JP6361333B2 - 光源装置及び光学エンジン - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び光学エンジンに関し、特に蛍光体による発光を用いた光源装置及びその光源装置を備える光学エンジンに関する。

従来のプロジェクタでは、例えば超高圧水銀ランプやキセノンランプなどの放電タイプの光源が使用されている。近年、消費電力、および環境負荷の優位性により、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を光源とする構成（例えば、特許文献１参照）や半導体レーザ装置を光源とする構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特に、半導体レーザ装置と蛍光体とを組み合わせたハイブリッドタイプのものは（例えば、特許文献３〜６参照）、安全性を考慮に入れた高輝度なプロジェクタとして期待が大きい。例えば、特許文献３に記載されたプロジェクタの光源装置は、青色半導体レーザ装置と、回転する蛍光体ホイールと、を備えている。この蛍光体ホイールのホイール基板は、円形基板であって、周方向に隣接した３つの扇形形状の領域が形成されている。具体的には、このホイール基板は、青色光を吸収し緑色光を放出する蛍光体が配置された領域と、青色光を吸収し赤色光を放出する蛍光体が配置された領域と、蛍光体の代わりに光拡散層が配置された透明基材領域とを備えた、いわゆる反射型蛍光体ホイールである。この光源装置は、蛍光体ホイールを回転させながら、青色半導体レーザ装置からの青色光をレンズにより集光して蛍光体ホイールに照射する。これにより、青色光は透明基材領域に照射されたときに蛍光体ホイールを通過し、蛍光体が配置された領域に青色光が照射されたときに緑色光や赤色光が放出されて青色半導体レーザ装置側に反射される。そして、蛍光体ホイールを通過したレーザ光と蛍光体からの発光とを照明に使い、後段の表示装置によって画像データに応じて各色の光を時分割表示することにより、スクリーンにカラー画像を生成することができる。

また、例えば、特許文献６に記載されたプロジェクタの光源装置は、青紫色光の励起光源と、回転する蛍光体ホイールと、を備えている。この蛍光体ホイールのホイール基板は、透明基板であって、当該基板の射出側には、周方向に、青色光を放出する蛍光体と、緑色光を放出する蛍光体と、赤色光を放出する蛍光体とが塗布されて３つの領域に区画された、いわゆる透過型蛍光体ホイールである。この光源装置は、蛍光体ホイールを回転させながら、青紫色光を蛍光体ホイールに照射させることにより、励起光源とは反対側に蛍光体からの赤色光、青色光及び緑色光を放出する。

ところで、蛍光体からの発光を、照明の少なくとも一部に使う場合、高輝度化のためには、高い光強度の励起光源が必要となる。高光強度の光源装置は、例えば、半導体レーザ装置を複数配置することによって実現できる。

例えば、特許文献４に記載されたプロジェクタの光源装置は、マトリクス状に配列された複数の青色レーザ発光器と、回転する蛍光体ホイールと、赤色ＬＥＤと、を備えている。この蛍光体ホイールのホイール基板は、反射型蛍光体ホイールであって、緑色光を放出する蛍光体が配置された領域と、蛍光体のない光拡散層が配置された透明基材領域と、が周方向に並設してなる。この光源装置は、蛍光体ホイールを回転させながら、青色半導体レーザ装置からの青色光をコリメータレンズにより平行光としてから蛍光体ホイールに照射する。これにより、青色レーザ光が透明基材領域に照射されたときに蛍光体ホイールを通過する青色光と、蛍光体が配置された領域に青色レーザ光が照射されたときに反射する緑色光と、ＬＥＤから照射される赤色光とで照明光がつくられる。

また、例えば、特許文献５に記載されたプロジェクタの光源装置は、励起光と色光とを兼ねる複数の青色光源と、蛍光層を担持した透明基板と、を備えている。複数の青色光源は、基板上に５行５列のマトリクス状に配置されている。透明基板は、所定の位置に固定されている。蛍光層は透明基板の射出側に配置されている。蛍光層は透明基板に入射する青色光の一部から赤色光及び緑色光を含む蛍光を生成し、青色光の残りの一部は蛍光層を通過する。これらにより照明光がつくられている。

特開２０１１−２５１８号公報 特開２０１２−８８４５１号公報 特開２０１１−１３３１３号公報 特開２０１１−７６７８１号公報 特開２０１２−６３４８８号公報 特開２００４−３４１１０５号公報

しかしながら、半導体レーザ装置が出射する光は、平行光ではなく、水平方向の広がり角と垂直方向の広がり角とが異なっているため、レーザスポットは楕円形状に広がる発散光となっている。そのため、高光強度の光源装置の小型化を目的として複数の半導体レーザ装置を狭い間隔で配置すると、半導体レーザ装置が出射する光が発散光であるために、隣接する半導体レーザ装置からの出射光が重なり合ってしまう（クロストーク）。そして、レンズなど光学部品内部でクロストークが起こると、光の干渉等により出射光の方向が予期しない方向に変化してしまい、効率よく空間伝播させることが困難になる。

そこで、従来、光源装置に複数の半導体レーザ装置を配置する場合、発散光を平行光にするために、各半導体レーザ装置の近傍に、コリメートレンズ等の光学部品を配置している（例えば特許文献４参照）。このような光源装置を用いたプロジェクタの一例について図１０を参照して説明する。図１０は、従来のプロジェクタ用の光学エンジン１０１を模式的に示す構成図である。半導体レーザ装置１１１は、パッケージ化されており、アノードやカソード等の複数のリード端子（接続ピン）を備えている。各半導体レーザ装置１１１の光軸上にはコリメートレンズ１１２がそれぞれ配置されている。なお、半導体レーザ装置１１１やコリメートレンズ１１２等の各部材は図示しない保持部でそれぞれ保持されている。

光学エンジン１０１では、図１０に示す構成により、複数の半導体レーザ装置１１１からの光を、コリメートレンズ１１２でそれぞれ平行光にし、集光レンズ１１３で蛍光体ホイール１０５の蛍光体１２０に照射する。蛍光体ホイール１０５はモータ１０９により回転駆動される。蛍光体ホイール１０５で発生した蛍光は、レンズ系１５０で集光され、合波系１６０で合波される。合波系１６０は、例えばロッドインテグレータやライトパイプなどの合波光学部品１６１と、合波光学部品１６１への入射側のレンズ１６２と、合波光学部品１６１の出射側のレンズ１６３とで構成される。合波系１６０で合波された光は、反射ミラー１７０で反射し、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶素子などからなる光変調器１８０によって画像化され、その画像が投射レンズ１９０で、図示しないスクリーンに投影される。

従来の光源装置１０２において、半導体レーザ装置１１１をさらに狭い間隔で配置するには、コリメートレンズ１１２をさらに小型化する必要があり、コリメートレンズ１１２は高い配置精度が必要になるので、組立性が低下し、コストが高くなる。

一方で、蛍光体ホイール１０５の蛍光体１２０は、励起光の強度が高いほど劣化する。また、蛍光体は、励起光の強度が高いほど、光飽和及び高温による温度消光によって、波長変換効率が下がる傾向がある。ここで、複数の半導体レーザ装置１１１からの光を合波して直接、蛍光体に集光照射した場合、蛍光体ホイール１０５の蛍光体１２０が配置された面においてレーザ光の光強度分布は、図１１に示すようなガウス関数型に近い光強度分布となる。このため、蛍光体ホイール１０５の蛍光体１２０が配置された面において、レーザ光が照射された中心付近の領域の波長変換効率が下がることになる。また、励起光の強度をさらに高くして、蛍光体１２０に集光照射した場合、蛍光体１２０が蛍光体ホイール１０５の基板への固着状態を保つことができずに、破壊されることがある。

このような問題に対して、蛍光体上における照射サイズを広げることによって励起光の照射強度を抑えることが考えられる。しかしながら、エタンデュ（Ｅｔｅｎｄｕｅ）の関係から蛍光の発光領域を狭くする必要があり、そのためには励起光源からのレーザ光をできる限り集光する必要がある。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、蛍光体の劣化を抑制して高輝度の光を出力する光源装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、蛍光体の劣化を抑制して高輝度の光を出力する光学エンジンを提供することを他の課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る光源装置は、少なくとも１種類の蛍光体を有する基板と、複数の半導体レーザ素子と、前記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を前記蛍光体を有する基板へ照射するための光学系と、を備え、少なくとも蛍光を発する光源装置であって、前記複数の半導体レーザ素子が、パッケージ内に所定ピッチで配列され、前記光学系が、前記パッケージ内の複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射されるレーザ光を平行化することなくそのまま取り込み、合波光学部品の入射面に集光する第１レンズ系と、前記パッケージ内の複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射され前記第１レンズ系で集光されたレーザ光を合波すると共に合波したレーザ光の強度分布を空間的に均一にする前記合波光学部品と、前記合波光学部品の出射面から出射するレーザ光を前記蛍光体に集光する第２レンズ系と、を備えることを特徴とする。

また、前記課題を解決するために、本発明に係る光学エンジンは、前記光源装置と、前記光源装置が出射する光のうち少なくとも蛍光を集光する第３レンズ系と、前記第３レンズ系で集光された光を合波するロッドインテグレータ又はライトパイプからなる第２合波光学部品と、前記第２合波光学部品で合波された光を変調させる光変調器と、前記変調された光を投射させる投射レンズと、を備えることを特徴とする。

また、前記課題を解決するために、本発明に係る光学エンジンは、前記光源装置と、前記光源装置の前記蛍光体が発する蛍光を平行光とする蛍光取り込みレンズと、前記光源装置において前記パッケージから出射されたレーザ光であって前記蛍光体に吸収されなかったレーザ光を空間伝播させる光学系と、前記蛍光取り込みレンズを通過する蛍光を合波すると共に、前記空間伝播されるレーザ光を合波する、ロッドインテグレータ又はライトパイプからなる第２合波光学部品と、前記第２合波光学部品で合波された光を変調させる光変調器と、前記変調された光を投射させる投射レンズと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光源装置は、発散光を出射する複数の半導体レーザ素子で構成される複数の光源からの光を、部品点数を上げることなく合波することができ、また、光強度分布が均一であるため、蛍光体の劣化を抑え、且つ変換効率を下げることなく波長変換することができる。また、本発明に係る光学エンジンは、小型で、且つ高い輝度の光学エンジンを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置を模式的に示す構成図である。 本発明の実施形態に係る光学エンジンを模式的に示す構成図である。 （ａ）は図１に示す蛍光体を有する基板の一例を示す平面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線切断部端面図である。 （ａ）は図１に示すパッケージの一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１に示す合波光学部品の入射面の形状の一例を示す図である。 蛍光体が配置された面におけるレーザ光の光強度分布を示すグラフであり、（ａ）は図１に示す光源装置による光強度のグラフであり、（ｂ）は図１１のグラフを重ねて示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る光源装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る光源装置及び光学エンジンを模式的に示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係る光源装置を模式的に示す構成図である。 本発明の第４実施形態に係る光源装置を模式的に示す構成図である。 従来技術に係る光学エンジンを模式的に示す構成図である。 図１０に示す光学エンジンの蛍光体が配置された面におけるレーザ光の光強度分布を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る複数のレーザ素子を含むパッケージを模式的に示す斜視図である。 図１２におけるキャップを除く部分構造を模式的に示す平面図である。 図１３におけるＣ−Ｃ線切断部を模式的に示す断面図である。

以下、本発明に係る光源装置及び光学エンジンを実施するための形態を、いくつかの具体例を示した図面と共に詳細に説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。

（第１実施形態）
［１．光源装置の概要］
図１に示す光源装置２は、半導体レーザ素子１０からのレーザ光と、このレーザ光で励起された蛍光体が放出する蛍光とを照明光として出力するものである。この光源装置２は、例えば図２に示す光学エンジン１に組み込まれる。光源装置２は、図１に示すように、複数の半導体レーザ素子１０を備えるパッケージ３と、光学系４と、蛍光体を有する基板５（以下、蛍光体ホイール５と称することもある）と、を主に備えている。

＜パッケージ３＞
パッケージ３内には、複数の半導体レーザ素子１０が所定ピッチΔでアレイ状に配列されている。図１では、複数の半導体レーザ素子１０がＹ軸方向に並んでいるが、Ｘ軸方向にも並んでいる。なお、図示を省略したが、パッケージ３は、各半導体レーザ素子１０の共通端子であるアノードやカソード等の複数のリード端子（接続ピン）等を備えている。

パッケージ３の筺体やカバーの材料及び形状は、特に限定されるものではなく、従来公知のパッケージの筺体やカバーを用いることができる。例えば、耐光性や耐熱性、耐候性を考慮してメタルパッケージとするのが好ましい。また、その場合、半導体レーザ素子１０を封止するための樹脂は用いずに気体封止するのが好ましい。パッケージ３において、発光部側（図１において右側）には開口を設け、無機ガラス等の光劣化のしにくい部材によって開口を覆うように構成するのが好ましい。パッケージ３には、半導体レーザ素子１０の出力をモニタするためにフォトダイオードが配置されたものを用いてもよい。また、パッケージ３には、過大な電圧印加による素子破壊や性能劣化から半導体レーザ素子１０を保護するためにツェナーダイオード等の保護素子が配置されたものを用いてもよい。

図１２〜１４を参照して、実施形態に係る光源装置に係るパッケージの別の具体例であるパッケージ３Ｂを説明する。図１２は、複数のレーザ素子を含むパッケージの別の一例を模式的に示す斜視図である。図１３は、図１２におけるキャップ２０８を除くパッケージの部分構造を模式的に示す平面図である。図１４は、図１３におけるＣ−Ｃ線切断部を模式的に示す断面図である。なお、図１３におけるＢ−Ｂ線切断部において並ぶ複数の半導体レーザ素子１０が、図１、２、６〜９に示す構成図において並ぶ複数の半導体レーザ素子１０に相当する。パッケージ３Ｂは、第１基材２０１と、第１基材上に配置される第２基材２０２と、第２基材２０２上に互いに離間して設けられた第１金属層２０１Ａ及び第２金属層２０１Ｂと、第１金属層２０１Ａ上に配置されたサブマウント２０３と、サブマウント２０３上に設けられた半導体レーザ素子１０と、第２金属層２０１Ｂ上に配置され、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光を反射する反射部材２０５と、を備える。

半導体レーザ素子１０は、サブマウント２０３上に設けられている。これにより、半導体レーザ素子１０から発生する熱を、サブマウント２０３等を介して第１基材２０１に効率的に逃がすことができる。
また、図１３においては、反射部材２０５を挟んで両側に複数の半導体レーザ素子１０を載置しているが、片側のみに配置してもよいし、反射部材２０５の全周を取り囲むように半導体レーザ素子１０を載置してもよい。なお、図１３におけるＣ−Ｃ線切断部を模式的に示す断面図が図１４である。パッケージ３Ｂは、他の光源装置、光学エンジンを示す図におけるパッケージ３のそれぞれに適用することができる。

以下、それぞれの構成部材について説明する。
第１基材２０１は、放熱性を考慮してパッケージ３Ｂの下面に配置される基材であり、その材料としては、Ｃｕ、Ａｌ等が用いられる。
第２基材２０２は、サブマウント２０３、反射部材２０５等を第１金属層２０１Ａ又は第２金属層２０１Ｂを介して載置する基材であり、その材料としては、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ等が用いられる。なお、この第２基材２０２は省略することが可能である。
サブマウント２０３の材料としては、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。
サブマウント２０３の厚みは、特に限定されないが、例えば、１００〜５００μｍ程度が挙げられ、１２０〜４００μｍ程度が好ましく、１５０〜３００μｍ程度がより好ましい。サブマウント２０３を一定以上の厚みとすることにより、半導体レーザ素子からの光を効率的に反射部材で反射させて取り出すことができる。
サブマウント２０３の平面形状は特に限定されず、例えば、矩形等の多角形、円形、楕円形又はこれらに近似する形状等が挙げられる。

反射部材２０５は、反射部材２０５の反射面を、レーザ光が出射される半導体レーザ素子側の端部２０５ｄに対して傾斜（図１４中、α参照）するように配置することが好ましい。このような反射面によって、レーザ光が反射され、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光の光軸を方向転換することができる。図示したように、半導体レーザ素子１０からレーザ光が基板１０１の主面に対して平行に出射される場合は、第１基材２０１の主面と傾斜面１０５ｂとのなす角度を４５度±５度、好ましくは４５度±１度とすれば、半導体レーザ素子１０からの光を第１基材２０１に対して垂直な方向に出射させ、光学系４（第１レンズ系７）に入射させることができる。
また反射部材２０５は、実装側とは反対側（レーザ光がパッケージから出射される側に近い側）に、基板２０１の主面に対してほぼ平行な平坦面２０５ａを有していてもよい。これにより、反射部材を第１基材２０１上に精度よく、強固に実装することができる。
反射部材２０５の材料としては、ガラス（石英ガラス、合成石英ガラス等）、サファイア、セラミック又は金属からなる部材、これら部材に誘電体材料等に反射膜を形成したものにより構成することができる。

パッケージ３Ｂは、半導体レーザ素子１０及び反射部材２０５を被覆するようにキャップ２０８が第１基材２０１上に配置された第２基材２０２に取り付けられて、封止されているが、直接第１基材２０１に取り付けられていてもよい。これによりパッケージ内の気密性を高め、防水性、防塵性を高めることができる。キャップ２０８は、その一面に開口部２０８ａが設けられ、開口部２０８ａには透光性部材２０７が設けられている。
透光性部材２０７は、レーザ光を透過することができる材料が用いられる限り特に限定されず、例えば、ガラス（ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、合成石英ガラス等）、サファイア、透明セラミック等によって形成することができる。
また半導体レーザ素子１０の出力をモニタするために、第１基材２０１上にフォトダイオードを配置してもよい。

半導体レーザ素子１０は、用途に応じて任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色（波長４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの光）の発光素子としては、窒化物系半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）等を用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものや、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。以下では、半導体レーザ素子１０は例えば青色光を出射するものとして説明する。

＜光学系４＞
光学系４は、合波光学部品６と、第１レンズ系７と、第２レンズ系８と、を備え、複数の半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光を蛍光体ホイール５へ照射するためのものである。光学系４は、パッケージ３からのレーザ光を蛍光体ホイール５へ集光するために、Ｚ軸に沿った光軸上に第１レンズ系７、合波光学部品６、第２レンズ系８をこの順番に備えている。

合波光学部品６は、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を合波すると共に、合波したレーザ光の強度分布を空間的に均一にするものである。本実施形態では、合波光学部品６として、ロッドインテグレータ又はライトパイプを用いることとした。

ロッドインテグレータは、透光性材料で形成され、側面での全反射を利用するものである。透光性材料は、例えば石英、合成石英、ＢＫ７等のガラスや、例えばポリカーボネートやアクリルなどの樹脂材料である。
ライトパイプは、内部を中空にして側面をミラーで構成したものである。
小型のロッドインテグレータやライトパイプとしては、長さが例えば数ｍｍ〜数十ｍｍ程度で、直径が数ｍｍ〜十数ｍｍ程度のものが市販されている。光源装置２の小型化のためには、合波光学部品６のサイズはできるだけ小さいことが好ましい。

ところで、例えば１枚の凸レンズを用いて複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を合波することが可能である。また、例えばフライアイレンズを用いて、入射光の強度分布を空間的に均一にすることが可能である。よって、合波光学部品６は、例えば凸レンズとフライアイレンズとを組み合わせて構成することができる。
一方、ロッドインテグレータ又はライトパイプは、複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を合波する機能と、合波したレーザ光の強度分布を空間的に均一にする機能とを兼ね備えている。よって、例えば凸レンズとフライアイレンズとを用いる場合よりも部品点数を減らす効果がある。

本実施形態では、合波光学部品６は、例えばロッドインテグレータであり、入射面の形状と出射面の形状とが同一の多角形であるものとした。合波光学部品６の入射面の形状は、４角形、５角形及び６角形からなる群から選択されるいずれかの形状であることが好ましい。このようにすることで、合波光学部品６は容易に光の強度分布を空間的に均一にすることができる。以下、合波光学部品６の入射面及び出射面の形状は６角形であるものとして説明する。この場合、合波光学部品６の全体形状は６角柱である。なお、図１では、合波光学部品６は一様な太さの多角柱の形態を示しているが、入射側の方が太くなるようなテーパーのついた多角錐台の形態でもよい。

第１レンズ系７は、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を平行化することなくそのまま取り込み、合波光学部品６の入射面に集光するものである。図１では、第１レンズ系７を１枚のレンズとしたが、光軸に沿って配置される２枚以上のレンズであってもよい。

第２レンズ系８は、合波光学部品６の出射面から出射するレーザ光を蛍光体ホイール５の蛍光体２０に集光するものである。合波光学部品６から出射される光は、光強度が均一であるが平行光ではなく、ある程度広がった光である。図１では、第２レンズ系８を１枚のレンズとしたが、光軸に沿って配置される２枚以上のレンズであってもよい。

＜蛍光体を有する基板（蛍光体ホイール）５＞
蛍光体を有する基板（蛍光体ホイール）５は、ホイール型の基板に蛍光体２０を備える。蛍光体ホイール５は、モータ９により回転駆動される。パッケージ３から出射されたレーザ光を蛍光体ホイール５に照射した領域に蛍光体２０が配置されているときに、蛍光体ホイール５は蛍光を放出する。

ホイール型の基板５の一例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示す基板５は、円形のホイール型の基板である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線切断部端面図である。基板５は、例えば円形の透光性基板で構成されている。蛍光体２０は基板５に塗布されている。なお、蛍光体２０は基板５に埋め込まれていてもよい。

図３（ａ）に示す基板５は、円環状の領域を備え、この円環状の領域が円周方向に例えば３つの領域１４，１５，１６に区画されている。
領域１４は、半導体レーザ素子１０の発光する青色光を通過させるための透過領域であり、蛍光体が配設されていない。
領域１５は、半導体レーザ素子１０の発光する青色光を吸収して赤色光を発光する赤色蛍光体２０Ｒが配設された蛍光体領域である。
領域１６は、半導体レーザ素子１０の発光する青色光を吸収して緑色光を発光する緑色蛍光体２０Ｇが配設された蛍光体領域である。

蛍光体は、半導体レーザ素子１０から出射される光の少なくとも一部を吸収し、出射光を当該出射光と異なる波長の光に変換する。
緑色蛍光体としては、例えばクロロシリケートやＢａＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を用いることができる。
赤色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：ＥｕやＣａＡｌＳｉＮ_３：ＥｕのようなＣＡＳＮ系蛍光体、またはＳｒＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕを用いることができる。

蛍光体ホイール５の構成は特に限定されるものではない。光源装置２は、少なくとも１種類の色の蛍光を含む様々なバリエーションの照明光を出射することが可能である。
図３（ａ）に示す蛍光体ホイール５は、基板を周方向に区画して蛍光体２０を配設した領域１５，１６と、蛍光体を配設していない領域１４と、を備える。これにより、光源装置２は、パッケージ３からのレーザ光と、蛍光体２０が発する蛍光とを時系列で出射することができる。

図３（ａ）に示す蛍光体ホイール５は、パッケージ３からのレーザ光と同じ向きに蛍光を放出する透過型の蛍光体ホイールであるものとしたが、パッケージ３からのレーザ光の入射方向とは異なる向きに蛍光を放出する反射型の蛍光体ホイールとしてもよい。

半導体レーザ素子１０が出射するレーザ光は、照明に用いられ、且つ、蛍光体を励起する励起光として用いられるものとして説明したが、レーザ光を照明に用いなくてもよい。この場合、図３（ａ）に示す蛍光体ホイール５において、領域１４にも、蛍光体を備えるようにする。そして、蛍光体ホイール５の領域１４，１５，１６からなる円環領域には、円周方向に領域数と同数の種類の蛍光体が設けられる。
領域１４に、半導体レーザ素子１０の発光する青色光や紫外光を吸収して、その波長とは異なる波長の青色光を発光する青色蛍光体を配設するようにしてもよい。この場合、光源装置２は、複数の色の蛍光を時系列で放出することができる。
青色蛍光体としては、例えば、ＢＡＭ：Ｅｕ、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ：Ｅｕを用いることができる。

また、図３（ａ）に示す蛍光体ホイール５において、目的に応じて、領域１５の赤色蛍光体２０Ｒや、領域１６の緑色蛍光体２０Ｇを用いず、他の波長帯の光を発する蛍光体を用いてもよい。例えば緑色蛍光体２０Ｇの代わりに、青色光を吸収して黄色光を発光する黄色蛍光体を用いてもよい。黄色蛍光体としては、例えば、イットリウム、アルミニウムおよびガーネットを混合したＹＡＧ系蛍光体を用いることができる。

蛍光体ホイール５の基板において円環領域の区分数は、３つに限らず、４つ以上でもよいし、２つ、又は１つの領域でもよい。蛍光体２０は、少なくとも１種類あればよい。蛍光体ホイール５の基板は、円形の基板であるものとしたが、これに限らず、６角形、８角形など多角形状の基板を用いてもよい。基板５は、透光性基板であるものとしたが、これに限らない。

［２．パッケージの発光部と合波光学部品の大きさの設計例］
図４（ａ）はパッケージの発光部の一例を示す平面図である。図４（ｂ）は合波光学部品６の入射面の形状の一例を示す図である。図４（ａ）に示すパッケージ３Ａにおいて、半導体レーザ素子１０の間隔をΔ（ピッチΔ）とした。具体的には格子状に、Ｘ方向（横）に５個並べて、Ｙ方向（縦）に４個並べた、合計２０個の半導体レーザ素子１０がピッチΔで配設されている。ピッチΔは数ｍｍ程度である。

この場合、パッケージ３Ａの発光部の全体の大きさを以下のように規定する。パッケージ３Ａの発光部の全体の形状を、パッケージ３Ａの発光部の表面形状という。パッケージ３Ａの発光部の表面形状は、パッケージ３Ａの発光部の平面視ですべての半導体レーザ素子１０の発光点（emitting point）をつなげた軌跡からなる図形である。図４（ａ）に二点鎖線で示すように、この図形が長方形の場合、長方形の短辺の長さＷ_Ｙが発光部の最小径である。また、この長方形の長辺の長さＷ_Ｘが発光部の最大径である。図４（ａ）に示す例では、Ｗ_Ｘ＝４Δ、Ｗ_Ｙ＝３Δである。なお、ここでいうすべての半導体レーザ素子１０とは、少なくとも２つ以上、複数の半導体レーザ素子１０からなり、Ｘ方向（横）とＹ方向（縦）の少なくとも一方が２列以上に配列されたり、同心円状に配列されていたりする。複数の半導体レーザ素子１０は、第１レンズ系７にレーザ光を入射させるもの全ての半導体レーザ素子を意味し、光源装置としてその他の目的のために組み込まれた半導体レーザ素子を含むものではない。

図４（ｂ）に示す合波光学部品６の入射面における形状は６角形であるものとした。合波光学部品６の入射面の最小径Ｔは、入射面の形状である多角形の内接円の直径である。なお、合波光学部品６の入射面における形状が偶数の角数の多角形である場合、最小径Ｔは、その多角形の対辺の間の距離と等価である。

本実施形態では、合波光学部品６の入射面の最小径Ｔは、半導体レーザ素子１０のピッチΔよりも大きく、且つ、パッケージ３Ａの発光部の表面形状の最大径Ｗ_Ｘより小さくした（Δ＜Ｔ＜Ｗ_Ｘ）。言い換えると、合波光学部品６の入射面を、配列された複数の半導体レーザ素子１０に投影したとき、その像が半導体レーザ素子１０のピッチΔよりも大きく、且つパッケージ３Ａの発光部の表面形状よりも小さい。これにより、合波光学部品６を小型化できるので、光源装置２を小型化することができる。なお、最小径Ｔは、ピッチΔよりも大きい範囲で、最小径Ｗ_Ｙ及び最大径Ｗ_Ｘの両方よりも小さいことが好ましい。

また、本実施形態では、第１レンズ系７は１枚のレンズで構成され、当該レンズの直径は、パッケージ３Ａの発光部の表面形状の最大径Ｗ_Ｘより大きいこととした。これにより、第１レンズ系７をパッケージ３Ａにより近付けることができる。

［３．半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光強度分布の例］
図１に示す本実施形態に係る光源装置２と、図１０に示す光源装置１０２とを対比しながら、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光強度分布について説明する。
まず、図１０に示す光源装置１０２において蛍光体を励起するレーザ光の光強度分布を図１１に示す。図１１において、グラフの横軸は、蛍光体ホイール１０５の蛍光体１２０が配置された面に沿った距離を示している。なお、蛍光体ホイール１０５上のレーザ照射サイズをＳ、レーザ光の中心をＣとした。また、グラフの縦軸は、複数の半導体レーザ装置１１１から出射され合波されたレーザ光の光強度を示している。なお、レーザ光の中心における光強度（中心強度）を１に正規化した。図示するように、光源装置１０２の場合、中心に集中したガウス関数型に近い光強度分布となり、レーザ光の中心付近では光強度が高くなる。そのため、蛍光体が破壊されたり、波長変換効率が低下したりする。レーザ光の中心付近以外の周辺部分では光強度が低いために、波長変換される光量が少なくなっている。この光強度分布の半値幅をＨ１とする。また、この光強度分布の中心強度に対して１／ｅ^２（ｅは自然対数の底の強度）となるときの幅をＢ１とする。

次に、図１に示す光源装置２において蛍光体を励起するレーザ光の光強度分布を図５（ａ）に示す。図５（ａ）において、グラフの横軸は、蛍光体ホイール５の蛍光体２０が配置された面に沿った距離を示している。蛍光体２０が配置された面とは図１のＸＹ平面に平行な面である。また、グラフの縦軸は、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０から出射され合波されたレーザ光の光強度を示している。なお、蛍光体ホイール５上のレーザ照射サイズをＳ、レーザ光の中心における光強度（中心強度）を１に正規化した。図５（ａ）に示すように、光源装置２の場合、光強度分布が空間的に均一となり、トップハット型に近い光強度分布となる。この光強度分布の半値幅をＨ２とする。また、この光強度分布の中心強度に対して１／ｅ^２となるときの幅をＢ２とする。この場合、光強度分布が空間的に均一になるとは、具体的には、半値幅Ｈ２が幅Ｂ２の８０％以上となることを表す。

図５（ｂ）において、実線は図５（ａ）の光強度分布を表し、二点鎖線は図１１の光強度分布を表す。図５（ｂ）は、レーザ照射領域Ｓの位置を揃えて各光強度分布を重ねて示した図である。図５（ｂ）に示すように、光源装置２（実線）の場合、光強度が空間的に均一になっている。すなわち、レーザ光の中心付近の波長変換効率の低下が抑制されている。よって、光源装置２は、レーザ照射サイズＳを広げることなく、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の中心付近の強度を抑え、蛍光体の劣化を防止することができる。また、レーザ光の中心付近以外の周辺部分では光強度が高くなって、波長変換される光量が多くなっている。つまり、より多くの励起光を波長変換させることができる。

次に、図１を参照しながら、上記構成の光源装置２の動作について説明する。パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０はレーザ光を出射する。第１レンズ系７は、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を平行化することなく１枚のレンズで発散光のまま取り込む。そして、第１レンズ系７は、発散光のまま取り込んだレーザ光を合波光学部品６の入射面に集光する。このとき、各半導体レーザ素子１０の光軸上にコリメータレンズが配置されていないので、第１レンズ系７を半導体レーザ素子１０に近づけることができる。第１レンズ系７を半導体レーザ素子１０に近づけることができるので、光源装置２を小型化できる。

そして、合波光学部品６は、パッケージ３内の複数の半導体レーザ素子１０からそれぞれ出射されるレーザ光を合波するので、高い強度の光源装置を実現できる。また、パッケージ３から出射される複数の発散光は合波光学部品６で合波されると共に、図５（ａ）のように、光強度分布が空間的に均一になる。つまり、合波光学部品６から出射する光は、トップハット型に近い強度分布に変換される。さらに、均一になったレーザ光は、第２レンズ系８で集光され、蛍光体ホイール５の基板を透過して蛍光体２０へ照射される。

本実施形態の光源装置２によれば、小型で、且つ部品点数の少ない光学系で、高い光強度の光源を実現することができる。また、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の光強度分布を空間的に均一として蛍光体２０に照射するため、蛍光体２０を破壊することなく、また波長変換効率の低下を抑えながら蛍光体２０を励起することができる。そのため、蛍光体ホイール５の蛍光体２０の劣化を抑制することができる。

［４．光学エンジン］
図２を参照して、光源装置２を組み込んだ光学エンジン１について説明する。光学エンジン１は、光源装置２と、第３レンズ系５０と、第２合波系６０と、反射ミラー７０と、光変調系８０と、投射レンズ９０とを備える。なお、光学エンジン１以外に、例えばプロジェクタの筺体やカバー等の保護機構、冷却機構、電気的配線のための回路基板等を備えることでプロジェクタを構成することができる。プロジェクタに用いるときの光学エンジン１とは、プロジェクタの光源装置２から投射レンズ９０までの光学的な組み立て部品である。

第３レンズ系５０は、光源装置２が出射する光（蛍光、レーザ光）を集光するものである。第３レンズ系５０の光軸は、光源装置２の第２レンズ系８の光軸に一致している。図２では、第３レンズ系５０を２枚のレンズで構成したが、光軸に沿って配置される３枚以上のレンズであってもよいし、１枚のレンズであってもよい。

第２合波系６０は、第２合波光学部品６１と、レンズ６２，６３とを備える。
第２合波光学部品６１は、第３レンズ系５０で集光された光を合波するものであり、例えばロッドインテグレータ又はライトパイプからなる。
レンズ６２は、第２合波光学部品６１への入射側に配設され、第３レンズ系５０で集光された光を第２合波光学部品６１の入射面に集光照射する。
レンズ６３は、第２合波光学部品６１の出射側に配設され、第２合波光学部品６２で合波された光を反射ミラー７０に集光照射する。
反射ミラー７０は、第２合波系６０の光軸上において、第２合波光学部品６１で合波された光の向きを変化させて光変調器８０に出射するように所定の角度で配設されている。

光変調器８０は、第２合波光学部品６１で合波された光を変調するものである。光変調器８０は、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶素子などからなる。
投射レンズ９０は、変調された光を図示しないスクリーンに投射するためのレンズである。投射レンズ９０は、例えば、光軸に沿って配置された複数のレンズを備えている。

光学エンジン１は、次のように動作する。光源装置２を出射した蛍光及びレーザ光は、第３レンズ系５０を通して空間伝播し、第２合波系６０で合波され、反射ミラー７０で反射し、光変調器８０によって画像化され、投射レンズ９０によって図示しないスクリーンに投影される。

光源装置２が図３（ａ）に例示した蛍光体ホイール５を備える場合、青色レーザ光と、赤色の蛍光と、緑色の蛍光とが時分割で出射され、これらの光からなる照明光が第３レンズ系５０に入射する。光源装置２からの照明光は、第３レンズ系５０を介して第２合波系６０に入射する。
光変調器８０が例えばＤＭＤからなる場合、ＤＭＤに入力される画像データに応じて個々のマイクロミラーが動作する。第２合波系６０を時系列に出射したＲＧＢ光は、光変調器８０の個々のマイクロミラーに入射し、光変調器８０は、入射した光の色に対応したカラー画像の各色成分を時分割表示する。これにより、図示しないスクリーンにカラー画像を表示することができる。

一方、光源装置２の蛍光体ホイール５の領域１４（図３（ａ）参照）に、蛍光体を備えている場合、光源装置２から、赤色の蛍光と、緑色の蛍光と、青色の蛍光とが時分割で出射し、これらの光からなる照明光が第３レンズ系５０に入射する。
光学エンジン１によれば、光源装置２が、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光と同じ向きに出射される蛍光を第３レンズ系５０で集光し、この第３レンズ系５０で集光された光を第２合波系６０によって合波することができる。

（第２実施形態）
図６は第２実施形態に係る光源装置２Ｂを模式的に示す図である。光源装置２Ｂは、図２に示す光学エンジン１に光源装置２の代わりに組み込むことができる。光源装置２Ｂは、図６に示すように、複数の半導体レーザ素子１０を備えるパッケージ３と、光学系４と、蛍光体２０を有する基板２５と、ダイクロイックミラー２６と、蛍光取り込みレンズ２７とを備えている。図１に示す光源装置２と同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。

光源装置２Ｂでは、蛍光体２０を有する基板２５が、光学系４に対して固定されている。基板２５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が蛍光体２０の配置された面へ垂直に照射されるように配設されている。蛍光体２０の配置面である基板２５の上面は蛍光体２０が放出する蛍光を良好に反射する反射面となっている。基板２５は、蛍光体２０から発生する熱を放熱するために、放熱フィンなどヒートシンクと熱的に接触していることが望ましい。また、基板２５とヒートシンクが一体型であってもよい。

光学系４の第２レンズ系８は１枚のレンズで構成されている。
ダイクロイックミラー２６は、パッケージ３から出射されるレーザ光の波長帯の光を透過し且つ蛍光体２０が発する蛍光の波長帯の光を反射するものである。ダイクロイックミラー２６は、第２レンズ系８と基板２５との間に、パッケージ３から出射されるレーザ光の入射方向とは異なる向きに蛍光を放出するように配設されている。具体的には、ダイクロイックミラー２６は、合波光学部品６の光軸上において、当該光軸から所定角度で傾斜して配設され、蛍光体２０が放出する蛍光を反射して、蛍光の向きを変化させる。ダイクロイックミラー２６が例えば４５°傾斜して配設されているとき、蛍光の向きを９０°変化させる。

蛍光取り込みレンズ２７は、蛍光体２０から発した蛍光を平行光とするものである。蛍光取り込みレンズ２７は、合波光学部品６の光軸から離れた位置であって、ダイクロイックミラー２６で反射した光の光軸上に配設されている。ダイクロイックミラー２６が例えば４５°傾斜して配設されているとき、蛍光取り込みレンズ２７の光軸は合波光学部品６の光軸と直交する。

光源装置２Ｂでは、パッケージ３からのレーザ光はダイクロイックミラー２６を通過して基板２５上の蛍光体２０が配置された面へ垂直に照射される。蛍光体２０の発する蛍光は、ダイクロイックミラー２６によって、半導体レーザ素子１０が発する光の光路とは異なる光路に変化し、蛍光取り込みレンズ２７を通して、図示しない光学素子へと空間伝播する。

光源装置２Ｂは、パッケージ３から出射されるレーザ光と、基板２５上の蛍光体２０から発する蛍光とを、ダイクロイックミラー２６によって分離することができる。光源装置２Ｂは、蛍光体２０を蛍光体ホイール５ではなく、光学系４に対して固定された基板２５に備えるので、基板２５を動かす必要がなくなる。

（光源装置２Ｂの変形例）
光源装置２Ｂにおいて、蛍光体２０を有する基板２５を、図１に示す蛍光体ホイール５に置き換えてもよい。図７に示す光源装置２Ｃは、パッケージ３と、光学系４と、蛍光体ホイール５と、ダイクロイックミラー２６と、蛍光取り込みレンズ２７とを備えている。蛍光体ホイール５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が、蛍光体ホイール５の基板上の蛍光体２０が配置された面へ垂直に照射されるように配設される。この場合、蛍光体ホイール５にはヒートシンクが不要である。

この光源装置２Ｃは、透過型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよいし、反射型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよい。光源装置２Ｃが、反射型の蛍光体ホイールであって図３（ａ）に例示した形状の蛍光体ホイール５を備える場合、青色光と、青色光とは異なる向きに出射される赤色の蛍光及び緑色の蛍光とからなる照明光を出射する。

図７に示す光学エンジン１Ｃは、反射型の蛍光体ホイール５を備える光源装置２Ｃを組み込んで構成されている。光学エンジン１Ｃは、光源装置２Ｃと、この光源装置２Ｃにおいて蛍光体２０に吸収されなかったレーザ光を空間伝播させる光学系３０と、第２合波系６０と、反射ミラー７０と、光変調器８０と、投射レンズ９０とを備える。なお、図２に示す光学エンジン１と同じ構成には同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

光学系３０は、光源装置２Ｃにおいて蛍光体ホイール５を透過した青色光を空間伝播させて第２合波系６０に導くものである。光学系３０は、青色光を第２合波系６０に集光するために、所定の位置に、例えば反射ミラー３１，３２と、ダイクロイックミラー３３と、集光レンズ３４，３５，３６とを備えている。
ダイクロイックミラー３３は、パッケージ３から出射されるレーザ光の波長帯の光を透過し且つ蛍光体２０が発する蛍光の波長帯の光を反射するものである。集光レンズ３４は、蛍光体ホイール５と反射ミラー３１との間に配設されている。集光レンズ３５は、反射ミラー３１と反射ミラー３２との間に配設されている。集光レンズ３６は、反射ミラー３２とダイクロイックミラー３３との間に配設されている。

光源装置２Ｃにおいてダイクロイックミラー２６を透過し、さらに蛍光体ホイール５の領域１４を透過した青色光は、光学系３０に入射する。この青色光は、集光レンズ３４により集光されて反射ミラー３１で９０度の角度で方向を変化させ、さらに集光レンズ３５により集光されて反射ミラー３２で９０度の角度で方向を変化させる。この反射ミラー３２で反射した青色光は、集光レンズ３６により集光されてダイクロイックミラー３３を透過し、第２合波系６０に入射する。

一方、光源装置２Ｃにおいて蛍光体ホイール５の赤色蛍光体２０Ｒで発する赤色の蛍光、及び、緑色蛍光体２０Ｇで発する緑色の蛍光は、ダイクロイックミラー２６により、９０度の角度で反射し、さらに蛍光取り込みレンズ２７で平行光とされる。これらの赤色及び緑色の蛍光は、光学系３０のダイクロイックミラー３３により、９０度の角度で反射し、第２合波系６０に入射する。

光学エンジン１Ｃは、光学系３０を備えることで、光源装置２Ｃのパッケージ３から出射されたレーザ光と、蛍光体ホイール５で発した蛍光とを異なる光路で合波系６０に入射することができる。

（第３実施形態）
図８は第３実施形態に係る光源装置２Ｄを模式的に示す図である。光源装置２Ｄは、図２に示す光学エンジン１に光源装置２の代わりに組み込むことができる。光源装置２Ｄは、図８に示すように、複数の半導体レーザ素子１０を備えるパッケージ３と、光学系４と、蛍光体２０を有する基板２５と、ダイクロイックミラー２６と、を備えている。図６に示す光源装置２Ｂと同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。

光源装置２Ｄでは、蛍光体２０を有する基板２５が、光学系４に対して固定されている。基板２５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が蛍光体２０の配置された面へ垂直に照射されるように配設されている。蛍光体２０の配置面である基板２５の上面は蛍光体２０が放出する蛍光を良好に反射する反射面となっている。基板２５は、蛍光体２０から発生する熱を放熱するために、放熱フィンなどヒートシンクと熱的に接触していることが望ましい。また、基板２５とヒートシンクが一体型であってもよい。

光学系４の第２レンズ系８は２枚のレンズ８ａ，８ｂで構成されている。
レンズ８ａは、合波光学部品６の側に配設されている。レンズ８ａはパッケージ３から出射されるレーザ光を平行光にするためのレンズである。
レンズ８ｂは、基板２５側において蛍光体２０の直近に配設されている。レンズ８ｂは、パッケージ３から出射されるレーザ光を集光する機能と、基板２５から発する蛍光を取り込む機能とを有している。

本実施形態では、ダイクロイックミラー２６は、第２レンズ系８を構成するレンズ８ａとレンズ８ｂとの間に配置される。これにより、光源装置２Ｄでは、パッケージ３からのレーザ光は、レンズ８ａとダイクロイックミラー２６とを通過し、さらにレンズ８ｂを通過してから、基板２５上の蛍光体２０が配置された面へ垂直に照射される。蛍光体２０の発する蛍光は、レンズ８ｂにより平行光とされる。平行光とされた蛍光は、ダイクロイックミラー２６で反射して光路を変え、図示しない光学素子へと空間伝播する。

光源装置２Ｄは、パッケージ３から出射されるレーザ光と、基板２５上の蛍光体２０から発する蛍光とを、ダイクロイックミラー２６によって分離することができる。また、第２レンズ系８を構成する２枚のレンズ８ａ，８ｂのうち、基板２５側に配置されたレンズ８ｂは、蛍光体２０から発する発散光である蛍光を平行光とすることができる。よって、ダイクロイックミラー２６で反射した蛍光の光路上には、平行光とするためのレンズが不要となる。

（光源装置２Ｄの変形例）
光源装置２Ｄにおいて、蛍光体２０を有する基板２５を、図１に示す蛍光体ホイール５に置き換えてもよい。この変形例の場合、図示を省略するが、光源装置２Ｄは、パッケージ３と、光学系４と、蛍光体ホイール５と、ダイクロイックミラー２６と、を備え、光学系４の第２レンズ系８は２枚のレンズ８ａ，８ｂで構成されている。蛍光体ホイール５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が、蛍光体ホイール５の蛍光体２０が配置された面へ垂直に照射されるように配設される。

このような変形例に係る光源装置２Ｄは、前記した光源装置２Ｃと同様に、透過型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよいし、反射型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよい。反射型の蛍光体ホイール５を備える光源装置２Ｄを、図７に示す光学エンジン１Ｃに光源装置２Ｃの代わりに組み込むことも可能である。

（第４実施形態）
図９は第４実施形態に係る光源装置２Ｅを模式的に示す図である。光源装置２Ｅは、図２に示す光学エンジン１に光源装置２の代わりに組み込むことができる。光源装置２Ｅは、図９に示すように、複数の半導体レーザ素子１０を備えるパッケージ３と、光学系４と、蛍光体２０を有する基板２５と、蛍光取り込みレンズ２７とを備えている。図６に示す光源装置２Ｂと同じ構成には同じ符号を付して説明を適宜省略する。

光源装置２Ｅでは、蛍光体２０を有する基板２５が、光学系４に対して固定されている。基板２５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が蛍光体２０の配置された面へ非垂直に照射されるように配設されている。蛍光体２０の配置面である基板２５の上面は蛍光体２０が放出する蛍光を良好に反射する反射面となっている。図９では、蛍光体２０の配置面である基板２５の上面が、半導体レーザ素子１０が発する光の光軸に対して４５°傾くように基板２５が配設されている。基板２５は、蛍光体２０から発生する熱を放熱するために、放熱フィンなどヒートシンクと熱的に接触していることが望ましい。また、基板２５とヒートシンクが一体型であってもよい。

光学系４の第２レンズ系８は１枚のレンズで構成されている。
蛍光取り込みレンズ２７は、合波光学部品６の光軸から離れた位置であって、蛍光体２０を有する基板２５の上面で反射した光の光軸上に配設されている。蛍光取り込みレンズ２７の配置によっては、基板２５の傾き角が４５°以外であってもよい。また、蛍光取り込みレンズ２７は、合波光学部品６の光軸から離れた位置であって、蛍光体２０を有する基板２５の上面で反射した光の光軸から離れた位置で配設されていてもよい。たとえば、蛍光取り込みレンズ２７の光軸が蛍光体２０を有する基板２５に垂直であってもよい。

光源装置２Ｅでは、パッケージ３からのレーザ光は、光学系４を介して、パッケージ３から出射されるレーザ光の光軸に対して傾斜した蛍光体２０へ照射される。蛍光体２０の発する蛍光は、半導体レーザ素子１０が発する光の光路とは異なる光路に出射する。そして、蛍光体２０の発する蛍光は、蛍光取り込みレンズ２７を通して、図示しない光学素子へと空間伝播する。

光源装置２Ｅは、蛍光体２０を有する基板２５が、パッケージ３から出射されるレーザ光の光軸から傾斜して配設されているので、パッケージ３から出射されるレーザ光と、基板２５上の蛍光体２０から発する蛍光とを分離することができる。よって、レーザ光と蛍光とを分離するための特別な部品が不要となる。

（光源装置２Ｅの変形例）
光源装置２Ｅにおいて、蛍光体２０を有する基板２５を、図１に示す蛍光体ホイール５に置き換えてもよい。この変形例の場合、図示を省略するが、光源装置２Ｅは、パッケージ３と、光学系４と、蛍光体ホイール５と、蛍光取り込みレンズ２７を備えている。蛍光体ホイール５は、パッケージ３から出射されるレーザ光が、蛍光体ホイール５の蛍光体２０が配置された面へ非垂直、例えば４５°の傾斜角で照射されるように配設される。

このような変形例に係る光源装置２Ｅは、前記した光源装置２Ｃと同様に、透過型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよいし、反射型の蛍光体ホイール５を備えるものであってもよい。反射型の蛍光体ホイール５を備える光源装置２Ｅを、図７に示す光学エンジン１Ｃに光源装置２Ｃの代わりに組み込むことも可能である。

以上説明した前記各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光源装置及び光学エンジンを例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、各実施形態の部材に特定するものでは決してない。各実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

前記光源装置２，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅにおいて、基板上の蛍光体は１種類配設されていればよい。１つの基板に例えば３色（赤色、緑色、青色）の蛍光体を配設し、レーザ光で励起した場合、３色が混合した白色の蛍光を放出する。また、１種類の蛍光体を配設する基板においては、さらに光軸上に別の１種類の蛍光体を配設する基板を設けるなどして、蛍光または蛍光とレーザ光により白色を放出する光源装置とすることができる。また、３色が混合した白色を放出する光源装置を光学エンジン１に組み込み、さらに、３色分解プリズムと、各色に対応し光変調器８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂとを備えるようにしてもよい。この場合、光源装置が放出する白色を３色分解プリズムを介して３色（赤色、緑色、青色）に分解し、各光変調器８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂにそれぞれ入射させ、各光変調器８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂにより変調されたそれぞれの光をスクリーンに投影することができる。

さらに、各実施形態では、各レンズの形状と配置、レンズの数は特に限定されない。したがって、各レンズは、複数のレンズで構成してもよい。またレンズの形状は両凸レンズや平凸レンズのみならず、メニスカスレンズでもよいし、平凹レンズ、両凹レンズを用いてもよい。

本発明に係る光源装置は、プロジェクタ等の光学エンジンに利用することができる。

１，１Ｃ 光学エンジン
２，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ 光源装置
３，３Ａ，３Ｂ パッケージ
４ 光学系
５ 基板
６ 合波光学部品
７ 第１レンズ系
８ 第２レンズ系
８ａ，８ｂ レンズ
９ モータ
１０ 半導体レーザ素子
１４，１５，１６ 領域
２０，２０Ｒ，２０Ｇ 蛍光体
２５ 基板
２６ ダイクロイックミラー
２７ 蛍光取り込みレンズ
３０ 光学系
３１，３２ 反射ミラー
３３ ダイクロイックミラー
３４，３５，３６ 集光レンズ
５０ 第３レンズ系
６０ 第２合波系
６１ 第２合波光学部品
６２，６３ レンズ
７０ 反射ミラー
８０ 光変調器
９０ 投射レンズ

Claims (14)

1. 少なくとも１種類の蛍光体を有する基板と、複数の半導体レーザ素子と、前記複数の半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を前記蛍光体を有する基板へ照射するための光学系と、を備え、少なくとも蛍光を発する光源装置であって、
   前記複数の半導体レーザ素子は、パッケージ内に所定ピッチで配列され、
   前記光学系は、
   前記パッケージ内の複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射されるレーザ光を平行化することなくそのまま取り込み、合波光学部品の入射面に集光する第１レンズ系と、
   前記パッケージ内の複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射され前記第１レンズ系で集光されたレーザ光を合波すると共に合波したレーザ光の強度分布を空間的に均一にする前記合波光学部品と、
   前記合波光学部品の出射面から出射するレーザ光を前記蛍光体に集光する第２レンズ系と、を備える光源装置。
2. 前記蛍光体を有する基板は、ホイール型の基板に前記蛍光体が塗布されるか又は埋め込まれており、
   前記パッケージから出射されたレーザ光を前記基板に照射した領域に前記蛍光体が配置されているときに蛍光を放出する請求項１に記載の光源装置。
3. 前記基板は、円形であり、円周方向に、前記蛍光体が配設された少なくとも１つの蛍光体領域と、前記蛍光体が配設されておらず前記レーザ光が透過可能な透過領域とが形成されている請求項２に記載の光源装置。
4. 前記基板は、円形であり、円環状に前記蛍光体が配設された円環領域を備え、前記円環領域には、円周方向に前記蛍光体の種類の数と同数の領域が形成されている請求項２に記載の光源装置。
5. 前記基板は、前記光学系に対して固定されており、蛍光を前記レーザ光の入射方向とは異なる向きに出射する請求項１に記載の光源装置。
6. 前記合波光学部品は、ロッドインテグレータ又はライトパイプであり、入射面の形状と出射面の形状とが同一の多角形である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記合波光学部品の入射面の形状は、４角形、５角形および６角形からなる群から選択されるいずれかの形状である請求項６に記載の光源装置。
8. 前記合波光学部品の入射面の最小径は、前記半導体レーザ素子のピッチよりも大きく、且つ、前記パッケージの発光部の表面形状の最大径より小さい請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記第１レンズ系は１枚のレンズで構成され、
   当該レンズの直径は、前記パッケージの発光部の表面形状の最大径より大きい請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記蛍光体が配置された面においてレーザ光の光強度分布は、半値幅が、中心強度に対して１／ｅ2（ｅは自然対数の底）の強度となるときの幅の８０％以上となる分布である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光源装置。
11. 前記パッケージから出射されるレーザ光が前記蛍光体の配置された面へ垂直に照射され、且つ前記レーザ光の入射方向とは異なる向きに蛍光を出射するように前記蛍光体を有する基板が配設され、
    前記第２レンズ系は、１枚のレンズで構成され、
    当該レンズと前記蛍光体を有する基板との間で前記レーザ光の波長帯の光を透過し且つ前記蛍光体が発する蛍光の波長帯の光を反射するダイクロイックミラーと、
    前記ダイクロイックミラーで反射した光を平行光とする蛍光取り込みレンズと、をさらに備える請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光源装置。
12. 前記パッケージから出射されるレーザ光が前記蛍光体の配置された面へ垂直に照射され、且つ前記レーザ光の入射方向とは異なる向きに蛍光を出射するように前記蛍光体を有する基板が配設され、
    前記第２レンズ系は、２枚のレンズで構成され、
    前記第２レンズ系を構成する２枚のレンズの間に、前記レーザ光の波長帯の光を透過し、且つ前記蛍光体が発する蛍光の波長帯の光を反射するダイクロイックミラーをさらに備える請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光源装置。
13. 前記パッケージから出射されるレーザ光が前記蛍光体の配置された面へ非垂直に照射され、且つ前記レーザ光の入射方向とは異なる向きに蛍光を出射するように前記蛍光体を有する基板が配設され、
    前記第２レンズ系は、１枚のレンズで構成され、
    前記蛍光体が発する蛍光を平行光とする蛍光取り込みレンズをさらに備える請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光源装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置が出射する光のうち少なくとも蛍光を集光する第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系で集光された光を合波するロッドインテグレータ又はライトパイプからなる第２合波光学部品と、
    前記第２合波光学部品で合波された光を変調する光変調器と、
    前記変調された光を投射する投射レンズと、
    を備える光学エンジン。

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