に導かれている。

これに対し、図８に示すように、比較例の光源装置１２Ａにおいては、図６を参照して前述した通り、光学素子２４での発散角が図７の構成より大きくなるため、ダイクロイックミラー２５の反射面から励起光Ｌ１１がはみ出る。あるいは、蛍光体ホイール２７で反射された後の励起光Ｌ１２がダイクロイックミラー２５と干渉する等が起こるため、効率が低下してしまう。これを避けるために第１の光学系２３と第２の光学系２６の偏心量を増やすと、蛍光体ホイール２７上のスポットが台形形状になるため、光均一化素子１３やその後の光学系１４，１６でけられてしまうため効率が低下する。

再び図２に基づいて説明する。励起光Ｌ１が蛍光体ホイール２７の蛍光体３７が形成されている部分（蛍光体領域３２）に照射されると、波長変換され、黄色もしくは緑、もしくは赤の色光（第２の色光）Ｌ２に変換される。変換された光Ｌ２は、図２にグレー色の矢印で示すように、第２の光学系２６によって略平行光になり、ダイクロイックミラー２５を一部透過した後、レンズ２８を通してカラーホイール２９を通過後、光均一化素子１３に入射する。

図９は、第１実施形態における蛍光体ホイール２７上の像と、その強度分布を示す図である。図９（Ａ）が蛍光体ホイール２７の蛍光体領域３２上の像の一例であり、図９（Ｂ）がこの像に対応するＸ方向、Ｙ方向の輝度断面図を示す。図９（Ｂ）では、Ｘ方向の輝度が実線で図示され、Ｙ方向の輝度が点線で図示されている。図９（Ｂ）に示すように、輝度断面図はＸ方向、Ｙ方向共にトップハット形状に近くなっており、全体が均一な像となっていることがわかる。

これにより、蛍光体３７の局所的な温度上昇を防ぐことができるため、蛍光体３７の発光効率を向上させることが可能になる。また、Ｘ方向、Ｙ方向のアスペクト比が、光均一化素子１３や画像形成素子１５のアスペクト比に近いため、後段の光学系１４，１６でのケラレが少なく、効率が向上する。

図１０は、第１実施形態におけるカラーホイール２９の構成を示す図である。図１０に示すように、カラーホイール２９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。青色領域Ｂは、図３に示した蛍光体ホイール２７の励起光反射領域３３に対応し、黄色領域Ｙ、赤領域Ｒ、緑領域Ｇは、図３に示した蛍光体ホイール２７の蛍光体領域３２にそれぞれ対応するように、同期される。青色領域Ｂには透過拡散板を配置することにより、レーザー光源２１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ＳＣ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、蛍光体３７から発光する黄色の蛍光Ｌ２の波長領域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、黄色の蛍光Ｌ２の波長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２９によって、時間的に作られた各色が照明光学系１４を通して画像形成素子１５に導かれ、各色に対応した画像を形成し、投射光学系１６によってスクリーンＳＣに拡大投影させることにより、カラー画像を得る。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る光源装置１２Ｂの概略構成図である。

図１１に示すように、第２実施形態の光源装置１２Ｂでは、第２の光学系２６と蛍光体ホイール２７とが、光源２１やコリメータレンズ２２などの配列方向（Ｚ方向）に配置される。

ダイクロイックミラー２５Ａは、Ｙ正方向側の略半分が、励起光Ｌ１を透過して、蛍光体ホイール２７にて蛍光反射し、Ｙ負方向側の略半分が、励起光Ｌ１、蛍光Ｌ２とも反射する構成である。

図１２は、光線の入射方向から視たダイクロイックミラー２５Ａの平面図である。図１２に示すように、Ｙ正方向側の略半分の領域２５Ａ１が、励起光Ｌ１透過、蛍光Ｌ２反射領域であり、Ｙ負方向側の略半分の領域２５Ａ２が、励起光Ｌ１反射、蛍光Ｌ２反射領域となる。

＜効果＞
このように上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂは、図２、図１１に示すように、励起光Ｌ１（第１の色光）を含む光を射出する光源２１と、光源２１側から順に少なくとも片面に複数のレンズ３９が配置された光学素子２４と、集光光学系２６と、蛍光体ホイール２７（波長変換素子）と、第１の色光Ｌ１と、蛍光体ホイール２７により波長変換された第２の色光Ｌ２を分離するダイクロイックミラー２５、２５Ａ（色分離素子）と、を備える。ダイクロイックミラー２５、２５Ａへ入射する第一の色光Ｌ１の入射光と反射光で成す平面（ＹＺ平面）を定義したとき、光学素子２４は、ＹＺ平面に沿ったＹ方向（第１方向）と、ＹＺ平面に垂直なＸ方向（第２方向）のそれぞれの発散角ｙθ、ｘθが異なる素子であって、第１方向の発散角ｙθのほうが、第２方向の発散角ｘθより小さい。

この構成により、図７に示したように、ダイクロイックミラー２５、２５Ａへ入射する第一の色光Ｌ１の入射光と反射光で成す平面（ＹＺ平面）において、光学素子２４を通過した後の励起光Ｌ１のダイクロイックミラー２５、２５Ａへの入射光の発散角ｙθを相対的に小さくできるので、入射光の光束の幅をダイクロイックミラー２５、２５Ａの範囲内に収めるように相対的に小さくできる。これにより、ダイクロイックミラー２５、２５Ａの反射または透過における励起光Ｌ１の損失を抑制できる。また、これによりダイクロイックミラー２５、２５Ａからの反射光Ｌ１１の光束の幅も相対的に小さくできる。このため、蛍光体ホイール２７で反射された後の励起光Ｌ１２の光束の幅も相対的に小さくでき、これにより励起光Ｌ１２がダイクロイックミラー２５と干渉することも抑制でき、効率低下を抑制できる。したがって、上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂでは、光均一化素子１３に入力する励起光Ｌ１及び蛍光光Ｌ２の発光効率を向上でき、高効率化が可能となる。そして、高効率化が可能となることにより、光源装置１２、１２Ｂに用いる励起光源数の低減、発熱の低減、消費電力の低減をすることができ、電源や冷却部品の小型化することができ、光源装置１２、１２Ｂの小型化に繋がる。これにより、表示装置１１全体の小型化も可能になる。この結果、上記実施形態では、投射型の表示装置１１を高効率化かつ小型化できる。

また、上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂでは、第１の色光（励起光）Ｌ１は蛍光体ホイール２７に入射し、入射した励起光Ｌ１の一部が励起光Ｌ１よりも波長の長い第２の色光（蛍光Ｌ２）に変換される。蛍光体ホイール２７に入射する励起光Ｌ１の入射光の主光線Ａ、Ａ１と、蛍光体ホイール２７で反射された励起光Ｌ１の反射光の主光線Ｂ、Ｂ１とは一致しないよう構成される。蛍光Ｌ２は集光光学系２６で略平行光になり、蛍光Ｌ２の主光線（図２に示すグレー色の矢印）は、励起光Ｌ１の入射光の主光線Ａ，Ａ１及び反射光の主光線Ｂ、Ｂ１と一致しない。

この構成により、図２、図１１などに示すように、第２の色光（蛍光Ｌ２）と、第１の色光（励起光Ｌ１）の光路を重ね合わせることができるため、光源装置１２、１２Ｂの光学系を小型化することが可能になる。

また、上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂでは、蛍光体ホイール２７は少なくとも２つのセグメントを有し、２つのセグメントの一方（蛍光体領域３２）は波長変換層（蛍光体３７）が塗布されており、他方（励起光反射領域３３）は第１の色光（励起光Ｌ１）を反射する。

この構成により、励起光Ｌ１が蛍光体領域３２に入射したときには蛍光Ｌ２に班長変換されて反射させ、励起光反射領域３３に入射したときには励起光Ｌ１のままで反射させることが可能となり、単一の蛍光体ホイール２７によって２種類の光Ｌ１、Ｌ２を光均一化素子１３に向けて出力できるので、光源装置１２、１２Ｂの光学系を小型化することが可能になる。さらに、複数の蛍光体ホイール２７を用いれば、色再現性の範囲を拡大することができ、より色彩豊かな表現のできる表示装置１１を実現することも可能となる。

また、上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂでは、光学素子２４の複数のレンズ３９は、Ｙ方向（第１方向）とＸ方向（第２方向）で隣接するレンズ間のピッチＰが異なっており、第１方向のピッチのほうが第２方向のピッチより小さい。

この構成により、上述した「光学素子２４の第１方向の発散角ｙθのほうが、第２方向の発散角ｘθより小さい」という機能を簡易な構成で実現できる。

また、上記実施形態に係る表示装置１１の光源装置１２、１２Ｂでは、ダイクロイックミラー２５、２５Ａは、光学素子２４と集光光学系２６の間に反射面を有しており、反射面には、蛍光体ホイール２７に入射する第１の色光Ｌ１、及び、蛍光体ホイール２７により反射された第１の色光Ｌ１のいずれか一方のみが入射する。より詳細には、図２に示す第１実施形態の光源装置１２では、ダイクロイックミラー２５は、蛍光体ホイール２７に入射する第１の色光Ｌ１のみが反射面に入射し、蛍光体ホイール２７により反射された第１の色光Ｌ１はダイクロイックミラー２５の反射面に当たらずに集光レンズ２８に入射する。一方、図１１に示す第２実施形態の光源装置１２Ｂでは、ダイクロイックミラー２５Ａは、蛍光体ホイール２７により反射された第１の色光Ｌ１のみが反射面（励起光Ｌ１反射、蛍光Ｌ２反射領域２５Ａ２）に入射し、蛍光体ホイール２７に入射する第１の色光Ｌ１は、この反射面に当たらずに、励起光Ｌ１透過、蛍光Ｌ２反射領域２５Ａ１に入射する。

この構成によっても、光学素子２４を通過後の第１の色光Ｌ１の拡散角を小さくすることができるため、投射型の表示装置１１を高効率化かつ小型化できる。また、ダイクロイックミラー２５、２５Ａを適宜選択することにより、光源装置１２、１２Ｂのレイアウトを所望のものに調整しやすくでき、汎用性を向上できる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１１ 表示装置
１２ 光源装置
２１ 光源
２４ 光学素子
２６ 集光光学系
２７ 蛍光体ホイール（波長変換素子）
２５ ダイクロイックミラー（色分離素子）
３９ レンズ

特許６５２５８５６号公報

Claims (6)

1. 励起光である第１の色光を含む光を射出する光源と、
   前記光源側から順に少なくとも片面に複数のレンズが配置された光学素子と、
   集光光学系と、
   波長変換素子と、
   前記第１の色光と、前記波長変換素子により波長変換された第２の色光を分離する色分離素子と、
   を備え、
   前記色分離素子へ入射する前記第１の色光の入射光と反射光で成す平面を定義したとき、
   前記光学素子は、前記平面に沿った第１方向と、前記平面に垂直な第２方向のそれぞれの発散角が異なる素子であって、
   前記第１方向の発散角のほうが、前記第２方向の発散角より小さい、
   光源装置。
2. 前記第１の色光は前記波長変換素子に入射し、前記入射した前記第１の色光の一部が前記第１の色光よりも波長の長い第２の色光に変換され、
   前記波長変換素子に入射する前記第１の色光の入射光の主光線と前記波長変換素子で反射された前記第１の色光の反射光の主光線とは一致しないよう構成され、
   前記第２の色光は前記集光光学系で略平行光になり、
   前記第２の色光の主光線は、前記入射光の主光線及び前記反射光の主光線と一致しない、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長変換素子は少なくとも２つのセグメントを有し、前記２つのセグメントの一方は波長変換層が塗布されており、他方は前記第１の色光を反射する、
   請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記光学素子の前記複数のレンズは、前記第１方向と前記第２方向で隣接するレンズ間のピッチが異なっており、前記第１方向のピッチのほうが前記第２方向のピッチより小さい、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記色分離素子は、前記光学素子と前記集光光学系の間に反射面を有しており、前記反射面には、前記波長変換素子に入射する前記第１の色光、及び、前記波長変換素子により反射された前記第１の色光のいずれか一方のみが入射する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 請求項１～５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された光を均一化する光均一化素子と、
   前記光均一化素子により均一化された光を画像形成素子に照明する照明光学系と、
   前記画像形成素子で形成された画像を外部に拡大投射する投射光学系と、
   を備える表示装置。

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