JP6236811B2 - 光源ユニット並びに照明装置及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光源を備えた光源ユニットと、この光源ユニットを用いて照明する照明装置及び照明装置を備えた画像投射装置に関する。

従来から、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという）等の画面情報を投射面に投射する画像投射装置（プロジェクタ）の照明ユニットとして、高輝度の放電ランプ（例えば、超高圧水銀ランプ）を光源とするものが知られている。この放電ランプは、高輝度を低コストで実現できる一方で、点灯開始後、安定して発光するまでに所要の時間を要する。そこで、放電ランプに対する代替光源として、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の発光ダイオード、有機ＥＬ素子等の固体発光素子を用いることが提案されて実用化されている。

この固体発光素子をプロジェクタの光源として用いることにより、プロジェクタの高速起動を可能にすると共に、環境に対する配慮も実現可能である。固体発光素子を用いた光源ユニットとして、例えば、第１光源（励起光源）として青色レーザーダイオードを用い、この青色レーザーダイオードから射出された励起光としてのレーザー光を蛍光体に照射し、蛍光体を励起させることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光を生成し、このＲ、Ｇ、Ｂの各色の光を、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の光変調素子を用いて画素毎に階調制御することにより、カラー投影画像を得る技術が知られている。
光源にレーザーダイオードを用いた画像投射装置では、如何に光量を確保するかが重要な課題であり、この課題の解決手段として複数のレーザーダイオードを平面状でマトリクス状に密に配置することや、２次元的に密に配置することが提案されている。例えば特許文献１には、列及び行をなすように平面状に配列された複数の光源から射出される光線を合成する目的で、各行を構成する光源から射出された光線束の行間隔と各列を構成する光源から射出された光線束の列間隔を狭めるために、複数組の短冊状の反射ミラーを階段状に配置することが開示されている。

従来のように、複数の光源（レーザーダイオード）をレーザー群として配した場合には、照明光学系の小型化、高効率化の観点から、レーザー群の各光源（レーザーダイオード）からの照射光を略一点に集光する必要がある。レーザー群（光源）から集光点までの距離を小さくした場合、集光点での光線入射角度が大きくなり、後段の光学系での光利用効率が低下することや光学系サイズが大きくなるといった問題がある。一方、レーザー群（光源）から集光点までの距離を大きくした場合、レーザー、発光点、光学系の公差による集光点ばらつきが大きくなるため、後段の光学系で効率良く光源からの射出光を取り込むことが困難となり、これを考慮するとレンズ径の増大が必要となり光学系サイズが増大するという課題がある。
特許文献１では、反射ミラーを用いて光線を合成して光線束の断面積を縮小しているが、複数枚のミラーを用いて光線を合成しているので、各ミラーの設置及び調整が困難であると共に、複数枚のミラーを階段状に配置するスペースが必要であり小型化を図るという点では課題を残している。

本発明は、上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の光源を用いても、光学系サイズの増大を招くことなく光源からの光線を高い効率で利用可能な小型な光源ユニット及び光源ユニットを備えた小型な照明装置及び画像投射装置を提供することを、その目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、反射面を備える第１、第２反射部と、複数の光源と、第１反射部と第２反射部との間に配置された集光光学系とを備えた光源ユニットであって、複数の光源から出射された光線は、集光光学系に入射して屈折された後、第１反射部で反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、第２反射部で反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、第１反射部に入射し、集光光学系の光軸に対し、第１反射部の反射面での反射位置よりも第２反射部の反射面での反射位置が近づくように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、複数の光源からそれぞれ出射した光線が集光光学系に入射して屈折されて第１反射ミラーで反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、第２反射部で反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、前記第１反射部に入射し、集光レンズの光軸に対し、第１反射部の反射面での反射位置よりも第２反射部の反射面での反射位置が近づくように構成したので、複数の光源から出射した光線が複数の反射部の反射面間で反射される際に集光光学系を複数回通過して合成されるため、合成するまでの距離を短くすることができ、光源ユニットを小型化できる。
本発明によれば高効率で小型化された光源ユニットを備えることで、小型な画像投射装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である光源ユニットの概略構成を示す側面模式図。 図１の光源ユニットの光源群を正面から見た図である。 第１の実施形態に係る光源ユニットの保持状態を示す側面模式図。 本発明の第２の実施形態である光源ユニットの概略構成を示す側面模式図。 本発明の第３の実施形態である光源ユニットの概略構成を示す側面模式図。 第１の実施形態の光源ユニットの光源部のカップリングレンズをシフトさせたときの光路を示す図。 第２の実施形態の光源ユニットの光源部のカップリングレンズをシフトさせたときの光路を示す図。 第３の実施形態の光源ユニットの光源部のカップリングレンズをシフトさせたときの光路を示す図。 （ａ）は図１の光源ユニットによる集光点の状態を示す図、（ｂ）は図６の光源ユニットによる集光点の状態を示す図。 （ａ）は図４の光源ユニットによる集光点の状態を示す図、（ｂ）は図７の光源ユニットによる集光点の状態を示す図。 （ａ）は図５の光源ユニットによる集光点の状態を示す図、（ｂ）は図８の光源ユニットによる集光点の状態を示す図。 第１の実施形態における光学系の諸元を示す図。 第２の実施形態における光学系の諸元を示す図。 第３の実施形態における光学系の諸元を示す図。 光源ユニットを備えた照明装置と画像投射装置の一形態を示す模式図。

本発明は、複数の光源を平面的に配置した構成における光線の合成方法に際し、反射面を備える第１、第２反射部と、複数の光源と、第１反射部と第２反射部との間に配置された集光光学系とを備え光源ユニットであって、複数の光源から出射された光線は、集光光学系で屈折され、第１及び第２反射部の反射面間で反射されると共に、集光光学系の光軸に対し、第１反射部の反射面での反射位置よりも第２反射部の反射面での反射位置が近づくように構成している。すなわち、複数の光源から出射された光線は、集光光学系に入射して屈折され、第１反射部で反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、第２反射部で反射され、再度集光光学系に入射して屈折された後、第１反射部に入射し、集光光学系の光軸に対し、第１反射部の反射面での反射位置よりも第２反射部の反射面での反射位置が近づくように構成している。

以下、本発明を実施するための複数の形態について図面を用いて説明する。各図面、各形態において同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態である光源ユニット１の構成を示す側面模式図であり、図２は光源ユニット１の光源を正面から見た模式図である。簡略化のため、図１においては光源を２個のみ配置しているが、実際は図２に示すように、光源を複数（ここでは１０個）備えている。また、図２では光源とカップリングレンズのみを示している。

光源ユニット１は、複数の光源１１−１〜１１−１０と複数のカップリングレンズ１２−１〜１２−１０が円環状をなすように平面状に配列された光源群２と、光源群２の各光源から射出された光線を円環中心方向に断面積が縮小された集束光にするための集光光学系としての集光レンズＬ１と、第１反射部としての第１反射ミラー１０と第２反射部としての第２反射ミラー９から構成されている。複数の光源１１−１〜１１−１０と複数のカップリングレンズ１２−１〜１２−１０は、集光レンズＬ１光軸を中心に同心円上に配置されている。集光レンズＬ１は、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間に配置されている。
光源ユニット１は、図１において照射側となる左側から、複数の光源１１−１〜１１−１０、第２反射ミラー９、複数のカップリングレンズ１２−１〜１２−１０、集光レンズＬ１、第１反射ミラー１０の順に配置されている。第２反射ミラー９と複数のカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置関係は逆であっても良いが、両者は、集光レンズＬ１よりも照射側に配置されているのが前提となる。
複数の光源１１−１〜１１−１０は、例えばそれぞれ半導体レーザー等のレーザーダイオードで構成されていて、光源群２の各出射光の色は、全て同一色であっても、それぞれ異なった色でも構わない。複数のカップリングレンズ１２−１〜１２−１０は、それぞれガラス又はプラスチックから形成された凸レンズである。光源１１−１〜１１−１０とカップリングレンズ１２−１〜１２−１０は、光源１１−１〜１１−１０の光軸とカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の各曲率中心軸が一致するように、互いに対向配置されている。カップリングレンズ１２−１〜１２−１０は、各光源からの射出光を平行光又は集束光に変換するコリメータレンズを含んでいる。

このように光源１１−１〜１１−１０とカップリングレンズ１２-１〜１２−１０を配置することで、光源１１−１〜１１−１０から出射された各出射光は、それぞれ対向配置されて対応するカップリングレンズ１２−１〜１２−１０を通過して集光レンズＬ１に照射される。そして各カップリングレンズ１２−１〜１２−１０と対向配置された１つの集光レンズによって第１反射ミラー１０に対して円環中心方向に傾斜した略円錐状の出射光を得る。
光源１１−１〜１１−１０とカップリングレンズ１２-１〜１２−１０からの射出光を平行光又は集束光に変換するカップリングレンズ１２−１〜１２−１０とが組み合わされて光源群を構成しているので、光源１１−１〜１１−１０からの光線が発散光であったとしてもカップリングレンズ１２−１〜１２−１０で取り込むことにより効率よく光源の光を利用することができる。

第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９は、互いの反射面１０ａ、９ａが対面するように配置されている。本形態では、第１反射ミラー１０及び第２反射ミラー９を単一の反射ミラーで構成している。
図３（ａ）に示すように、光源１１−１〜１１−１０、カップリングレンズ１２−１〜１２−１０、集光レンズＬ１、第２反射ミラー９及び第１反射ミラー１０は、支持体３０に形成された保持部３１，３２，３３，３４，３５で支持体３０に保持されている。図３（ｂ）は図３（ａ）を正面から見た図である。図３（ｂ）では、図を見やすくするために第１反射ミラー１０は省略している。

支持体３０は、例えばアルミニウム等の金属やモールド樹脂等から構成されており、保持部３１〜３５それぞれが一体的に形成されていても、別体形成してから接合して一体化されたものであってよい。
第１反射ミラー１０は、平行平板となる板ガラスの一方の面に例えば銀膜や誘電体多層膜（アルミニウム膜）が蒸着されて反射鏡部となる反射面１０ａが形成されていて、保持部３５によって支持体３０に保持されている。第１反射ミラー１０の中央部は、透過部とし開放部１０ｂが板厚方向に開口して形成されていて、光線が通過可能とされている。透過部としては開放部１０ｂではなく、ガラス面にアルミニウム膜を蒸着する際に、開放部１０ｂに相当する部位だけ蒸着しないように、つまりリング形状にアルミニウム膜を蒸着して透明部分として形成してもよい。この場合、空洞形状に加工するコストを省くことができる。あるいは、透過部としては、その箇所に透過平板がない、単に通過する構成であっても良い。

第２反射ミラー９は、板ガラスの一方の面に例えば銀膜や誘電体多層膜（アルミニウム膜）が蒸着されて反射面９ａが形成されていて、保持部３４によって光線を遮らないように非反射面側を支持されて支持体３０に保持されている。このように、第１反射ミラー１０、第２反射ミラー９を単一なものにすることで、光源毎に各反射ミラーを有する場合に比べて、集光点の位置調整を容易にすることができる。

光源群２の光源１１−１〜１１−１０から出射した光線は、効率良くカップリングレンズ１２−１〜１２−１０に取り込まれ、略平行光または略集光光となり集光レンズＬ１を通過する。集光レンズＬ１を通過した光線は、第１反射ミラー１０の反射面１０ａで再びカップリングレンズ１２−１〜１２−１０側に反射され、再度集光レンズＬ１を通過し、光源群側に配置された第２反射ミラー９の反射面９ａで更に第１反射ミラー１０側に反射される。そして再度集光レンズL１を通過して第１反射ミラー１０の反射面１０ａに案内される。ここでは、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間での光線の反射回数が１回に設定されている場合には、第１反射ミラー１０の透過可能領域となる開放部１０ｂから射出される。光線の反射回数が複数回に設定されている場合には、第１反射ミラーの反射面１０ａと第２反射ミラーの反射面９ａとの間で複数回反射を繰り返し、繰り返し中は集光レンズLを通過し、最終的には第１反射ミラー１０の開放部１０ｂから射出される。
すなわち、光源１１−１〜１１−１０から出射した光線は、集光レンズＬ１に入射して屈折され、第１反射ミラー１０の反射面１０ａへと出射されて反射面１０ａに入射する。この入射された光線は、反射面１０ａで反射され、再度集光レンズＬ１に入射して屈折された後、第２反射部の反射面９ａで反射され、再度集光レンズＬ１に入射して屈折された後、第１反射部１０へと入射する。第２反射部の反射面９ａから第１反射部１０へと入射した光線は、第１反射ミラー１０の開放部１０ｂから射出される。つまり、光源１１−１〜１１−１０から出射した光線は、集光レンズＬ１の光軸に対し、第１反射部１０の反射面１０ａでの反射位置よりも第２反射部９の反射面９ａでの反射位置が近づくようになる。本形態では、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９での光線の反射回数はそれぞれ１回としている。

このように第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間で光源１１−１〜１１−１０から出射した光線を反射させることで、光源１１−１〜１１−１０から出射した各光線が合成するまでの距離を短くすることができ、光源ユニット１を小型化ができる。合成後の光線の断面面積が縮小した光線束Ｋになるので、光線束Ｋの密度を高められ、高輝度な光線束を射出することができる。さらに、本形態では、光源１１−１〜１１−１０から出射した光線を一括して集光レンズＬ１に入射されるため、各光源１１−１〜１１−１０やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の取付位置に公差などでバラツキがあっても、集光点のばらつきを小さく抑えられる。このため、光源毎やカップリングレンズ毎に個別に調整機構などを設ける必要も無く、調整作業の簡素化とコスト低減も図ることができる。
また、光源１１−１〜１１−１０から射出された各光線が第１の反射ミラー１０に斜め入射して通過する際に屈折作用によって第１の反射ミラー１０の中心部に近づくため、より短い距離で合成しやすくなる。
集光レンズＬ１が第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間に配置されているので、光源からの光線は集光レンズＬ１を複数回通過するため、１回のみ通過する場合に比べて光源群２からの光線を１点に収束するために必要な集光レンズＬ１のパワーは小さくて済む。このため、球面収差を小さくでき、公差により光源１１−１〜１１−１０の発光点やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついた場合にも集光点でのばらつきを小さくすることができる。集光レンズＬ１が第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間に配置することで、第１及び第２反射ミラー１０，９間での光路長を長くすることができる。この結果、光源１１−１〜１１−１０から集光点までの距離を短くすることができ、照明光学系サイズの低減が可能となる。

図３に示す形態では、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間での光線の反射回数をそれぞれ１回としたが、集光レンズＬ１の焦点距離を調整し、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間での光線の反射回数を複数回としてもよい。この場合、光源１１−１〜１１−１０から出射した光線は、集光レンズＬ１で集光されて屈曲したのち、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の反射面間での反射を繰り返した後に第１反射ミラー１０の中央部に形成されている透過可能領域から射出する。
このように第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間で複数回反射を繰り返すようにすると、光源１１−１〜１１−１０から出射した各光線が合成するまでの距離をより短くすると共に、断面面積が反射回数１回の場合よりも、より縮小した光線束Ｋになり、光線束Ｋの密度を高められ、高輝度な光線束を射出することができ、かつ小型化を図ることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態である光源ユニット１Ａの構成を示す側面模式図である。第１の実施形態との違いは、集光光学系として集光レンズＬ１と、集光レンズＬ１と対向するように集光レンズＬ２を配置して、複数枚の構造した点にある。本形態において、集光レンズＬ１、Ｌ２は、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間に配置されている。本形態において、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間での光線の反射回数はそれぞれ１回としている。
このように、２枚の集光レンズＬ１，Ｌ２を光源ユニット１Ａが備えていると、レンズ１枚あたりの曲率半径を第１の実施形態よりも小さくすることができるので、結果として球面収差を抑制することができる。このため、公差により光源１１−１〜１１−１０の発光点位置やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついたとしても、集光点でのばらつきをより抑えることができる。
また本形態では、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間に２枚の集光レンズＬ１、Ｌ２を配置したが、配置関係はこれに限るものではない。例えば、集光レンズＬ１とＬ２の間に第１反射ミラー１０もしくは第２反射ミラー９あるいは、もしくはその両方を配置してもよい。これらの配置により、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９の間で光線が反射する際において、光線が集光レンズＬ１、Ｌ２を通る回数を調整でき、光線の集光パワーを調整できるため、集光点のｚ方向位置を調整することが可能となる。
本実施形態では、レンズＬ１，Ｌ２の２枚としたが、無論２枚より多くてもよい。これにより更に球面収差を抑えることができ、光源１１−１〜１１−１０やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０が公差でばらついたときの集光点ばらつきをより抑制することが可能となる。

図５は、本発明の第３の実施形態である光源ユニット１Ｂの構成を示す側面模式図である。第１の実施形態との違いは、集光光学系を非球面形状としている点である。すなわち、集光光学系に非球面レンズＬ３を用いている。本形態においても、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間における光源からの光線の反射回数は１回としている。光源１１−１〜１１−１０から出射した光線は、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９を反射しながら複数回集光レンズである非球面レンズＬ３を通過するが、その際通過する位置は毎回異なる。従って、集光レンズを非球面形状とする(集光レンズとして非球面レンズＬ３を用いる) ことで、それぞれの光線入射位置で曲率半径を最適化できるため設計の自由度が向上し、公差により光源１１−１〜１１−１０、カップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついたとしても集光点ばらつきを抑えることが可能となる。
第１の実施形態から第３の実施形態において、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間での光線の反射回数を複数回とすると、１回の反射の場合に比べて光源群２からの光線を１点に収束するために必要な集光レンズＬ１のパワーは小さくて済む。このため、球面収差を小さくでき、公差により光源１１−１〜１１−１０の発光点やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついた場合にも集光点でのばらつきをより小さくすることができる。

次に第１の実施形態から第３の実施形態における集光点のバラツキの抑制について説明する。
図６は、第１の実施形態に係る図１に示した光源ユニット１に対して、カップリングレンズを内側（複数光束の合成方向）にて０．５ｍｍシフトさせたときの光路を示す図である。図７は、第２の実施形態に係る図４に示した光源ユニット１Ａに対して、カップリングレンズを内側（複数光束の合成方向）にて０．５ｍｍシフトさせたときの光路を示す図である。
図８は、第３の実施形態に係る図５に示した光源ユニット１Ｂに対して、カップリングレンズを内側（複数光束の合成方向）にて０．５ｍｍシフトさせたときの光路を示す図である。
これらカップリングレンズのシフトは、カップリングレンズのばらつきを想定してずらしたものである。

図９から図１１に、第１の実施形態から第３の実施形態における光源ユニット１、１Ａ、１Ｂにおいて、カップリングレンズのシフトの有無による集光点での照度分布を示す。図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ）は、図３、図４、図５に示した光源ユニットにおける公差を考慮しない、設計中心における集光点での照度分布を示す。図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）は、図６、図７、図８に示した光源ユニットにおける０．５ｍｍシフトしたときの集光点での照度分布である公差を考慮しない、設計中心における集光点での照度分布を示す。

図９から図１１に示す照度分布は、コンピュータプログラム上で、各光源ユニットのモデルを作成し、集光面４での照度分布をシミュレーションしたものをプロットしたデータである。なお図の簡略化を図るため、光源とカップリングレンズは、光源１１−１、１１−６及びカップリングレンズ１２−１、１２−６のx軸に対して対称に配置した２つのみを表示している。また図９から図１１において、光源から集光点までの距離は同一としている。

図９（ａ）に示すように、第１の実施形態においてシフトしない場合（ずれの無い場合）、複数の光源からの光は一点に集光して、ビーム径は１ｍｍ程度であった。しかし、シフトした場合（ずれがある場合）図９（ｂ）に示すように、複数の光源からの光は一点に集光せず、各集光点位置はずれ、結果として１１ｍｍ程度の幅をもつこととなった。
図１０（ａ）に示すように、第２の実施形態において、シフトしない場合（ずれの無い場合）、複数の光源からの光は一点に集光して、ビーム径は１ｍｍ程度であった。しかし、シフトした場合（ずれがある場合）図１０（ｂ）に示すように、複数の光源からの光は一点に集光せず、各集光点位置はずれ、結果として１０ｍｍ程度の幅をもつこととなった。
図１１（ａ）に示すように、第３の実施形態において、シフトしない場合（ずれの無い場合）、複数の光源からの光は一点に集光して、ビーム径は１ｍｍ程度であった。しかし、シフトした場合（ずれがある場合）図１１（ｂ）に示すように、複数の光源からの光は一点に集光せず、各集光点位置はずれ、結果として８．８ｍｍ程度の幅をもつこととなった。

これら各集光点に照度分布を考察すると、第１の実施形態のように集光レンズが１枚よりも、第２の実施形態のように、集光レンズが複数ある方が、集光点のばらつきを抑えることができる。これは、集光レンズを複数枚（ここでは２枚）使用することで集光レンズ１枚当たりの曲率半径を第１の実施形態よりも小さくすることができるためである。この結果、球面収差を抑制することができ、公差により光源１１−１〜１１−１０の発光点位置やカップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついたとしても、集光点でのばらつきを抑えることができる。これにより、集光点以降の光学系に光線を効率よく取り込めるため、高効率な照明光学系を実現することができる。
第３の実施形態のように、集光光学系を非球面形状とすると、集光光学系を２枚のレンズで構成する場合よりも、シフト時の集光点位置のずれが抑制されている。これは集光レンズを非球面形状とすることで、公差により光源１１−１〜１１−１０、カップリングレンズ１２−１〜１２−１０の位置がばらついたとしても集光点ばらつきをより抑えられることになる。

上述した各光源ユニットでは、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９で反射した光線を、第１反射ミラー１０の中央部から集光束Ｋとして射出するようにしたが、射出する位置、すなわち、透過部となる開放部１０ｂは第１反射ミラー１０の中央部に限定されるものではなく、また第２反射ミラー９の位置も、支持体３０の中央部に限定されるものではなく、射出する方向や角度に応じて適宜その位置を変更するようにしてもよい。
各実施形態では、カップリングレンズ１２−１〜１２−１０を光源１１−１〜１１−１０と共軸としたが、カップリングレンズ１２−１〜１２−１０を各光源の光軸に対して偏心させて配置した形態としても良い。これにより、光源から出射後の各光線はカップリングレンズカップリングレンズ１２−１〜１２−１０を出射後の断面面積が縮小した集束光Ｋになり、共軸とした場合に比べて集光レンズＬ１のパワーを小さくすることができるので、この好ましい。

各実施形態では、光源群２を、集光レンズL１，Ｌ２，Ｌ３の光軸を中心に同心円上で環状に配列したが、配置方法はこれに限るものではない。例えば同心円上であっても半円弧状としても良い。あるいは、光源群２を矩形状に配置してもよい。また、光源群２の円形配列径も図示のものに限るものではない。例えば、円形配列径を小さくすることで光源ユニット１の光軸方向Ｚと直交する径方向Ｘ、Ｙへのサイズを低減することができ、より光源ユニット１や後述する照明装置や画像投射装置の小型化を図ることができる。

次に第１〜第３の実施形態における光学系の諸元を以下に示す。
第１〜第３の実施形態の各部品の面間隔の記号をそれぞれ図１２、図１３、図１４のように定義する。また、曲率半径は−ｚ方向に凸の場合＋表記とし、各レンズの−ｚ側の面をＲ１、反対側をＲ２とする。また、レンズ間の面間隔は各レンズの曲率中心軸での距離である。第１の実施形態は集光レンズが１枚のみであるので、Ｌ１の欄に表記する。なお、ａ１は集光点から光源の発光点までの、ｙ方向の高さを示している。
表１〜表７にそれぞれ第１から第３の実施形態の面間隔、曲率半径、厚み、屈折率、アッベ数、非球面係数を示す。

次に上述した光源ユニットを有する照明装置と画像投射装置について説明する。
図１５は、照明装置１００を備えた画像投射装置としてのプロジェクタの一形態を示す模式図である。照明装置１００の光源部としては、上記第１〜第３の実施形態で説明した各光源ユニット１、１Ａ、１Ｂを適用することかできる。このように各光源ユニット１、１Ａ、１Ｂを適用すると、光源ユニット自体が小型であるので、照明装置１００及びプロジェクタ２００も当然に小型化する事ができる。
この場合、第１反射ミラー１０と第２反射ミラー９間で各光源からの光線を複数回反射する第３の実施形態に係る光源ユニット１Ｂを用いると、各光線束を合成するために必要なユニットサイズ（図にＺで示す光軸方向のサイズ）を小さくすることができ、結果として照明装置１００及びプロジェクタ２００の一層の小型化が可能となる。
図１５において、プロジェクタ２００は、光源ユニット１を備えた電源装置１００と、光量均一化手段となるロッドインテグレータ２０１と、画像形成パネル２０３と、ロッドインテグレータ２０１で光量を均一化された出射光を画像形成パネル２０３に伝達する照明光伝達光学系となるリレーレンズ２０２と、画像形成パネル２０３に形成された画像を拡大投射する投射光学系となる投射レンズ２０４を有している。本形態に係るプロジェクタ２００では、画像形成パネル２０３として、変調信号に応じて画像形成される透過型タイプのパネルを例示しているが、反射型タイプのパネルやマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）タイプのパネルを用いてもよい。なお、ロッドインテグレータ２０１は、光量均一化手段の代表的な一例であり、これ以外の周知の光量均一化手段を用いてもよい。リレーレンズ２０２は、本発明に係る照明伝達光学系の代表的な一例であり、また投射レンズ２０４は本発明に係わる投射光学系の代表的な一例である。

この照明装置１００は、光源ユニットを用いて複数色の光を照射するものであって、複数色のうち、少なくとも１色の光を光源ユニットで生成して照射する構成とされている。すなわち、照明装置１００は、光源ユニット１、カップリングレンズ４２１，４２２、光源ユニット４４０、カップリングレンズ４４１、ミラー２０４、ダイクロイックミラー２０８、４４２、透過領域と反射領域を有する反射／透過ホイール４００、蛍光体ホイール部２０７を有している。

本形態において、光源ユニット１は、例えば青色である波長Aの光線を射出する。一方、光源ユニット４４０は、波長Ａとは異なる波長、例えば赤色である波長Cの光線を射出する。また、ダイクロイックミラー４４２は、波長Ａの光を反射し、他の波長の光を透過させる。ダイクロイックミラー２０８は、例えば赤色である波長Ｂの光を反射させ、他の波長の光を遠過させる機能を有する。

光源ユニット１から出射される波長Ａの光線の光路について説明する。当該光線の光路上に、反射／透過ホイール４００の図示しない反射領域がある着合、当該光線は、反射／透過ホイール４００に入射され、所定の角度で反射される。反射／透過ホイール４００で反射され出射された波長Aの光線は、カップリングレンズ４２１を介してダイクロイックミラー４４２で所定の角度で反射され、さらにダイクロイックミラー２０８を透過してロッドインテグレータ１０１へと入射する。

光源ユニット１から出射される波長Aの光線の光路上に、反射／透過ホイール４００の図示しない透過領域が在る場合、当該光線は、反射／透過ホイール４００に入射され、反射／透過ホイール４００を透過してカップリングレンズ４２２を介してミラー２０４に照射される。当該光線は、ミラー２０４で所定の角度で反射され、ダイクロイックミラー２０８を透過して蛍光体ホイール部２０7に入射される。蛍光体ホイール部２０７に入射された波長Ａの光線は、集光素子２３０を介して蛍光体２３１に照射される。蛍光体２３１は、波長Ａの光線に励起されて、波長Ａより長波長の波長Ｂの光を発光する。この波長Ｂの光は、基板２３２により反射され集光素子２３０を介してダイクロイックミラー２０８に照射され、所定の角度に反射されてロッドインテグレータ２０１へと入射する。なお、ここでの蛍光体２３１は、蛍光体ホイール部２０７の外周全域に環状に形成されている。

光源ユニット４４０から出射される波長Ｂの光線は、カップリングレンズ４４１を介してダイクロイックミラー４４２に入射される。当該光線は、ダイクロイックミラー４４２を透過し、さらに、ダイクロイックミラー２０８を透過して、ロッドインテグレータ２０１へと入射する。ロッドインテグレータ２０１へ入射した各光線は、ここからリレーレンズ２０２へと出射され、リレーレンズ２０２を介して画像形成パネル２０３に照射され、投射レンズ２０４により図示しない外部スクリーンに投射される。

このような構成のプロジェクタ２００としても、複数光源からの射出された光線を合成して断面積が縮小した密度の高い光線束Ｋが得られると共に、ロッドインテクレータ２０１への入射角を小さくできるので、画像形成パネル２０３の照明光の広がりを抑えることが可能となり、ＮＡの小さい（Ｆ値の大きい）投射レンズ２０４を用いることができる。このため、投射レンズ２０４の設計や製作が容易となり画像性能も容易に確保できる。つまり、複数光源を用いつつ、小型で、光量の均一化を図ることができるプロジェクタ２００を実現できる。

本形態にかかる光源ユニット１、１Ａ、１Ｂの適用例としては、照明装置１００に限定されるものではない。例えば、光源ユニット１からの光線を蛍光体に当てる励起光のためだけに使うものに適用する照明装置及び当該照明装置を用いる画像投射装置に適用しても無論構わない。例えば、赤、青照明光にはＬＥＤを使用し、緑照明光は蛍光光（励起光を本発明の光源ユニットで生成）という構成のものであっても良い。

１、１Ａ、１Ｂ 光源ユニット
２ 光源
９ 第２反射部
９ａ 反射面
１０ 第１反射部
１０ａ 反射面
１０ｂ 中央部（透過部）
１１−１〜１１−１６ 複数の光源（レーザ素子）
１２−１〜１２−１６ カップリングレンズ（コリメータレンズ）
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 集光光学系
１００ 照明装置
２００ 画像投射装置。

特許第４７１１１５５号公報

Claims (8)

1. 反射面を備える第１、第２反射部と、複数の光源と、前記第１反射部と第２反射部との間に配置された集光光学系とを備えた光源ユニットであって、
   前記複数の光源から出射された光線は、前記集光光学系に入射して屈折され、前記第１反射部で反射され、再度前記集光光学系に入射して屈折された後、前記第２反射部で反射され、再度前記集光光学系に入射して屈折された後、前記第１反射部に入射し、
   前記集光光学系の光軸に対し、前記第１反射部の反射面での反射位置よりも前記第２反射部の反射面での反射位置が近づくように構成したことを特徴とする光源ユニット。
2. 前記複数の光源は、前記集光光学系の光軸を中心に円環状をなすように前記第２反射部の周囲に配置され、
   前記第１反射部の反射面と前記第２反射部の反射面とは互いに対向して配置され、
   前記複数の光源から出射された光線は、前記集光光学系に入射し、当該集光光学系を介して第１反射部の反射面に出射され、前記第１反射部の反射面で前記集光光学系へと反射され後に、前記第２反射部に入射することを特徴とする請求項１記載の光源ユニット。
3. 前記集光光学系は、複数の集光レンズで構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光源ユニット。
4. 前記集光光学系が、非球面形状であることを特徴とする請求項１または２記載の光源ユニット。
5. 前記第１反射部の中央部が透過可能な平行平板で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光源ユニット。
6. 前記複数の光源は、レーザー素子と、当該レーザー素子からの射出光を平行光又は集束光に変換するカップリングレンズとが組み合わされて光源群を構成していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光源ユニット。
7. 光源ユニットを用いて複数色の光を照射する照明装置であって、
   前記複数色のうち、少なくとも１色の光を請求項１乃至６の何れか１項に記載の光源ユニットで生成して照射することを特徴とする照明装置。
8. 請求項７記載の照明装置を有することを特徴とする画像投射装置。

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