JP7268421B2 - 光源光学系、光源装置及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源光学系、光源装置及び画像投射装置に関する。

今日、様々な映像を拡大投影するプロジェクタ（画像投射装置）が広く普及している。プロジェクタは、光源から出射された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）または液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号により変調された空間光変調素子からの出射光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。

従来、プロジェクタには主に高輝度の超高圧水銀ランプ等が用いられてきたが、寿命が短いため、メンテナンスを頻繁に行う必要があった。そのため、近年、超高圧水銀ランプに変えてレーザやＬＥＤ等を使用したプロジェクタが増加している。これは、レーザやＬＥＤが超高圧水銀ランプと比較して寿命が長く、また、その単色性により色再現性も良いためである。

プロジェクタでは、ＤＭＤ等の画像表示素子に、例えば色の三原色である赤色・緑色・青色の三色を照射することにより映像を形成している。この三色の全てをレーザ光源で生成することも可能ではあるが、緑色レーザや赤色レーザの発光効率が青色レーザに比べて低いため、好ましくはない。そのため、青色レーザを励起光として蛍光体に照射して、蛍光体で波長変換された蛍光光から赤色光と緑色光を生成する方法が用いられている。このようなレーザ光源と蛍光体を用いた（組み合わせた）光源光学系が特許文献１、２に開示されている。

特許文献１には、励起光源と、蛍光体ユニットと、励起光源と蛍光体ユニットの間の光路上に位置して励起光の強度分布を均一に近付けるための拡散板とを有する照明光学系が開示されている。特許文献２には、複数の光源と、波長変換素子と、複数の光源と波長変換素子の間の光路上に位置する複数のミラーアレイとレンズアレイとを有する光源装置が開示されている。

特許第６０９０８７５号公報 特開２０１７－１９４５２３号公報

プロジェクタにおいては、より明るいプロジェクタを実現するために、光の利用効率を高める要望が強くなってきている。蛍光体による光の変換効率は、蛍光体に入射する励起光のエネルギー密度により変動し、入射する励起光のエネルギー密度が高いと、温度上昇及び蛍光体内の励起可能な電子が少なくなることによって効率が低下する。そのため、エネルギー密度を均一化し、スポットサイズを大きくすることで、光の利用効率の向上を図ることが考えられる。

一方、蛍光体における励起光のエネルギー密度を抑えるために蛍光体上の励起光のスポットサイズを大きくすると、後段の（後続する）光学系での光線ケラレが大きくなるため、プロジェクタ全体での光の利用効率が低下する。すなわち、プロジェクタにおける光の利用効率を向上させるためには、エネルギー密度の均一化と最適なスポットサイズを得ることが重要である。

上述した特許文献１は、励起光源と蛍光体ユニットの間に拡散板を設けることにより、蛍光体ユニットに入射する励起光の強度が低下してしまうため、プロジェクタ全体の光の利用効率が低下してしまう。上述した特許文献２は、ミラーアレイとレンズアレイにより装置の大型化と複雑化と高コスト化を招くばかりでなく、ミラーアレイとレンズアレイの吸収等により、蛍光体ユニットに入射する励起光の効率が低下してしまう。

本発明は、以上の問題意識に基づいて完成されたものであり、光の利用効率に優れるとともに、小型化を図ることができる光源光学系、光源装置及び画像投射装置を提供することを目的とする。

本実施形態の光源光学系は、第１の色光を出射する励起光源と用いられる光源光学系であって、前記励起光源から出射された前記第１の色光が入射して前記第１の色光とは波長の異なる第２の色光を出射する波長変換ユニットと、前記励起光源と前記波長変換ユニットの間の光路上に設けられた第１、第２の光学系と、前記励起光源と前記波長変換ユニットの間の光路上に位置する反射面と、を有しており、前記第１の光学系は、前記励起光源と前記反射面の間に配置されており、前記第２の光学系は、前記反射面と前記波長変換ユニットの間に配置されており、前記第１の光学系は、少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子を有しており、前記第２の光学系は、全体として正のパワーを有しており、前記第１の光学系は、前記第１の光学系の光軸に平行な光線が入射したとき、前記第１の光学系から出射される光線が前記光軸に角度をなして近付きながら前記第２の光学系に入射するような光学特性を有し、前記第２の光学系に入射した光の集光点が、前記第２の光学系の内部に形成され、次の条件式（１）を満足する、ことを特徴としている。
（１）１．８＜｜Ｆｎ／Ｆ２｜＜５．０
但し、
Ｆｎ：前記第１の光学系の負のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離、
Ｆ２：前記第２の光学系のｄ線における焦点距離。

本発明によれば、光の利用効率に優れるとともに、小型化を図ることができる光源光学系、光源装置及び画像投射装置を提供することができる。

第１実施形態によるプロジェクタを示す概略構成図である。 第１実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第１実施形態による蛍光体ホイールの詳細構造を示す図である。 カラーホイールを示す概略構成図である。 第１実施形態による第１の光学系と第２の光学系の構成と通過光線の一例を示す図である。 第２実施形態による第１の光学系と第２の光学系の構成と通過光線の一例を示す図である。 第３実施形態による第１の光学系と第２の光学系の構成と通過光線の一例を示す図である。 第４実施形態による第１の光学系と第２の光学系の構成と通過光線の一例を示す図である。 第５実施形態による第１の光学系と第２の光学系の構成と通過光線の一例を示す図である。 励起光源における複数の発光点の一例を示す図である。 条件式（３）を満足する場合と満足しない場合の光のプロファイルの一例を示す図である。 条件式（５）における各パラメータを概念的に説明するための図である。 第１実施形態～第５実施形態及び比較例１、２における光のスポット形状を示す図である。 第６実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第６実施形態による蛍光体ホイールの詳細構造を示す図である。 第７実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第８実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第８実施形態による蛍光体ホイールの詳細構造を示す図である。 第９実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第９実施形態による蛍光体ホイールの詳細構造を示す図である。 第１０実施形態による光源装置の第１の光学系と第２の光学系を通る光線の一例を示す図である。 第１０実施形態による光源装置を示す概略構成図である。 第１１実施形態による光源装置を示す概略構成図である。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態によるプロジェクタ（画像投射装置）１を示す概略構成図である。

プロジェクタ１は、筐体１０と、光源装置２０と、光均一化素子３０と、照明光学系４０と、画像形成素子（画像表示素子）５０と、投射光学系６０とを有している。

筐体１０は、光源装置２０と光均一化素子３０と照明光学系４０と画像形成素子５０と投射光学系６０とを収納する。

光源装置２０は、例えば、ＲＧＢの各色に対応する波長を含んだ光を出射する。光源装置２０の内部構成については、後に詳細に説明する。

光均一化素子３０は、光源装置２０から出射された光をミキシングすることで均一化する。光均一化素子３０としては、例えば、４枚のミラーを組み合わせたライトトンネル、ロッドインテグレータ、フライアイレンズ等が用いられる。

照明光学系４０は、光均一化素子３０が均一化した光で画像形成素子５０を略均一に照明する。照明光学系４０は、例えば、１枚以上のレンズや１面以上の反射面等を有している。

画像形成素子５０は、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル等のライトバルブを有している。画像形成素子５０は、照明光学系４０により照明される光（光源装置２０の光源光学系からの光）を変調することにより画像を形成する。

投射光学系６０は、画像形成素子５０が形成した画像をスクリーン（被投射面）７０に拡大投射する。投射光学系６０は、例えば、１枚以上のレンズを有している。

図２は、第１実施形態による光源装置２０を示す概略構成図である。

光源装置２０は、光の伝搬方向に順に配置された、レーザ光源（励起光源）２１と、コリメータレンズ２２と、第１の光学系２３と、偏光ビームスプリッタ２４と、１／４波長板２５と、第２の光学系２６と、蛍光体ホイール（波長変換ユニット、蛍光体ユニット）２７と、集光レンズ２８と、カラーホイール２９とを有している。例えば、光源装置２０のうち、レーザ光源２１を除いた構成要素によって「光源光学系」が構成される。

レーザ光源２１は、複数の光源（発光点）を有している。図２では、上下方向に並ぶ６個の光源を描いているが、実際には、６個の光源が紙面直交方向（奥行方向）に４列に並んでおり、６×４＝２４個の光源が二次元的に配列されている。レーザ光源２１の各光源は、蛍光体ホイール２７の蛍光領域（波長変換領域）２７Ｄ（後述）に設けられた蛍光体を励起させる励起光Ｂ（第１の色光）として、例えば、発光強度の中心波長が４５５ｎｍの青色帯域の光（青色レーザ光）を出射する。レーザ光源２１の各光源から出射される青色レーザ光は、偏光状態が一定の直線偏光であり、偏光ビームスプリッタ２４の入射面に対してＳ偏光となるように配置されている。レーザ光源２１の各光源から出射される青色レーザ光は、コヒーレント光である。レーザ光源２１の各光源から出射される励起光Ｂは、蛍光体ホイール２７の蛍光領域２７Ｄの蛍光体を励起させることができる波長の光であればよく、青色帯域の光に限定されるものではない。レーザ光源２１の光源の数は２４個に限定されず、１－２３個であってもよいし、２５個以上であってもよい。レーザ光源２１は、例えば、基板上に複数の光源をアレイ状に配置した光源ユニットとして構成することができる（その具体例については後に詳細に説明する）。

コリメータレンズ２２は、レーザ光源２１の２４個の光源に対応して２４個設けられている。各コリメータレンズ２２は、レーザ光源２１の各光源が出射した励起光Ｂを略平行光となるように調整する。コリメータレンズ２２の数は、レーザ光源２１の光源の数に対応していればよく、レーザ光源２１の光源の数の増減に応じて増減することができる。

第１の光学系２３は、全体として正のパワーを有しており、レーザ光源２１の側から蛍光体ホイール２７の側に向かって順に、正レンズ（正のパワーを有する光学要素）２３Ａと負レンズ（負のパワーを有する光学要素）２３Ｂとを有している。第１の光学系２３は、コリメータレンズ２２から略平行光となって入射した励起光Ｂを収束させながら偏光ビームスプリッタ２４に導く。第１の光学系２３の詳細な構成と作用効果については、後に詳細に説明する。

偏光ビームスプリッタ２４は、第１の光学系２３から導かれた励起光Ｂの波長帯域のＳ偏光（第１の偏光成分）を反射する一方、第１の光学系２３から導かれた励起光Ｂの波長帯域のＰ偏光（第２の偏光成分）および蛍光体ホイール２７からの蛍光光（第２の色光）を透過するようなコートが施されている。第１実施形態では、平板状の偏光ビームスプリッタ２４を用いているが、プリズムタイプの偏光ビームスプリッタ２４を用いることも可能である。また、第１実施形態では、偏光ビームスプリッタ２４が、励起光Ｂの波長帯域のＳ偏光を反射してＰ偏光を透過しているが、これとは逆に、励起光Ｂの波長帯域のＰ偏光を反射してＳ偏光を透過するようにしてもよい。

このように、偏光ビームスプリッタ２４は、レーザ光源２１と第２の光学系２６（蛍光体ホイール２７）の間の光路上に位置して、励起光Ｂ（第１の色光）と蛍光光Ｙ（第２の色光）の一方を反射して他方を透過する「反射面」として機能する。偏光ビームスプリッタ２４によって光路を折り返すことで、光源光学系の小型化を図ることができる。

１／４波長板２５は、偏光ビームスプリッタ２４で反射された励起光Ｂの直線偏光に対して光学軸を４５度だけ傾けた状態で配置されている。１／４波長板２５は、偏光ビームスプリッタ２４で反射された励起光Ｂを直線偏光から円偏光に変換する。

第２の光学系２６は、全体として正のパワーを有しており、レーザ光源２１の側から蛍光体ホイール２７の側に向かって順に、正レンズ（正のパワーを有する光学要素）２６Ａと正レンズ（正のパワーを有する光学要素）２６Ｂとを有している。第２の光学系２６は、１／４波長板２５から円偏光に変換されて入射した励起光Ｂを収束させながら蛍光体ホイール２７に導く。第２の光学系２６の詳細な構成と作用効果については、後に詳細に説明する。

蛍光体ホイール２７には、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂが入射する。図３は、蛍光体ホイール２７の詳細構造を示す図である。蛍光体ホイール２７は、円盤部材（基板）２７Ａと、回転軸２７Ｂを中心として円盤部材２７Ａを回転駆動する駆動モータ（駆動部材）２７Ｃとを有している。円盤部材２７Ａは、例えば、透明基板や金属基板（アルミニウム基板等）を用いることができるが、これに限定されるものではない。

蛍光体ホイール２７（円盤部材２７Ａ）は、周方向の大部分（第１実施形態では２７０°よりも大きい角度範囲）が蛍光領域２７Ｄに区画されており、周方向の小部分（第１実施形態では９０°よりも小さい角度範囲）が励起光反射領域２７Ｅに区画されている。

蛍光領域２７Ｄは、下層側から上層側に向かって順に、反射コート２７Ｄ１と、蛍光体層２７Ｄ２と、反射防止コート（ＡＲコート）２７Ｄ３とを積層して構成されている。

反射コート２７Ｄ１は、蛍光体層２７Ｄ２による蛍光光（発光光）の波長領域の光を反射する特性を有している。円盤部材２７Ａを反射率が高い金属基板で構成した場合には、反射コート２７Ｄ１を省略することも可能である（円盤部材２７Ａに反射コート２７Ｄ１の機能を持たせることも可能である）。

蛍光体層２７Ｄ２としては、例えば、蛍光体材料を有機・無機のバインダ内に分散させたもの、蛍光体材料の結晶を直接形成したもの、Ｃｅ：ＹＡＧ系などの希土類蛍光体を用いることができる。蛍光体層２７Ｄ２による蛍光光（発光光）の波長帯域は、例えば、黄色、青色、緑色、赤色の波長帯域を用いることができるが、第１実施形態では、黄色の波長帯域を有する蛍光光（発光光）を用いる場合を例示して説明する。また、本実施例では波長変換素子として蛍光体を用いているが、燐光体や、非線形光学結晶などを用いてもよい。

反射防止コート２７Ｄ３は、蛍光体層２７Ｄ２の表面における光の反射を防止する特性を有している。

励起光反射領域２７Ｅには、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの波長領域の光を反射する特性を有する反射コート（反射面）２７Ｅ１が積層されている。円盤部材２７Ａを反射率が高い金属基板で構成した場合には、反射コート２７Ｅ１を省略することも可能である（円盤部材２７Ａに反射コート２７Ｅ１の機能を持たせることも可能である）。

円盤部材２７Ａを駆動モータ２７Ｃによって回転駆動することにより、蛍光体ホイール２７上における励起光Ｂの照射位置が時間とともに移動する。その結果、蛍光体ホイール２７に入射した励起光Ｂ（第１の色光）の一部分が、蛍光領域（波長変換領域）２７Ｄで励起光Ｂ（第１の色光）とは波長の異なる蛍光光Ｙ（第２の色光）に変換されて出射され、蛍光体ホイール２７に入射した励起光Ｂの他部分が、励起光反射領域２７Ｅで励起光Ｂのままで反射されて出射される。

蛍光体ホイール２７（円盤部材２７Ａ）を回転させることで、蛍光体ホイール２７の一箇所に励起光が照射され続けることによる焼けを防ぐとともに、蛍光体ホール２７の冷却効果も得られる。

なお、蛍光領域２７Ｄと励起光反射領域２７Ｅの数や範囲等には自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、各２つの蛍光領域と励起光反射領域とを周方向に９０°間隔となるように交互に配置してもよい。

再び図２に基づいて説明する。蛍光体ホイール２７の励起光反射領域２７Ｅで反射された励起光Ｂは逆向きの円偏光となり、再び第２の光学系２６と１／４波長板２５を通過し、Ｐ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換された励起光Ｂは、偏光ビームスプリッタ２４を透過して、集光レンズ２８を通してカラーホイール２９に入射する。

一方、蛍光体ホイール２７の蛍光領域２７Ｄに入射した励起光Ｂは蛍光光Ｙに変換されて出射される。この蛍光光Ｙは、第２の光学系２６により略平行光とされ、１／４波長板２５を通過し、偏光ビームスプリッタ２４を透過して、集光レンズ２８を通してカラーホイール２９に入射する。

図４は、カラーホイール２９を示す概略構成図である。カラーホイール２９は、周方向に区画された青色領域Ｂ、黄色領域Ｙ、赤色領域Ｒ、緑色領域Ｇを有している。青色領域Ｂは、蛍光体ホイール２７の励起光反射領域２７Ｅに対応し、黄色領域Ｙ、赤色領域Ｒ、緑色領域Ｇは、蛍光体ホイール２７の蛍光領域２７Ｄにそれぞれ対応するように同期される。青色領域Ｂには透過拡散板（図示略）を配置することにより、レーザ光源２１のコヒーレンスを低減することが可能となり、スクリーン７０上でのスペックルを低減させることができる。黄色領域Ｙは、蛍光体ホイール２７から発光する黄色の波長領域をそのまま透過させる。赤色領域Ｒ、緑色領域Ｇは、それぞれダイクロイックミラーを用いることにより、黄色の波長から不要な波長域の光を反射させ、純度の高い色の光を得る。カラーホイール２９によって時分割で作られた各色が光均一化素子３０から照明光学系４０を通して画像形成素子５０に導かれ、各色に対応した画像を形成し、投射光学系６０によってスクリーン７０に拡大投影させることにより、カラー画像が得られる。

第１実施形態では、光源光学系として、レーザ光源２１と、蛍光体ホイール２７と、レーザ光源２１と蛍光体ホイール２７の間の光路上に順に設けられた正のパワーの第１の光学系２３と正のパワーの第２の光学系２６とが設けられている。

第１の光学系２３は、Ｓ偏光の励起光Ｂは通過するが、蛍光光Ｙは通過しない。第２の光学系２６は、Ｓ偏光の励起光ＢとＰ偏光の励起光Ｂと蛍光光Ｙが通過する。このように、第１の光学系２３と第２の光学系２６は、前者は蛍光光Ｙが通過し、後者は蛍光光Ｙが通過しないという点で、切り分けられる。これが、第１の光学系２３と第２の光学系２６の切り分け方（区画の仕方）の１つ目の例である。

第１の光学系２３は、蛍光体ホイール２７からの蛍光光（第２の色光）の５０％以上が通過せず、第２の光学系２６は、蛍光体ホイール２７からの蛍光光（第２の色光）の５０％以上が通過するという点で、切り分けられる。これが、第１の光学系２３と第２の光学系２６の切り分け方（区画の仕方）の２つ目の例である。

第１の光学系２３と第２の光学系２６は、最大空気間隔の箇所で、切り分けられる。これが、第１の光学系２３と第２の光学系２６の切り分け方（区画の仕方）の３つ目の例である。

レーザ光源２１と蛍光体ホイール（波長変換ユニット）２７の間の光路上には、偏光ビームスプリッタ（反射面）２４が位置している。第１の光学系２３は、レーザ光源２１と偏光ビームスプリッタ（反射面）２４の間に配置されており、第２の光学系２６は、偏光ビームスプリッタ（反射面）２４と蛍光体ホイール（波長変換ユニット）２７の間に配置されている。これが、第１の光学系２３と第２の光学系２６の切り分け方（区画の仕方）の４つ目の例である。

図５は、第１実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と通過光線の一例を示す図である。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のレンズデータと非球面データを表１、表２として示す。表１、表２において、Ｒは曲率半径（非球面にあっては近軸曲率半径）、Ｄは面間隔、Ｎｄは屈折率、νｄはアッベ数、Ｋは非球面の円錐定数、Ａｉはｉ次の非球面定数をそれぞれ示している。表中の面番号に＊が付いているものは、非球面を示している。非球面形状は、近軸曲率半径の逆数（近軸曲率）をＣ、光軸からの高さをＨ、円錐定数をＫ、上記各次数の非球面係数を用いて、Ｘを光軸方向における非球面量としたときに、下記の数式１によって表すことができる。すなわち、近軸曲率半径、円錐定数、非球面係数を与えることで非球面形状を特定する。

第１実施形態では、第１の光学系２３において、正レンズ２３Ａが両凸形状を有しており、負レンズ２３Ｂが両凹形状を有している。また、第２の光学系２６において、正レンズ２６Ａが両凸形状を有しており、正レンズ２６Ｂが物体側に凸の平凸形状を有している。また、正レンズ２６Ａは、両面に非球面を有している。図示は省略しているが、第１の光学系２３の正レンズ２３Ａの直前には、励起光Ｂの光量を調整するための開口絞りが設けられている（面番号１）。

図５に示すように、第１の光学系２３は、第１の光学系２３の光軸Ａに平行な光線が入射したとき、第１の光学系２３から出射される光線が光軸Ａに角度をなして近付きながら（集光されながら）第２の光学系２６に入射するような光学特性を有している。これにより、第２の光学系２６に入射した光の集光点が、蛍光体ユニット２７の入射面を基準として、第２の光学系２６の側（手前側）に形成される。その結果として、スポット形状をぼかして均一化することによりサイズが大きく均一な像を得ることができ、蛍光体ホイール２７における集光密度を下げて光の変換効率を向上することができる。

≪第２実施形態≫
図６は、第２実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と通過光線の一例を示す図である。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のレンズデータと非球面データを表３、表４として示す。第２実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成は、第１実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と同様である（レンズ曲率やレンズ間隔等のパラメータが異なっている）。

≪第３実施形態≫
図７は、第３実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と通過光線の一例を示す図である。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のレンズデータと非球面データを表５、表６として示す。第３実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成は、第１実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と同様である（レンズ曲率やレンズ間隔等のパラメータが異なっている）。

≪第４実施形態≫
図８は、第４実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と通過光線の一例を示す図である。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のレンズデータと非球面データを表７、表８として示す。第４実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成は、第１実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と同様である（レンズ曲率やレンズ間隔等のパラメータが異なっている）。

≪第５実施形態≫
図９は、第５実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と通過光線の一例を示す図である。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のレンズデータと非球面データを表９、表１０として示す。第５実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成は、第１実施形態による第１の光学系２３と第２の光学系２６の構成と同様である（レンズ曲率やレンズ間隔等のパラメータが異なっている）。

上述した第１実施形態～第５実施形態に示すように、第１の光学系２３は、少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子（正レンズ２３Ａ）と、少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子（負レンズ２３Ｂ）とを有している。また、第２の光学系２６は、全体として正のパワーを有している。

本実施形態では、次の条件式（１）を満足することが好ましい。
（１）１．８＜｜Ｆｎ／Ｆ２｜＜５．０
但し、
Ｆｎ：第１の光学系の負のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離、
Ｆ２：第２の光学系のｄ線における焦点距離。

一般的に、蛍光体のような波長変換ユニットの変換効率は、波長変換素子上の励起光の集光密度に反比例し、ある集光密度以上だと、焼けの原因にもなる。第１の光学系２３の負のパワーを有する光学素子（負レンズ２３Ｂ）と、集光光学系としての第２の光学系２６とのパワー配置を、条件式（１）を満足するような適切な範囲に設定することにより、蛍光体ホイール（波長変換ユニット）２７に対する入射光路と出射光路が干渉しないように光束を細くすることができる。その結果、蛍光体ホイール（波長変換ユニット）２７の励起光のスポットを均一化できるため、集光密度を下げ、光の変換効率を向上させることができる。また、光源光学系の小型化を図ることができる。

条件式（１）の下限を下回ると、光源光学系の小型化が可能となるが、波長変換ユニットにおける励起光の集光密度が上がりすぎて光の変換効率が低下するだけでなく、焼けの原因になる。条件式（１）の上限を上回ると、波長変換素子上の励起光のスポットを均一化することができ、集光密度を下げ変換効率を向上させることができるが、光源光学系が大型化してしまう。

条件式（１）の条件式範囲の中でも、次の条件式（１’）を満足することがより好ましい。
（１’）１．９＜｜Ｆｎ／Ｆ２｜＜４．５

本実施形態では、次の条件式（２）を満足することが好ましい。
（２）１．５＜｜Ｆｐ／Ｆｎ｜＜２．４
但し、
Ｆｐ：第１の光学系の正のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離、
Ｆｎ：第１の光学系の負のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離。

条件式（２）は、第１の光学系２３による光束の縮小率を規定している。条件式（２）を満足することにより、蛍光体ホイール（波長変換ユニット）２７におけるスポットの集光密度ひいては光の変換効率を最適化することができる。また条件式（１）、（２）を同時に満足することで、光源光学系の小型化と光の変換効率の向上を高いレベルで両立させることができる。

条件式（２）の下限を下回ると、波長変換ユニットにおけるスポットの集光密度が大きくなり、光の変換効率が低下してしまう。条件式（２）の上限を上回ると、波長変換ユニットにおけるスポットの集光密度が小さくなり、光の変換効率は向上するが、第２の光学系を構成するレンズの集光密度が大きくなり、レンズが溶ける等の問題が発生してしまう。

図１０は、レーザ光源２１における複数の発光点の一例を示す図である。図１０に示すように、レーザ光源２１は、二次元アレイ状に配列された複数の発光点を有している。レーザ光源２１の複数の発光点としては、例えば、金属ブロックにＬＤ（Laser Diode）が配置されたもの、あるいは、単一の基板上にＬＤ（Laser Diode）チップを並べたマルチチップ品を用いることができる。アレイ状に並んだ発光点のうち任意の２つの発光点の距離をＳとしたときに最大となる距離（複数の発光点のうちの２つの発光点の間の最大距離）をＳｍａｘと定義する。図１０の例では、対角方向の２点間距離が最大となるため、これをＳｍａｘとしている。

一方、図５～図９において、第２の光学系２６のうちの第１の光学系２３の側の光学素子（ここでは正レンズ２６Ａ）の外径をＤＬと定義している。また、第１の光学系２３と第２の光学系２６のうちの光学素子の最大外径（ここでは正レンズ２３Ａの外径）をＤＬｍａｘと定義している。

本実施形態では、次の条件式（３）を満足することが好ましい。
（３）Ｓｍａｘ／ＤＬ＜２．０
但し、
Ｓｍａｘ：複数の発光点のうちの２つの発光点の間の最大距離、
ＤＬ：第２の光学系のうちの第１の光学系の側（励起光入射側）の光学素子の外径。

条件式（３）は、レーザ光源２１における複数の発光点のサイズを規定している。条件式（３）を満足することで、蛍光体上における集光密度を抑制して、光の変換効率を向上させることができる。条件式（３）の上限を上回ると、蛍光体上のスポット径を所望のスポットサイズにしたい場合に、光源光学系の縮小率を大きくする必要がある。その結果、波長変換ユニットにおける各発光点の像が小さくなって集光密度が上がってしまうため、光の変換効率が低下してしまう。

図１１は、条件式（３）を満足する場合と満足しない場合の光のプロファイルの一例を示す図である。図１１に示すように、各発光点に対応するコリメータレンズ直後のプロファイルが同じで、条件式（３）が２よりも大きい場合（左側）と、条件式（３）が２以下である場合（右側）と場合を比較する。この場合、蛍光体上のプロファイルの全体サイズＢを同じにしようとしたときに、条件式（３）が２よりも大きい場合（左側）の方が、条件式（３）が２以下である場合（右側）よりも、縮小倍率が大きくなるため、各発光点のスポットが小さくなり、集光密度が上がってしまう。

条件式（３）の条件式範囲の中でも、次の条件式（３’）を満足することがより好ましい。
（３’）Ｓｍａｘ／ＤＬ＜１．７

本実施形態では、次の条件式（４）を満足することが好ましい。
（４）０．５＜Ｓｍａｘ／ＤＬｍａｘ＜１．０
但し、
Ｓｍａｘ：複数の発光点のうちの２つの発光点の間の最大距離、
ＤＬｍａｘ：第１の光学系と第２の光学系のうちの光学素子の最大外径。

条件式（４）を満足することで、光源装置の小型化、低コスト化を図りつつ、光の変換効率を向上させることができる。条件式（４）の下限を下回ると、レンズ外径が大きくなるため、光源装置の大型化、高コスト化が避けられなくなってしまう。条件式（４）の上限を上回ると、ある程度の光源装置の小型化、低コスト化が可能となるが、光の変換効率の低下を招いてしまう。

図１０に示すように、レーザ光源２１の複数の発光点、特にＳｍａｘを満足する２つの発光点は、単一の基板上に配置されていることが好ましい。これにより、複数の発光点を有するレーザ光源２１を簡易に構成することができる。

図２、図１０に示すように、レーザ光源２１は、二次元アレイ状に配列された複数の発光点を有している。図２に示すように、光源装置２０は、レーザ光源２１の複数の発光点に対応する複数のコリメータレンズ２２を有している。

本実施形態では、次の条件式（５）を満足することが好ましい。
（５）０．５＜Ｐｘ／Ｌ・ｔａｎθｘ＜２．０
但し、
θｘ：各発光点の発散角が最大となる方向をＸ方向としたときのＸ方向における各発光点の発散角、
Ｐｘ：各発光点の発散角が最大となる方向をＸ方向としたときのＸ方向における各発光点のピッチ、
Ｌ：各発光点（の出射面）と各コリメータレンズの間の距離。

図１２は、条件式（５）における各パラメータを概念的に説明するための図であって、発散角θｘ、ピッチＰｘ、距離Ｌを視覚的に認識できるように描いている。

条件式（５）を満足することで、レーザ光源２１の各発光点のプロファイル間距離が小さくなるため、全体でのプロファイルが密な状態となり、蛍光体上に縮小したときに均一なプロファイルを得られ、蛍光体変換効率を向上させることができる。

条件式（５）の上限を上回ると、レーザ光源２１の各発光点の距離が大きくなるため、各発光点のプロファイル間の距離が大きくなる。この場合、前述した通り、波長変換ユニットにおいて所望のスポットサイズとしたい場合に、縮小率が大きくなるため、各発光点の像が小さくなり、波長変換ユニットの集光密度が大きくなり、波長変換効率が低下してしまう。条件式（５）の下限を下回ると、波長変換ユニットで均一なプロファイルを得やすいが、隣接するコリメータレンズに各発光点からの光が入射し、消耗の方向ではない方向に光線の一部が進んでしまうため、迷光となるばかりか、光の変換効率が低下してしまう。

本実施形態では、次の条件式（６）を満足することが好ましい。
（６）１．６＜Ｎｄａｖｅ＜１．９
但し、
Ｎｄａｖｅ：第２の光学系が有する光学素子のｄ線における屈折率の平均値。

条件式（６）は、第２の光学系２６が有する光学素子（ここでは正レンズ２６Ａと正レンズ２６Ｂ）の屈折率の最適範囲を規定している。条件式（６）を満足することで、光源光学系の光の変換効率を向上させるとともに、光源光学系の小型化を図ることができる。

条件式（６）の上限を上回ると、短波長側の透過率が下がるため、励起光の透過率が低下して、光源光学系の光の変換効率が低下してしまう。条件式（６）の下限を下回ると、レンズの肉厚等が大きくなるため、光源光学系が大型化してしまう。また、収差の増大により、スポットが均一化されないため、波長変換ユニットの励起光の集光密度が高くなり、蛍光の変換効率が落ちてしまう。

表１１に、第１実施形態～第５実施形態についての条件式（１）～条件式（６）の対応数値を示す。表１１に示す通り、第１実施形態～第５実施形態は、条件式（１）～条件式（６）を満足している。

図１３Ａ～図１３Ｇは、第１実施形態～第５実施形態及び比較例１、２における光のスポット形状を示す図である。比較例１、２は、本実施形態の構成要件であるレンズ構成、又は、条件式（１）～条件式（６）の一部若しくは全部を満足しないものである。図１３Ａ～図１３Ｇは、１Ｗの励起光を照射した場合の光のスポット形状を示している。

図１３Ａは、第１実施形態における光のスポット形状を示す図であり、全体的に均一なスポット形状が得られている。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は０．８４Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等の発生を抑え、効率よく蛍光光を得ることができている。

図１３Ｂは、第２実施形態における光のスポット形状を示す図であり、全体的に均一なスポット形状が得られている。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は０．９２Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等の発生を抑え、効率よく蛍光光を得ることができている。

図１３Ｃは、第３実施形態における光のスポット形状を示す図であり、全体的に均一なスポット形状が得られている。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は１．２１Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等の発生を抑え、効率よく蛍光光を得ることができている。

図１３Ｄは、第４実施形態における光のスポット形状を示す図であり、全体的に均一なスポット形状が得られている。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は１．３６Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等の発生を抑え、効率よく蛍光光を得ることができている。

図１３Ｅは、第５実施形態における光のスポット形状を示す図であり、全体的に均一なスポット形状が得られている。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は１．４９Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等の発生を抑え、効率よく蛍光光を得ることができている。

図１３Ｆは、比較例１における光のスポット形状を示す図であり、スポットが中央部に局所的に集まって密度が高くなっていることがわかる。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は２．０Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等が発生するおそれが高くなってしまう。

図１３Ｇは、比較例２における光のスポット形状を示す図であり、スポットが中央部に局所的に集まって密度が高くなっていることがわかる。また、光源として１Ｗのエネルギーの光を入れた場合の蛍光体上の最大エネルギー密度は１．７５Ｗ／ｍｍ^２となり、焼け等が発生するおそれが高くなってしまう。

≪第６実施形態≫
図１４、図１５を参照して第６実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第６実施形態では、第１実施形態において、偏光ビームスプリッタ２４と第２の光学系２６の間にあった１／４波長板２５を省略して、蛍光体ホイール２７を挟んだ第２の光学系２６の反対側に、コリメータレンズ８０と、１／４波長板８１と、反射面８２とを設けている。また、蛍光体ホイール２７の構成が第１実施形態とは異なっている。

図１５は、第６実施形態による蛍光体ホイール２７の詳細構造を示す図である。第６実施形態の蛍光体ホイール２７は、第１実施形態の励起光反射領域２７Ｅに代えて、励起光透過領域２７Ｆを有している。励起光透過領域２７Ｆは、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの波長領域の光を透過する特性を有している。励起光透過領域２７Ｆには、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの反射を防止する反射防止コート（ＡＲコート、透過面）２７Ｆ１が施されている。

蛍光体ホイール２７の励起光透過領域２７Ｆを透過した励起光Ｂは、コリメータレンズ８０で平行光とされ、１／４波長板８１によって円偏光に変換され、反射面８２で反射されて逆向きの円偏光となる。その後、励起光Ｂは、１／４波長板８１でＰ偏光に変換され、コリメータレンズ８０、第２の光学系２６、偏光ビームスプリッタ２４を透過して、集光レンズ２８を通してカラーホイール２９に入射する。

第６実施形態では、コリメータレンズ８０を用いて励起光Ｂを平行光とする場合を例示して説明したが、角度依存性のない１／４波長板を用いて、コリメータレンズを省略する態様も可能である。また、コリメータレンズ８０と１／４波長板８１と反射面８２が光学的に接している構成を例示して説明したが、これらが光学的に離間していてもよい。

第１実施形態と第６実施形態に示すように、蛍光体ホイール２７は、励起光Ｂ（第１の色光）を蛍光光Ｙ（第２の色光）に変換する波長変換領域（蛍光領域２７Ｄ）と、励起光Ｂ（第１の色光）を透過又は反射する透過反射領域（励起光反射領域２７Ｅ、励起光透過領域２７Ｆ）とを有している。これにより、蛍光体ホイール２７において、励起光Ｂ（第１の色光）と蛍光光Ｙ（第２の色光）を切り替えられるので、光源装置２０（光源光学系）の構成の簡素化と小型化を図ることができる。

≪第７実施形態≫
図１６を参照して第７実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第７実施形態は、次の点において第１実施形態と異なっている。すなわち、レーザ光源２１から出射される励起光ＢがＰ偏光であり、偏光ビームスプリッタ２４が、第１の光学系２３から導かれたＰ偏光の励起光Ｂを透過する一方、１／４波長板２５と第２の光学系２６と蛍光体ホイール２７からのＳ偏光に変換された励起光Ｂと蛍光光Ｙを反射するような特性を有している。

≪第８実施形態≫
図１７、図１８を参照して第８実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第８実施形態では、第１実施形態において、集光レンズ２８とカラーホイール２９を省略するとともに、蛍光体ホイール２７の構成を異ならせている。

図１８は、第８実施形態による蛍光体ホイール２７の詳細構造を示す図である。第８実施形態の蛍光体ホイール２７は、第１実施形態のように周方向に蛍光領域２７Ｄと励起光反射領域２７Ｅに分割されておらず、周方向の全周に亘る蛍光領域（波長変換領域）２７Ｇが設けられる。

蛍光領域２７Ｇは、下層側から上層側に向かって順に、第１の反射コート２７Ｇ１と、蛍光体層２７Ｇ２と、第２の反射コート２７Ｇ３とを積層して構成されている。

第１の反射コート２７Ｇ１は、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの波長領域の光と、蛍光体層２７Ｇ２による蛍光光（発光光）の波長領域の光とを反射する特性を有している。

蛍光体層２７Ｇ２は、例えば、蛍光体材料を有機・無機のバインダ内に分散させたもの、蛍光体材料の結晶を直接形成したもの、Ｃｅ：ＹＡＧ系などの希土類蛍光体を用いることができる。蛍光体層２７Ｄ２による蛍光光（発光光）の波長帯域は、例えば、黄色とすることで、励起光の青色と組み合わせることで白色光を得ることができる。

第２の反射コート２７Ｇ３は、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの一部分を反射する一方、第２の光学系２６から導かれた励起光Ｂの他部分と蛍光体層２７Ｄ２による蛍光光（発光光）を透過する特性を有している。

ここで、蛍光体層２７Ｇ２は、励起光（第１の色光）Ｂを蛍光光（第２の色光）Ｙに変換する「波長変換領域」を構成している。また、第２の反射コート２７Ｇ３は、蛍光体層２７Ｇ２（波長変換領域）の入射面側に設けられて励起光（第１の色光）Ｂの一部を反射する「コート層」を構成している。これにより、時分割でない白色光源を実現することができる。

蛍光体ホイール２７の第２の反射コート２７Ｇ３で反射された励起光Ｂは、逆向きの円偏光となり、再び第２の光学系２６と１／４波長板２５を通過し、Ｐ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換された励起光Ｂは、偏光ビームスプリッタ２４を透過して、光均一化素子３０に入射する。一方、蛍光体ホイール２７の第２の反射コート２７Ｇ３を透過した励起光Ｂは、蛍光体層２７Ｇ２で蛍光光Ｙに変換され、第１の反射コート２７Ｇ１で反射される。この蛍光光Ｙは、第２の光学系２６により略平行光とされ、１／４波長板２５を通過し、偏光ビームスプリッタ２４を透過して、光均一化素子３０に入射する。

≪第９実施形態≫
図１９、図２０を参照して第９実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第９実施形態では、第１実施形態において、偏光ビームスプリッタ２４、１／４波長板２５、集光レンズ２８及びカラーホイール２９を省略している。また、偏光ビームスプリッタ２４があった位置にダイクロイックミラー９０を設けている。さらに、ダイクロイックミラー９０を挟んだ第１の光学系２３と反対側に、青色光源９１と、コリメータレンズ９２と、第３の光学系９３を設けている。

青色光源９１は、複数の光源（固体光源）を有している。青色光源９１の各光源は、励起光Ｂとは別の青色波長域の光（青色レーザ光）を出射する。コリメータレンズ９２は、青色光源９１の複数の光源に対応して複数設けられている。図１９では、上下方向に並ぶ各３個の青色光源９１とコリメータレンズ９２を描いているが、青色光源９１とコリメータレンズ９２のセットは、紙面直交方向（奥行方向）に複数列に亘って配置されていてもよい（二次元配列されていてもよい）。コリメータレンズ９２は、青色光源９１の各光源が出射した青色レーザ光を平行光となるように調整する。青色光源９１とコリメータレンズ９２の数は、適宜、増減することができる。第３の光学系９３は、両凸形状の正レンズ９３Ａと、両凹形状の負レンズ９３Ｂとを有しており、青色光源９１とコリメータレンズ９２による青色レーザ光を通過してダイクロイックミラー９０に導く。なお、青色光源９１は、レーザ光源以外にも、例えば発光ダイオードを用いてもよい。

ダイクロイックミラー９０は、第１の光学系２３から導かれた励起光Ｂを第２の光学系２６に向けて反射し、第３の光学系９３から導かれた青色レーザ光を光均一化素子３０に向けて反射する。また、ダイクロイックミラー９０は、蛍光体ホイール２７からの蛍光光を光均一化素子３０に向けて透過する。ダイクロイックミラー９０で反射された励起光Ｂは、第２の光学系２６を通って蛍光体ホイール２７に入射する。

図２０は、第９実施形態による蛍光体ホイール２７の詳細構造を示す図である。第９実施形態の蛍光体ホイール２７は、第１実施形態のように周方向に蛍光領域２７Ｄと励起光反射領域２７Ｅに分割されておらず、周方向の全周に亘る蛍光領域（波長変換領域）２７Ｈが設けられる。

蛍光領域２７Ｈは、下層側から上層側に向かって順に、反射コート２７Ｈ１と、蛍光体層２７Ｈ２と、反射防止コート（ＡＲコート）２７Ｈ３とを積層して構成されている。

反射コート２７Ｈ１は、蛍光体層２７Ｈ２による蛍光光（発光光）の波長領域の光を反射する特性を有している。円盤部材２７Ａを反射率が高い金属基板で構成した場合には、反射コート２７Ｈ１を省略することも可能である（円盤部材２７Ａに反射コート２７Ｈ１の機能を持たせることも可能である）。

蛍光体層２７Ｈ２としては、例えば、蛍光体材料を有機・無機のバインダ内に分散させたもの、蛍光体材料の結晶を直接形成したもの、Ｃｅ：ＹＡＧ系などの希土類蛍光体を用いることができる。蛍光体層２７Ｈ２による蛍光光（発光光）の波長帯域は、例えば、青色光源９１の各光源が出射した青色レーザ光と組み合わせることで白色光が得られる。

反射防止コート２７Ｈ３は、蛍光体層２７Ｈ２における光の反射を防止する特性を有している。

蛍光体ホイール２７の蛍光領域２７Ｈに入射した励起光Ｂは蛍光光Ｙに変換されて出射される。この蛍光光Ｙは、第２の光学系２６により略平行光とされ、ダイクロイックミラー９０を透過して、光均一化素子３０に入射する。一方、色光源９１の各光源が出射した青色レーザ光は、コリメータレンズ９２で平行光とされ、第３の光学系９３を通って、ダイクロイックミラー９０で反射されることにより、光均一化素子３０に入射する。

≪第１０実施形態≫
図２１、図２２を参照して第１０実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第１０実施形態では、第１実施形態において、偏光ビームスプリッタ２４と第２の光学系２６の間にあった１／４波長板２５を省略するとともに、偏光ビームスプリッタ２４があった位置にダイクロイックミラー１００を設けている。さらに、第１の光学系２３の光軸Ｘと第２の光学系２６の光軸Ｙとを光軸と垂直な方向に偏心させている。これにより、第１の光学系２３から出射された励起光Ｂが、第２の光学系２６の片側（図２１における光軸Ｙを挟んだ下側）から入射する。ここで、第１０実施形態において、第１の光学系２３の光軸Ｘと第２の光学系２６の光軸Ｙを一致させた場合の光の振る舞いは、第１実施形態と同様である。

第１実施形態では、偏光方向（Ｓ偏光、Ｐ偏光）を規定していたが、第１０実施形態では、どの方向に配置してもよい。レーザ光源２１より出射した光がコリメータレンズ２２によってそれぞれ平行光束にされた後、第１の光学系２３を通り、励起光Ｂを反射し、蛍光光Ｙを透過させるダイクロイックミラー１００により反射され、第２の光学系２６に導かれる。第１の光学系２３が第２の光学系２６に対して偏心されるように配置することにより、励起光Ｂは第２の光学系２６の片側より入射し、蛍光体ホイール２７に対して斜めに入射される。蛍光ホイール２７の蛍光領域２７Ｄに入射した励起光Ｂは蛍光光Ｙに変換され、第１実施形態と同様の光路を通って光均一化素子３０に導かれる。

一方、蛍光体ホイール２７の励起光反射領域２７Ｅに入射した励起光Ｂは正反射されるため、図２２に示すように、第２の光学系２６に入射した側（図２２中の左側）と反対側（図２２中の右側）を通って第２の光学系２６より出射される。第２の光学系２６から出射された励起光Ｂはダイクロイックミラー１００を通らずに、集光レンズ２８に入射し、カラーホイール２９、光均一化素子３０に導かれる。

第１０実施形態では、蛍光体ホイール２７の励起光反射領域２７Ｅで反射された励起光Ｂがダイクロイックミラー１００を通らない構成を示したが、ダイクロイックミラー１００を大きくし、半分の面のコートは励起光Ｂを反射し、蛍光光Ｙを透過する特性とし、残りの半分を励起光Ｂ、蛍光光Ｙを透過する特性を有したダイクロイックミラー１００を利用することも可能である。

≪第１１実施形態≫
図２３を参照して第１１実施形態によるプロジェクタ１について詳細に説明する。第１０実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第１１実施形態では、第１０実施形態において、レーザ光源２１とコリメータレンズ２２のセットに加えて、その下方に位置するレーザ光源２１Ｘとコリメータレンズ２２Ｘのセットを有している。レーザ光源２１とコリメータレンズ２２のセット、及び、レーザ光源２１Ｘとコリメータレンズ２２Ｘのセットは、ともに、Ｐ偏光の励起光Ｂを出射する。

光源装置２０は、レーザ光源２１とコリメータレンズ２２のセット、及び、レーザ光源２１Ｘとコリメータレンズ２２Ｘのセットが出射した励起光Ｂを合成して、第１の光学系２３に出射する合成光学系１１０を有している。

合成光学系１１０は、１／２波長板１１２と、反射ミラー１１４と、偏光ビームスプリッタ１１６とを有している。

１／２波長板１１２は、レーザ光源２１Ｘとコリメータレンズ２２Ｘのセットが出射した励起光ＢをＰ偏光からＳ偏光に変換する。

反射ミラー１１４は、１／２波長板１１２でＳ偏光に変換された励起光Ｂを偏光ビームスプリッタ１１６に向けて反射する。

偏光ビームスプリッタ１１６は、Ｓ偏光の励起光Ｂを反射する一方、Ｐ偏光の励起光Ｂを透過する特性を有している。偏光ビームスプリッタ１１６は、レーザ光源２１とコリメータレンズ２２のセットが出射したＰ偏光の励起光Ｂを透過して、第１の光学系２３に導く。偏光ビームスプリッタ１１６は、反射ミラー１１４が反射したＳ偏光の励起光Ｂを反射して、第１の光学系２３に導く。このようにして、Ｐ偏光とＳ偏光の励起光Ｂが合成されて、第１の光学系２３に入射する。

レーザ光源２１とレーザ光源２１Ｘは、それぞれ、独立した基板上に形成されており、レーザ光源２１の発光点のうち任意の２つの発光点の距離が最大となる距離をＳｍａｘ１、レーザ光源２１Ｘの発光点のうち任意の２つの発光点の距離が最大となる距離をＳｍａｘ２としたときに、Ｓｍａｘ１とＳｍａｘ２のうち大きい方をＳｍａｘとすることができる。例えば、レーザ光源２１とレーザ光源２１Ｘとして同一の光源アレイを用いた場合、Ｓｍａｘ１＝Ｓｍａｘ２＝Ｓｍａｘが成立する。

なお、ここでは、レーザ光源２１とコリメータレンズ２２のセット、及び、レーザ光源２１Ｘとコリメータレンズ２２Ｘのセットが、ともに、Ｐ偏光の励起光Ｂを出射する場合を例示して説明したが、Ｓ偏光の励起光Ｂを出射してもよい。また、偏光ビームスプリッタ１１６を用いて励起光Ｂを合成する場合を例示して説明したが、櫛歯ミラー等を用いて励起光Ｂを合成することも可能である。

なお、上述した各実施形態では、本発明の好適な実施具体例を示したが、本発明はその内容に限定されることはない。特に、各実施形態で例示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例にすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。このように、本発明は、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

１ プロジェクタ（画像投射装置）
１０ 筐体
２０ 光源装置
２１ レーザ光源（励起光源）
２１Ｘ レーザ光源（励起光源）
２２ コリメータレンズ（光源光学系）
２２Ｘ コリメータレンズ（光源光学系）
２３ 第１の光学系（光源光学系）
２３Ａ 正レンズ（正のパワーを有する光学要素）
２３Ｂ 負レンズ（負のパワーを有する光学要素）
２４ 偏光ビームスプリッタ（光源光学系、反射面）
２５ １／４波長板（光源光学系）
２６ 第２の光学系（光源光学系）
２６Ａ 正レンズ（正のパワーを有する光学要素）
２６Ｂ 正レンズ（正のパワーを有する光学要素）
２７ 蛍光体ホイール（光源光学系、波長変換ユニット、蛍光体ユニット）
２７Ａ 円盤部材（基板）
２７Ｂ 回転軸
２７Ｃ 駆動モータ（駆動部材）
２７Ｄ 蛍光領域（波長変換領域）
２７Ｄ１ 反射コート
２７Ｄ２ 蛍光体層
２７Ｄ３ 反射防止コート（ＡＲコート）
２７Ｅ 励起光反射領域
２７Ｅ１ 反射コート（反射面）
２７Ｆ 励起光透過領域
２７Ｆ１ 反射防止コート（ＡＲコート、透過面）
２７Ｇ 蛍光領域（波長変換領域）
２７Ｇ１ 第１の反射コート
２７Ｇ２ 蛍光体層（波長変換領域）
２７Ｇ３ 第２の反射コート（コート層）
２７Ｈ 蛍光領域（波長変換領域）
２７Ｈ１ 反射コート
２７Ｈ２ 蛍光体層
２７Ｈ３ 反射防止コート（ＡＲコート）
２８ 集光レンズ（光源光学系）
２９ カラーホイール（光源光学系）
３０ 光均一化素子
４０ 照明光学系
５０ 画像形成素子（画像表示素子）
６０ 投射光学系
７０ スクリーン
８０ コリメータレンズ
８１ １／４波長板
８２ 反射面
９０ ダイクロイックミラー（光源光学系）
９１ 青色光源（光源光学系）
９２ コリメータレンズ（光源光学系）
９３ 第３の光学系（光源光学系）
１００ ダイクロイックミラー
１１０ 合成光学系
１１２ １／２波長板
１１４ 反射ミラー
１１６ 偏光ビームスプリッタ

Claims (16)

1. 第１の色光を出射する励起光源と用いられる光源光学系であって、
   前記励起光源から出射された前記第１の色光が入射して前記第１の色光とは波長の異なる第２の色光を出射する波長変換ユニットと、
   前記励起光源と前記波長変換ユニットの間の光路上に設けられた第１、第２の光学系と、
   前記励起光源と前記波長変換ユニットの間の光路上に位置する反射面と、
   を有しており、
   前記第１の光学系は、前記励起光源と前記反射面の間に配置されており、
   前記第２の光学系は、前記反射面と前記波長変換ユニットの間に配置されており、
   前記第１の光学系は、少なくとも１つの負のパワーを有する光学素子を有しており、
   前記第２の光学系は、全体として正のパワーを有しており、
   前記第１の光学系は、前記第１の光学系の光軸に平行な光線が入射したとき、前記第１の光学系から出射される光線が前記光軸に角度をなして近付きながら前記第２の光学系に入射するような光学特性を有し、前記第２の光学系に入射した光の集光点が、前記第２の光学系の内部に形成され、
   次の条件式（１）を満足する、
   ことを特徴とする光源光学系。
   （１）１．８＜｜Ｆｎ／Ｆ２｜＜５．０
   但し、
   Ｆｎ：前記第１の光学系の負のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離、
   Ｆ２：前記第２の光学系のｄ線における焦点距離。
2. 前記第１の光学系は、少なくとも１つの正のパワーを有する光学素子を有しており、
   次の条件式（２）を満足する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源光学系。
   （２）１．５＜｜Ｆｐ／Ｆｎ｜＜２．４
   但し、
   Ｆｐ：前記第１の光学系の正のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離、
   Ｆｎ：前記第１の光学系の負のパワーを有する光学素子のｄ線における焦点距離。
3. 前記波長変換ユニットは、前記第１の色光を前記第２の色光に変換する波長変換領域と、前記第１の色光を透過又は反射する透過反射領域とを有している、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源光学系。
4. 前記波長変換ユニットは、前記第１の色光を前記第２の色光に変換する波長変換領域と、前記波長変換領域の入射面側に設けられて前記第１の色光の一部を反射するコート層とを有している、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源光学系。
5. 前記波長変換ユニットに接続されて、前記波長変換ユニット上における前記第１の色光の照射位置が時間とともに移動するように駆動される駆動部材をさらに有している、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源光学系。
6. 前記励起光源と前記第２の光学系の間の光路上に位置する反射面をさらに有しており、前記反射面は、前記第１の色光と前記第２の色光の一方を反射して他方を透過する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光源光学系。
7. 次の条件式（６）を満足する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光源光学系。
   （６）１．６＜Ｎｄａｖｅ＜１．９
   但し、
   Ｎｄａｖｅ：前記第２の光学系が有する光学素子のｄ線における屈折率の平均値。
8. 前記第１の光学系と前記第２の光学系は、前記第１の光学系の光軸と前記第２の光学系の光軸が偏心するように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の光源光学系。
9. 前記第１の光学系と前記第２の光学系が有する光学素子は、レンズである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の光源光学系。
10. 前記第１の光学系は、前記第２の色光の５０％以上が通過せず、
    前記第２の光学系は、前記第２の色光の５０％以上が通過する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の光源光学系。
11. 前記励起光源と、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光源光学系と、
    を有することを特徴とする光源装置。
12. 前記励起光源は、二次元アレイ状に配列された複数の発光点を有しており、
    次の条件式（３）を満足する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
    （３）Ｓｍａｘ／ＤＬ＜２．０
    但し、
    Ｓｍａｘ：前記複数の発光点のうちの２つの発光点の間の最大距離、
    ＤＬ：前記第２の光学系のうちの前記第１の光学系の側の光学素子の外径。
13. 前記励起光源は、二次元アレイ状に配列された複数の発光点を有しており、
    次の条件式（４）を満足する、
    ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の光源装置。
    （４）０．５＜Ｓｍａｘ／ＤＬｍａｘ＜１．０
    但し、
    Ｓｍａｘ：前記複数の発光点のうちの２つの発光点の間の最大距離、
    ＤＬｍａｘ：前記第１の光学系と前記第２の光学系のうちの光学素子の最大外径。
14. 前記Ｓｍａｘを満足する２つの発光点は、単一の基板上に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の光源装置。
15. 前記励起光源は、二次元アレイ状に配列された複数の発光点を有しており、
    前記複数の発光点に対応する複数のコリメータレンズをさらに有しており、
    次の条件式（５）を満足する、
    ことを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれかに記載の光源装置。
    （５）０．５＜Ｐｘ／Ｌ・ｔａｎθｘ＜２．０
    但し、
    θｘ：各発光点の発散角が最大となる方向をＸ方向としたときのＸ方向における各発光点の発散角、
    Ｐｘ：各発光点の発散角が最大となる方向をＸ方向としたときのＸ方向における各発光点のピッチ、
    Ｌ：各発光点と各コリメータレンズの間の距離。
16. 前記励起光源と、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光源光学系と、
    前記光源光学系からの光を変調して画像を形成する画像表示素子と、
    前記画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、
    を有することを特徴とする画像投射装置。

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