JP6766617B2 - 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。

従来、レーザーダイオードを励起光源として、蛍光体によって波長変換する光源装置において、例えば、特許文献１のように、蛍光体を設けた基板に冷却機構を具備することで、回転機構等の複雑な装置を設けることなく装置の小型化を可能にした構成が知られている。

特開２０１２−１６９０４９号公報

しかしながら、一般的に、波長変換層の光入射面における励起光の光密度（単位面積あたりの光密度）が増加すると、波長変換効率（発光効率）が低下することが知られている。つまり、波長変換層に多くの光が入射しても、全ての光を波長変換することができない現象（光飽和現象）が生じてしまう。たとえ、波長変換層の周囲に放熱部材を設けることにより波長変換層の温度上昇を抑制したとしても、波長変換層の光入射面における励起光の光密度を減少させなければ、波長変換効率が低下する虞があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、波長変換層の光入射面における励起光の光密度を低下させることにより、波長変換効率の低下を抑制することができる光源装置を提供することを目的の一つとしている。本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとしている。

本発明の一態様における光源装置は、励起光を射出する励起光源と、前記励起光源を集光する集光光学系と、前記集光光学系から射出された励起光を透過させる透光性部材と、前記励起光の進行方向に交差する第１光入射面と、前記第１光入射面に対向する光射出面と、前記第１光入射面の端部と前記光射出面の端部とを接続する第２光入射面と、を有する波長変換層と、を備え、前記集光光学系の焦点が、前記波長変換層の内部に形成されており、前記波長変換層が前記第１光入射面及び前記第２光入射面から入射する前記励起光を波長変換して蛍光光を生成する。

この構成によれば、集光光学系の焦点が波長変換層の内部に形成されているため、集光光学系から透光性部材を透過して進行する励起光が、波長変換層の第１光入射面及び第２光入射面の両方から入射することになり、光入射面が第１光入射面のみの場合と比較して光密度を低下させることができる。これにより、上述した光飽和現象が生じることを抑制し、波長変換層における波長変換効率の低下を抑制することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記集光光学系の焦点は、前記波長変換層の前記第１光入射面を除くとともに前記光射出面を含む前記波長変換層の内部であって前記励起光の光軸上に形成される構成としてもよい。

この構成によれば、例えば、集光光学系の焦点を光射出面に形成することができる。これにより、励起光が第１光入射面及び第２光入射面上のそれぞれ異なる位置から入射することになり、励起光の波長変換層への入射箇所を分散させることができる。
よって、第１光入射面及び第２光入射面における光密度を低下させることができる。これにより、光飽和現象が生じることを抑制し、波長変換層における波長変換効率の低下を抑制することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記励起光の進行方向に交差する方向において前記透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備えている構成としてもよい。

この構成によれば、波長変換層において生じた熱を、支持部材を介して放熱させることができ、同一の励起光量における波長変換層の温度の不均一が抑制されるとともに、波長変換層の変換効率のばらつきを抑制することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記透光性部材は、前記励起光の進行方向に交差する平坦面と、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面と、を有し、前記平坦面を前記第１光入射面に対向させて配置された第１透光性部材と、前記第１透光性部材の前記平坦面側に配置され、前記励起光の光軸に沿う方向に貫通する孔を有する第２透光性部材と、を有してなり、前記波長変換層が前記孔内に配置された状態で、前記孔の内周面に前記波長変換層の前記第２光入射面が対向している構成としてもよい。

この構成によれば、第１透光性部材及び第２透光性部材を設けることにより、波長変換層の周囲に第２透光性部材を容易に配置することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記励起光の進行方向に交差する方向において、前記第２透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備え、前記支持部材に、接合部材を介して前記第１透光性部材が接合されている構成としてもよい。

この構成によれば、接合部材は、透光性を有さなくとも良いので、伝熱性の高い接合材を用いることができ、波長変換層において生じた熱を支持部材及び透光性部材のそれぞれに効率的に伝導することができ、波長変換層の変換効率のばらつきを抑制することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記透光性部材は、前記励起光の進行方向に交差する平坦面と、前記平坦面に開口する凹部と、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面と、を有し、前記波長変換層が前記凹部内に配置された状態で、前記凹部の底面に前記第１光入射面が対向し、前記凹部の内周面に前記第２光入射面が対向している構成としてもよい。

この構成によれば、透光性部材に形成された凹部内に波長変換層を配置する構成とすることで、透光性部材を１つの部材として取り扱うことができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記励起光の進行方向に交差する方向において、前記透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備え、前記透光性部材は、前記支持部材を配置するための第２の凹部を有している構成としてもよい。

この構成によれば、透光性部材に対する支持部材の配置が容易である。また、この構成によれば、第２の凹部により透光性部材と支持部材との接触面積が増加するので、透光性部材を介した波長変換層の放熱性を高め、波長変換層の温度上昇を抑制することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記透光性部材がサファイアから形成されている構成としてもよい。

この構成によれば、透光性部材として熱伝導性の高いサファイアを用いて形成することにより、透光性部材における放熱性を高めることができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記波長変換層の前記第１光入射面と前記透光性部材との間及び前記波長変換層の前記第２光入射面と前記透光性部材との間に、前記励起光を透過し、前記蛍光光を反射する誘電体多層膜が設けられている構成としてもよい。

この構成によれば、波長変換層によって変換された励起光（蛍光光）が透光性部材に向けて出射されることを抑制し、確実に蛍光光を光出射面から出射させることができ、光源装置における波長変換効率の低下を抑制することができる。

本発明のプロジェクターは、上記の光源装置と、前記光源装置から射出された光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備える。

この構成によれば、波長変換効率に優れた光源装置を備えたプロジェクターとなり、信頼性の高いプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図。 第１実施形態における光源装置の概略構成を示す図。 第１実施形態における波長変換素子を、図２の照明光軸を含む平面で切断した断面図。 第２実施形態における光源装置の構成を示す図。 第２実施形態における波長変換素子を、図４の照明光軸を含む平面で切断した断面図。 変形例１の波長変換素子の構成を示す図。 変形例２の波長変換素子の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明に用いる各図面では、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

［第１実施形態］
（プロジェクター）
本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として３つの透過型液晶ライトバルブを用いたプロジェクターの一例である。なお、光変調装置として、反射型液晶ライドバルブを用いることもできる。また、光変調装置として、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。
図１は、第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。

図１に示すように、プロジェクター１は、光源装置２Ａと、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、光合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。光源装置２Ａは、照明光ＷＬを射出する。色分離光学系３は、光源装置２Ａからの照明光ＷＬを赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに分離する。光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂはそれぞれ、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、各色の画像光を形成する。光合成光学系５は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂからの各色の画像光を合成する。投射光学系６は、光合成光学系５からの合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって投射する。

図２に示すように、光源装置２Ａは、半導体レーザーから射出された青色の励起光のうち、波長変換されずに射出される青色の励起光Ｂの一部と、波長変換素子３０による励起光Ｂの波長変換によって生じる黄色の蛍光光Ｙと、が合成された白色の照明光（白色光）ＷＬを射出する。光源装置２Ａは、略均一な照度分布を有するように調整された照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。光源装置２Ａの具体的な構成については後述する。

図１に示すように、色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａと、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、光源装置２Ａから射出された照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光と、に分離する。そのため、第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する特性を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。そのため、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する特性を有する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂおよび第３の反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中の第２のダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることによる青色光ＬＢの光損失を補償する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々は、液晶パネルから構成されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を通過させる間に、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を画像情報に応じて変調し、各色に対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側および光射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側には、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々に入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を平行化するフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，およびフィールドレンズ１０Ｂが設けられている。

光合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。光合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々からの各色の画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向かって射出する。

投射光学系６は、投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、光合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

（光源装置）
次に、第１実施形態における光源装置２Ａの構成について説明する。
図２は、第１実施形態における光源装置の概略構成を示す図である。

図２に示すように、光源装置２Ａは、励起光源１１０と、アフォーカル光学系１１と、ホモジナイザー光学系１２と、集光光学系２０と、波長変換素子３０と、ピックアップ光学系６０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備える。

励起光源１１０は、レーザー光からなる青色の励起光Ｂを射出する複数の半導体レーザー１１０Ａから構成されている。励起光Ｂの発光強度のピークは、例えば４４５ｎｍである。複数の半導体レーザー１１０Ａは、照明光軸１００ａｘと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。なお、励起光源１１０としては、４４５ｎｍ以外の波長、例えば、４５５ｎｍや４６０ｎｍの青色光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。また、励起光源１１０としては、半導体レーザーダイオードに限らずＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることもできる。

アフォーカル光学系１１は、例えば凸レンズ１１ａと、凹レンズ１１ｂと、を備えている。アフォーカル光学系１１は、励起光源１１０から射出された複数のレーザー光からなる光束の径を縮小する。なお、アフォーカル光学系１１と励起光源１１０との間にコリメーター光学系を配置し、アフォーカル光学系１１に入射する励起光を平行光束に変換するようにしてもよい。

ホモジナイザー光学系１２は、例えば第１マルチレンズアレイ１２ａと、第２マルチレンズアレイ１２ｂと、を備えている。ホモジナイザー光学系１２は、励起光の光強度分布を後述する波長変換層上で均一な状態、いわゆるトップハット分布にする。ホモジナイザー光学系１２は、第１マルチレンズアレイ１２ａおよび第２マルチレンズアレイ１２ｂの複数のレンズから射出された複数の小光束を、集光光学系２０とともに、波長変換層上で互いに重畳させる。これにより、波長変換層上に照射される励起光Ｂの光強度分布を均一な状態とする。

集光光学系２０は、例えば第１レンズ２０ａと、第２レンズ２０ｂと、を備えている。集光光学系２０は、ホモジナイザー光学系１２から波長変換素子３０までの光路中に配置され、励起光Ｂを集光させて波長変換素子３０の波長変換層に入射させる。
本実施形態において、第１レンズ２０ａおよび第２レンズ２０ｂは、それぞれ凸レンズから構成されている。

ピックアップ光学系６０は、例えば第１コリメートレンズ６２と、第２コリメートレンズ６４と、を備えている。ピックアップ光学系６０は、波長変換素子３０から射出された光を略平行化する。第１コリメートレンズ６２および第２コリメートレンズ６４は、それぞれ凸レンズから構成されている。

第１レンズアレイ１２０は、ピックアップ光学系６０から射出された光を複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ１２２を有する。複数の第１レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内においてマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１レンズ１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１レンズ１２２の像を光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内においてマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第２レンズアレイ１３０から射出された光を直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、例えば、偏光分離膜と位相差板と（ともに図示略）を備えている。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光して光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍に重畳させる。

（波長変換素子）
次に、第１実施形態における波長変換素子の構成について説明する。
図３は、第１実施形態における波長変換素子３０を、図２の照明光軸１００ａｘを含む平面で切断した断面図である。
図３に示すように、波長変換素子３０は、支持部材３１と、透光性部材３３と、波長変換層３２と、ダイクロイック膜３４Ａと、第１反射防止膜３４Ｃと、を備えて構成されている。

支持部材３１は、矩形の板材で構成され、板厚方向で互いに対向する第１の面３１ａと第２の面３１ｂとを有している。支持部材３１は、第１の面３１ａを集光光学系２０に向けて配置されているとともに、第２の面３１ｂをピックアップ光学系６０に向けて配置されている。支持部材３１には、第１の面３１ａと第２の面３１ｂとの間で厚さ方向を貫通する孔３１ｈが設けられている。第１の面３１ａの法線方向から見たとき、孔３１ｈの形状は矩形である。

支持部材３１は、ガラス、石英等の透光性を有する材料で構成されていてもよいし、金属等の透光性を有しない材料で構成されていてもよい。金属材料の場合、アルミニウム、銅筒の放熱性に優れた金属が用いられることが望ましい。

波長変換層３２は、第２透光性部材３３Ｂの貫通孔３３ｈ内に設けられて支持されている。波長変換層３２の光射出面３２ｂの法線方向から見たとき、波長変換層３２の形状は矩形である。波長変換層３２は、励起光源１１０から射出された励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する第１光入射面３２ａと、第１光入射面３２ａに対向する光射出面３２ｂと、第１光入射面３２ａと光射出面３２ｂとを接続する第２光入射面３２ｃと、を有する。第１光入射面３２ａは、後述の第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆに対向している。本実施形態では、第１光入射面３２ａとは別に第２光入射面３２ｃを光入射面として利用しており、第１光入射面３２ａのみを光入射面として用いる構成と比べて励起光Ｂを入射させる面積が大きい。光射出面３２ｂは、支持部材３１の第２の面３１ｂと同一平面上に形成されている。

なお、波長変換層３２の形状は図示した矩形状に限られず、第２光入射面３２ｃが第１光入射面３２ａとは光軸に対する向きが異なる面であって、第１光入射面３２ａよりも励起光の進行方向側へ所定の角度で傾斜していてもよい。

波長変換層３２は、励起光源１１０から射出された青色の励起光Ｂを第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃから入射させ、波長変換した黄色の蛍光光Ｙを光射出面３２ｂから射出する。波長変換層３２は、青色の励起光Ｂを黄色の蛍光光Ｙに変換して射出する蛍光体粒子（図示略）を含む。

蛍光体粒子として、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体が用いられる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよいし、２種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものが用いられてもよい。波長変換層３２には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような波長変換層３２として、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などが好適に用いられる。

ダイクロイック膜３４Ａは、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び４つの第２光入射面３２ｃに設けられている。ダイクロイック膜３４Ａは、励起光源１１０から射出された青色の励起光Ｂを透過し、波長変換層３２で生成された黄色の蛍光光Ｙを反射する特性を有する。

透光性部材３３は、半球形状をなす第１透光性部材３３Ａと、角筒形状をなす第２透光性部材３３Ｂと、を有して構成されている。

第１透光性部材３３Ａは、断面視半球形状を呈する平凸レンズで構成されており、平坦面３３ｆと、凸面３３ｄと、を有している。第１透光性部材３３Ａは、平坦面３３ｆを波長変換層３２の第１光入射面３２ａに対向した状態で設けられ、支持部材３１の第１の面３１ａ側に固定されている。第１透光性部材３３Ａの凸面３３ｄは、励起光Ｂの進行方向と反対方向に突出する曲面である。凸面３３ｄの曲率半径の中心は、波長変換層３２の光射出面３２ｂに形成されている。

第２透光性部材３３Ｂは、波長変換層３２の外形に沿った角筒形状を呈し、光軸に沿って波長変換層３２の厚さ方向を貫通する貫通孔３３ｈを有する。第２透光性部材３３Ｂの光軸（光の進行方向）に交差する方向の寸法は、適宜設定される。貫通孔３３ｈの内周面３３ｉは、波長変換層３２の外周面を構成する４つの第２光入射面３２ｃに対向している。光軸に交差する方向において、第２透光性部材３３Ｂの波長変換層３２とは反対側には支持部材３１が設けられている。第２透光性部材３３Ｂは、励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する平坦面３３ｃを有し、当該平坦面３３ｃは、支持部材３１の第２の面３１ｂと同一平面上に形成されている。

これら第１透光性部材３３Ａ及び第２透光性部材３３Ｂは、励起光Ｂの光軸上で互いの中心軸を一致させて配置されている。本実施形態の透光性部材３３、つまり、第１透光性部材３３Ａ及び第２透光性部材３３Ｂは、いずれも熱伝導性の高いサファイアからなる。

第１反射防止膜３４Ｃは、第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆ上に設けられている。第１反射防止膜３４Ｃは、励起光Ｂの反射を抑制する特性を有し、第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆに成膜することで励起光Ｂの透過効率が向上する。なお、波長変換層３２の光射出面３２ｂにも反射防止膜を設けてもよい。

第２反射防止膜３４Ｄは、第２透光性部材３３Ｂの内周面を覆って設けられている。第２反射防止膜３４Ｄは、第２透光性部材３３Ｂを透過して波長変換層３２の第２光入射面３２ｃに入射する励起光Ｂの反射を抑制する。第２反射防止膜３４Ｄを波長変換層３２の第２光入射面３２ｃに対向して成膜することで、励起光Ｂの透過効率が向上する。これによって、波長変換層３２を第２透光性部材３３Ｂの貫通孔３３ｈにはめ込んだ場合に、ダイクロイック膜３４Ａと第２反射防止膜３４Ｄとの間に空気層が介在していたとしても、第２透光性部材３３Ｂを透過する励起光Ｂに対する反射防止効果を維持できる。

接合部材３６は、第１透光性部材３３Ａ上に設けられた第１反射防止膜３４Ｃと、支持部材３１の第１の面３１ａとの間に配置され、第１透光性部材３３Ａを支持部材３１に接合している。接合部材３６としては、高い熱伝導率を有するものが好ましい。例えば、半田、熱伝導シート等が挙げられる。熱伝導率の高い材料を用いることにより、波長変換層３２において生じた熱を支持部材３１から第１透光性部材３３Ａに効率的に伝導することができ、波長変換層３２の放熱性が高められる。
第２透光性部材３３Ｂと第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆ（第１反射防止膜３４Ｃ）との間に設けられる接合部材３６は、透光性を有していなければならない。
支持部材３１（第１の面３１ａ）と第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆ（第１反射防止膜３４Ｃ）との間に設けられる接合部材３６は、透光性、不透光性を問わない。

本実施形態の波長変換素子３０においては、集光光学系２０の焦点が、波長変換層３２の第１光入射面３２ａではなく、第１光入射面３２ａよりも光の進行方向側の光射出面３２ｂを含む波長変換層３２の内部に形成される構成となっている。すなわち、集光光学系２０の焦点が、波長変換層３２の内部であって第１光入射面３２ａを除く位置であればよく、さらに励起光Ｂの光軸上にあればよい。

本実施形態では、波長変換素子３０の光射出面３２ｂの中央に、集光光学系２０の焦点Ｑが形成される構成とした。そのため、集光光学系２０から射出された励起光Ｂは、第１透光性部材３３Ａを透過して、平坦面３３ｆから波長変換層３２及び第２透光性部材３３Ｂに向けて射出される。第１透光性部材３３Ａの平坦面３３ｆから射出された励起光Ｂのうち、中心光束（励起光Ｂ３１）が第１光入射面３２ａから波長変換層３２内に入射し、第１光入射面３２ａに入射しない周辺光束（励起光Ｂ３２および励起光Ｂ３３）は、第２透光性部材３３Ｂを透過して第２光入射面３２ｃから波長変換層３２内に入射する。

このように、本実施形態の構成によれば、集光光学系２０の焦点Ｑを波長変換層３２の光射出面３２ｂに合わせ、光射出面３２ｂにトップハット形状をなす光強度分布を形成することにより、従来、波長変換層３２の第１光入射面３２ａに集中していた励起光Ｂの光密度を、第２光入射面３２ｃに分散させることができる。

つまり、本実施形態では、第１透光性部材３３Ａの他に、波長変換層３２の光軸周りに第２透光性部材３３Ｂを設けたことにより、波長変換層３２の側面を第２光入射面３２ｃとすることができるため、励起光Ｂを第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃからそれぞれ入射させることができる。集光光学系２０の焦点Ｑが光射出面３２ｂに形成されていることから、励起光Ｂの各光線（Ｂ３１〜Ｂ３３）が、第１光入射面３２ａ、第２光入射面３２ｃ上のそれぞれから入射することになる。

このように、集光光学系２０の焦点が励起光Ｂの光軸上における波長変換層３２の内部に形成されている。すなわち、集光光学系２０の焦点が第１光入射面３２ａを除くとともに光射出面３２ｂを含む波長変換層３２の内部に形成されることにより、波長変換層３２の第１光入射面３２ａにおける励起光Ｂの光密度が低下する。そのため、光飽和現象が生じることを抑制し、波長変換層３２に入射した励起光Ｂの略全てを効率良く変換させることが可能となる。よって、波長変換層３２に入射する励起光Ｂの光量を減少させることなく、波長変換素子３０の波長変換効率の低下やばらつきを抑制し、波長変換素子３０（波長変換層３２）の波長変換効率を改善することができる。

なお、第１光入射面３２ａのみを光入射面として用いる構成の場合、第１光入射面３２ａの面積を大きくすれば、光飽和現象を抑制することができるが、第１光入射面３２ａの面積を大きくすると、それに比例して透光性部材３３（特に、第１透光性部材３３Ａ）の大きさが大きくなり、波長変換素子３０が大型化してしまう。よって、波長変換層３２の側面（第２光入射面３２ｃ）を光入射面とすることが効果的である。

また、第２透光性部材３３Ｂは、熱伝導率の高いサファイアから形成されている。そのため、波長変換層３２において生じた熱を、第１透光性部材３３Ａから放熱できるだけでなく、第２透光性部材３３Ｂの波長変換層３２とは反対側に設けられた支持部材３１へ第２透光性部材３３Ｂを介して熱伝導させて、支持部材３１において放熱させることができる。このように、波長変換層３２において生じた熱を、第１透光性部材３３Ａおよび第２透光性部材３３Ｂを介して支持部材３１において効率よく放熱させることができるため、同一の励起光量における波長変換層３２の温度の不均一が抑制され、波長変換素子３０の変換効率の低下やばらつきをさらに抑制することができる。

なお、本実施形態では、集光光学系２０の焦点Ｑを波長変換層３２の光射出面３２ｂに形成し、光射出面３２ｂにトップハット分布を形成しているが、この構成に限らない。
例えば、波長変換層３２の第１光入射面３２ａを除けば、集光光学系２０の光軸上の波長変換層３２の内部のどの位置に形成されていてもよい。
なお、波長変換層３２の光射出面３２ｂが、平坦面３３ｃまたは第２の面３１ｂと一致していない構成であってもよい。具体的には、光射出面３２ｂが、平坦面３３ｃまたは第２の面３１ｂよりも励起光Ｂの進行方向と反対方向側に設けられていてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の光源装置について説明する。
以下に示す本実施形態の光源装置２Ｂは、青色分離型の光源装置２Ｂを備えた点において上記第１実施形態の構成と異なる。よって、以下の説明では、光源装置２Ｂの構成について詳しく説明し、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図１〜図３と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

図４は、第２実施形態における光源装置２Ｂの構成を示す図である。
光源装置２Ｂは、図４に示すように、励起光源１１０と、コリメート光学系４２と、位相差板４３と、偏光分離素子４４と、第１ホモジナイザー光学系４５と、第１の集光光学系４６と、波長変換素子７０と、第１ピックアップレンズ４８と、ダイクロイックミラー４９と、全反射ミラー５０と、第２位相差板５１と、第２ホモジナイザー光学系５２と、第２の集光光学系５３と、反射型回転拡散素子５４と、第２ピックアップレンズ５５と、を概略備えている。

光源装置２Ｂのうち、励起光源１１０、コリメート光学系４２、位相差板４３、偏光分離素子４４、第１ホモジナイザー光学系４５、第１の集光光学系４６、波長変換素子７０、第１ピックアップレンズ４８及びダイクロイックミラー４９は、照明光軸１００ａｘ上に順次並んで配置されている。

位相差板４３は、回転機構を有した１／２波長板で構成されている。位相差板４３は、コリメート光学系４２で集光した励起光Ｂのうち、Ｐ偏光およびＳ偏光を任意の割合に変換する。なお、位相差板４３は、１／４波長板でもよく、回転や移動によって偏光状態（Ｐ偏光およびＳ偏光の割合）を変化させることができれば特に限定されるものではない。

偏光分離素子４４は、いわゆるプレート型の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）であり、照明光軸１００ａｘに対して４５°の角度をなす傾斜面を有している。偏光分離素子４４は、入射光のうちのＰ偏光成分を通過させ、Ｓ偏光成分を反射させる。Ｐ偏光成分は、偏光分離素子４４を透過して第１ホモジナイザー光学系４５へ向かって進む。Ｓ偏光成分は、偏光分離素子４４で反射して、全反射ミラー５０に向かって進む。

第１ホモジナイザー光学系４５は、例えば、例えば第１マルチレンズアレイ４５ａと、第２マルチレンズアレイ４５ｂと、を備えている。第１ホモジナイザー光学系４５は、励起光Ｂの光強度分布を後述の波長変換層上で均一な状態、いわゆるトップハット分布にする。第１ホモジナイザー光学系４５は、第１マルチレンズアレイ４５ａおよび第２マルチレンズアレイ４５ｂの複数のレンズから射出された複数の小光束を、第１の集光光学系４６とともに、後述の波長変換層上で互いに重畳させる。これにより、後述の波長変換層上に照射される励起光Ｂの光強度分布を均一な状態とする。

第１の集光光学系４６は、第１ホモジナイザー光学系４５から波長変換素子７０までの光路中に配置され、励起光Ｂを集光させて波長変換素子７０の波長変換層に入射させる。本実施形態において、第１の集光光学系４６は凸レンズから構成されている。

第１ピックアップレンズ４８は、例えば、凸レンズからなり、波長変換素子７０から射出された黄色光Ｙを略平行化する。

ダイクロイックミラー４９は、波長変換素子７０から射出された黄色光Ｙを通過させるとともに、黄色光Ｙに対して直交する方向から入射してくる青色光Ｂを、黄色光Ｙと同じ進行方向へ反射させるミラーである。

全反射ミラー５０は、青色光Ｂの光路中に配置されて、偏光分離素子４４において分離された青色光を第２位相差板５１に向けて全反射する。

第２位相差板５１は、１／４波長板（λ／４板）である。第２位相差板５１は、偏光分離素子４４から射出されたＳ偏光の青色光Ｂを円偏光に変換する。

第２ホモジナイザー光学系５２は、例えば、例えば第１マルチレンズアレイ５２ａと、第２マルチレンズアレイ５２ｂと、を備えている。第２ホモジナイザー光学系５２は、第１マルチレンズアレイ５２ａおよび第２マルチレンズアレイ５２ｂの複数のレンズから射出された複数の小光束を、第２の集光光学系５３とともに、反射型回転拡散素子５４上で互いに重畳させる。これにより、反射型回転拡散素子５４上に照射される青色光Ｂの光強度分布を均一な状態とする。

第２の集光光学系５３は、第２ホモジナイザー光学系５２から反射型回転拡散素子５４までの光路中に配置され、円偏光に変換された青色光Ｂを集光させて、反射型回転拡散素子５４に入射させる。本実施形態において、第２の集光光学系５３は凸レンズから構成されている。

反射型回転拡散素子５４は、第２の集光光学系５３から射出された光線を、第２ピックアップレンズ５５に向けて拡散反射させるものである。その中でも、反射型回転拡散素子５４としては、反射型回転拡散素子５４に入射した光線をランバート反射またはランバート反射に近い特性で拡散反射させるものを用いることが好ましい。

第２ピックアップレンズ５５は、例えば、凸レンズからなり、反射型回転拡散素子５４から射出された青色光Ｂを略平行化する。平行化された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー４９へと進み、ダイクロイックミラー４９において、青色光Ｂに対して直交する方向へ進行する黄色光Ｙと同じ方向へ反射される。

このように、反射型回転拡散素子５４から射出された光線（青色光Ｂ）は、ダイクロイックミラー４９を透過した黄色の蛍光光Ｙと合成されて、白色の照明光ＷＬが得られる。白色の照明光ＷＬは、図１に示した色分離光学系３に入射する。

（波長変換素子）
次に、第２実施形態における波長変換素子の構成について説明する。
図５は、第２実施形態における波長変換素子７０の構成を示す断面図である。
図５に示すように、波長変換素子７０は、支持部材３１と、透光性部材７３と、波長変換層３２と、ダイクロイック膜３４Ａと、第１反射防止膜３４Ｃと、第２反射防止膜３４Ｄ、接合部材７６とを備えて構成されている。

透光性部材７３は、励起光を透過させる第１透光部７３Ａ及び第２透光部７３Ｂを有している。
第２透光部７３Ｂは、角筒形状をなし、励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する平坦面７３ａと、平坦面７３ａに矩形状に開口する第１の凹部７３ｈ１と、周縁に亘って矩形状に形成された第２の凹部７３ｈ２と、を有する。平坦面７３ａは、支持部材３１の第２の面３１ｂと同一平面上に形成されている。さらに、光射出面３２ｂは、支持部材３１の第２の面３１ｂと同一平面上に形成されている。なお、波長変換層３２の光射出面３２ｂが、平坦面７３ａまたは第２の面３１ｂと一致していない構成であってもよい。具体的には、光射出面３２ｂが、平坦面７３ａまたは第２の面３１ｂよりも励起光Ｂの進行方向と反対方向側に設けられていてもよい。
第１透光部７３Ａは、第２の凹部７３ｈ２の一部を構成するとともに励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する平坦面７３ｆと、励起光Ｂの進行方向と反対方向に突出する曲面７３ｄと、を有する。
透光性部材７３は、第１透光部７３Ａ及び第２透光部７３Ｂが一体的な構造を有している。

波長変換層３２は、透光性部材７３の第２透光部７３Ｂ側に形成された第１の凹部７３ｈ１内に配置されている。波長変換層３２は、第１光入射面３２ａが後述のダイクロイック膜３４Ａおよび第２反射防止膜３４Ｄを介して第１凹部７３ｈの底面７３ｂに対向し、第２光入射面３２ｃが後述のダイクロイック膜３４Ａおよび第２反射防止膜３４Ｄを介して第１の凹部７３ｈ１の内周面７３ｃに対向している。波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃ上には、ダイクロイック膜３４Ａが設けられ、さらに、ダイクロイック膜３４Ａ上に第２反射防止膜３４Ｄが設けられている。

ダイクロイック膜３４Ａは、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃに設けられている。ダイクロイック膜３４Ａは、励起光源１１０から射出された青色の励起光Ｂを透過し、波長変換層３２で生成された黄色の蛍光光Ｙを反射する特性を有する。

第２反射防止膜３４Ｄは、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃ上に設けられたダイクロイック膜３４Ａの外表面を覆って設けられている。第２反射防止膜３４Ｄは、第１透光部７３Ａを透過して波長変換層３２の第１光入射面３２ａに入射する励起光Ｂ７１の反射を抑制するとともに、第２透光部７３Ｂを透過して波長変換層３２の第２光入射面３２ｃに入射する励起光Ｂ７２または励起光Ｂ７３の反射を抑制する。第２反射防止膜３４Ｄを波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃに成膜することで、励起光Ｂの透過効率が向上する。なお、第２反射防止膜３４Ｄは、第１の凹部７３ｈ１の内周面に形成されてもよい。

支持部材３１は、接合部材７６を介して透光性部材７３に接合されている。接合部材７６は、第１透光部７３Ａの平坦面７３ｆ上に設けられた第１反射防止膜３４Ｃと、支持部材３１の第１の面３１ａとの間に配置され、これらを良好に接合している。支持部材３１は、励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する方向において第２透光部７３Ｂの波長変換層３２とは反対側に位置する。

本実施形態の波長変換素子７０においても、第１の集光光学系４６の焦点Ｑが、励起光Ｂの光軸上における波長変換層３２の光射出面３２ｂに形成されている。また、本実施形態では、波長変換層３２の第２光入射面３２ｃに対向する第２透光部７３Ｂを有しており、この第２透光部７３Ｂが半球形状の第１透光部７３Ａと一体的に形成されている。
このため、第１の集光光学系４６から射出された励起光Ｂのうち、中心光束（励起光Ｂ７１）は第１透光性部材３３Ａを透過して第１光入射面３２ａから波長変換層３２内へ入射し、第１光入射面３２ａに入射しない周辺光束（励起光Ｂ７２または励起光Ｂ７３）は、第２透光部７３Ｂを透過して第２光入射面３２ｃから波長変換層３２内に入射する。

このように、上述した第１本実施形態のときと同様に、第１の集光光学系４６の焦点Ｑを波長変換層３２の光射出面３２ｂに合わせて、光射出面３２ｂにトップハット形状をなす光強度分布を形成することにより、第１光入射面３２ａのみに入射していた励起光Ｂの光密度を、第２光入射面３２ｃに分散させることができる。これにより、波長変換層３２の第１光入射面３２ａにおける励起光Ｂの光密度が低下し、これにより、光飽和現象が生じることを抑制し、波長変換層３２における波長変換効率を改善することが可能である。

本実施形態の構成によれば、第１透光部７３Ａ及び第２透光部７３Ｂが一体的な構造の透光性部材７３を備えているため、部材どうしを互いに位置合わせをして透光性部材を組み立てる作業が不要になる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

次に、波長変換素子の変形例の構成について説明する。
［変形例１］
図６は、変形例１の波長変換素子の構成を示す図である。図６は、励起光Ｂの進行方向に沿う平面で切断した断面図である。
図６に示す波長変換素子８０は、断面視半球形状を呈する凸レンズからなる透光性部材８３と、透光性部材８３の凹部８３ｈ内に配置され、第１光入射面３２ａ及び第１光入射面３２ａに対向する光射出面３２ｂを有する波長変換層３２と、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃ上に設けられたダイクロイック膜３４Ａと、を有している。透光性部材８３は、励起光Ｂの光軸または励起光Ｂの進行方向に交差する平坦面８３ｆと、励起光Ｂの進行方向とは逆方向に突出する凸面８３ｄと、平坦面８３ｆに開口する上記凹部８３ｈとを有しており、この凹部８３ｈ内に波長変換層３２及びダイクロイック膜３４Ａが設けられている。このダイクロイック膜３４Ａを介して、波長変換層３２の第１光入射面３２ａが透光性部材８３の凹部８３ｈの底面８３ｂに対向し、第２光入射面３２ｃが凹部８３ｈの内周面８３ｃに対向している。なお、ダイクロイック膜３４Ａの表面または凹部８３ｈの内周面８３ｃには、第２反射防止膜３４Ｄが形成されている。また、ダイクロイック膜３４Ａの表面または凹部８３ｈの底面８３ｂには、第２反射防止膜３４Ｄが形成されている。

本実施形態の構成によれば、波長変換層３２が透光性部材８３の凹部８３ｈ内に埋め込まれているため、第１実施形態において用いていた第２透光性部材３３Ｂ（図３）が不要になる。また、透光性部材８３の凸面８３ｄから入射した励起光Ｂは、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃのいずれかから波長変換層３２内へ入射することになるため、第１光入射面３２ａにおける励起光Ｂの光密度を低下させることができる。さらに、波長変換層３２で生じた熱を、サファイアからなる熱伝導性の高い透光性部材８３において効果的に放熱させることができ、波長変換層３２における変換効率の低下を抑制することができる。
なお、透光性部材８３を支持部材に固定する場合には、支持部材が光射出面３２ｂに対向しないように、平坦面８３ｆと支持部材とを固定してもよい。また、第２光入射面３２ｃの周縁に亘って凹部を形成し、当該凹部に当接させるように支持部材を設けることにより、透光性部材８３を支持部材に固定してもよい。

［変形例２］
図７は、変形例２の波長変換素子の構成を示す図である。図７は、励起光Ｂの進行方向に沿う平面で切断した断面図である。
図７に示す波長変換素子８５のように、波長変換層３２の光射出面３２ｂが透光性部材８３の平坦面８３ｆと一致していない構成であってもよい。ダイクロイック膜３４Ａは、励起光Ｂを透過し、波長変換層３２で生成された黄色の蛍光光Ｙを反射する特性を有していることから、光射出面３２ｂから射出された光のうち凹部８３ｈの内周面８３ｃへ向かう光は、内周面８３ｃ上のダイクロイック膜３４Ａにおいて反射されて、透光性部材８３の外側へと射出される。なお、ダイクロイック膜３４Ａの表面または凹部８３ｈの内周面８３ｃには、第２反射防止膜３４Ｄが形成されている。また、ダイクロイック膜３４Ａの表面または凹部８３ｈの底面８３ｂには、第２反射防止膜３４Ｄが形成されている。

このような構成においても、波長変換層３２の第１光入射面３２ａ及び第２光入射面３２ｃに励起光Ｂが入射するため、第１光入射面３２ａにおける光密度を低下させることができる。

なお、変形例１と同様に、透光性部材８３を支持部材に固定する場合には、支持部材が光射出面３２ｂに対向しないように、平坦面８３ｆと支持部材とを固定してもよい。また、第２光入射面３２ｃの周縁に亘って凹部を形成し、当該凹部に当接させるように支持部材を設けることにより、透光性部材８３を支持部材に固定してもよい。

１…プロジェクター、２Ａ，２Ｂ…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、２０…集光光学系、３０，７０，８０，８５…波長変換素子、３１…支持部材、３１ｈ…孔、３２…波長変換層、３２ａ…第１光入射面、３２ｂ…光射出面、３２ｃ…第２光入射面、３３，７３，８３…透光性部材、３３Ａ…第１透光性部材、３３Ｂ…第２透光性部材、３３ｆ，７３ａ，７３ｆ，８３ｆ…平坦面、３３ｉ，７３ｃ，８３ｃ…内周面、３６，７６…接合部材、７３ｂ，８３ｂ…底面、７３ｄ…曲面、８３ｈ…凹部、１１０…励起光源、７３ｈ１…第１の凹部、７３ｈ２…第２の凹部、１００ａｘ…照明光軸、Ｂ…励起光、Ｑ…焦点

Claims (10)

1. 励起光を射出する励起光源と、
   前記励起光源を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系から射出された励起光を透過させる透光性部材と、
   前記励起光の進行方向に交差する第１光入射面と、前記第１光入射面に対向する光射出面と、前記第１光入射面の端部と前記光射出面の端部とを接続する第２光入射面と、を有する波長変換層と、を備え、
   前記集光光学系の焦点が、前記波長変換層の内部に形成されており、前記波長変換層が前記第１光入射面及び前記第２光入射面から入射する前記励起光を波長変換して蛍光光を生成する、
   光源装置。
2. 前記集光光学系の焦点は、前記波長変換層の前記第１光入射面を除くとともに前記光射出面を含む前記波長変換層の内部であって前記励起光の光軸上に形成される、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記励起光の進行方向に交差する方向において、前記透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備えている、
   請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記透光性部材は、
   前記励起光の進行方向に交差する平坦面と、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面と、を有し、前記平坦面を前記第１光入射面に対向させて配置された第１透光性部材と、
   前記第１透光性部材の前記平坦面側に配置され、前記励起光の光軸に沿う方向に貫通する孔を有する第２透光性部材と、を有してなり、
   前記波長変換層が前記孔内に配置された状態で、
   前記孔の内周面に前記波長変換層の前記第２光入射面が対向している、
   請求項１または２に記載の光源装置。
5. 前記励起光の進行方向に交差する方向において、前記第２透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備え、
   前記支持部材に、接合部材を介して前記第１透光性部材が接合されている、
   請求項４に記載の光源装置。
6. 前記透光性部材は、前記励起光の進行方向に交差する平坦面と、前記平坦面に開口する凹部と、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面と、を有し、
   前記波長変換層が前記凹部内に配置された状態で、
   前記凹部の底面に前記第１光入射面が対向し、前記凹部の内周面に前記第２光入射面が対向している、
   請求項１または２に記載の光源装置。
7. 前記励起光の進行方向に交差する方向において、前記透光性部材の前記波長変換層とは反対側に、前記波長変換層及び前記透光性部材を支持する支持部材をさらに備え、
   前記透光性部材は、前記支持部材を配置するための第２の凹部を有している、
   請求項６に記載の光源装置。
8. 前記透光性部材がサファイアから形成されている、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記波長変換層の前記第１光入射面と前記透光性部材との間及び前記波長変換層の前記第２光入射面と前記透光性部材との間に、前記励起光を透過し、前記蛍光光を反射する誘電体多層膜が設けられている、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 請求項１から９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画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、
    前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
    プロジェクター。

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