JP5673046B2 - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクター用の光源として半導体レーザー等の固体光源が注目されている。例えば、特許文献１の光源装置では、複数の固体光源と、各固体光源から射出された光を受けてその受光領域の複数個所の光の各々について被照射面へインテグレートして導くインテグレート光学系と、を備えている。

特開２００４−２２００１６号公報

特許文献１の光源装置では、複数の固体光源が離散的に配置されているため、インテグレート光学系を用いて複数の固体光源から射出された光の光量分布を均一化している。しかしながら、固体光源の配置間隔が大きいと、インテグレート光学系を用いても十分に光量分布を均一化することができない場合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光量分布の均一化を図ることが可能な光源装置を提供することを目的とする。また、このような光源装置を有し、高品質な画像表示が可能なプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、複数の固体光源を含み、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記複数の光線束のうち少なくとも一の光線束を複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束の光軸が互いに重ならないように射出するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束からなる光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、前記複数の部分光線束を重畳する重畳光学系と、を含む集光光学系と、前記重畳光学系によって重畳された前記複数の部分光線束からなる光によって励起され蛍光を発する発光素子と、を備えることを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、複数の固体光源を含み、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束を射出する光源部と、前記光源部から射出された前記複数の光線束のうち少なくとも一の光線束を複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束の光軸が互いに重ならないように射出するビームスプリッタと、を備えることを特徴とする。
上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、複数の固体光源を含み、前記複数の固体光源から射出された光線束をそれぞれ平行な光線束として射出する光源部と、前記光源部から射出された前記複数の光線束のそれぞれを複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束の光軸が互いに重ならないように前記複数の分割光線束を互いに平行な光線束として射出するビームスプリッタアレイと、を備えることを特徴とする。

この光源装置によれば、各固体光源から射出された光線束はそれぞれ光量の小さい複数の分割光線束に分割される。１つ１つの分割光線束の光量を小さくし、分割光線束の数を増やしているので、光源部から射出される光の強度分布が均一化される。よって、光量分布の均一化を図ることが可能な光源装置を提供することができる。

前記光源装置において、前記ビームスプリッタアレイは、各々が１つの前記固体光源に対応して設けられた複数のビームスプリッタを備え、前記各ビームスプリッタは、ハーフミラーと、反射ミラーと、を備え、前記ハーフミラーは、対応する１つの前記固体光源から射出された前記光線束の半分を透過させるとともに残りの半分を前記反射ミラーに向けて反射させ、前記反射ミラーは、前記ハーフミラーによって反射された光を前記ハーフミラーを透過した光の透過方向と同じ方向に反射させてもよい。

この光源装置によれば、ハーフミラーを透過した複数の光とハーフミラーによって反射されて反射ミラーによって反射された複数の光とが互いの隙間を埋め合うよう相補的に射出される。これにより、光量が半減された多数の分割光線束が光源装置から射出されることとなり、全体として光量分布が均一化される。

前記光源装置において、前記複数の固体光源は、前記光の射出方向から視て、互いに直交する第１の方向と第２の方向とに沿って配列されていてもよい。

この光源装置によれば、複数の固体光源が不規則に配置される構成に比べて、光量分布の均一化を図ることができる。

前記光源装置において、前記第１の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔は、前記第２の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔よりも大きい間隔となっており、前記各ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束は、前記第１の方向に沿って配列されていてもよい。

この光源装置によれば、相対的に固体光源の配列間隔の大きい領域、つまり光量分布が不均一となりやすい領域に複数の分割光線束が配置されるので、光量分布の均一化をより確実に図ることができる。

前記光源装置において、前記各ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束は、前記複数の分割光線束の光路上に配置された被照射面上において、それぞれ自身の光軸を中心に所定のスポット径を有しており、前記被照射面上における前記複数の分割光線束のスポットの端部は、互いに重なっていてもよい。

複数の分割光線束のスポットの端部が互いに離間していると、この離間した領域で光量分布が不均一となりやすいものの、この構成によれば、複数の分割光線束のスポットの端部が互いに重なっているので、光量分布の均一化をより確実に図ることができる。

前記光源装置において、前記ビームスプリッタアレイから射出された前記複数の分割光線束からなる光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、前記複数の部分光線束を重畳する重畳光学系と、を含む集光光学系を備えていてもよい。

この光源装置によれば、複数の固体光源から射出され、離散的な光強度分布を有する光が、レンズアレイと重畳光学系を介することで被照射面上にて重畳し、光強度分布が平均化される。そのため、光量分布の均一化を確実に図ることができる。

前記光源装置において、前記重畳光学系によって重畳された前記複数の部分光線束からなる光によって励起され蛍光を発する発光素子を備えていてもよい。

この光源装置によれば、複数の固体光源から射出され、離散的な光強度分布を有する光が、レンズアレイと重畳光学系を介することで発光素子上にて重畳し、光強度分布が平均化される。そのため、発光素子の狭い領域のみに強い光が照射されることが抑制され、光飽和が生じにくくなる。したがって、発光効率の低下を抑制し、安定して強い光を射出することが可能な光源装置とすることができる。

前記光源装置において、前記レンズアレイのレンズ面と、前記発光素子に前記光が照射される光照射面とが、前記重畳光学系を介して共役関係にあってもよい。

この光源装置によれば、複数の部分光線束からなる光が発光素子の光照射面上で良好に重畳するため、光強度分布を平均化しやすく、発光素子の光飽和を生じないように光量を制御することが容易となる。

前記光源装置において、前記レンズアレイを構成する複数の小レンズの平面視形状は、前記光照射面の平面視形状と相似形であり、前記光照射面の面積と、前記光照射面と同じ空間位置において前記光照射面と平行な平面を照射する、前記重畳光学系によって重畳された前記光の照射面積と、が略等しくてもよい。

この光源装置によれば、光を発光素子に無駄なく照射することができるため、投入する光量に対する取り出す蛍光量を最大化することができる。

前記光源装置において、前記光源部は、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束からなる光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから射出された前記光を平行化する平行化レンズと、を有し、前記平行化レンズは、入射面または射出面のいずれか一方に、回転二次曲面形状の凹面を有していてもよい。

この光源装置によれば、レンズアレイに入射する光の平行度を向上させることができるため、レンズアレイおよび重畳光学系を用いた光量分布の平均化を設計通りに制御しやすく、発光効率の低下を容易に抑制することができる。

前記光源装置において、前記平行化レンズは、前記入射面が球面状の凸面であり、前記射出面が前記凹面であってもよい。

この光源装置によれば、レンズアレイに入射する光に、平行化レンズを透過することによる強度分布が発生されにくく、レンズアレイおよび重畳光学系を用いた光量分布の平均化を行い易い。そのため、光飽和を抑制して発光素子を発光させることが容易となる。

前記光源装置において、前記発光素子に前記光が照射される光照射面は前記集光光学系の焦点位置に重なって設けられ、前記集光光学系は、前記光照射面と共役する面が無限遠に設定されていてもよい。

この光源装置によれば、重畳光学系とレンズアレイとの相対位置を精緻に設定しなくても、重畳光学系と発光素子との相対位置を設定することにより、発光素子への光を重畳させることができる。また、焦点位置においては光が結像していないため、光の像がぼやけ光強度を平均化しやすい。そのため、発光素子において光飽和を生じないように光量を制御することが容易となる。

前記光源装置において、前記レンズアレイを構成する複数の小レンズの平面視形状は、前記発光素子に前記光が照射される光照射面の平面視形状と相似形であり、前記発光素子の光照射面の面積は、前記集光光学系の射出瞳の大きさと略等しくてもよい。

この光源装置によれば、光を発光素子に無駄なく照射することができるため、投入する光量に対する取り出す蛍光量を最大化することができる。

前記光源装置において、前記光源部は、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束からなる光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから射出された前記光を平行化する平行化レンズと、を有し、前記平行化レンズは、入射面または射出面のいずれか一方に、回転二次曲面形状の凹面を有していてもよい。

この光源装置によれば、レンズアレイに入射する光の平行度を向上させることができるため、レンズアレイおよび重畳光学系を用いた光の平均化を設計通りに制御しやすく、発光効率の低下を容易に抑制することができる。

前記光源装置において、前記平行化レンズは、前記入射面が前記凹面であり、前記射出面が平面であってもよい。

この光源装置によれば、平行化レンズを透過する光の平行度をより向上させることができるため、レンズアレイおよび重畳光学系を用いた光の平均化を行い易く、光飽和を抑制して発光素子に発光させることが容易となる。

前記光源装置において、前記凹面は、前記凹面と前記複数の光線束からなる光の中心軸との交点を原点、前記中心軸をＺ軸、前記中心軸と直交する軸をｒ軸とした座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、以下の式（１）によって表される形状であることが望ましい。

式（１）に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差を小さくすることができるため、光源装置から射出される光の平行度をより一層向上させることができる。

また、本発明のプロジェクターは、上述の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上述の光源装置を有するため、明るさムラが抑制されて高品質な画像表示が可能なプロジェクターを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る光源アレイの正面図である。 光源および発光素子の発光特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る光源部の側面図である。 本発明の第１実施形態に係るビームスプリッタアレイを示す模式図である。 ビームスプリッタアレイに入射した光の光強度分布を示す説明図である。 レンズインテグレーターに入射した光の挙動を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る偏光変換素子の概略説明図である。 本発明の第２実施形態に係る光源装置を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る集光レンズ及び平行化レンズの側面図である。 本発明の第３実施形態に係る光源装置を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る光源アレイの正面図である。 本発明の第４実施形態に係る光源装置を示す模式図である。 レンズインテグレーターに入射した励起光の挙動を示す説明図である。 本発明の第５実施形態に係る光源装置を示す模式図である。 本発明の第６実施形態に係る光源装置を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の第１実施形態に係るプロジェクター１０００を示す模式図である。なお、図１において、符号１００ａｘは照明光軸（光源装置１から色分離導光光学系２００に向けて射出される光の光軸）である。なお、光軸とは、光学系において、系全体を透過する光束の代表となる仮想的な光線を指すものとする。

図１に示すようにプロジェクター１０００は、光源装置１と、色分離導光光学系２００と、液晶ライトバルブ（光変調素子）４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、色合成素子５００と、投写光学系６００と、を具備して構成されている。

プロジェクター１０００は、概略すると以下のように動作する。光源装置１から射出された光は、色分離導光光学系２００により複数の色光に分離される。色分離導光光学系２００により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された各色光は、色合成素子５００に入射して合成される。色合成素子５００により合成された光は、投写光学系６００によりスクリーンＳＣＲに拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。
以下、プロジェクター１０００の各構成要素について説明する。

光源装置１は、青色光を射出する２つの光源アレイ１０Ｂ（第１光源アレイ１０Ｂａ、第２光源アレイ１０Ｂｂ）を有している。

光源装置１は、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１０Ｂａ、コリメート光学系２０、ビームスプリッタアレイ３０、レンズインテグレーター４０、光波長選択光学系８０、重畳光学系５０、発光素子６０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

ここで、第１光源アレイ１０Ｂａとコリメート光学系２０とは、本発明における光源部１００を構成する。また、レンズインテグレーター４０と重畳光学系５０とは、本発明における集光光学系を構成する。

一方、光源装置１は、第２光源アレイ１０Ｂｂから射出される光の光路に沿って見ると、第２光源アレイ１０Ｂｂ、コリメーターレンズアレイ２２ｂ，集光レンズ７０、ディフューザー７２、平行化レンズ７４、光波長選択光学系８０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

このような構成を有する光源装置１では、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される青色光は、発光素子６０に照射され、発光素子６０が備える蛍光体から蛍光を射出させるための励起光として用いられる。発光素子６０から射出された蛍光は、第２光源アレイ１０Ｂｂから射出される青色光と光路上で混色され、液晶ライトバルブの照明光として用いる白色光Ｌとして光源装置１から射出される。
以下、先ず第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光について説明しながら、各構成を説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る第１光源アレイ１０Ｂａの正面図である。図２に示すように、第１光源アレイ１０Ｂａは、基台１１上にレーザー光源（固体光源）１２が５個×１１個の長方形状に２次元配列（合計５５個）で並べられた、レーザー光源アレイである。各レーザー光源１２は、平面視で角丸矩形を有しており、長軸方向が一方向（Ｚ軸方向）に沿って配列されている。

複数のレーザー光源１２は、光の射出方向（＋Ｙ方向））から視て、互いに直交する第１の方向（Ｚ軸方向）と第２の方向（Ｘ軸方向）とに沿って配列されている。第１の方向に沿って配列された複数のレーザー光源１２の配列間隔Ｗ１は、第２の方向に沿って配列された複数のレーザー光源１２の配列間隔Ｗ２よりも大きい間隔となっている（Ｗ１＞Ｗ２）。また、第１の方向に沿って配列された隣り合う２つのレーザー光源１２の隙間の大きさについても、第２の方向に沿って配列された隣り合う２つのレーザー光源１２の隙間の大きさより大きくなっている。

図３は、光源および発光素子の発光特性を示すグラフである。
第１光源アレイ１０Ｂａは、発光素子６０が備える蛍光物質を励起させる励起光として、青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ、図３（ａ）参照）のレーザー光を射出する。図３（ａ）において、符号Ｂで示すのは、第１光源アレイ１０Ｂａが励起光として射出する色光成分である。なお、第１光源アレイ１０Ｂａは、後述する蛍光物質を励起させることができる波長の光であれば、４４５ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を射出する光源であっても構わない。図１では、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される励起光を、符号Ｂで示している。

図４は、本発明の第１実施形態に係る光源部の側面図である。光源部１００は、複数のレーザー光源１２から射出された光線束をそれぞれ平行な光線束として射出する機能を有する。図４に示すように、第１光源アレイ１０Ｂａから出射された励起光は、コリメート光学系２０に含まれるコリメーターレンズアレイ２２ａで平行化される。その後、集光レンズ２４で集光された励起光の光線は、集光レンズ２４の焦点Ｆ１の方向に進み、平行化レンズ２６によって再度平行化される。このようなコリメート光学系２０を透過することにより、励起光は、光線束全体の幅が狭められる。

ここで、平行化レンズ２６は、入射面２６ａが球面状の凸面であり、射出面２６ｂが非球面状の凹面となっている。射出面２６ｂの形状をさらに具体的に説明すると、平行化レンズ２６の射出面２６ｂの非球面形状は、式（２）の関係をほぼ満足する形状となっている。すなわち、射出面２６ｂでは、射出面２６ｂの非球面形状を回転二次曲面形状とすることにより、平行度の高い光を射出することが可能となっている。

ここで、ｒ，Ｚは、図４に示すように、平行化レンズ２６の射出面２６ｂと励起光の光線束の中心軸１００ａｘとの交点を原点Ｌ０とし、中心軸１００ａｘに軸対象なｒθＺ円柱座標系における座標値である。なお、図４において、Ｚ方向は、励起光の射出方向を正としている。ｒは、原点Ｌ０からの中心軸１００ａｘに直交する方向への距離を示している。θは、所定のｒ方向からの角度を示しているが、式（２）から分かるように、非球面の形状は角度θに依存しない。

また、式（２）中、近軸曲率ｃは、集光レンズ２４で集光された励起光の光線を、球面状の平凹レンズを用いて平行光に変換すると仮定した場合の、当該球面の曲率を示している。すなわち、近軸領域（回転軸付近の領域）では、この曲率ｃを有する平凹レンズを用いることにより、集光レンズ２４で集光された励起光の光線を平行光に変換することができることになる。

Ｋは、円錐定数と呼ばれる値である。この円錐定数Ｋの値によって、回転二次曲面形状は特定の形状に限定される。すなわち、円錐定数Ｋの値が−１＜Ｋ＜０である場合には、非球面は回転楕円面となる。また、円錐定数Ｋの値がＫ＝−１である場合には、非球面は回転放物面となる。さらに、円錐定数Ｋの値が、Ｋ＜−１である場合には、非球面は回転双曲面となる。

また、左辺第３項は、一般非球面項と呼ばれる距離ｒに依存する関数であるが、十分に小さな値であるため、本実施形態では無視することとしている。

本実施形態における平行化レンズ２６の非球面の回転二次曲面形状は、式（２）の左辺第３項を無視した下式（３）に基づき、次のような方法によって決定される。

まず、集光レンズ２４の形状と、平行化レンズ２６の入射面２６ａの曲率と、平行化レンズ２６の屈折率ｎと、平行化レンズ２６の中心部の厚みと、平行化レンズ２６の設置位置とを考慮して、近軸曲率ｃの値を求める。

具体的には、まず、集光レンズ２４の形状、および平行化レンズ２６の入射面２６ａの曲率、屈折率ｎ、中心部の厚み、設置位置を予め決めておく。また、平行化レンズ２６の代わりとして、入射面の曲率、屈折率、中心部の厚みが同じで且つ射出面が球面状の凹レンズを想定する。そして、予め決定された形状と同形状の集光レンズに対し、平行化レンズ２６の設置位置に上記凹レンズを配置した場合に、近軸領域（回転軸付近の領域）で透過光を平行光に変換できるような、当該凹レンズの射出面の曲率を求める。

このようにして求めた曲率の値が、射出面２６ｂの形状を規定する上記式（３）における近軸曲率ｃとなる。ここで、平行化レンズ２６の入射面２６ａを平面とする場合には、入射面２６ａの曲率を０とする。

次に、円錐定数Ｋを求める。本実施形態の光源装置１において、円錐定数Ｋは、その値を変更しながら、繰り返し式（３）を用いてシミュレーションを行うことにより、平行光が射出される条件に設定される。このシミュレーションでは、光源装置１から射出される光線束を収差のない理想レンズで集光したときに、集光点での光スポット径が最も小さくなる場合を、ほぼ平行な光が射出される条件とすることが考えられる。

このようにして設計された平行化レンズ２６を用いると、コリメート光学系２０を透過した励起光を平行度が高い光とすることができる。コリメート光学系２０を透過した励起光は、ビームスプリッタアレイ３０に入射する。

図５は、本発明の第１実施形態に係るビームスプリッタアレイを示す模式図である。
図５に示すように、ビームスプリッタアレイ３０は、各々が１つのレーザー光源（固体光源）に対応して設けられた複数のビームスプリッタ３１を備えている。ビームスプリッタアレイ３０は、コリメート光学系２０を透過した励起光（光源部１００から射出された複数の光線束）のそれぞれを複数の分割光線束に分割するとともに、複数の分割光線束の光軸が互いに重ならないように複数の分割光線束を互いに平行な光線束として射出する。

各ビームスプリッタ３１は、ハーフミラー３２と、反射ミラー３３と、を備えている。ハーフミラー３２と反射ミラー３３とは、コリメート光学系２０を透過した励起光の進行方向と直交する方向（Ｚ軸方向）に沿って交互に配列されている。ハーフミラー３２は、対応する１つのレーザー光源から射出された光線束の半分を透過させるとともに残りの半分を反射ミラー３３に向けて（−Ｚ方向に向けて）反射させる。反射ミラー３３は、ハーフミラー３２によって反射された光をハーフミラー３２を透過した光の透過方向と同じ方向（＋Ｙ方向）に反射させる。これにより、各ビームスプリッタ３１から射出された複数の分割光線束は、相対的にレーザー光源１２の配列間隔が大きい（図２参照）、第１の方向（Ｚ軸方向）に沿って配列される。

図６は、ビームスプリッタアレイに入射した光の光強度分布を示す説明図である。
図６（ａ）は、ビームスプリッタアレイ３０に入射する励起光の光強度分布、図６（ｂ）はビームスプリッタアレイ３０から射出された励起光の光強度分布を示す図である。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）では、光強度が大きい箇所ほど明るく、光強度が小さい箇所ほど暗くなるようにして、光強度を領域の明度に対応させて表示している。

図６（ａ）に示すように、ビームスプリッタアレイ３０に入射する前の空間位置では、励起光の光強度分布は、図２に示す第１光源アレイ１０Ｂａに対応して、離散的に明るい部分と暗い部分とが存在している。

対して、図６（ｂ）に示すように、ビームスプリッタアレイ３０から射出された後の空間位置では、励起光は、８ｍｍ×８ｍｍの略正方形状に成形され、励起光の離散度合いが低減している。

各ビームスプリッタ３１から射出された複数の分割光線束は、複数の分割光線束の光路上に配置された被照射面上において、それぞれ自身の光軸を中心に所定のスポット径を有している。被照射面上における複数の分割光線束のスポットの端部は、互いに重なっている。つまり、ビームスプリッタアレイ３０から射出された後の空間位置では、被照射面上において光強度が平均化した連続した光強度分布となっている。例えば、各ビームスプリッタ３１から射出されたそれぞれの分割光線束を拡散する光学レンズを各ビームスプリッタ３１と被照射面との間の分割光線束の光路上に配置することにより、被照射面上におけるスポットの端部が互いに重なりやすくなる。

図１に戻り、ビームスプリッタアレイ３０から射出された励起光は、レンズインテグレーター４０に入射する。レンズインテグレーター４０は、第１レンズアレイ４２と第２レンズアレイ４４とを有している。第１レンズアレイ４２及び第２レンズアレイ４４は、ビームスプリッタアレイ３０と光波長選択光学系８０との間の励起光の光路上に、この順に配列されている。第１レンズアレイ４２、第２レンズアレイ４４は、ビームスプリッタアレイ３０から射出された光の輝度分布を均一化する機能を有する。

レンズインテグレーター４０を透過した励起光は、光波長選択光学系８０に入射する。光波長選択光学系８０は、ダイクロイックミラー８２およびダイクロイックミラー８４を有している。ダイクロイックミラー８２およびダイクロイックミラー８４は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層して構成される。

ダイクロイックミラー８２およびダイクロイックミラー８４は、励起光の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる波長選択性を有している。具体的には、ダイクロイックミラー８２は青色光を反射させ、青色光よりも長波長の光（例えば、４８０ｎｍよりも長波長の光）を透過させる。一方、ダイクロイックミラー８４は青色光を透過させ、青色光よりも長波長の光（例えば、４８０ｎｍよりも長波長の光）を反射させる。ここでは、励起光は、ダイクロイックミラー８４を透過するとともに、ダイクロイックミラー８２で反射される。

ダイクロイックミラー８２で反射された励起光は、重畳光学系５０に入射して、発光素子６０上に結像する。

図７は、レンズインテグレーターに入射した光の挙動を示す説明図である。
図７では、レンズインテグレーター４０に入射した励起光（青色光Ｂ）が、発光素子６０に照射されるまでの励起光の挙動を図示している。

図７に示すように、第１レンズアレイ４２は、複数の第１小レンズ４２ａを含んでおり、第２レンズアレイ４４は複数の第２小レンズ４４ａを含んでいる。また、第１小レンズ４２ａおよび第２小レンズ４４ａの平面視形状は、発光素子６０の光照射面６０ａの平面視形状と略相似形となっている。

第１レンズアレイ４２および第２レンズアレイ４４において、第１小レンズ４２ａと第２小レンズ４４ａとは１対１で対応している。ビームスプリッタアレイ３０から射出された光は、複数の第１小レンズ４２ａに空間的に分かれて入射し、第１小レンズ４２ａは、入射した光を対応する第２小レンズ４４ａに結像させる。これにより、複数の第２小レンズ４４ａの各々に、二次光源像が形成される。

また、複数の第２小レンズ４４ａの各々から射出される光は、ダイクロイックミラー８２を介して第１レンズ５２および第２レンズ５４を含んで構成される重畳光学系５０で集光され、発光素子６０上に結像する。言い換えると、第２レンズアレイ４４と重畳光学系５０とを含んで構成される光学系は、入射した光を対応する発光素子６０の光照射面６０ａに結像させる。

発光素子６０は、板状の基体６１と、基体６１の励起光入射側の面に形成された蛍光体層６２と、を有している。蛍光体層６２は、例えば、平面視で１ｍｍ×１ｍｍの略正方形状に形成されており、蛍光を発する蛍光体粒子６２１を有している。このような蛍光体層６２は、励起光（青色光）を吸収し黄色（発光強度のピーク：約５５０ｎｍ、図３（ｂ）参照）の蛍光に変換する機能を有する。

図３（ｂ）において符号Ｒで示した成分は、蛍光体層６２が射出する黄色光のうち赤色光として利用可能な色光成分であり、符号Ｇで示した成分は、同様に緑色光として利用可能な色光成分である。図１では、赤色光を符号Ｒ、緑色光を符号Ｇで示し、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを含む蛍光を符号ＲＧで示している。

このような構成において、第２レンズアレイ４４と重畳光学系５０とを含んで構成される光学系は、第１レンズアレイ４２のレンズ面と、発光素子６０の光照射面６０ａとが共役関係にあるように構成されているとよい。すなわち、第２レンズアレイ４４と重畳光学系５０とを含んで構成される光学系の物体面が第１レンズアレイ４２のレンズ面と一致し、像面が光照射面６０ａと一致するように構成されているとよい。ここで、「第１レンズアレイ４２のレンズ面」とは、第１レンズアレイ４２が有する複数の第１小レンズ４２ａ間の谷をつないだ仮想的な面のことである。

発光素子６０には、上述のようにレンズインテグレーター４０を透過する前と比べて光強度分布が均一に近づいた励起光が照射される。また、照射される励起光は、発光素子６０の平面視形状と略同一形状に成形されている。そのため、発光素子６０に対して、面内で光飽和を生じないように、且つ、光照射面６０ａの全面に励起光を照射することが容易となる。したがって、発光素子６０は、光照射面６０ａの全面から良好に蛍光ＲＧを発する二次光源として使用することができる。

発光素子６０から射出される蛍光ＲＧに対しては、重畳光学系５０はピックアップ光学系として機能する。そのため蛍光ＲＧは、重畳光学系５０で平行化された後に、光波長選択光学系８０に入射する。光波長選択光学系８０に入射した蛍光ＲＧは、ダイクロイックミラー８４で反射してレンズアレイ１２０に向けて射出される。

次に、第２光源アレイ１０Ｂｂから射出される光について説明しながら、各構成について説明する。

第２光源アレイ１０Ｂｂは、図２に示す第１光源アレイ１０Ｂａと同様の構成を有しており、青色光を射出するレーザー光源アレイである。第２光源アレイ１０Ｂｂから出射された青色光は第２のコリメーターレンズアレイ２２ｂで平行化され、集光レンズ７０で集光される。

集光レンズ７０の焦点位置にはディフューザー７２が設けられている。ディフューザー７２は透過する光を散乱させる機能を有している。第２光源アレイ１０Ｂｂから射出されるコヒーレント光である青色光が、ディフューザー７２で散乱することにより青色光の内に光路差が設けられ、可干渉性が低下する。そのため、スクリーンＳＣＲに投写されたときにスペックルと呼ばれる干渉縞が生じにくくなる。

ディフューザー７２を透過した青色光は、平行化レンズ７４に入射し平行化された後に、光波長選択光学系８０に入射し、ダイクロイックミラー８２で反射してレンズアレイ１２０に向けて射出される。すなわち、光波長選択光学系８０から射出される光は、発光素子６０から射出される赤色光および緑色光が混色した蛍光ＲＧと、第２光源アレイ１０Ｂｂから射出される青色光Ｂと、が混色された白色光Ｌとなる。

なお、本実施形態では、第２光源アレイ１０Ｂｂがレーザー光源アレイであることとしたが、表示に用いる青色光を射出することができるならば、レーザー光源アレイである必要はない。

レンズアレイ１２０，１３０は、光波長選択光学系８０から射出された白色光Ｌの輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１２０は、複数の第１小レンズ１２２を含んでおり、レンズアレイ１３０は複数の第２小レンズ１３２を含んでいる。レンズアレイ１２０とレンズアレイ１３０とにおいて、第１小レンズ１２２と第２小レンズ１３２とは１対１で対応している。光波長選択光学系８０から射出された光Ｌは、複数の第１小レンズ１２２に空間的に分かれて入射し、第１小レンズ１２２は、入射した光を対応する第２小レンズ１３２に結像させる。これにより、複数の第２小レンズ１３２の各々に、二次光源像が形成される。なお、第１小レンズ１２２，第２小レンズ１３２の外形形状は、液晶ライトバルブ４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。

図８は、本発明の第１実施形態に係る偏光変換素子の概略説明図である。
図８に示すように、偏光変換素子１４０は、複数の偏光変換セル１４１を含んでいる。偏光変換素子１４０は、レンズアレイ１２０，１３０から射出された光Ｌの偏光状態を揃える機能を有する。偏光変換セル１４１は、第２小レンズ１３２と１対１で対応している。第２小レンズ１３２に形成された二次光源像からの光Ｌは、この第２小レンズ１３２に対応する偏光変換セル１４１の入射領域１４２に入射する。

偏光変換セル１４１の各々には、入射領域１４２に対応させて、偏光ビームスプリッタ膜１４３（以下、ＰＢＳ膜１４３と称する）及び位相差板１４５が設けられている。入射領域１４２に入射した光Ｌは、ＰＢＳ膜１４３によりＰＢＳ膜１４３に対するＰ偏光Ｌ１とＳ偏光Ｌ２とに分離される。Ｐ偏光Ｌ１、Ｓ偏光Ｌ２の一方の偏光（ここではＳ偏光Ｌ２）は、反射部材１４４で反射した後、位相差板１４５に入射する。位相差板１４５に入射したＳ偏光Ｌ２は、位相差板１４５により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光Ｌ１）の偏光状態に変換されてＰ偏光Ｌ３になり、Ｐ偏光Ｌ１とともに射出される。

図１に戻り、重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された光を被照明領域にて重畳させる機能を有する。光源装置１から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸１００ａｘ周りの軸対称性が高められる。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、ミラー２３０、ミラー２４０、ミラー２５０、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ，フィールドレンズ３００Ｂ、リレーレンズ２６０、リレーレンズ２７０を含んでいる。ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー２１０が緑色光と青色光とを反射させ、ダイクロイックミラー２２０が緑色光を反射させる。

光源装置１から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー２１０に入射する。光Ｌのうちの赤色光Ｒは、ダイクロイックミラー２１０を通ってミラー２３０に入射し、ミラー２３０で反射してフィールドレンズ３００Ｒに入射する。赤色光Ｒは、フィールドレンズ３００Ｒにより平行化された後に、液晶ライトバルブ４００Ｒに入射する。

光Ｌのうちの緑色光Ｇと青色光Ｂとは、ダイクロイックミラー２１０で反射して、ダイクロイックミラー２２０に入射する。緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０で反射してフィールドレンズ３００Ｇに入射する。緑色光Ｇは、フィールドレンズ３００Ｇにより平行化された後に、液晶ライトバルブ４００Ｇに入射する。

ダイクロイックミラー２２０を通った青色光Ｂは、リレーレンズ２６０を通りミラー２４０で反射した後、リレーレンズ２７０を通りミラー２５０で反射してフィールドレンズ３００Ｂに入射する。青色光Ｂは、フィールドレンズ３００Ｂにより平行化された後に、液晶ライトバルブ４００Ｂに入射する。

液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂは、例えば透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成される。液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するＰＣ等の信号源（図示略）と電気的に接続されており、供給された画像信号に基づき入射光を画素ごとに空間変調して、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された光（形成された画像）は、色合成素子５００に入射する。

色合成素子５００は、ダイクロイックプリズム等により構成される。ダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズムの内面に、赤色光Ｒが反射し緑色光Ｇが透過するミラー面と、青色光Ｂが反射し緑色光Ｇが透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズムに入射した緑色光Ｇは、ミラー面を通ってそのまま射出される。ダイクロイックプリズムに入射した赤色光Ｒ、青色光Ｂは、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光Ｇの射出方向と同じ方向に射出される。このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６００によってスクリーンＳＣＲに拡大投写される。
本実施形態のプロジェクター１０００では、以上のようにして画像表示を行う。

本実施形態の光源装置１によれば、各レーザー光源１２から射出された光線束はそれぞれ光量の小さい複数の分割光線束に分割される。１つ１つの分割光線束の光量を小さくし、分割光線束の数を増やしているので、光源部から射出される光の強度分布が均一化される。よって、光量分布の均一化を図ることが可能な光源装置１を提供することができる。

また、この構成によれば、ハーフミラー３２を透過した複数の光とハーフミラー３２によって反射されて反射ミラー３３によって反射された複数の光とが互いの隙間を埋め合うよう相補的に射出される。これにより、光量が半減された多数の分割光線束が光源装置１から射出されることとなり、全体として光量分布が均一化される。

また、この構成によれば、複数のレーザー光源１２が光の射出方向から視て、互いに直交する第１の方向と第２の方向とに沿って配列されているので、複数のレーザー光源が不規則に配置される構成に比べて、光量分布の均一化を図ることができる。

また、この構成によれば、相対的にレーザー光源１２の配列間隔の大きい領域、つまり光量分布が不均一となりやすい領域に複数の分割光線束が配置されるので、光量分布の均一化をより確実に図ることができる。

複数の分割光線束のスポットの端部が互いに離間していると、この離間した領域で光量分布が不均一となりやすいものの、この構成によれば、複数の分割光線束のスポットの端部が互いに重なっているので、光量分布の均一化をより確実に図ることができる。

また、この構成によれば、複数のレーザー光源１２から射出され、離散的な光強度分布を有する光が、レンズアレイ４２と重畳光学系５０を介することで被照射面上にて重畳し、光強度分布が平均化される。そのため、光量分布の均一化を確実に図ることができる。

また、この構成によれば、複数のレーザー光源１２から射出され、離散的な光強度分布を有する光が、レンズアレイ４２と重畳光学系５０を介することで発光素子上にて重畳し、光強度分布が平均化される。そのため、発光素子６０の狭い領域のみに強い光が照射されることが抑制され、光飽和が生じにくくなる。したがって、発光効率の低下を容易に抑制し、安定して強い光を射出することが可能な光源装置１とすることができる。

また、この構成によれば、レンズアレイ４２のレンズ面と、発光素子６０に光が照射される光照射面６０ａとが、重畳光学系５０を介して共役関係にあるので、複数の部分光線束からなる光が発光素子６０の光照射面上で良好に重畳する。そのため、光強度分布を平均化しやすく、発光素子６０の光飽和を生じないように光量を制御することが容易となる。

また、この構成によれば、光照射面６０ａの面積と、重畳光学系５０によって重畳された光の照射面積とが略等しいので、光を発光素子に無駄なく照射することができる。そのため、投入する光量に対する取り出す蛍光量を最大化することができる。

また、この構成によれば、平行化レンズ２６が射出面２６ｂに回転二次曲面形状の凹面を有しているので、レンズアレイ４２に入射する光の平行度を向上させることができる。そのため、レンズアレイ４２および重畳光学系５０を用いた光量分布の平均化を設計通りに制御しやすく、発光効率の低下を容易に抑制することができる。

また、この構成によれば、平行化レンズ２６は、入射面２６ａが球面状の凸面であり、射出面２６ｂが凹面であるので、レンズアレイ４２に入射する光に、平行化レンズ２６を透過することによる強度分布が発生されにくく、レンズアレイ４２および重畳光学系５０を用いた光量分布の平均化を行い易い。そのため、光飽和を抑制して発光素子６０を発光させることが容易となる。

式（３）に基づいて決定された非球面を有するレンズを用いれば、球面収差を小さくすることができるため、光源装置１から射出される光の平行度をより一層向上させることができる。

本実施形態のプロジェクター１０００によれば、上述の光源装置１を有するため、明るさムラが抑制されて高品質な画像表示が可能なプロジェクター１０００を提供することができる。

なお、本実施形態においては、各ビームスプリッタ３１から射出された複数の分割光線束が、相対的にレーザー光源１２の配列間隔が大きい、第１の方向に沿って配列されているが、これに限らない。例えば、この構成に加えて、各ビームスプリッタ３１から射出された複数の分割光線束が、相対的にレーザー光源１２の配列間隔が小さい、第２の方向に沿って配列されていてもよい。これにより、光量分布の均一化を確実に図ることができる。

また、本実施形態においては、発光素子６０が発する蛍光ＲＧには、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが含まれることとしたが、これに限らない。例えば、緑色光Ｇのみを含む蛍光を発することとしてもよい。

また、本実施形態においては、発光素子６０を励起光の入射する側に蛍光を射出する反射型の構成としたが、励起光の入射する面と対向する面に蛍光を射出する透過型の構成であることとしても構わない。

また、本実施形態においては、コリメート光学系２０に含まれる集光レンズ２４と平行化レンズ２６とが、いわゆるガリレオタイプのアフォーカル光学系を形成しているが、平行化レンズ２６の代わりに凸レンズを用い、いわゆるケプラータイプのアフォーカル光学系を形成することとしても構わない。

また、本実施形態においては、第１レンズアレイ４２のレンズ面と、発光素子６０の光照射面６０ａとが、重畳光学系５０を介して共役関係にあることとしたが、光照射面６０ａに結像していなくても、第１レンズアレイ４２を介することによる励起光の重畳の効果が期待でき、励起光の光強度は平均化される傾向にある。そのため、発光素子６０における光飽和現象を抑制し、発光効率の高い光源とすることができる。

また、本実施形態においては、集光した励起光は照射面積が１ｍｍ×１ｍｍの略正方形状に成形されており、この大きさは蛍光体層６２の平面視面積と略同じであることとしたが、例えば、励起光の照射面積の方が蛍光体層６２よりも少しばかり大きいこととしても、発光素子６０での光飽和は抑制されるため、発光効率の改善が期待できる。

また、本実施形態においては、第１レンズアレイ４２と第２レンズアレイ４４の小レンズの平面視形状と、光照射面６０ａの平面視形状とが、略相似形であることとした。しかし、相似形でないとした場合には、一部の励起光が無駄となるが、発光素子６０での光飽和は抑制されるため、発光効率の改善が期待できる。

また、本実施形態においては、上記式（３）を用いて平行化レンズ２６の凹面を設計することとしたが、その他通常知られた非球面の設計方法を用いても構わない。

［第２実施形態］
図９は、図１に対応した、本発明の第２実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
図９に示すように、本実施形態に係る光源装置２は、上述の平行化レンズ２６に替えて平行化レンズ２７を備えている点で上述の第１実施形態に係る光源装置１と異なっている。その他の点は、上述の構成と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

光源装置２は、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１０Ｂａ、コリメーターレンズアレイ２２ａ、集光レンズ２４、平行化レンズ２７、ビームスプリッタアレイ３０、レンズインテグレーター４０、光波長選択光学系８０、重畳光学系５０、発光素子６０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る集光レンズ及び平行化レンズの側面図である。
図１０に示すように、平行化レンズ２７は、入射面２７ａが非球面状の凹面であり、射出面２７ｂが平面である片凹レンズとなっている。平行化レンズ２７は、入射面２７ａが、式（３）の関係を満足する回転二次曲面形状とされている。このような平行化レンズ２７を用いると、上述の平行化レンズ２６を用いる場合と比較して、より平行度の高い光線束を得やすいという利点がある。

すなわち、上述の平行化レンズ２６から射出される光線束は、平行化レンズ２６の入射面２６ａと射出面２６ｂとにおける屈折により、２回の進行方向の変更を経て射出される。一方、平行化レンズ２７から射出される光線束は、平行化レンズ２７の入射面２７ａにおける屈折により平行化されるため、１回のみの進行方向の変更を経て射出されるため、レンズの成形誤差による平行化の乱れが生じにくい。したがって、平行化レンズ２７を用いれば、より平行度の高い光線束を得ることが可能となる。

このような平行化レンズ２７の非球面の回転二次曲面形状は、上記式（３）に基づき、次のような方法によって決定される。

具体的には、まず、集光レンズ２４の形状、および平行化レンズ２７の屈折率ｎ、中心部の厚み、設置位置を予め決めておく。また、平行化レンズ２７の代わりとして、入射面の曲率、屈折率、中心部の厚みが同じで且つ射出面が球面状の凹レンズを想定する。そして、予め決定された形状と同形状の集光レンズに対し、平行化レンズ２７の設置位置に上記凹レンズを配置した場合に、球面収差がなければ平行光に変換できる当該凹レンズの入射面の曲率を求める。このようにして求めた曲率の値が近軸曲率ｃとなる。

次に、円錐定数Ｋを求める。ここで、平行化レンズ２７では、入射面２７ａが式（３）に基づいて設定された非球面であるため、平行化レンズ２７に入射する励起光は、入射面２７ａでの屈折により進行方向がほぼ平行な方向に変えられ、射出面２７ｂではほとんど屈折作用を受けない。この結果、平行化レンズ２７の屈折率ｎと円錐定数Ｋとの関係が一定となる。なお、平行化レンズ２７の反射面形状の非球面の円錐定数Ｋは、ほぼＫ＝−ｎ^２で決定されている。

したがって、本実施形態においては、円錐定数Ｋは、Ｋ＝−ｎ^２で求めることができ、平行化レンズ２４を用いる場合のようなシミュレーションを行う必要はない。このような平行化レンズ２７の非球面の円錐定数Ｋは、−２．１＜Ｋ＜−３．８の範囲である。したがって、入射面２７ａを非球面形状とする場合には、入射面２７ａを回転双曲面形状とするとよい。

本実施形態の光源装置２によれば、平行化レンズ２７が入射面２７ａに回転二次曲面形状の凹面を有しているので、レンズアレイ４２に入射する光の平行度を向上させることができる。そのため、レンズアレイ４２および重畳光学系５０を用いた光量分布の平均化を設計通りに制御しやすく、発光効率の低下を容易に抑制することができる。

また、この構成によれば、平行化レンズ２７は、入射面２７ａが凹面であり、射出面２７ｂが平面であるので、平行化レンズ２７を透過する光の平行度をより向上させることができる。そのため、レンズアレイ４２および重畳光学系５０を用いた光量分布の平均化を行い易く、光飽和を抑制して発光素子６０に発光させることが容易となる。

［第３実施形態］
図１１は、図１に対応した、本発明の第３実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
図１１に示すように、本実施形態に係る光源装置３は、上述の第１光源アレイ１０Ｂａに替えて第１光源アレイ１３を備えている点で上述の第１実施形態に係る光源装置１と異なっている。その他の点は、上述の構成と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

光源装置３は、第１光源アレイ１３から射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１３、コリメーターレンズアレイ２８、反射部２９、集光レンズ２４、平行化レンズ２６、ビームスプリッタアレイ３０、レンズインテグレーター４０、光波長選択光学系８０、重畳光学系５０、発光素子６０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

第１光源アレイ１３から射出された青色光Ｂはコリメーターレンズアレイ２８で平行化された後に、複数の反射ミラー２９ａを含む反射部２９で反射されて集光レンズ２４に入射する。

各反射ミラー２９ａは、各レーザー光源１２から射出された青色光Ｂに対応して設けられ、主光線の間隔を小さくする機能を有している。各反射ミラー２９ａは、互いに所定の間隔Ｗ３だけ離間して配置している。各レーザー光源１２から射出された青色光Ｂが各反射ミラー２９ａで反射することで、主光線の間隔を変更する構成となっている。

図１２は、本発明の第３実施形態に係る光源アレイの正面図である。
図１２に示すように、第１光源アレイ１３は、基台１４上にレーザー光源１５が１０個×５個の長方形状に２次元配列（合計５０個）で並べられた、レーザー光源アレイである。各レーザー光源１５は、平面視で矩形を有しており、長軸方向が一方向に沿って配列されている。また、各レーザー光源１５は、それぞれの短軸方向において間隔Ｗ２ａを空けて配列されている。

このような第１光源アレイ１３では、図１２（ｂ）に示すように、各レーザー光源１５から射出されたレーザー光（青色光Ｂ）は、主光線の間隔がレーザー光源１５の配置間隔Ｗ２ａに応じたものとなる。

図１２（ｃ）に示すように、各レーザー光源１５から射出されたレーザー光（青色光Ｂ）は、反射ミラー２９ａによって主光線の間隔が間隔Ｗ２ａからＷ２ｂ（Ｗ２ａ＞Ｗ２ｂ）に狭められる。つまり、反射部２９で反射されたレーザー光（青色光Ｂ）は、主光線の間隔が間隔Ｗ２ｂとなり、光線束全体では光量が多くなる。

本実施形態の光源装置３によれば、光源１３から射出される光の密度を高めることができるため、発光素子６０に照射する光の光量を増やし、強い蛍光を射出することが可能となる。

［第４実施形態］
図１３は、図１に対応した、本発明の第４実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
図１３に示すように、本実施形態に係る光源装置４は、レンズインテグレーターが１枚の第１レンズアレイ４２のみで構成されている点で上述の第１実施形態に係る光源装置１と異なっている。その他の点は、上述の構成と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

光源装置４は、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１０Ｂａ、コリメート光学系２０、ビームスプリッタアレイ３０、第１レンズアレイ４２、光波長選択光学系８０、重畳光学系５０、発光素子６０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

図１４は、レンズインテグレーターに入射した励起光の挙動を示す説明図である。図１４は、第１レンズアレイ４２および重畳光学系５０の機能を示す説明図である。
図１４においては、簡略化のため、重畳光学系５０を模式的に１つの凸レンズとして図示している。重畳光学系５０は、球面収差がない、または球面収差が補正されて低減されているものとする。

図１４（ａ）に示すように、第１レンズアレイ４２および重畳光学系５０を含んで構成される光学系では、第１レンズアレイ４２に入射する励起光（青色光Ｂ）が平行であり、第１レンズアレイ４２と重畳光学系５０とを透過した励起光の主光線が、重畳光学系５０の焦点Ｆ２を通過する構成となっている。言い換えると、第１レンズアレイ４２と重畳光学系５０を両端とする光学系は、物体面が無限遠に設定されている。すなわち、第１レンズアレイ４２および重畳光学系５０を含んで構成される光学系が、物体側テレセントリックとなっている。このような光学系では、入射する励起光（青色光Ｂ）は、第１レンズアレイ４２を透過した後、重畳光学系５０に入射し、重畳光学系５０から射出される励起光は、重畳光学系５０に係る一定幅の射出瞳Ｐを通過する。

このような構成では、射出瞳Ｐの幅は、重畳光学系５０の開口数ＮＡと焦点距離Ｌｂとによって一定の大きさに定まる。また、射出瞳Ｐの形状は、第１レンズアレイ４２を構成する小レンズ４２ａと相似形となる。すなわち、射出瞳Ｐの幅は、重畳光学系５０と第１レンズアレイ４２との距離Ｌａにはよらず、常に一定となる。例えば、入射瞳Ｐが１ｍｍ×１ｍｍの略正方形状となるように設計する。

したがって、図１４（ｂ）に示すように、重畳光学系５０の焦点Ｆ２の位置に、射出瞳と同じ大きさの発光素子６０を配置し、光照射面６０ａと共役する面を無限遠に設定することで、第１実施形態の光源装置１と比べて、レンズアレイの使用数を減らす（図１に示した第２レンズアレイを使わない）ことが可能となる。その結果、少ない部品数で励起光の光強度を平均化し、発光素子６０に照射することができる。

本実施形態の光源装置４によれば、第１レンズアレイ４２で複数の光線束に分割された励起光が重畳光学系５０で集光されるため、光強度分布が平均化される。加えて、図１４に示す射出瞳Ｐでは、励起光は結像していないため、励起光の像がぼやけ、光強度を平均化しやすい。そのため、第１光源アレイ１０Ｂａのように離散的な光源であっても、良好に光強度分布を平均化することが可能となる。

また、この構成によれば、重畳光学系５０とレンズアレイ４２との相対位置を精緻に設定しなくても、重畳光学系５０と発光素子６０との相対位置を設定することにより、発光素子６０への光を重畳させることができる。また、焦点位置においては光が結像していないため、光の像がぼやけ光強度を平均化しやすい。そのため、発光素子６０において光飽和を生じないように光量を制御することが容易となる。

また、この構成によれば、発光素子６０の光照射面６０ａの面積が集光光学系の射出瞳の大きさと略等しいので、光を発光素子６０に無駄なく照射することができる。そのため、投入する光量に対する取り出す蛍光量を最大化することができる。

なお、本実施形態においては、平行化レンズ２６を用いることとして説明したが、図１０に示す平行化レンズ２７を用いることとしてもよい。入射面が凹面であり射出面が平面である平行化レンズ２７は、上述のように平行化レンズ２７を透過する励起光の平行度を平行化レンズ２６よりも向上させることができる。そのため、第１レンズアレイ４２および集光光学系５０を用いた励起光の平均化を行い易くなる。

また、本実施形態においては、発光素子６０の光照射面６０ａの平面視面積が、射出瞳Ｐの大きさと略等しいこととした。しかし、例えば射出瞳Ｐの方が大きいことと場合であっても、一部の励起光が無駄となるが、発光素子６０での光飽和は抑制されるため、発光効率の改善が期待できる。

また、本実施形態においては、光照射面６０ａが集光光学系５０の焦点Ｆ２と重なって配置されることとしたが、焦点Ｆ２からずれていたとしても、第１レンズアレイ４２を介することによる励起光の重畳の効果が期待でき、励起光の光強度は平均化される傾向にある。そのため、発光素子６０における光飽和現象を抑制し、発光効率の高い光源とすることができる。

［第５実施形態］
図１５は、図１に対応した、本発明の第５実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
図１５に示すように、本実施形態に係る光源装置５は、単色のレーザー光（青色光のみ）を射出する構成となっている点で上述の第１実施形態に係る光源装置１と異なっている。その他の点は、上述の構成と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

光源装置５は、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１０Ｂａ、コリメート光学系２０、ビームスプリッタアレイ３０、レンズアレイ１２０，１３０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

本実施形態の光源装置５においても、光量分布の均一化を図ることが可能となる。

［第６実施形態］
図１６は、図１に対応した、本発明の第６実施形態に係る光源装置を示す模式図である。
図１６に示すように、本実施形態に係る光源装置６は、ディフューザー７２に替えてビームスプリッタアレイ３０を備えている点で上述の第１実施形態に係る光源装置１と異なっている。すなわち、上述した光源装置ではビームスプリッタアレイ３０が第１光源アレイ１０Ｂａと光波長選択光学系８０との間の光の光路上に配置された構成であるのに対し、本実施形態の光源装置ではビームスプリッタアレイ３０が第２光源アレイ１０Ｂｂと光波長選択光学系８０との間の光の光路上に配置された構成となっている。その他の点は、上述の構成と同様であるので、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

光源装置６は、第１光源アレイ１０Ｂａから射出される光の光路に沿って見ると、第１光源アレイ１０Ｂａ、コリメート光学系２０、レンズインテグレーター４０、光波長選択光学系８０、重畳光学系５０、発光素子６０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。本実施形態において、ビームスプリッタアレイ３０はコリメート光学系２０とレンズインテグレーター４０との間の光の光路上に配置されていない。

一方、光源装置６は、第２光源アレイ１０Ｂｂから射出される光の光路に沿って見ると、第２光源アレイ１０Ｂｂ、コリメーターレンズアレイ２２ｂ，集光レンズ７０、ビームスプリッタアレイ３０、光波長選択光学系８０、レンズアレイ１２０，１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。

本実施形態の光源装置６においても、光量分布の均一化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態においては、ビームスプリッタアレイ３０が第２光源アレイ１０Ｂｂと光波長選択光学系８０との間の光の光路上にのみ配置されているが、これに限らない。例えば、ビームスプリッタアレイ３０が、さらに、第１光源アレイ１０Ｂａと光波長選択光学系８０との間の光の光路上に配置されていてもよい。

本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも、適用することができる。

上記各実施形態においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、これに限らない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、照明機器等）に適用することも可能である。

１，２，３，４，５，６…光源装置、１２，１５…レーザー光源（固体光源）、２２ａ…コリメーターレンズアレイ、２４…集光レンズ、２６，２７…平行化レンズ、２６ａ，２７ａ…入射面、２６ｂ，２７ｂ…射出面、３０…ビームスプリッタアレイ、３１…ビームスプリッタ、３２…ハーフミラー、３３…反射ミラー、４２…レンズアレイ、４２ａ…小レンズ、５０…重畳光学系、６０…発光素子、６０ａ…光照射面、１００…光源部、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、６００…投写光学系、１０００…プロジェクター、Ｂ…青色光（励起光）、Ｆ２…焦点、Ｐ…射出瞳、ｗ１…第１の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔、ｗ２…第２の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔

Claims (15)

1. 複数の固体光源を含み、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束を射出する光源部と、
   前記光源部から射出された前記複数の光線束のうち少なくとも一の光線束を複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束の光軸が互いに重ならないように射出するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束からなる光を複数の部分光線束に分割するレンズアレイと、前記複数の部分光線束を重畳する重畳光学系と、を含む集光光学系と、
   前記重畳光学系によって重畳された前記複数の部分光線束からなる光によって励起され蛍光を発する発光素子と、
   を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記ビームスプリッタは、ハーフミラーと、反射ミラーと、を備え、
   前記ハーフミラーは、対応する１つの前記固体光源から射出された前記光線束の半分を透過させるとともに残りの半分を前記反射ミラーに向けて反射させ、
   前記反射ミラーは、前記ハーフミラーによって反射された光を、前記ハーフミラーを透過した光の透過方向と同じ方向に反射させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記複数の固体光源は、前記複数の光線束の射出方向から視て、互いに直交する第１の方向と第２の方向とに沿って配列されていることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔は、前記第２の方向に沿って配列された複数の固体光源の配列間隔よりも大きい間隔となっており、
   前記ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束は、前記第１の方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記ビームスプリッタから射出された前記複数の分割光線束は、前記複数の分割光線束の光路上に配置された被照射面上において、それぞれ自身の光軸を中心に所定のスポット径を有しており、
   前記被照射面上における前記複数の分割光線束各々のスポットの端部は、互いに重なっていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記レンズアレイのレンズ面と、前記発光素子に前記光が照射される光照射面とが、前記重畳光学系を介して共役関係にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記レンズアレイを構成する複数の小レンズの平面視形状は、前記光照射面の平面視形状と相似形であり、
   前記光照射面の面積と、前記光照射面と同じ空間位置において前記光照射面と平行な平面を照射する、前記重畳光学系によって重畳された前記光の照射面積と、が略等しいことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記光源部は、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束からなる光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから射出された前記光を平行化する平行化レンズと、を有し、
   前記平行化レンズは、入射面または射出面のいずれか一方に、回転二次曲面形状の凹面を有することを特徴とする請求項６または７に記載の光源装置。
9. 前記平行化レンズは、前記入射面が球面状の凸面であり、前記射出面が前記凹面であることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
10. 前記発光素子に前記光が照射される光照射面は前記集光光学系の焦点位置に重なって設けられ、
    前記集光光学系は、前記光照射面と共役する面が無限遠に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
11. 前記レンズアレイを構成する複数の小レンズの平面視形状は、前記発光素子に前記光が照射される光照射面の平面視形状と相似形であり、
    前記発光素子の光照射面の面積は、前記集光光学系の射出瞳の大きさと略等しいことを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
12. 前記光源部は、前記複数の固体光源から射出された複数の光線束からなる光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから射出された前記光を平行化する平行化レンズと、を有し、
    前記平行化レンズは、入射面または射出面のいずれか一方に、回転二次曲面形状の凹面を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の光源装置。
13. 前記平行化レンズは、前記入射面が前記凹面であり、前記射出面が平面であることを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記凹面は、前記凹面と前記複数の光線束からなる光の中心軸との交点を原点、前記中心軸をＺ軸、前記中心軸と直交する軸をｒ軸とした座標系における座標値をｒおよびＺとし、近軸曲率をｃとし、円錐定数をＫとしたとき、
    によって表される形状であることを特徴とする請求項８，９，１２，１３のいずれか１項に記載の光源装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とするプロジェクター。