JP5497912B2 - 光源装置、照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

光源装置、照明装置および投射型表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、蛍光体を用いた光源装置に関する。
最近のプロジェクターには、光源として、蛍光体を用いた光源装置を用いたものがある。光源装置は、励起光を出力する励起光源と、励起光源から出力された励起光により励起されることで蛍光（可視光）を放出する蛍光体部と、を有する。
上記のプロジェクターでは、蛍光体部から放出された蛍光の光束が表示素子に照射され、表示素子により形成された画像光が投射レンズによってスクリーン上に投射される。
しかし、上記の光源装置において、励起光は蛍光体部の同じ領域に常に照射されるため、励起光の強度が高い場合には、励起光による蛍光体へのダメージ（例えば焦げ）が生じる場合がある。
そこで、励起光による蛍光体へのダメージを軽減することができる投写型表示装置が提案されている（特許文献１）。
特許文献１に記載の投写型表示装置は、紫外光を出力する発光ダイオードと、発光ダイオードから出力された紫外光を可視光に変換するカラーホイールと、カラーホイールからの可視光が照射される空間光変調器と、空間光変調器からの変調光をスクリーン上に投写する投写レンズと、を有する。
カラーホイールは、回転可能な透明基板と、透明基板の一方の面上に形成された蛍光体層と、透明基板の他方の面上に形成された、紫外光を透過し、可視光を反射する可視光反射層と、を有する。
カラーホイールを回転させた状態で、発光ダイオードからの紫外光がカラーホイールの可視光反射層側の面に照射される。入射した紫外光は蛍光体層に到達し、蛍光体を励起する。蛍光体から放出された蛍光が、可視光としてカラーホイールから出射される。
なお、蛍光体から放出された蛍光のうち、透明基板側に向かう蛍光は、透明基板を透過した後、可視光反射層にて透明基板側の方向に反射される。可視光反射層からの反射光は、透明基板および蛍光体層を透過する。
上記の投写型表示装置によれば、カラーホイールを回転させることで、励起光の光スポットが蛍光体層上を移動するので、励起光による蛍光体へのダメージを軽減することができる。
特開２００４−３４１１０５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の投写型表示装置においては、カラーホイールを回転させるための回転駆動系が必要であるため、装置が大型化し、コストも増大する。
本発明の目的は、回転駆動系を用いることなく励起光による蛍光体へのダメージを軽減することができる、小型で低コストの光源装置を提供することにある。
本発明のさらなる目的は、その光源装置を用いた照明装置および投射型表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の光源装置は、
励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、
前記励起光を出力する励起光源部と、
前記励起光源部から出力された前記励起光を前記蛍光体部に向けて反射するとともに、前記蛍光体部から放出された前記蛍光を透過する反射部と、
前記反射部と前記蛍光体部の間に設けられた、焦点距離が波長により異なるコリメータレンズと、を有し、
前記蛍光体部は、前記コリメータレンズの、前記蛍光体部から放出される前記蛍光の波長における焦点距離によって定められた位置に配置されており、
前記コリメータレンズは、
負のパワーを持つ少なくとも１つの第１のレンズと、
正のパワーを持ち、かつ、アッベ数が前記第１のレンズより小さい、少なくとも１つの第２のレンズと、を有する。
本発明の照明装置は、
上記の光源装置と、
発光色が異なる第１および第２の固体光源と、
前記光源装置から出力された蛍光と前記第１および第２の固体光源から出力された第１および第２の光とを合成する色合成手段と、を有する。
本発明の投射型表示装置は、
上記の光源装置と、
発光色が異なる第１および第２の固体光源と、
前記光源装置から出力された蛍光と前記第１および第２の固体光源から出力された第１および第２の光とを合成する色合成手段と、
前記色合成手段により合成された合成光を空間的に変調して変調光を生成する表示素子と、
前記表示素子で生成された前記変調光を投射する投射光学系と、を有する。
本発明の一実施形態である光源装置の構成を示す模式図である。 図１に示す光源装置のダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 励起光の照射領域の一例を示す模式図である。 励起光の照射領域の別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 励起光の照射領域のさらに別の例を示す模式図である。 図３Ａ〜図３Ｈに示す照射領域のそれぞれについて光利用効率を計算した結果を示すグラフである。 図４に示す特性を計算するために用いた、図１に示す光源装置を備える投射型表示装置を説明するための模式図である。 図１に示す光源装置のコリメータレンズの設計データの一例を説明するための図である。 パネルサイズに応じたパネル側のエテンデューを求めた結果を示す図である。 パネルサイズに応じた光源側のエテンデューに基づいて最大発光面積を求めた結果を示す図である。 図６Ａに示す面番号２に対応する非球面に関する係数の一例を示す図である。 本発明の光源装置を備える照明装置の構成を示す模式図である。 図７に示す照明装置の３つのダイクロイックミラーのうちの最も後段に位置するダイクロイックミラーのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 本発明の光源装置を備える投射型表示装置の一例を示す模式図である。
１２、１３ 励起光源
１４ 蛍光体部
１５、１８、１９ コリメータレンズ
５１ａ ダイクロイックミラー
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である光源装置の構成を示す模式図である。
図１を参照すると、光源装置は、プロジェクター等の投射型表示装置に用いられるものであって、励起光源１２、１３、蛍光体部１４、コリメータレンズ１５、１８、１９、ダイクロイックミラー５１ａ、および光路変更用のミラー５２、５３を有する。
図１において、励起光源１２、１３から出力された励起光の光路および蛍光体部１４から放出された蛍光の光路はそれぞれ、矢印付きの実線（太線）で示されている。なお、各色の光路はいずれも、中心光線の光路のみを示したものであり、実際は、複数の光線からなる光線束よりなる。
蛍光体部１４は、基板と、基板の一方の面上に形成された蛍光体層と、を有する。基板として透明基板を用い、この透明基板上に蛍光の発光色を反射する反射膜を設けてその上に蛍光体層を均一な厚みで塗布する。
蛍光体層を形成する蛍光体の発光色は、例えば緑色であり、この緑色の波長より短い波長の励起光で蛍光体を励起することで、緑色の蛍光が蛍光体領域から放出される。なお、蛍光体色は、緑色以外の色、例えば赤色や青色であってもよい。
励起光源１２、１３は、緑色の蛍光の波長より短い波長のＳ偏光の励起光を出力する光源であって、例えば青色レーザや青色ＬＥＤに代表される固体光源よりなる。蛍光体の発光色が緑色以外の色である場合は、励起光源１２、１３は、その色の蛍光の波長より短い波長のＳ偏光の励起光を出力する。
励起光源１２から出力された励起光は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ａに入射する。励起光源１３から出力された励起光は、ミラー５２、５３により、その光路が変更された後、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ａに入射する。
ダイクロイックミラー５１ａは、励起光源１２、１３からの励起光を蛍光体部１４に向けて反射し、蛍光体部１４から放出された蛍光（緑）を透過する。
図２に、ダイクロイックミラー５１ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示す。図２において、一点鎖線はＳ偏光に対する分光透過特性を示し、破線はＰ偏光に対する分光透過特性を示す。低波長側にあるスペクトラム（Excitation）は、励起光源１２、１３から出力される励起光のスペクトラムである。
カットオフ波長を透過率が５０％になる波長と定義する。Ｓ偏光で入射する光に対するダイクロイックミラー５１ａのカットオフ波長は、青色の波長域以下の光を反射し、それ以外の波長域（緑色および赤色の波長域を含む）の光を透過するように設定されている。Ｐ偏光で入射する光に対するダイクロイックミラー５１ａのカットオフ波長は、Ｓ偏光に対するカットオフ波長より短波長側に設定されている。カットオフ波長の設定は、誘電体多層膜の材料、積層数、膜厚、屈折率などにより調整することができる。
図２に示した分光透過特性を有するダイクロイックミラー５１ａにおいては、青色の波長域以下のＳ偏光は反射され、緑色および赤色の波長域のＳ偏光およびＰ偏光は透過する。
再び図１を参照する。コリメータレンズ１５は、蛍光体部１４の蛍光体領域から放出される緑色の蛍光（発散光）を平行光束化するように作用する（第１の作用）とともに、励起光源１２、１３からの励起光を蛍光体部１４上である程度のデフォーカス量を有する状態で集光するように作用する（第２の作用）。ここで、デフォーカス量を有する状態とは、励起光が蛍光体部１４上で一点に集光されないことを意味する。
本実施形態では、波長によって屈折率が変化する色分散により像の大きさと位置にずれを生じる現象を積極的に利用することで、第１および第２の作用を有するコリメータレンズ１５を実現している。
具体的には、コリメータレンズ１５は、２枚の凸状のレンズ１５ａ、１５ｂと１枚の凹状のレンズ１５ｃからなる。レンズ１５ａ、１５ｂは、正のパワーを持つ高分散のレンズである。レンズ１５ｃは、負のパワーを持つ低分散のレンズである。
正のパワーを持つ高分散のレンズと負のパワーを持つ低分散のレンズを有するコリメータレンズ１５では、色分散が生じるため、波長により屈折率が変化し、その結果、蛍光の波長に対する焦点距離と励起光の波長に対する焦点距離との間で差が生じる。
したがって、蛍光体部１４をコリメータレンズ１５の蛍光の波長に対する焦点距離の位置に配置すれば、蛍光体部１４から放出された緑色の蛍光（発散光）を平行光束化することができ、かつ、励起光源１２、１３からの励起光を蛍光体部１４上である程度のデフォーカス量を有する状態で集光することができる。このようにして、第１および第２の作用を実現する。
第１および第２の作用によれば、回転駆動系を用いることなく励起光による蛍光体へのダメージを軽減することができ、かつ、光利用効率の低下も抑制することができる。
以下、第１および第２の作用により、励起光による蛍光体へのダメージの軽減および光利用効率低下の抑制を同時に実現する原理について、具体的に説明する。
まず、コリメータレンズ１５のレンズ１５ａと蛍光体部１４との間の距離ｘ（ｍｍ）を変化させたときの、蛍光体部１４上における励起光の照射領域とその照射領域から放出された蛍光の光利用効率との関係について説明する。ここで、励起光の照射領域は蛍光体部１４上の励起光のスポットサイズに対応する。
図３Ａ〜図３Ｈに、距離ｘ（ｍｍ）を１．００ｍｍ〜１．３５ｍｍの範囲で０．０５ｍｍずつ変化させた場合の励起光の照射領域を模式的に示す。励起光源１２、１３から出力される励起光の波長は４４５ｎｍである。
図３Ａは、距離ｘ（ｍｍ）が１．００ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．０３ｍｍ2（＝０．１５ｍｍ×０．２０ｍｍ）である。
図３Ｂは、距離ｘ（ｍｍ）が１．０５ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．００５ｍｍ2（＝０．１ｍｍ×０．０５ｍｍ）である。
図３Ｃは、距離ｘ（ｍｍ）が１．１０ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．００２５ｍｍ2（＝０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍ）である。
図３Ｄは、距離ｘ（ｍｍ）が１．１５ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．０１５ｍｍ2（＝０．１５ｍｍ×０．１ｍｍ）である。
図３Ｅは、距離ｘ（ｍｍ）が１．２０ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．０５ｍｍ2（＝０．２５ｍｍ×０．２ｍｍ）である。
図３Ｆは、距離ｘ（ｍｍ）が１．２５ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．０８７５ｍｍ2（＝０．３５ｍｍ×０．２５ｍｍ）である。
図３Ｇは、距離ｘ（ｍｍ）が１．３０ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．２２ｍｍ2（＝０．５５ｍｍ×０．４ｍｍ）である。
図３Ｈは、距離ｘ（ｍｍ）が１．３５ｍｍである場合の照射領域の例である。照射領域の面積は０．２７ｍｍ2（＝０．６ｍｍ×０．４５ｍｍ）である。
図３Ａ〜図３Ｈに示したように、照射領域の大きさは距離Ｘの値に応じて変化する。距離Ｘが１．１０ｍｍである場合の照射領域の大きさが最も小さいことから、この状態において、蛍光体部１４が波長４４５ｎｍの光に対するコリメータレンズ１５の焦点距離近傍に配置されていることになる。
図４に、図３Ａ〜図３Ｈに示した照射領域のそれぞれについて、光利用効率をコンピュータにより計算した結果を示す。この計算では、図５に示すような、本実施形態の光源装置が適用される投射型表示装置の必要最小限の構成を利用している。
図５に示す例では、ダイクロイックミラー５１ａを透過した蛍光が光学系を介してＤＭＤ４６に照射される。
光学系は、フライアイレンズ４０、４１、フィールドレンズ４２、ミラー４３、コンデンサレンズ４４、内部全反射（ＴＩＲ）プリズム４５を有する。
フライアイレンズ４０、４１、フィールドレンズ４２、ミラー４３は、この順番で、ダイクロイックミラー５１ａを透過した蛍光の進行方向に順に配置されている。
コンデンサレンズ４４およびＴＩＲプリズム４５は、この順番で、ミラー４３で反射された光の進行方向に順に配置されている。
フライアイレンズ４０、４１は、ＤＭＤ４６の照射面上で矩形照明および均一な照明光を得るためのものであり、それぞれが複数の微小レンズからなり、互いの微小レンズが一対一で対応するように配置されている。
フライアイレンズ４０、４１を通過した光は、フィールドレンズ４２、ミラー４３およびコンデンサレンズ４４を介してＴＩＲプリズム４５に入射する。
ＴＩＲプリズム４５は、２個の三角プリズムから構成され、コンデンサレンズ４４で集光された光が一方の三角プリズムの側面からＴＩＲプリズム４５内に入射する。ＴＩＲプリズム４５では、入射光は、三角プリズムの斜面で全反射し、その反射光が、一方の三角プリズムの他方の面からＤＭＤ４６に向けて出射される。２個の三角プリズムが合わさっている面は全反射面でもあるため、２つの面の間には空気層が必要である。したがって２個の三角プリズムを合わせる際にスペーサー等を挟み接着することで２個の三角プリズム間に空気層を持たせている。
ＤＭＤ４６は、ＴＩＲプリズム４５からの入射する光を空間的に変調する。ＤＭＤ４６からの変調光（画像光）は、一方の三角プリズムの他方の面から再びＴＩＲプリズム４５内に入射し、その入射した画像光は、三角プリズムの接合面をそのまま透過し、他方の三角プリズムの側面から出射される。
ＤＭＤ４６からＴＩＲプリズム４５を介して出射された変調光は、投射光学系４７により外部スクリーン上へ投射される。
図４には、図５に示した構成において、図３Ａ〜図３Ｈに示した照射領域のそれぞれについて、照射領域から放出された蛍光の光量に対する投射光学系４７に入射する蛍光の光量の割合を光利用効率として算出した結果が示されている。
図４において、白丸付きの実線で示したグラフは、距離Ｘに対する光利用効率の変化を示し、黒丸付きの破線で示したグラフは距離Ｘに対する照射領域の大きさの変化を示す。
図４に示すように、光利用効率の大きさは距離Ｘの値に応じて変化する。距離Ｘが１．２０ｍｍである場合の光利用効率の大きさが最も大きいことから、この状態において、蛍光体部１４が蛍光の波長（ここでは、緑色の波長）に対するコリメータレンズ１５の焦点距離近傍に配置されていることになる。すなわち、距離Ｘが１．２０ｍｍである場合が、コリメータレンズ１５による蛍光の平行光束化の度合いが最もよい状態である。
一方、距離Ｘが１．１０ｍｍである場合の照射領域の大きさが最も小さいことから、この状態において、蛍光体部１４が波長４４５ｎｍ（励起光の波長）に対するコリメータレンズ１５の焦点距離近傍に配置されていることになる。
図４に示した結果によれば、コリメータレンズ１５の焦点距離が波長によって異なっており、蛍光体部１４をコリメータレンズ１５の蛍光波長に対応する焦点距離の位置（例えば距離Ｘが１．２ｍｍとなる位置）に配置することで、光利用効率を大きくすることができる。この場合、励起光は、ある程度のデフォーカス量を含む状態でコリメータレンズ１５により蛍光体部１４上に集光されるので、蛍光体部１４上の単位面積当たりの光エネルギー密度が低下し、蛍光体へのダメージも軽減することができる。
通常、分散の異なる２種類のガラスを用いて凸レンズと凹レンズをそれぞれ形成し、それら凸レンズと凹レンズを組み合わせることで色収差補正を行う。可視波長の範囲において、凸レンズでは、波長の短い光ほど強く集光される。一方、凹レンズでは、波長の短い光ほど強く発散される。凹レンズの発散作用は、凸レンズの収束作用より小さいが、凹レンズにアッベ数（または逆分散率）が小さい高分散ガラスを用いることで、異なる波長の光に対する結像点を一致させることができる。
アッベ数（または逆分散率）は、透明体の色分散（屈折率の波長による変化）を評価するための指標である。アッベ数νdは、以下の式で表わされる。
νd＝（ｎd−１）÷（ｎF−ｎC）
ここで、「ｄ」はｄ線（５８７．５６１８ｎｍ）を示し、「Ｆ」はＦ線（４８６．１３２７ｎｍ）を示し、「Ｃ」はＣ線（６５６．２７２５ｎｍ）を示す。アッベ数νdの値が大きい場合を低分散と言い、逆にアッベ数νdの値が小さい場合を高分散と言う。一般に、アッベ数νdの値が５０より大きな低分散ガラスをクラウンガラスと呼び、逆に、アッベ数νdの値が５０以下の高分散ガラスをフリントガラスと呼ぶ。
色収差補正を行う場合は、通常、正のパワーを持つ、低分散ガラスよりなるレンズ（凸レンズ）と、負のパワーを持つ、高分散ガラスよりなるレンズ（凹レンズ）との組み合わせが用いられる。
コリメータレンズを集光レンズとして併用する場合、色収差補正により色収差をキャンセルすると、蛍光をコリメートし、かつ、励起光を一点に集光することができる。励起光の集光スポットを小さくするとエネルギー密度が高くなり、蛍光の発光効率が高くなる。しかし、この場合は、励起光により蛍光体が焦げる場合がある（蛍光体へのダメージ）。
これに対して、本実施形態では、色収差が生じるようにコリメータレンズ１５を構成する。具体的には、コリメータレンズ１５は、正のパワー有する高分散のレンズ１５ａ、１５ｂと、負のパワーを有する低分散のレンズ１５ｃを有する。これらのレンズ１５ａ〜１５ｃの組み合わせは、上記の色収差補正を行う場合の組み合わせと全く逆の関係になっており、これにより、前述した第１および第２の作用を実現し、励起光による蛍光体へのダメージを低減する。
図６Ａに、コリメータレンズ１５のレンズ１５ａ〜１５ｃに関する設計データの一例を示す。
図６Ａにおいて、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれレンズ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに対応する。面番号１〜６はそれぞれレンズ１５ａ〜１５ｃの各面に対応し、蛍光体部１４側が順番に番号が付されている。なお、面番号０は蛍光体部１４の面を示す。曲率半径が負の値である場合は、蛍光体部１４側から見た場合の面の形状が凹状であることを示す。曲率半径が正の値である場合は、蛍光体部１４側から見た場合の面の形状が凸状であることを示す。
レンズ１５ａ（Ｌ１）の蛍光体部１４側の面は平面であり、その反対側の面は凸面（曲率半径は−２．９６９６７ｍｍ）である。レンズ１５ａの屈折率は１．６４８であり、アッベ数は３３．８である。
レンズ１５ｂ（Ｌ２）の蛍光体部１４側の面は凸面（曲率半径は１７ｍｍ）であり、その反対側の面も凸面（曲率半径は−１７ｍｍ）である。レンズ１５ｂの屈折率は１．６４８であり、アッベ数は３３．８である。
レンズ１５ｃ（Ｌ３）の蛍光体部１４側の面は平面であり、その反対側の面は凹面（曲率半径は１６．４３ｍｍ）である。レンズ１５ｃの屈折率は１．５１７であり、アッベ数は６４．２である。
面番号２の面は非球面であって、図６Ｄに示すような係数により規定される。ここで、ｋはコニック係数、αiは非球面係数である。ザク量ｚは、以下の式で与えられる。
Figure 0005497912
 以上説明した本実施形態の光源装置によれば、蛍光体部１４は、コリメータレンズ１５の蛍光の波長に対応する焦点距離により決まる位置に配置されるので、蛍光体部１４から放出された緑色の蛍光（発散光）のほとんどを平行光束化することができ、それにより光利用効率を高めることができる。
また、コリメータレンズ１５は、正のパワーを持つ高分散のレンズ１５ａ、１５ｂと負のパワーを持つ低分散のレンズ１５ｃとで構成されるので、焦点距離が波長により変化する。したがって、蛍光体部１４がコリメータレンズ１５の蛍光の波長に対応する焦点距離により決まる位置に配置された場合、コリメータレンズ１５は、励起光源１２、１３からの励起光を蛍光体部１４上である程度のデフォーカス量を有する状態で集光する。これにより、単位面積当たりの光エネルギー密度が低下するので、励起光による蛍光体へのダメージを軽減することができる。
また、本実施形態の光源装置によれば、特許文献１に記載されたような回転駆動系は不要であるので、その分、装置を小型化することができ、装置コストを低くすることができる。
加えて、本実施形態の光源装置においては、以下のような作用効果を奏する。
図５に示した投射型表示装置においては、蛍光体部１４上の励起光照射領域の面積とその励起光照射領域から放出される蛍光の発散角とで決まるエテンデュー（Etendue）と呼ばれる制約がある。励起光照射領域の面積（より具体的には、蛍光の発光面積）と発散角との積の値を、表示素子であるＤＭＤ４６の面積と投射光学系４７のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にすることで、蛍光体部１４からの蛍光の光を余すことなく取り込み投影することができる。
蛍光体部１４上における励起光の照射領域（スポットサイズ）は、エテンデューの制約により制限される範囲内であれば、どのような大きさにしても、光利用効率はほぼ同じである。
以下、エテンデューと蛍光体部１４上の励起光のスポットサイズの関係について具体的に説明する。
まず、ＤＭＤ４６（パネル）側で受けることができるエテンデューについて説明する。
パネル側エテンデューは、以下の数式で表される。
Figure 0005497912
 ここで、Eパネルはパネル側のエテンデューを示し、Sパネルはパネルの面積を示し、Fnoは投射光学系４７のＦナンバーを示す。
図６Ｂに、上記の式を使用して、パネルサイズに応じたパネル側のエテンデューを求めた結果を示す。図６Ｂには、０．２インチのパネルと０．３インチのパネルのそれぞれについて、Ｆナンバーを１．８、２、２．２、２．４と変えた場合のエテンデューの値（ｍｍ2／ｓｒ）が示されている。０．２インチのパネルと０．３インチのパネルのアスペクト比はいずれも４：３である。
次に、蛍光体部１４（光源）側で受けることができるエテンデューについて説明する。
光源側のエテンデューは、以下の式で表される。
Figure 0005497912
 ここで、E光源は光源のエテンデューを示し、S光源は光源の発光面積を示し、θは光源の立体角を示す。
図６Ｃに、上記の式を使用して、パネルサイズに応じた光源のエテンデューを求め、その結果から最大発光面積を求めた結果を示す。図６Ｃには、０．２インチのパネルと０．３インチのパネルのそれぞれについて、Ｆナンバーを１．８、２、２．２、２．４と変えた場合の最大発光面積の値（ｍｍ）が示されている。例えば、Ｆナンバーが２．４である場合、エテンデューの制約を満たす場合の、０．２インチのパネルで受けることができる光源の発光面積（発光サイズ）は、φ０．８ｍｍまでである。
蛍光体部１４に入射した励起光は蛍光体層中で拡散されるため、蛍光の発光面積は蛍光体部１４上の励起光のスポットサイズ（ビーム径）よりも大きくなる。これを考慮し、励起光のスポットサイズに対して蛍光体部１４の発光サイズが倍になると仮定すると、Ｆナンバーが２．４で、パネルサイズが０．２インチである場合は、励起光のスポットサイズをφ０．４ｍｍ以下とすることで、エテンデューの制約を満足することになる。逆に言うと、励起光のスポットサイズがφ０．４ｍｍ以下であれば、どのようなスポットサイズであっても、エテンデューの制約を満足するため、投射型表示装置の光利用効率が低下することはない。
励起光のスポットサイズを小さくすると、蛍光体にダメージを与える可能性があるため、エテンデューの制約を満足する範囲内で励起光のスポットサイズを大きくすることが望ましい。
コリメータレンズ１５は、励起光を蛍光体部１４上に集光する役割と、蛍光の光を平行光束化する役割を持つ。エテンデューの制約を満足する範囲内で励起光のスポットサイズをできるだけ大きくし、かつ、蛍光体部１４からの蛍光の光は平行光束化するためには、励起光の波長域でのコリメートレンズ１５の焦点距離と蛍光（緑）の波長域でのコリメートレンズ１５の焦点距離とが異なることが望ましい。
本実施形態の光源装置によれば、色収差補正とは逆の考えで、正のパワーを持つレンズと負のレンズのパワーを持つレンズを組合せることによりコリメータレンズ１５を構成し、しかも、正のパワーを持つレンズを高分散ガラスより構成し、負のパワーを持つレンズを低分散ガラスより構成することで、積極的に色収差を発生させて、焦点距離が波長により異なるようにしている。
コリメータレンズ１５は、上記のエテンデューの制約により決まる照射領域範囲内において、励起光をある程度の大きさ有するスポットサイズで蛍光体部１４上に集光する。これにより、光利用効率低下を抑制し、かつ、蛍光体へのダメージを低減することができる。
例えば、励起光の波長（例えば青色）における焦点距離が蛍光の波長（例えば緑色）における焦点距離に対して５％〜１０％短くなるようにコリメータレンズ１５を構成することで、エテンデューの制約を満足する範囲内で、励起光のスポットサイズをある程度大きくすることができる。これにより、確実に、光利用効率低下を抑制し、かつ、励起光の蛍光体へのダメージを低減することができる。
また、本実施形態の光源装置によれば、さらに以下のような効果を得ることができる。
一般に、正のパワーを持つレンズだけで色収差を制御する場合は、その制御はアッベ数のみに依存する。アッベ数はレンズに用いられる硝材に依存するので、正のパワーを持つレンズだけで構成されるコリメータレンズでは、色収差の制御に関する設計の自由度が小さいという問題が生じる。
本実施形態の光源装置によれば、正のパワーを持つレンズと負のパワーを持つレンズとの組み合わせでコリメータレンズ１５の色収差を制御する。この場合は、正のパワーを持つレンズのアッベ数と負のパワーを持つレンズのアッベ数との関係により色収差を制御することができるので、色収差の制御に関する設計の自由度が高くなる。
以上説明した本実施形態の光源装置は、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る変更を加えることができる。
例えば、コリメータレンズ１５を構成する、正のパワーを持つ高分散のレンズおよび負のパワーを持つ低分散のレンズのそれぞれの枚数は、１枚であっても、複数枚であってもよい。
また、励起光源の数は２個に限定されない。励起光源の数は、１個であってもよく、３個以上であってもよい。
次に、本発明の光源装置が適用される照明装置について説明する。
図７は、本発明の光源装置が適用される照明装置の構成を示す模式図である。
図７を参照すると、照明装置は、プロジェクター等の投射型表示装置に用いられるものであって、赤色レーザ１０、青色レーザ１１、励起光源１２、１３、蛍光体部１４、コリメータレンズ１５〜１９、ダイクロイックミラー５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、および光路変更用のミラー５２、５３を有する。
励起光源１２、１３、蛍光体部１４、コリメータレンズ１５およびダイクロイックミラー５１ａは、図１に示した光源装置で説明したものと同じであるので、ここでは、その説明は省略する。
図７において、赤色レーザ１０から出力された赤色のレーザ光の光路、青色レーザ１１から出力された青色のレーザ光の光路、励起光源１２、１３から出力された励起光の光路、および蛍光体部１４から放出された緑色の蛍光の光路はそれぞれ、矢印付きの実線（太線）で示されている。白抜きの矢印は、赤色のレーザ光、青色のレーザ光および緑色の蛍光が合成された光であり、本実施形態の照明装置の出力光である。なお、各色の光路はいずれも、中心光線の光路のみを示したものであり、実際は、複数の光線からなる光線束よりなる。
赤色レーザ１０および青色レーザ１１は、レーザダイオードに代表される半導体レーザやＬＥＤなどの固体光源である。赤色レーザ１０は、赤色の波長域にピーク波長を有するＳ偏光のレーザ光（以下、単に赤色のレーザ光と記す）を出力する。青色レーザ１１は、青色の波長域にピーク波長を有するＳ偏光のレーザ光（以下、単に青色のレーザ光と記す）を出力する。なお、励起光源１２、１３の出力光のピーク波長は、青色レーザ１１と同じであってもよく、また、異なっていてもよい。
コリメータレンズ１６は、赤色レーザ１０から出力された赤色のレーザ光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１７は、青色レーザ１１から出力された青色のレーザ光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１８は、励起光源１２から出力された励起光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１９は、励起光源１３から出力された励起光（発散光）を平行光束に変換する。
赤色レーザ１０、青色レーザ１１および励起光源１２、１３のそれぞれは、同じ方向に光を出射するように配置されている。より具体的には、赤色レーザ１０、青色レーザ１１および励起光源１２、１３の各光軸は互いに平行である。
ダイクロイックミラー５１ａ〜５１ｃはいずれも、誘電体多層膜からなる。ダイクロイックミラー５１ａ〜５１ｃは、蛍光体部１４から放出された緑色の蛍光の光束の中心光線と交差するように配置されている。ダイクロイックミラー５１ａ〜５１ｃは、この順番で、蛍光体部１４側から順に配置されている。ダイクロイックミラー５１ａ〜５１ｃは、蛍光の光束の中心光線を含む平面と直交するように配置されてもよい。
ダイクロイックミラー５１ａ、５１ｂの膜特性は同じである。すなわち、ダイクロイックミラー５１ａ、５１ｂはいずれも、図２に示した特性を有する。
ダイクロイックミラー５１ｃの膜特性は、ダイクロイックミラー５１ａ、５１ｂのそれとは異なる。
図８に、ダイクロイックミラー５１ｃのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示す。図８において、実線はＳ偏光に対する分光透過特性を示し、点線はＰ偏光に対する分光透過特性を示す。Ｒ−ＬＤは、赤色レーザ１０から出力される赤色のレーザ光のスペクトラムである。
Ｓ偏光で入射する光に対するダイクロイックミラー５１ｃのカットオフ波長は、赤色の波長域以上の光を反射し、それ以外の波長域（緑色および青色の波長域を含む）の光を透過するように設定されている。Ｐ偏光で入射する光に対するダイクロイックミラー５１ｃのカットオフ波長は、Ｓ偏光に対するカットオフ波長よりも長波長側に設定されている。この場合も、カットオフ波長の設定は、誘電体多層膜の材料、積層数、膜厚、屈折率などにより調整することができる。
図８に示した分光透過特性を有するダイクロイックミラー５１ｃにおいては、赤色の波長域以上のＳ偏光は反射され、緑色および青色の波長域のＳ偏光およびＰ偏光の光を透過する。
本実施形態の照明装置では、励起光源１２から出力され、コリメータレンズ１８で平行光束化された励起光は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ａに入射する。励起光源１３から出力され、コリメータレンズ１９で平行光束化された励起光は、ミラー５２、５３を介して、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ａに入射する。
ダイクロイックミラー５１ａは、入射した励起光を蛍光体部１４の方向に向けて反射する。ダイクロイックミラー５１ａで反射された励起光は、コリメータレンズ１５を介して蛍光体部１４の蛍光体領域に集光される。
蛍光体部１４の蛍光体領域では、励起光の照射により蛍光体が励起される。励起された蛍光体から、緑色の蛍光が放出される。
蛍光体部１４の蛍光体領域から放出された緑色の蛍光（発散光）は、コリメータレンズ１５によって平行光束化された後、ダイクロイックミラー５１ａに入射する。ダイクロイックミラー５１ａは、入射した緑色の蛍光を透過する。
ダイクロイックミラー５１ａからの緑色の蛍光の透過光束は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ｂに入射する。ダイクロイックミラー５１ｂは、青色レーザ１１の光軸と蛍光体部１４からの緑色の蛍光の光束（より具体的には、蛍光体部１４およびコリメータレンズ１５を含む系の光軸）との交点に配置されている。青色レーザ１１からの青色のレーザ光は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ｂに入射する。
ダイクロイックミラー５１ｂは、青色レーザ１１からの青色のレーザ光をダイクロイックミラー５１ｃに向けて反射し、ダイクロイックミラー５１ａからの緑色の蛍光の透過光束を透過する。これにより、青色レーザ１１からの青色のレーザ光とダイクロイックミラー５１ａからの緑色の蛍光が色合成される。
ダイクロイックミラー５１ｂからの光束（青色のレーザ光＋緑色の蛍光）は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ｃに入射する。ダイクロイックミラー５１ｃは、赤色レーザ１０の光軸と蛍光体部１４からの緑色の蛍光の光束（より具体的には、蛍光体部１４およびコリメータレンズ１５を含む系の光軸）との交点に配置されている。赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光は、入射角約４５°で、ダイクロイックミラー５１ｃに入射する。
ダイクロイックミラー５１ｃは、赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光を反射し、ダイクロイックミラー５１ｂからの光束（青色のレーザ光＋緑色の蛍光）を透過する。これにり、赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光とダイクロイックミラー５１ｂからの光束（青色のレーザ光＋緑色の蛍光）が色合成される。
ダイクロイックミラー５１ｂ、５１ｃは、青色のレーザ光、緑色の蛍光および赤色のレーザ光を合成する色合成手段である。ダイクロイックミラー５１ｃからの光束（青色のレーザ光＋緑色の蛍光＋赤色のレーザ光）が、本実施形態の照明装置の出力光である。
上述した本実施形態の照明装置においても、前述した光源装置の実施形態と同様な作用効果を奏する。
以上説明した本実施形態の照明装置においても、前述した光源装置の実施形態で説明した様々な変形を適用することができる。
また、ダイクロイックミラー５１ａ〜５１ｃは、直方体形状のダイクロイックプリズムより構成されてもよい。
ダイクロイックプリズムは、第１および第２の直角プリズムと、台形形状のプリズムと、平行四辺形状のプリズムとからなる。第１および第２の直角プリズムのそれぞれは、直角面と斜面を有し、第１の直角プリズムの斜面が台形形状のプリズムの対向する斜面の一方に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ａに対応するダイクロイック膜が形成される。
平行四辺形状のプリズムの対向する斜面の一方が台形形状のプリズムの対向する斜面の他方に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ｂに対応するダイクロイック膜が形成される。
平行四辺形状のプリズムの対向する斜面の他方が第２の直角プリズムの斜面に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ｃに対応するダイクロイック膜が形成される。
また、ダイクロイックプリズムは、第１乃至第３の直角プリズムと平行四辺形状のプリズムとから構成されてもよい。
第１乃至第３の直角プリズムのそれぞれは、直角面と斜面を有し、第１の直角プリズムの斜面が第２の直角プリズムの直角面の一方の面に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ａに対応するダイクロイック膜が形成される。
平行四辺形状のプリズムの対向する２つの面の一方が第２の直角プリズムの直角面の他方の面に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ｂに対応するダイクロイック膜が形成される。
平行四辺形状のプリズムの対向する２つの面の他方が第３の直角プリズムの斜面に接合され、該接合面に、ダイクロイックミラー５１ｃに対応するダイクロイック膜が形成される。
また、本実施形態の照明装置において、ダイクロイックミラー５１ｂ、５１ｃに代えて、クロスダイクロイックプリズムを用いてもよい。
クロスダイクロイックプリズムは、直角を成す面が互いに接合された第１乃至第４の直角プリズムからなる。第１および第２の直角プリズムの接合面と第３および第４の直角プリズムの接合面により一様な第１の平面が形成されており、この第１の平面に、ダイクロイックミラー５１ｂと同じ膜特性を有するダイクロイック膜が形成される。
第１および第４の直角プリズムの接合面と第２および第３の直角プリズムの接合面により、第１の平面と交差する一様な第２の平面が形成されており、この第２の平面に、ダイクロイックミラー５１ｃと同じ膜特性を有するダイクロイック膜が形成される。
また、本実施形態の照明装置において、ダイクロイックミラー５１ｃから出力された光を導くための光学系や導光手段などを設けてもよい。
さらに、ダイクロイックミラー５１ｂ、５１ｃの位置を逆にしてもよい。すなわち、蛍光体部１４側から、ダイクロイックミラー５１ａ、５１ｃ、５１ｂをこの順番で配置してもよい。この場合は、赤色レーザ１０および青色レーザ１１の位置も逆になる。
さらに、光路変更用のミラー５２、５３に代えて平行四辺形状のプリズムを用いてもよい。
（他の実施形態）
本他の実施形態の光源装置は、励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、励起光を出力する励起光源部と、励起光源部から出力された励起光を蛍光体部に向けて反射するとともに、蛍光体部から放出された蛍光を透過する反射部と、反射部と蛍光体部の間に設けられた、焦点距離が波長により異なるコリメータレンズと、を有する。
蛍光体部は、コリメータレンズの、蛍光体部から放出される蛍光の波長に対応する焦点距離によって定められた位置に配置されている。コリメータレンズは、負のパワーを持つ少なくとも１つの第１のレンズと、正のパワーを持ち、かつ、アッベ数が前記第１のレンズより小さい、少なくとも１つの第２のレンズと、を有する。
励起光源部は、図１に示した励起光源１２、１３より構成されてもよい。反射部は、図１に示したダイクロイックミラー５１ａにより構成されてもよい。コリメータレンズは、図１に示したコリメータレンズ１５により構成されてもよい。
本他の実施形態の光源装置においても、前述した実施形態と同様の作用効果を奏する。
以上説明した本発明の光源装置は、プロジェクターに代表される投射型表示装置全般に適用することができる。
投射型表示装置は、発光色が異なる第１および第２の固体光源と、光源装置から出力された蛍光と第１および第２の固体光源から出力された第１および第２の光とを合成する色合成手段と、色合成手段により合成された合成光を空間的に変調して変調光を生成する表示素子と、表示素子で生成された変調光を投射する投射光学系と、を有する。表示素子は、ＤＭＤや液晶パネルなどである。
図９に、本発明の光源装置を備える投射型表示装置の一例を示す。
図９を参照すると、投射型表示装置は、表示素子であるＤＭＤ４６と、第２の実施形態の照明装置と、照明装置からの光をＤＭＤ４６に導くための光学系と、ＤＭＤ４６で形成された画像光（変調光）を不図示のスクリーン上に投射する投射光学系４７とを有する。
光学系は、フライアイレンズ４０、４１、フィールドレンズ４２、ミラー４３、コンデンサレンズ４４、および内部全反射（ＴＩＲ）プリズム４５を有する。これらは、図５に示したものと同じである。
励起光源１２、１３と赤色レーザ１０と青色レーザ１１との点灯タイミングを制御することで、赤色、緑色および青色の各色の光束が時分割で色合成プリズム２０から出射される。この時分割で出射される各色の光束を、ＤＭＤ４６を用いて空間的に変調することで、各色の画像光を得ることができる。
上記の投射型表示装置において、前述した他の実施形態の光源装置を用いてもよい。

Claims (6)

  1. 励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、
    前記励起光を出力する励起光源部と、
    前記励起光源部から出力された前記励起光を前記蛍光体部に向けて反射するとともに、前記蛍光体部から放出された前記蛍光を透過する反射部と、
    前記反射部と前記蛍光体部の間に設けられた、焦点距離が波長により異なるコリメータレンズと、を有し、
    前記蛍光体部は、前記コリメータレンズの、前記蛍光体部から放出される前記蛍光の波長における焦点距離によって定められた位置に配置されており、
    前記コリメータレンズは、
    負のパワーを持つ少なくとも１つの第１のレンズと、
    正のパワーを持ち、かつ、アッベ数が前記第１のレンズより小さい、少なくとも１つの第２のレンズと、を有する、光源装置。
  2. 前記第２のレンズは、前記第１のレンズよりも前記蛍光体部側に配置されている、請求の範囲第１項に記載の光源装置。
  3. 前記コリメータレンズは、前記励起光源部から出力される前記励起光の波長における焦点距離が前記蛍光体部から放出される前記蛍光の波長における焦点距離に対して５％〜１０％短くなるように構成されている、請求の範囲第１項または第２項に記載の光源装置。
  4. 前記励起光源部は、第１および第２の励起光源を有し、前記反射部で反射された前記第１の励起光源からの励起光の中心光線と、前記反射部で反射された前記第２の励起光源からの励起光の中心光線とは、前記コリメータレンズの光軸を挟んで線対称な位置関係にある、請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載の光源装置。
  5. 請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の光源装置と、
    発光色が異なる第１および第２の固体光源と、
    前記光源装置から出力された蛍光と前記第１および第２の固体光源から出力された第１および第２の光とを合成する色合成手段と、を有する照明装置。
  6. 請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の光源装置と、
    発光色が異なる第１および第２の固体光源と、
    前記光源装置から出力された蛍光と前記第１および第２の固体光源から出力された第１および第２の光とを合成する色合成手段と、
    前記色合成手段により合成された合成光を空間的に変調して変調光を生成する表示素子と、
    前記表示素子で生成された前記変調光を投射する投射光学系と、を有する投射型表示装置。
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