JP7071101B2 - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置（以下、プロジェクタという）等に用いられる光源装置に関する。

レーザーダイオード（ＬＤ）を光源とし、該ＬＤからの光を蛍光体等の光特性変換素子に照射して、該変換素子からの出射光を照明光として液晶表示素子やデジタルマイクロミラーデバイス等の光変調素子に導くことで画像を投射するプロジェクタがある。特許文献１には、ＬＤからの光により蛍光体を励起することで発生する蛍光を照明光として用いるプロジェクタが開示されている。

特開２０１４－２０９１８４号公報

上記のようなプロジェクタにおいて、ＬＤの数や出力を増加させることで投射画像の明るさを増加させることができる。しかしながら、光特性変換素子には、入射光の光密度が高くなると、変換効率が低下したり素子自体が劣化したりするおそれがある。例えば、蛍光体は、入射光の光密度の増加によって輝度飽和と呼ばれる現象が生じて蛍光変換効率が低下する。さらに、蛍光体の温度上昇により蛍光体が劣化する。

本発明は、光特性変換素子の変換効率の低下や素子自体の劣化を抑えて、明るい光を生成可能な光源装置およびこれを用いたプロジェクタを提供する。また、本発明は、光の利用効率が高い光源装置およびこれを用いたプロジェクタを提供する。

本発明の一側面としての第１の光源装置は、それぞれが発光領域を有する複数の光源と、波長変換素子または角度変換素子を含み、複数の光源のそれぞれからの入射光を該入射光とは異なる波長の出射光に変換する、または入射光を拡散させた出射光に変換する光特性変換素子と、複数の光源のそれぞれに対して設けられ、各光源から放射される発散光をコリメートするようにそれぞれ構成された複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズのそれぞれからの光の形状を発光領域の形状とは異なる形状に変換し、該形状が変換された複数の光のそれぞれを光特性変換素子における複数の光源のそれぞれに対応する複数の照射領域に入射光として照射する第１の光学系とを有する。第１の光学系は、複数のコリメータレンズからの光のそれぞれを複数の光束に分割するフライアイレンズと、複数の光束を互いに重ね合わせ、該重ね合わされた光束を照射領域に入射光として照射する集光レンズとを有する。集光レンズが、複数の光源のそれぞれに対応するように複数設けられていることを特徴とする。

本発明の他の一側面としての第２の光源装置は、それぞれが発光領域を有する複数の光源と、波長変換素子または角度変換素子を含み、複数の光源のそれぞれからの入射光を該入射光とは異なる波長の出射光に変換する、または入射光を拡散させた出射光に変換する光特性変換素子と、複数の光源のそれぞれに対して設けられ、各光源から放射される発散光をコリメートするようにそれぞれ構成された複数のコリメータレンズと、複数のコリメータレンズのそれぞれからの光の形状を発光領域の形状とは異なる形状に変換し、該形状が変換された複数の光のそれぞれを光特性変換素子における複数の光源のそれぞれに対応する複数の照射領域に入射光として照射する第１の光学系とを有する。第１の光学系は、複数のコリメータレンズからの光を微細構造面で回折させることで該光の形状を発光領域の形状とは異なる形状に変換するホログラム素子を有する。ホログラム素子が、複数の光源のそれぞれに対応するように複数設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、光特性変換素子の変換効率の低下や素子自体の劣化を抑えて安定的に明るい光を生成することができる。そして、画像投射装置において明るく良好な画像を投射することができる。

本発明の実施例１である光源装置の構成を示す図。 レーザーダイオードを示す図。 光源装置の集光光学系として回転対称凸レンズを用いた構成を示す図。 光源の発光領域と回転対称凸レンズにより形成される光源像（光スポット）を示す図。 実施例１の光源装置における集光光学系の具体例を示す図。 光源の発光領域と図５の集光光学系により形成される光源像（光スポット）を示す図。 実施例１の変形例を示す図。 実施例１の他の変形例を示す図。 実施例１のさらに別の変形例を示す図。 本発明の実施例２である光源装置の構成を示す図。 本発明の実施例３である光源装置の構成を示す図。 本発明の実施例４であるプロジェクタの構成を示す図。 本発明の実施例５であるプロジェクタの構成を示す図。 本発明の実施例６であるプロジェクタの構成を示す図。 実施例６における光源像と光変調素子との関係を示す図。 本発明の実施例７である光源装置の構成を示す図。 本発明の実施例８である光源装置の構成を示す図。 実施例８における光源像と光変調素子との関係を示す図。 本発明の実施例９である光源装置の構成を示す図。 ホログラム素子１３００の構成を示す図。 微細構造面１３０２の概略を示す図。 実施例９における強度分布を示す図。 実施例９の変形例１の構成を示す図。 実施例９の変形例２の構成を示す図。 実施例９の変形例３の構成を示す図。 実施例９の変形例４の構成を示す図。 実施例９の変形例５の構成を示す図。 本発明の実施例１０である光源装置の構成を示す図。 ガラス部材１３０の構成及び機能を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１である光源装置１００の構成を示す。図において、左から右に向かう方向をＺ方向とし、該Ｚ方向に直交し、かつ互いに直交する２方向をＸ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）とする。図１（ａ）は光源装置１００のＸＺ断面を、図１（ｂ）は光源装置１００のＹＺ断面を示す。

光源装置１００は、複数の光源１１０と、複数のコリメータレンズ１２０と、複数の集光光学系（第１の光学系）１３０と、複数の光特性変換素子１４０と、複数の取込み光学系（第２の光学系）１５０とを有する。ＸＺ断面とＹＺ断面は、コリメータレンズ１２０、集光光学系１３０および取込み光学系１５０の光軸に対して平行であって互いに直交する２つの断面である。

光源１１０は固体光源であり、本実施例ではレーザーダイオード（ＬＤ）である。図２（ａ）～（ｃ）には、光源１１０として用いられる一般的なＬＤの構成を示している。図２（ａ）は、図１（ａ）と同じくＸＺ断面でのＬＤの内部構造を示している。ＬＤは、そのパッケージの内部にダブルヘテロ構造を有する光学半導体を備えている。光学半導体は、クラッド層１１１が活性層１１２を挟む構造を有し、電界が加えられることにより原子が活性化されて誘導放射を行う。そして、活性層内で共振状態になったレーザー光は、ハーフミラーとなっている側のへき開面１１３から放射される。このへき開面１１３の形状がＬＤの発光領域の形状となる。

図２（ｂ）はＬＤのＹＺ断面の内部構造を示している。図２（ｃ）はＬＤをＺ方向から見たときのＸＹ断面を示す。図２（ｃ）から分かるように、ＬＤの発光領域は、Ｙ方向に細長く伸びた形状を有する。

光源（ＬＤ）１１０から出射する光束（レーザー光）は発散光束であり、該光源１１０の直後に配置されたコリメータレンズ１２０によってコリメート（平行光束化）される。コリメータレンズ１２０は、１つの光源１１０に対して１つ設けられている。つまり、光源１１０の数とコリメータレンズ１２０の数は互いに等しい。

コリメータレンズ１２０を出射した光束は、Ｚ方向に進行し、集光光学系１３０によって光特性変換素子１４０に向けて集光されつつ光特性変換素子１４０上に照射されて光スポット（照射領域）を形成する。

図３（ａ），（ｂ）および図４を用いて、光源１１０の発光領域と集光光学系１３０′により光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの形状との関係について説明する。図３（ａ），（ｂ）は、集光光学系１３０′として回転対称な両凸レンズ（凸レンズであればよい）を用いた場合の光源装置１００′を示している。光源１１０の発光領域と光特性変換素子１４０とは共役な位置関係になっているため、光特性変換素子１４０の上には両凸レンズの集光作用によって発光領域の像（光源像）が形成される。

なお、図３（ｂ）では光源１１０と光特性変換素子１４０とが共役ではないように見えるが、この図は発光領域とその像の形状を模式的に表す図であり、必ずしも図３（ｂ）に描かれている光線の光路は正確ではない。

このとき、図４に示すように、光特性変換素子１４０上には、光源１１０の発光領域の共役像（光源像）が結像されて光スポットを形成する。光スポットは、光源１１０の発光領域と同様に、Ｙ方向に細長く伸びた形状を有する。つまり、光源１１０の発光領域と光特性変換素子１４０上の光スポットとが相似形状（もちろん拡大されていても縮小されていてもよい）を有する。

本実施例における光特性変換素子１４０は、波長を変換する蛍光体等の波長変換素子や、光線角度を変換する拡散材等の角度変換素子である。波長変換素子の代表例である蛍光体は、特定波長の励起光が入射すると、その入射光とは波長が異なる出射光を生成する、つまりは波長変換を行う素子である。この蛍光体には、その波長変換効率を低下させる原因として輝度飽和という現象がある。輝度飽和は、入射光が所定の変換効率を超えて入射したときに、波長変換がなされず、熱に変換されたり波長が変換されないままの光が出射したりする現象である。つまり、蛍光体に対する入射光の強度を強めても出射する蛍光光がそれに比例して強まらない。また、蛍光体を構成する粉体は無機材料であるが、その粉体を固定するために用いられるバインダは有機材料であり、熱や光によってバインダが劣化すると入射光の強度が高くなるにつれて耐久性の問題が避けられない。拡散材では輝度飽和は生じないが、バインダの耐久性の問題は生ずる。バインダを用いず蛍光体粉体のみで形成されるデバイスを用いた場合は耐久性の問題はクリアされるが、輝度飽和の問題は同じである。

図３（ａ），（ｂ）に示した回転対称凸レンズを集光光学系１３０′として用いた場合は、図４に示した通り、光源１１０の発光領域の共役像がそのまま光特性変換素子１４０上に光スポットとして形成される。Ｙ方向に細長い形状を有する光スポットの光密度は高い。さらに、ＬＤは個体差による発光強度のばらつきがそもそも大きいので、これに蛍光体の輝度飽和現象が加わることで、光源装置１００′としての明るさのばらつきが非常に大きくなる。

本実施例では、このような課題を解決するために、光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの光密度を下げる。このため、以下に説明する構成を用いる。

図５（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）に示した本実施例の光源装置１００における集光光学系１３０の具体的な構成例を示している。コリメータレンズ１２０によってコリメートされた光束が入射する集光光学系１３０は、フライアイレンズ１３１と、コンデンサレンズ１３２とにより構成されている。フライアイレンズ１３１は、その入射側と出射側のそれぞれに小さい矩形形状のレンズセルを複数含むフライアイレンズ面（第１のフライアイ面）１３１Ａとフライアイレンズ面（第２のフライアイ面）１３１Ｂを有し、入射光束を複数の光束に分割する。コンデンサレンズ１３２は、フライアイレンズ１３１により分割された複数の光束を光特性変換素子１４０上にて結像させるとともに互いに重ね合わせる。

このような集光光学系１３０を用いることで、図６に示すように、均一な照度分布で光密度が低い光スポットを光特性変換素子１４０上に形成することができる。光スポットの形状（第２の形状）は、光源１１０の発光領域の形状（第１の形状）に対して非相似形状である。さらに言えば、光スポットの形状は、光源１１０の発光領域の形状を互いに直交する２方向（ＸおよびＹ方向）のうち少なくとも一方（ここではＸ方向）に拡大した縦横比が１に近い形状である。この結果、図４に示した光スポットが光特性変換素子１４０上に形成される場合に比べて、光特性変換素子１４０のより良好な変換特性（つまりは光利用効率）と耐久性を確保することができ、より明るく効率が良い光源装置を実現することができる。

光特性変換素子１４０に入射した光は、その特性が変換されて光特性変換素子１４０から発散光として出射する。この発散光（出射光）は、取込み光学系１５０によってコリメートされて光源装置１００から出射する。複数の取込み光学系１５０は、それらの間に空間を介在させることなく互いに隣接して（さらに言えばそれぞれのレンズ面が互いに隣接するように）配置されている。本実施例では、複数の集光光学系１３０を一体の光学部材として形成している。

このような構成を採ることによって、複数の集光光学系１３０それぞれの間に隙間が介在しなくなり、蛍光体（光特性変換素子）から出射した発散光束が互いに入射角度が大きく異なる状態で界面に入射しなくなるため、むらの少ない光束となる。特に、正面から見て欠けたところのないムラの少ない光束となるため、後段の照明光学系を介して照明される被照明面上の照度むらを低減することができるという効果も得られる。

別の側面から考えると、蛍光体（光特性変換素子）の直後に配置する光学系（コリメータ）は、蛍光体との距離が、光学系の焦点距離とほぼ一致するように配置されることが望ましい。ここでのほぼ一致とは、両者の距離が、この光学系（コリメータ）の焦点距離の６６０％～１５０％の範囲内、より好ましくは８５％～１２０％の範囲内であることを指す。この場合、蛍光体と光学系とを必ずしも一体的に構成しなくても、蛍光体からの発散光束を取り込みやすくなるため、光の利用効率を高くしやすくなる。

さらに言えば、蛍光体と光学系とを一体的に構成した方がむらを低減することができ、より取り込み角度も増加させやすくなるため、より好ましい。また、蛍光体と光学系との距離を定義する際に、それぞれの位置をきちんと定義する必要がある。ここでは、光学系の位置は面頂点の位置またはぞれぞれの蛍光体に対応する光学系（第１の光学系）の屈折面（曲面）のうち最も蛍光体から離れた位置である。また、蛍光体の位置は、蛍光体の出射側の面（または入射側の面、もしくは入射側の面から出射側の面までの任意の面）とすることが望ましい。

また、光特性変換素子１４０と取込み光学系１５０は、それらの間に空間を介在させることなく互いに接している。つまりは、光学的に密着している。これは、光特性変換素子１４０から特性変換後の光が広い角度範囲で出射する場合に光特性変換素子１４０と取込み光学系１５０とが光学的に離れていると、光特性変換素子１４０から出射しても取込み光学系１５０に入射せずに損失光となる光が多くなるためである。つまり、特性変換素子１４０と取込み光学系１５０とが光学的に密着することにより、広い角度範囲の出射光を効率良く取込むことが可能であり、より高い光利用効率を実現することができる。

なお、光特性変換素子１４０と取込み光学系１５０とが光学的に密着している（空間を介在させずに配置されている）とは、図示のように光特性変換素子１４０と取込み光学系１５０とが直接接していることに限られない。例えば、図５（ｃ）に示すように、複数の光特性変換素子１４０をこれらを保持する透光性基板Ｓ上に形成し、該透光性基板Ｓにおける光特性変換素子側とは反対側の面と取込み光学系１５０とを直接接するように構成してもよい。この構成でも、光特性変換素子１４０から出射した発散光を効率良く取込み光学系１５０に取り込むことができる。

また、この取込み光学系１５０の焦点距離は、集光光学系１３０に含まれるコンデンサレンズ１３２の焦点距離よりも短いことが望ましい。このように構成することによって、更に光特性変換素子から出射した発散光を効率良く取り込むことができる。

なお、図７（ａ），（ｂ）に示すように、集光光学系１３０のコンデンサレンズ１３２と取込み光学系１５０との間に光特性変換素子１４０を挟み込む構成にしてもよい。この構成によれば、光学境界面を減じて、より高い光利用効率を実現することができる。この構成において光特性変換素子１４０が蛍光体であるときには、コンデンサレンズ１３２の表面に、光源１１０からの特定波長の光（励起光）は透過するが、該特定波長とは異なる蛍光光（波長変換光）は反射するダイクロイック面（膜）Ｄを形成してもよい。これにより、蛍光体から光源側に進む蛍光光をダイクロイック面Ｄにより本来の出射方向に戻すことができ、より高い光利用効率を実現することができる。ダイクロイック面Ｄは、図示のようにコンデンサレンズ１３２の入射面に形成してもよいし、コンデンサレンズ１３２の射出面に形成してもよい。

本実施例では、光源１１０と光特性変換素子１４０の組み合せに応じて光源装置１００からの出射光を選択することができる。表１にそれらの組み合わせと射出光の例を示す。

図８は、表１における例１と例３の具体例を示している。２群の光源１１０Ａ，１１０Ｂはいずれも複数の青ＬＤにより構成されている。光特性変換素子１４０は、蛍光体である。光源１１０ＡはＺ方向に光を射出し、光源１１０ＢはＹ方向に光を射出する。一般にＬＤから発せられる光は直線偏光であるため、図８に示す例においては光源１１０Ａと光源１１０Ｂとがそれぞれが射出する直線偏光の偏光方向が互いに直交するように配置されている。光源１１０Ａと光源１１０Ｂのそれぞれに対して設けられたコリメータレンズ１２０と光源１１０Ａ，１１０Ｂに共用されるように設けられた集光光学系１３０との間には、偏光反射素子１６０が配置されている。偏光反射素子（光合成素子）１６０は、ワイヤーグリッド偏光板等により構成され、光源１１０Ｂからの直線偏光を反射して光源１１０Ａからの直線偏光を透過する特性を有する。この構成により、光源１１０Ａからの光と光源１１０Ｂからの光とが偏光反射素子１６０により合成され、その合成光が集光光学系１３０を介して光特性変換素子（蛍光体）１４０に照射される。この結果、小型でより明るい光を出射可能な光源装置を実現することができる。

図９は、表１における例２の具体例を示す。３群の光源１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂはそれぞれ、複数の赤ＬＤ、緑ＬＤおよび青ＬＤにより構成されている。これら光源１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂから出射した赤色光、緑色光および青色光は、クロス配置されたダイクロイックミラー（光合成素子）１７０Ａ，１７０Ｂにより合成されて白色光となり、集光光学系１３０を介して拡散材である光特性変換素子１４０に入射する。この構成によっても、小型でより明るい光を出射可能な光源装置を実現することができる。

なお、本実施例では、光源１１０ごとに光特性変換素子１４０を設ける場合について説明したが、複数の光源１１０に対して１つ（一体）の光特性変換素子１４０を設け、該光特性変換素子１４０における互いに異なる照射領域に複数の光源１１０からの光を照射するようにしてもよい。また、１つの光源１１０が、複数の光源（ＬＤ）を含むように構成されてもよい。これらのことは、後述する他の実施例でも同じである。

図１０（ａ），（ｂ）は、本実施例の実施例２である光源装置１００Ａの構成を示している。本実施例の基本的な構成は実施例１と同じである。ただし、集光光学系１３０Ａは、ＸＺ断面にのみ屈折力を有する（すなわち、ＸＺ断面とＹＺ断面における屈折力が互いに異なる）シリンドリカル凹レンズ１３３と凸レンズ１３４を用いて構成されている。

本実施例では、光密度がＹＺ断面よりも高くなるＸＺ断面においてシリンドリカルレンズ１３３の効果によって焦点ずらしを行う。これにより、ＸＺ断面での光密度を低減して、実施例１と同等の光特性変換素子１４０における変換効率や耐久性を確保することができる。

集光光学系１３０Ａを、上記構成に代えて、ＸＺ断面とＹＺ断面とで焦点距離（つまりは屈折力）が異なるトーリックレンズを用いて構成してもよい。また、シリンドリカル凹レンズ１３３の代わりにシリンドリカル凸レンズを用いて、光特性変換素子１４０の手前で焦点を結ばせてぼけ像としての光スポットを光特性変換素子１４０上に形成してもよい。すなわち、集光光学系１３０Ａは、光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの光密度を低減する効果が得られるようにＸＺ断面とＹＺ断面における屈折力が互いに異なればよい。

図１１（ａ），（ｂ）は、本実施例の実施例３である光源装置１００Ｂの構成を示している。本実施例では、集光光学系１３０Ｂがガラスロッドインテグレータにより構成されている。

光源１１０から出射した光は、集光光学系１３０Ｂとしてのガラスロッドインテグレータに取り込まれ、その射出口までに均一な強度分布を有する光に変換されて光特性変換素子１４０に照射される。これにより、ＸＺ断面における光密度を低減して、実施例１と同等の光特性変換素子１４０における変換効率や耐久性を確保することができる。

集光光学系１３０Ｂは、複数のミラーを貼り合せて作成されたライトトンネルと称される素子を用いて構成してもよい。また、ロッドインテグレータの入射側あるいは出射側にレンズを配置して集光光学系１３０Ｂを構成してもよい。

図１２（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例４である画像投射装置（プロジェクタ）の構成を示している。プロジェクタは、実施例１の光源装置１００を有する。光源装置１００に代えて、実施例２，３の光源装置１００Ａ，１００Ｂを用いてもよい。

光源装置１００から出射した光は、フライアイレンズ２００と偏光変換素子３００を経てコンデンサレンズ４００によって集光されて光変調素子５００を照明する。フライアイレンズ２００、偏光変換素子３００およびコンデンサレンズ４００により照明光学系が構成される。光変調素子５００は、液晶表示素子やデジタルマイクロミラーデバイス等であり、照明光学系から入射した光を映像信号に応じて変調する。

本実施例では、光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの像（２次光源像）が偏光変換素子３００の近傍に形成される。偏光変換素子３００は、所定領域を通過する光のみを正しく偏光変換する。これに対して、光源装置１００は光特性変換素子１４０上に光スポットを形成するため、偏光変換素子３００の上記所定領域に効率良く光源像を形成することができ、効率良く偏光変換を行わせることができる。

本実施例によれば、高効率で特定の偏光光を光変調素子５００に入射させることができ、明るい画像を投射可能なプロジェクタを実現することができる。

図１３は、本発明の実施例５であるプロジェクタの構成を示している。本実施例の基本的な構成は実施例４と同じである。ただし、本実施例では、光源装置１００Ｃとして、実施例１で説明した２つの光源装置１００－１，１００－２を含む。光源装置１００－１，１００－２に代えて、実施例２，３の光源装置１００Ａ，１００Ｂを用いてもよい。

光源装置１００－１は、光源１１０として青色ＬＤを用い、光特性変換素子１４０－１として青色光を励起光として用いて蛍光光として黄色光を発する黄色蛍光体を有する。一方、光源装置１００－２は、光源１１０として青色ＬＤを用い、光特性変換素子１４０－２として拡散材を用いており、拡散光である青色光を出射する。光源装置１００－１からの黄色光と光源装置１００－２からの青色光とが光合成素子としてのダイクロイックミラー６００によって合成されて白色光として照明光学系（２００，３００，４００）に導かれ、光変調素子５００を照明する。

本実施例によれば、高効率で白色光を生成し、明るい画像を投射可能なプロジェクタを実現することができる。

図１４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例６であるプロジェクタの構成を示している。本実施例も実施例１の光源装置１００を用いているが、実施例４，５と光源像の結像関係が異なる。実施例４，５では、光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの像がフライアイレンズ２００によって偏光変換素子３００の近傍に結像される。

これに対して、本実施例では、光特性変換素子１４０上に形成される光スポットの像が、直接、光変調素子５００上に結像する、いわゆるクリティカル照明が行われる。つまり、取込み光学系１５０とコンデンサレンズ７００によって、光特性変換素子１４０と光変調素子５００とが共役に関係付けられている。コンデンサレンズ７００は、複数の光特性変換素子１４０のそれぞれからの光を収斂させるとともに、それらの光により形成される複数の光スポットの像（２次光源像）を光変調素子５００上にて重ね合わせる作用も有する。

クリティカル照明では、光源のむらがそのまま被照明面に照度むらとして形成されるおそれがあるが、本実施例では多数の光源像を重ね合わせて均一化するため、照度むらを解消することができる。

図１５は、本実施例における光源１１０の発光領域と、フライアイレンズ１３１の出射側フライアイレンズ面１３１Ｂにおける光源像と、光特性変換素子１４０上の光スポットと、光変調素子５００に対する照明領域とを示している。光源１１０の発光領域は、Ｙ方向に細長く伸びた形状を有する。

本実施例では、光特性変換素子１４０上の光スポットが光変調素子５００と共役関係にあるため、照明領域は光変調素子５００と同じアスペクト比の矩形であることが必要である。すなわち、光特性変換素子１４０と共役関係にある集光光学系１３０のフライアイレンズ１３１のフライアイレンズ面１３１Ａ，１３１Ｂの各レンズセルも光変調素子５００と同じアスペクト比を有する必要がある。

光源１１０の発光領域の像である光源像が出射側フライアイレンズ面１３１ＢのレンズセルＬＣ上に形成されるため、該レンズセルＬＣのアスペクト比は、その長辺方向が光源１１０の発光領域の長手方向に一致するように設定されている。

この関係は、フライアイレンズ１３１に代えて、ロッドインテグレータを用いた場合にも適用することができる。

図１６（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例７であるプロジェクタの構成を示している。本実施例の基本的な構成は実施例６と同じである。ただし、本実施例では、実施例６で用いているコンデンサレンズ７００の代わりに、複数の光特性変換素子１４０のそれぞれからの光の収斂と重ね合わせの機能を、複数の取込み光学系１５０Ａの少なくとも一部を偏心させることで実現している。

本実施例によれば、実施例６に比べて、使用する光学部材の数を減らすことができる。

図１７（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例８であるプロジェクタのうち光源装置１００Ｄの部分の構成を示している。光源装置１００Ｄは、２つの光源装置１００からの出射光を合成光学系としての合成プリズム９００によって合成して不図示の照明光学系に導く。光源装置１００に代えて、実施例２，３の光源装置１００Ａ，１００Ｂを用いてもよい。

２つの光源装置１００からそれぞれ出射した光は、凸レンズ８００によって集光され、合成プリズム９００上に焦点を結ぶ。合成プリズム９００は２つの反射面を有し、一方の光源装置１００からの出射光が一方の反射面上に光スポットを形成し、他方の光源装置１００からの出射光が他方の反射面上に光スポットを形成する。合成プリズム９００によって反射された２つの光源装置１００からの出射光は合成されて照明光学系に導かれる。このような構成によれば、２つの光源装置１００からの光の偏光方向や波長にかかわらずそれらを合成することができる。

そして本実施例でも、図１８に示すように、光源１１０の発光領域とフライアイレンズ１３１の出射側フライアイレンズ面１３１Ｂ上に形成される光源像は、Ｙ方向に細長い形状を有する。これに対して、合成プリズム９００の反射面上に形成される光スポットは、上記発光領域および光源像をＹ方向およびＸ方向（Ｘ方向から見るとＺ方向）に拡大した矩形形状を有する。ただし、合成プリズム９００の反射面上の光スポットも、Ｙ方向の長さがＸ方向（Ｚ方向）での長さより長い。このような形状の関係を満たすことで、明るさの低下を伴わずに２つの光源装置１００からの光を合成することができる。

合成プリズム９００の２つの反射面上には、２つの光源装置１００の光特性変換素子１４０上の光源像の像としての２つの光スポットが形成される。各光スポットの形状をＹ方向の長さがＸ方向（Ｚ方向）の長さより長い形状とすることで、２つの光スポットが正方形に近い形状を有する合成光スポットを形成する。この結果、合成プリズム９００からの合成光を照明光学系で損失を少なくして取り込むことができる。

また、光源１１０の発光領域とフライアイレンズ面１３１Ｂの光源像の形状に合わせて、フライアイレンズ１３１の入出射側フライアイレンズ面１３１Ａ，１３１ＢのレンズセルＬＣも、Ｙ方向での長さがＸ方向での長さよりも長い形状を有する。これにより、より高い光利用効率を得ることができる。

図１９は、本実施例の実施例９である光源装置１００の構成を示している。本実施例では、集光光学系（第１の光学系）１３０がホログラム素子１３００を備えている。ホログラム素子１３００は、図２０に示すように基板１３０１の表面に微細構造面１３０２を有する素子である。

図２１に微細構造面１３０２の概略図を示す。基盤１３０１は本実施例では石英の基板であり、その表面に微細構造面１３０２が形成されている。微細構造面１３０２はエッチングやナノインプリントなどの技術により形成することが可能であるが、本実施例では多重露光によるエッチングで形成している。露光回数を増やすほど複雑な形状を形成することができ、回折効率を上げることが可能である。本実施例では３回の露光により８位相の微細構造を形成している。

ホログラム素子１３００に入射した光は、ホログラム素子１３００の微細構造面１３０２で回折され、光特性変換素子１４０に所望の分布を作る。ホログラム素子１３００の微細構造面１３０２の強度分布を図２２（ａ）、光特性変換素子１４０の強度分布を図２２（ｂ）に示す。図２２（ｂ）に示すように、本実施例においても照射領域の形状を発光領域の形状に対して非相似形状（縦横比が１に近い形状）とすることができる。

ホログラム素子１３００を使うことで所望のサイズでフラットな強度分布を実現できるため光密度を低減しつつ、変換効率や耐久性を確保することができる。もちろん微細構造のパターンを変えることで矩形分布や円形分布など任意のパターンを形成することができる。ホログラム素子と光特性変換素子の間にレンズがあっても構成可能である。
（本実施例の変形例）
本実施例の変形例について図２３～図２７を用いて説明する。

前述の図１９に示す光源装置においては光特性変換素子として蛍光体を用いたが、図２３に示す変形例においては光特性変換素子１４０として、入射した光を拡散させる、つまり入射した光の進行方向を変換する拡散板を用いている。また、図２３に示す変形例においては、蛍光体を用いずに白色光を生成するために、赤色光用光源１１０Ｒ、緑色光用光源１１０Ｇ、青色光用光源１１０Ｂを設けている。各色光用光源は各色光を射出するレーザーダイオードあるいはＬＥＤである。各色光用光源からの各色光は、コリメータレンズ１２０ＲＧＢ、ホログラム素子１３００ＲＧＢを介してダイクロイックミラー１７０ＡＢで合成されて拡散板（光特性変換素子１４０）を介して取り込み光学系１５０に入射する。

図２４に示す変形例では、Ｐ偏光光の青色光を射出する光源１１０Ｐからの光とＳ偏光光の青色光を射出する光源１１０Ｓからの光を偏光ビームスプリッター１６０で合成して光特性変換素子１４０に導いている。本変形例において光特性変換素子１４０は黄色蛍光体である。各光源の進行方向にはコリメータレンズとホログラム素子１３００ＰＳが設けられている。ホログラム素子１３００Ｓはホログラム素子１３００Ｐを９０度回転させて配置したものであってもよい。

図２５に示す変形例では、蛍光体である光特性変換素子１４０をミラーＭの上に設けている。図１９に示した光源１１０、コリメータレンズ１２０、ホログラム素子１３００からの青色光はダイクロイックミラー１７０を透過して取り込み光学系１５０によって光特性変換素子１４０に導かれる。そして、光特性変換素子１４０を透過してミラーＭで反射されて再びダイクロイックミラー１７０に向かう蛍光光（黄色）はダイクロイックミラー１７０で反射されて後段の系に導かれる。図２５には図示されていないが、光源１１０とは別にダイクロイックミラー１７０を透過して後段の系に光が導かれるように配置された青色光源を設けてもよい。

図１９に示した光源装置１００は、図２６に示すケーラー照明を行う照明光学系用の光源装置として用いてもよいし、図２７に示すクリティカル照明を行う照明光学系用の光源装置として用いてもよい。

図２８及び図２９を用いて本発明の実施例１０としての光源装置１００の構成について説明する。前述の実施例９と本実施例との違いは、図２８に示すように、第１の光学系１３０としてホログラム素子ではなく四角錐形状のガラス部材（プリズム）を用いた点である。ガラス部材１３０は図２８及び図２９（ａ）に示すように光特性変換素子１４０側に頂点が向いた状態で配置されている。図２９（ｂ）に示すようにガラス部材１３０に入射した光は図２９（ｃ）及び（ｄ）に示すように４つの光に分割されたあとに重畳されて略矩形の光分布を形成する。このような構成であっても、照射領域の形状を発光領域の形状に対して非相似形状とすることができる。

なお、図２８に示すようにガラス部材１３０を複数設けた構成であってもよし、単一の透明基板上に複数のガラス部材１３０を並べて配置した構成などであってもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。例えば、第１の光学系１３０が複数設けられている構成ではなく、単一の基板に複数の微細構造面を持つ構成、つまり第１の光学系１３０が１つの構成などであってもよい。また、取り込み光学系１５０が複数設けられている構成ではなく、例えば径の大きいレンズを有するレンズ系で光を取り込む構成などであってもよい。

１００ 光源装置
１１０ 光源
１３０ 集光光学系
１４０ 光特性変換素子
１５０ 取込み光学系

Claims (18)

1. それぞれが発光領域を有する複数の光源と、
   波長変換素子または角度変換素子を含み、前記複数の光源のそれぞれからの入射光を該入射光とは異なる波長の出射光に変換する、または入射光を拡散させた出射光に変換する光特性変換素子と、
   前記複数の光源のそれぞれに対して設けられ、各光源から放射される発散光をコリメートするようにそれぞれ構成された複数のコリメータレンズと、
   前記複数のコリメータレンズのそれぞれからの光の形状を前記発光領域の形状とは異なる形状に変換し、該形状が変換された複数の光のそれぞれを前記光特性変換素子における前記複数の光源のそれぞれに対応する複数の照射領域に前記入射光として照射する第１の光学系とを有し、
   前記第１の光学系は、前記複数のコリメータレンズからの光のそれぞれを複数の光束に分割するフライアイレンズと、前記複数の光束を互いに重ね合わせ、該重ね合わされた光束を前記照射領域に前記入射光として照射する集光レンズとを有し、
   前記集光レンズが、前記複数の光源のそれぞれに対応するように複数設けられていることを特徴とする光源装置。
2. 前記照射領域の形状は、前記発光領域の形状を互いに直交する２方向のうち少なくとも一方に拡大した形状であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記フライアイレンズは、前記光源側から順に 第１のフライアイ面と、第２のフライアイ面とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記コリメータレンズと前記第１の光学系との間に、偏光反射素子またはダイクロイックミラーを含む光合成素子が配置されており、
   前記コリメータレンズからの前記光とは異なる光を前記光合成素子で合成して前記第１の光学系に入射させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記光特性変換素子における前記複数の照射領域にて変換された前記出射光としての複数の発散光のそれぞれをコリメートする第２の光学系を有し、
   前記光特性変換素子と前記第２の光学系とがそれらの間に空間を介在させることなく配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記光特性変換素子における前記複数の照射領域にて変換された前記出射光としての複数の発散光のそれぞれをコリメートする光学素子を複数含む第２の光学系を有し、
   前記複数の光学素子がそれらの間に空間を介在させることなく隣接して配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記光特性変換素子における前記複数の照射領域にて変換された前記出射光としての複数の発散光のそれぞれをコリメートする第２の光学系を有し、
   前記第２の光学系の焦点距離は、前記第１の光学系の焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記光特性変換素子は、前記複数の光源のそれぞれに対応する複数の光特性変換素子を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記光特性変換素子は、前記複数の光源に対応する一体の光特性変換素子であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記光特性変換素子よりも前記複数の光源側に、前記入射光を透過し、前記光特性変換素子により波長が変換された光を反射するダイクロイック面が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光源装置。
11. それぞれが発光領域を有する複数の光源と、
    波長変換素子または角度変換素子を含み、前記複数の光源のそれぞれからの入射光を該入射光とは異なる波長の出射光に変換する、または入射光を拡散させた出射光に変換する光特性変換素子と、
    前記複数の光源のそれぞれに対して設けられ、各光源から放射される発散光をコリメートするようにそれぞれ構成された複数のコリメータレンズと、
    前記複数のコリメータレンズのそれぞれからの光の形状を前記発光領域の形状とは異なる形状に変換し、該形状が変換された複数の光のそれぞれを前記光特性変換素子における前記複数の光源のそれぞれに対応する複数の照射領域に前記入射光として照射する第１の光学系とを有し、
    前記第１の光学系は、前記複数のコリメータレンズからの光を微細構造面で回折させることで該光の形状を前記発光領域の形状とは異なる形状に変換するホログラム素子を有し、
    前記ホログラム素子が、前記複数の光源のそれぞれに対応するように複数設けられていることを特徴とする光源装置。
12. 前記第１の光学系は、前記複数の光源からの前記入射光のそれぞれに対応して設けられて前記複数の照射領域のそれぞれを前記光特性変換素子上に形成する複数の光学素子を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光源装置。
13. 前記第１の光学系は、前記光特性変換素子における前記複数の照射領域のそれぞれにおける照度分布の縦横比が１に近づくように、前記複数のコリメータレンズのそれぞれから出射した光の形状を変更することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の光源装置。
14. 前記第１の光学系は、前記光特性変換素子における前記複数の照射領域のそれぞれにおける照度分布が均一になるように、前記複数のコリメータレンズのそれぞれから出射した光の形状を変更することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の光源装置。
15. 前記光特性変換素子は、前記複数の光源のそれぞれに対応する複数の波長変換素子または複数の角度変換素子を含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の光源装置。
16. 光変調素子により変調した光を用いて画像を投射する画像投射装置であって、
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記複数の光源からの前記入射光のそれぞれに対して前記光特性変換素子における前記複数の照射領域から出射する複数の前記出射光を互いに重ね合わせて前記光変調素子を照明する照明光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
17. 前記光源装置を複数有し、
    前記照明光学系は、前記複数の光源装置からの光を合成して前記光変調素子に入射させる合成光学系を含むことを特徴とする請求項１６に記載の画像投射装置。
18. 光変調素子により変調した光を用いて画像を投射する画像投射装置であって、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記複数の光源からの前記入射光のそれぞれに対して前記光特性変換素子における前記複数の照射領域から出射する複数の前記出射光を互いに重ね合わせて形成した照明領域で前記光変調素子を照明する照明光学系とを有し、
    前記発光領域、前記照射領域および前記照明領域の形状がいずれも、第１の方向での長さより該第１の方向に直交する第２の方向での長さが長い形状であることを特徴とする画像投射装置。

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