KR101297890B1

KR101297890B1 - 광원 장치 및 프로젝터

Info

Publication number: KR101297890B1
Application number: KR1020110124996A
Authority: KR
Inventors: 고이치 아키야마
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-08-19
Also published as: CN102478754A; EP2458437A1; CN102478754B; US9810977B2; EP2458437B1; KR20120058421A; TW201224632A; TWI446092B; JP5699568B2; US20120133904A1; JP2012118110A

Abstract

(과제) 발광 소자에 있어서 광포화에 의한 발광 효율의 저하를 억제하고, 안정적으로 강한 광을 사출하는 것이 가능한 광원 장치를 제공한다.
(해결 수단) 여기광을 사출하는 광원부와, 여기광을 복수의 부분 광선속으로 분할하는 렌즈 어레이와, 복수의 부분 광선속으로 분할된 여기광을 집광하는 집광 광학계와, 집광된 여기광에 의해 여기되어 형광을 발하는 발광 소자를 구비한다.

Description

광원 장치 및 프로젝터{LIGHT SOURCE DEVICE AND PROJECTOR}

본 발명은 광원 장치 및 프로젝터에 관한 것이다.

종래, 프로젝터에 있어서는, 광원으로서 초고압 수은 램프 등의 방전 램프가 이용되는 것이 일반적이었다. 그런데, 이 종류의 방전 램프는, 수명이 비교적 짧고, 순간 점등이 어렵고, 램프로부터 방사되는 자외선이 액정 라이트 밸브를 열화시키는 등의 과제가 있다. 그래서, 방전 램프를 대신하는 방식의 광원을 이용한 프로젝터가 제안되어 있다.

예컨대, 특허 문헌 1에서 제안되어 있는 프로젝터에서는, 형광체에 외부로부터 여기광을 입사시켜, 얻어지는 발광광(형광)을 사출시키는 광원이 이용되고 있다. 자세하게는 특허 문헌 1에서는, 형광체의 가시광 방사 방향 단면의 면적 총합이, 여기광 발광 단면의 면적 총합보다 작게 설정되어 있어, 여기광의 광원을 직접 이용하는 것보다, 더욱 작은 면적으로부터 강한 광을 발할 수 있는 광원으로서 제안되어 있다. 이 구조에 의해, 광이용 효율이 높고, 낮은 비용 낮은 소비 전력의 밝은 프로젝터가 실현 가능하다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2004-327361호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 광원에서는, 형광체에 광을 너무 집중시키면, 다음과 같은 이유에 의해 발광량이 저하되어 버린다.

즉, 여기광의 강도가 크면, 형광체 분자의 안에서 여기되는 전자의 비율이 증가하여, 여기할 수 있는 전자(기저 상태의 전자)가 감소하기 때문에, 여기광의 광량에 따른 발광을 할 수 없게 되는, 이른바 광포화 현상이 발생한다. 이에 의해, 발광 효율(여기광의 입사 광량에 대한 형광체의 발광량의 비율)이 저하되어 버린다. 그 때문에, 상기 특허 문헌 1과 같은 광원을 이용하여, 강한 광을 얻고자 하여 여기광량을 증가시켰다고 해도, 소망하는 광량을 얻는 것이 어려웠다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 발광 효율의 저하를 억제하고, 강한(광량이 많은) 광을 사출하는 것이 가능한 광원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이러한 광원 장치를 갖고, 고품질 화상 표시가 가능한 프로젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자는, 상기 과제에 대하여 예의 검토를 거듭한 결과, 상술한 광포화 현상을 고려하면, 여기광의 광강도는 조사 영역 내에서 가능한 한 균일하게 되어 있으면 좋다고 하는 생각에 이르렀다. 왜냐하면, 형광체로부터 가능한 한 많은 광량의 형광을 발하도록 여기광을 조사하는 경우, 여기광의 광량이 균일하지 않으면, 형광체에 여기광을 조사한 면의 전체로부터 양호하게 형광을 사출시킬 수 없기 때문이다.

한편으로, 형광체를 양호하게 발광시키기 위한 여기광의 광원으로서는, 통상, 레이저 광원과 같은 고체 광원이 이용되고, 또한, 광량을 증가시키기 위해 복수의 고체 광원을 이용한 고체 광원 어레이가 이용된다. 그러나, 고체 광원 어레이를 이용하면, 각 고체 광원으로부터 사출되는 광의 광선축이 각각 이간하고 있어, 고체 광원 어레이 전체적으로는, 사출되는 여기광의 광선속(pencil of light ray) 내에, 각 고체 광원에 대응한 광선축 근방에서는 밝고, 각 고체 광원 사이의 영역에 대응한 부분에서는 어둡다고 하는, 광량의 불균일이 생기고 있었다. 그 때문에, 형광체에 광포화가 생기게 하지 않고, 또한 형광체의 전면으로부터 형광을 사출시킨다고 하는 효율적인 발광이 곤란하게 되고 있었다.

그래서, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 광원 장치는, 여기광을 사출하는 복수의 고체 광원을 포함하고, 상기 여기광을 평행한 광선속으로서 사출하는 광원부와, 상기 여기광을 복수의 부분 광선속으로 분할하는 렌즈 어레이와, 상기 복수의 부분 광선속으로 분할된 상기 여기광을 집광하는 집광 광학계와, 집광된 상기 여기광에 의해 여기되어 형광을 발하는 발광 소자를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면 복수의 고체 광원으로부터 사출되어, 이산적인 광강도 분포를 갖는 여기광이, 렌즈 어레이와 집광 광학계를 거치는 것에 의해 발광 소자상에서 중첩되어, 광강도 분포가 평균화된다. 그 때문에, 발광 소자 전체에 똑같은 광강도로 여기광을 조사하는 것이 가능해져, 여기광을 조사한 영역 내에서 광포화가 생기지 않도록 광량을 제어하는 것이 용이하게 된다. 따라서, 발광 효율의 저하를 용이하게 억제하고, 안정하게 강한 광을 사출하는 것이 가능한 광원 장치로 할 수 있다.

첫 번째로, 본 발명에 있어서는, 상기 집광 광학계는, 상기 렌즈 어레이와 쌍이 되고, 상기 부분 광선속이 입사하는 제 2 렌즈 어레이와, 상기 제 2 렌즈 어레이로부터 사출되는 상기 부분 광선속을 상기 발광 소자상에서 중첩시키는 중첩 광학계를 갖고, 상기 렌즈 어레이의 렌즈면과, 상기 발광 소자의 광조사면이, 상기 집광 광학계를 사이에 두고 공역 관계에 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 복수의 부분 광선속이 발광 소자의 광조사면상에서 양호하게 중첩되기 때문에, 광강도 분포를 평균화하기 쉽고, 발광 소자의 광포화가 생기지 않도록 광량을 제어하는 것이 용이하게 된다.

본 발명에 있어서는, 상기 렌즈 어레이를 구성하는 복수의 소형 렌즈의 평면에서 본 형상은, 상기 광조사면의 평면에서 본 형상과 상사형이며, 상기 광조사면의 평면에서 본 면적과, 상기 광조사면과 같은 공간 위치에 있어서 상기 광조사면과 평행한 평면을 조사하는 상기 여기광의 조사 면적이 대략 같은 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 여기광을 발광 소자에 온전하게 조사할 수 있기 때문에, 투입하는 여기광량에 대한 추출하는 형광량을 최대화할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 광원부는, 상기 복수의 고체 광원으로부터 사출된 상기 여기광을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈로부터 사출되는 상기 여기광을 평행화하는 평행화 렌즈를 갖고, 상기 평행화 렌즈는, 입사면 또는 사출면 중 어느 한쪽에, 회전 2차 곡면 형상의 오목면을 갖는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 렌즈 어레이에 입사하는 여기광의 평행도를 향상시킬 수 있기 때문에, 렌즈 어레이 및 집광 광학계를 이용한 여기광의 평균화를 설계한대로 제어하기 쉽고, 발광 효율의 저하를 용이하게 억제할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 평행화 렌즈는, 상기 입사면이 구면 형상의 볼록면이며, 상기 사출면이 상기 오목면인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 렌즈 어레이에 입사하는 여기광에, 평행화 렌즈를 투과하는 것에 따른 강도 분포가 발생되기 어렵고, 렌즈 어레이 및 집광 광학계를 이용한 여기광의 평균화를 행하기 쉽다. 그 때문에, 광포화를 억제하여 발광 소자에 발광시키는 것이 용이하게 된다.

두 번째로, 본 발명에 있어서는, 상기 발광 소자는, 광조사면이 상기 집광 광학계의 초점 위치에 겹쳐 마련되고, 상기 렌즈 어레이와 상기 집광 광학계를 양단으로 하는 인티그레이트(integrate) 광학계는, 상기 광조사면과 공역하는 면이 무한대(infinity)로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 집광 광학계와 렌즈 어레이의 상대 위치를 정교하고 치밀하게 설정하지 않더라도, 집광 광학계와 발광 소자의 상대 위치를 설정함으로써, 발광 소자로의 여기광을 중첩시킬 수 있다. 또한, 초점 위치에 있어서는 여기광이 결상되지 않고 있기 때문에, 여기광의 상이 흐릿해져 광강도를 평균화하기 쉽다. 그 때문에, 발광 소자에 있어서 광포화가 생기지 않도록 광량을 제어하는 것이 용이하게 된다.

본 발명에 있어서는, 상기 렌즈 어레이를 구성하는 복수의 소형 렌즈의 평면에서 본 형상은, 상기 발광 소자의 광조사면의 평면에서 본 형상과 상사형이며, 상기 발광 소자의 광조사면의 평면에서 본 면적은, 상기 인티그레이트 광학계의 사출동공(exit pupil)의 크기와 대략 같은 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 상기 평행화 렌즈는, 상기 입사면이 상기 오목면이며, 상기 사출면이 평면인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 평행화 렌즈를 투과하는 여기광의 평행도를 보다 향상시킬 수 있기 때문에, 렌즈 어레이 및 집광 광학계를 이용한 여기광의 평균화를 행하기 쉽고, 광포화를 억제하여 발광 소자에 발광시키는 것이 용이하게 된다.

본 발명에 있어서는, 상기 오목면은, 상기 오목면과 상기 광선속의 중심축의 교점을 원점, 상기 중심축을 Z축, 상기 중심축과 직교하는 축을 r축으로 한 rθZ 원주 좌표계에서의 좌표값을 r 및 Z로 하고, 근축곡률을 c로 하고, 원뿔상수(conic constant)를 K로 했을 때, 이하의 식 (1)에 의해 나타나는 형상인 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 오목면의 형상을 용이하게 결정할 수 있다. 또한, 이 식에 근거하여 결정된 비구면을 갖는 렌즈를 이용하면, 구면 수차를 작게 할 수 있기 때문에, 광원 장치로부터 사출되는 광의 평행도를 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 프로젝터는, 상술한 광원 장치와, 상기 광원 장치로부터 사출되는 광을 변조하는 광변조 소자와, 상기 광변조 소자에 의해 변조된 광을 투사하는 투사 광학계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 상술한 광원 장치를 갖기 때문에, 발광 소자에 있어서의 광포화 현상의 발생이 억제되는 것에 의해 광원 장치로부터 사출되는 광량이 안정되고, 밝기 불균일이 억제되어 고품질 화상 표시가 가능한 프로젝터를 제공할 수 있다.

도 1은 제 1 실시 형태의 광원 장치 및 프로젝터를 나타내는 모식도이다.
도 2는 제 1 실시 형태의 광원 장치에 포함되는 광원부의 정면도이다.
도 3은 광원 및 발광 소자의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 제 1 실시 형태의 광원 장치에 포함되는 광원부의 측면도이다.
도 5는 렌즈 인티그레이터에 입사한 여기광의 거동을 나타내는 설명도이다.
도 6은 여기광의 주광선에 직교하는 평면에 있어서의 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이다.
도 7은 편광 변환 소자의 개략 설명도이다.
도 8은 제 1 실시 형태의 광원 장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 9는 여기광의 주광선에 직교하는 평면에 있어서의 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이다.
도 10은 제 1 실시 형태의 광원 장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 11은 제 1 실시 형태의 광원 장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 12는 제 1 실시 형태의 광원 장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 13은 제 1 실시 형태의 광원 장치의 변형예를 나타내는 설명도이다.
도 14는 제 2 실시 형태의 광원 장치를 나타내는 모식도이다.
도 15는 렌즈 인티그레이터에 입사한 여기광의 거동을 나타내는 설명도이다.
도 16은 여기광의 주광선에 직교하는 평면에서의 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이다.

[제 1 실시 형태]

이하, 도 1~도 13을 참조하면서, 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 광원 장치 및 프로젝터에 대하여 설명한다. 또, 이하의 모든 도면에 있어서는, 도면을 보기 쉽게 하기 위해, 각 구성 요소의 치수나 비율 등은 적절히 다르게 하고 있다.

도 1은 본 실시 형태의 광원 장치(100) 및 프로젝터 PJ를 나타내는 모식도이다. 도면에 나타내는 바와 같이 프로젝터 PJ는, 광원 장치(100), 색분리 광학계(200), 액정 라이트 밸브(광변조 소자)(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B), 색합성 소자(500), 투사 광학계(600)를 포함하고 있다.

프로젝터 PJ는, 개략하면 이하와 같이 동작한다. 광원 장치(100)로부터 사출된 광은, 색분리 광학계(200)에 의해 복수의 색광으로 분리된다. 색분리 광학계(200)에 의해 분리된 복수의 색광은, 각각 대응하는 액정 라이트 밸브(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B)에 입사하여 변조된다. 액정 라이트 밸브(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B)에 의해 변조된 각 색광은, 색합성 소자(500)에 입사하여 합성된다. 색합성 소자(500)에 의해 합성된 광은, 투사 광학계(600)에 의해 벽이나 스크린등의 피투사면(700)에 확대 투사되어, 풀컬러의 투사 화상이 표시된다.

이하, 프로젝터 PJ의 각 구성 요소에 대하여 설명한다.

광원 장치(100)는, 청색광을 사출하는 2개의 광원(10B)(제 1 광원(10Ba), 제 2 광원(10Bb))을 갖고 있다.

광원 장치(100)는, 광원(10Ba)으로부터 사출되는 광의 광로를 따라 보면, 광원(10Ba), 콜리메이트 광학계(20), 렌즈 인티그레이터(30), 광파장 선택 광학계(40), 중첩 광학계(50), 발광 소자(60), 렌즈 어레이(120, 130), 편광 변환 소자(140), 중첩 렌즈(150)가 이 순서로 배치된 구성으로 되어 있다.

여기서, 광원(10Ba)과 콜리메이트 광학계(20)는, 본 발명에 있어서의 광원부를 구성한다. 또한, 렌즈 인티그레이터(30)에 포함되는 제 2 렌즈 어레이(34)와, 중첩 광학계(50)는, 본 발명에 있어서의 집광 광학계를 구성한다.

또한, 광원 장치(100)는, 광원(10Bb)으로부터 사출되는 광의 광로를 따라 보면, 광원(10Bb), 콜리메이터렌즈 어레이(22b), 집광 렌즈(70), 디퓨저(80), 평행화 렌즈(90), 광파장 선택 광학계(40), 렌즈 어레이(120, 130), 편광 변환 소자(140), 중첩 렌즈(150)가 이 순서로 배치된 구성으로 되어 있다.

이러한 구성을 갖는 광원 장치(100)에서는, 광원(10Ba)으로부터 사출되는 청색광은, 발광 소자(60)에 조사되어, 발광 소자(60)가 구비하는 형광체로부터 형광을 사출시키기 위한 여기광으로서 이용된다. 발광 소자(60)로부터 사출된 형광은, 광원(10Bb)으로부터 사출되는 청색광과 광로상에서 혼색되어, 액정 라이트 밸브의 조명광으로서 이용하는 백색광 L로서 광원 장치(100)로부터 사출된다.

이하, 우선 제 1 광원(10Ba)으로부터 사출되는 광의 거동에 대하여 설명하면서, 각 구성을 설명하고, 이어서, 제 2 광원(10Bb)으로부터 사출되는 광의 거동에 대하여 설명하면서, 각 구성을 설명한다.

도 2는 광원(10Ba)의 정면도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 광원(10Ba)은, 기대(基臺)(11)상에 레이저 광원(고체 광원)(12)이 5개×5개의 정방형 형상으로 2차원 배열(합계 25개)로 배열되어 있는 레이저 광원 어레이이다. 각 레이저 광원(12)은, 평면에서 보아 모서리가 둥근 직사각형을 이루고 있고, 장축 방향이 한 방향으로 향하도록 하여 배열하고 있다.

광원(10Ba)은, 발광 소자(60)가 구비하는 형광 물질을 여기시키는 여기광으로서, 청색(발광 강도의 피크 : 약 445㎚, 도 3(a) 참조)의 레이저광을 사출한다. 도 3(a)에 있어서, 부호 B로 나타내는 것은, 광원(10Ba)이 여기광으로서 사출하는 색광 성분이다. 또, 광원(10Ba)은, 도 2에 나타내는 레이저 광원 어레이가 아닌, 레이저 광원을 하나만 이용하는 것으로 하더라도 좋다. 또한, 후술하는 형광 물질을 여기시킬 수 있는 파장의 광이면, 445㎚ 이외의 피크 파장을 갖는 색광을 사출하는 광원이더라도 상관없다. 도 1에서는, 광원(10Ba)으로부터 사출되는 여기광을, 부호 B로 나타내고 있다.

도 4는 광원(10Ba)의 측면도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, 광원(10Ba)으로부터 출사된 여기광은, 콜리메이트 광학계(20)에 포함되는 제 1 콜리메이터 렌즈 어레이(22a)에서 평행화된다. 그 후, 집광 렌즈(24)에 의해 집광된 여기광의 광선은, 집광 렌즈(24)의 초점 F1의 방향으로 진행하여, 평행화 렌즈(26)에 의해 다시 평행화된다. 이러한 콜리메이트 광학계(20)를 투과함으로써, 여기광은, 광선속 전체의 폭이 좁혀진다.

여기서, 평행화 렌즈(26)는, 입사면(26a)이 구면 형상의 볼록면이며, 사출면(26b)가 비구면 형상의 오목면으로 되어 있다. 사출면(26b)의 형상을 더욱 구체적으로 설명하면, 평행화 렌즈(26)의 사출면(26b)의 비구면 형상은, 식 (2)의 관계를 거의 만족하는 형상으로 되어 있다. 즉, 사출면(26b)에서는, 사출면(26b)의 비구면 형상을 회전 2차 곡면 형상으로 하는 것에 의해, 평행도가 높은 광을 사출하는 것이 가능하게 되어 있다.

여기서, r, Z는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 평행화 렌즈(26)의 사출면(26b)과 여기광의 광선속의 중심축(10ax)의 교점을 원점 L0으로 하고, 중심축(10ax)에 축대칭인 rθZ 원주 좌표계에서의 좌표값이다. 또, 도 4에 있어서, Z 방향은, 여기광의 사출 방향을 정으로 하고 있다. r은, 원점 L0으로부터 의 중심축(10ax)에 직교하는 방향으로의 거리를 나타내고 있다. θ는, 소정의 r 방향으로부터의 각도를 나타내고 있지만, 식 (2)부터 알 수 있듯이, 비구면의 형상은 각도 θ에 의존하지 않는다.

또한, 식 (2) 중, 근축곡률 c는, 집광 렌즈(24)에 의해 집광된 여기광의 광선을, 구면 형상의 평요 렌즈(plano-concave lens)를 이용하여 평행광으로 변환한다고 가정한 경우의, 해당 구면의 곡률을 나타내고 있다. 즉, 근축 영역(회전축 부근의 영역)에서는, 이 곡률 c를 갖는 평요 렌즈를 이용하는 것에 의해, 집광 렌즈(24)에 의해 집광된 여기광의 광선을 평행광으로 변환할 수 있게 된다.

K는, 원뿔상수라고 불리는 값이다. 이 원뿔상수 K의 값에 의해, 회전 2차 곡면 형상은 특정한 형상으로 한정된다. 즉, 원뿔상수 K의 값이 -1<K<0인 경우에는, 비구면은 회전 타원면이 된다. 또한, 원뿔상수 K의 값이 K=-1인 경우에는, 비구면은 회전 포물면이 된다. 또한, 원뿔상수 K의 값이, K<-1인 경우에는, 비구면은 회전 쌍곡면이 된다.

또한, 좌변 제 3 항은, 일반 비구면항이라고 불리는 거리 r에 의존하는 함수이지만, 충분히 작은 값이기 때문에, 본 실시 형태에서는 무시하는 것으로 하고 있다.

본 실시 형태에 있어서의 평행화 렌즈(26)의 비구면의 회전 2차 곡면 형상은, 식 (2)의 좌변 제 3 항을 무시한 아래 식 (3)에 근거하여, 다음과 같은 방법에 의해 결정된다.

우선, 집광 렌즈(24)의 형상과, 평행화 렌즈(26)의 입사면(26a)의 곡률과, 평행화 렌즈(26)의 굴절률 n과, 평행화 렌즈(26)의 중심부의 두께와, 평행화 렌즈(26)의 설치 위치를 고려하여, 근축곡률 c의 값을 구한다.

구체적으로는, 우선, 집광 렌즈(24)의 형상, 및 평행화 렌즈(26)의 입사면(26a)의 곡률, 굴절률 n, 중심부의 두께, 설치 위치를 미리 정하여 놓는다. 또한, 평행화 렌즈(26)의 대신에, 입사면의 곡률, 굴절률, 중심부의 두께가 같고 또한 사출면이 구면 형상인 오목 렌즈를 상정한다. 그리고, 미리 결정된 형상과 같은 형상의 집광 렌즈에 대하여, 평행화 렌즈(26)의 설치 위치에 상기 오목 렌즈를 배치한 경우에, 근축 영역(회전축 부근의 영역)에서 투과광을 평행광으로 변환할 수 있는, 해당 오목 렌즈의 사출면의 곡률을 구한다.

이렇게 하여 구한 곡률의 값이, 사출면(26b)의 형상을 규정하는 상기 식 (3)에 있어서의 근축곡률 c가 된다. 여기서, 평행화 렌즈(26)의 입사면(26a)을 평면으로 하는 경우에는, 입사면(26a)의 곡률을 0으로 한다.

다음으로, 원뿔상수 K를 구한다. 본 실시 형태의 광원 장치(100)에 있어서, 원뿔상수 K는, 그 값을 변경하면서, 반복하여 식 (3)을 이용하여 시뮬레이션을 행하는 것에 의해, 평행광이 사출되는 조건으로 설정된다. 이 시뮬레이션에서는, 광원 장치(100)로부터 사출되는 광선속을 수차가 없는 이상 렌즈에 의해 집광했을 때에, 집광점에서의 광스폿 직경이 가장 작아지는 경우를, 거의 평행한 광이 사출되는 조건으로 하는 것을 생각할 수 있다.

이렇게 하여 설계된 평행화 렌즈(26)를 이용하면, 콜리메이트 광학계(20)를 투과한 여기광을 평행도가 높은 광으로 할 수 있다.

콜리메이트 광학계(20)를 투과한 여기광은, 렌즈 인티그레이터(30)에 입사한다. 렌즈 인티그레이터(30)는, 제 1 렌즈 어레이(32)와 제 2 렌즈 어레이(34)를 갖고, 이들이 광로상에 이 순서로 배열되어 있다. 제 1 렌즈 어레이(32), 제 2 렌즈 어레이(34)는, 콜리메이트 광학계(20)로부터 사출된 광의 휘도 분포를 균일화하는 것이다.

렌즈 인티그레이터(30)를 투과한 여기광은, 광파장 선택 광학계(40)에 입사한다. 광파장 선택 광학계(40)는, 다이크로익 미러(42) 및 다이크로익 미러(44)를 갖고 있다. 다이크로익 미러(42) 및 다이크로익 미러(44)는, 예컨대유리 표면에 유전체 다층막을 적층하여 구성된다.

다이크로익 미러(42) 및 다이크로익 미러(44)는, 여기광의 파장 대역의 색광을 선택적으로 반사시키고, 그 이외의 파장 대역의 색광을 투과시키는 파장 선택성을 갖고 있다. 구체적으로는, 다이크로익 미러(42)는 청색광을 반사시키고, 청색광보다 장파장의 광(예컨대, 480㎚보다 장파장의 광)을 투과시킨다. 한편, 다이크로익 미러(44)는 청색광을 투과시키고, 청색광보다 장파장의 광(예컨대, 480㎚보다 장파장의 광)을 반사시킨다. 여기서는, 여기광은, 다이크로익 미러(44)를 투과함과 아울러, 다이크로익 미러(42)에서 반사된다.

다이크로익 미러(42)에서 반사된 여기광은, 중첩 광학계(50)에 입사하여, 발광 소자(60)상에 결상된다.

도 5에는, 렌즈 인티그레이터(30)에 입사한 여기광(청색광 B)이, 발광 소자(60)에 조사되기까지의 여기광의 거동을 도시하고 있다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 제 1 렌즈 어레이(32)는, 복수의 제 1 소형 렌즈(32a)를 포함하고 있고, 제 2 렌즈 어레이(34)는 복수의 제 2 소형 렌즈(34a)를 포함하고 있다. 또한, 제 1 소형 렌즈(32a) 및 제 2 소형 렌즈(34a)의 평면에서 본 형상은, 발광 소자(60)의 광조사면(60a)의 평면에서 본 형상과 대략 상사형으로 되어 있다.

제 1 렌즈 어레이(32) 및 제 2 렌즈 어레이(34)에 있어서, 제 1 소형 렌즈(32a)와 제 2 소형 렌즈(34a)는 1대1로 대응하고 있다. 콜리메이트 광학계(20)로부터 사출된 광은, 복수의 제 1 소형 렌즈(32a)에 공간적으로 나누어져 입사하고, 제 1 소형 렌즈(32a)는, 입사한 광을 대응하는 제 2 소형 렌즈(34a)에 결상시킨다. 이에 의해, 복수의 제 2 소형 렌즈(34a)의 각각에, 2차 광원상이 형성된다.

또한, 복수의 제 2 소형 렌즈(34a)의 각각으로부터 사출되는 광은, 다이크로익 미러(42)를 통해 제 1 렌즈(52) 및 제 2 렌즈(54)를 포함하여 구성되는 중첩 광학계(50)에서 집광되어, 발광 소자(60)상에 결상된다. 바꿔 말하면, 제 2 렌즈 어레이(34)와 중첩 광학계(50)를 포함하여 구성되는 집광 광학계는, 입사한 광을 대응하는 발광 소자(60)의 광조사면(60a)에 결상시킨다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 발광 소자(60)는, 판 형상의 기체(基體)(61)와, 기체(61)의 여기광 입사측의 면에 형성된 형광체층(62)을 갖고 있다. 형광체층(62)은, 예컨대, 평면에서 보아 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상으로 형성되어 있고, 형광을 발하는 형광체 입자(621)를 갖고 있다. 이러한 형광체층(62)은, 여기광(청색광)을 흡수하여 황색(발광 강도의 피크 : 약 550㎚, 도 3(b) 참조)의 형광으로 변환하는 기능을 갖는다.

도 3(b)에 있어서 부호 R로 나타낸 성분은, 형광체층(62)이 사출하는 황색광 중 적색광으로서 이용 가능한 색광 성분이며, 부호 G로 나타낸 성분은, 마찬가지로 녹색광으로서 이용 가능한 색광 성분이다. 도 1에서는, 적색광을 부호 R, 녹색광을 부호 G로 나타내고, 적색광 R과 녹색광 G를 포함하는 형광을 부호 RG로 나타내고 있다.

이러한 구성에 있어서, 제 2 렌즈 어레이(34)와 중첩 광학계(50)를 포함하여 구성되는 광학계는, 제 1 렌즈 어레이(32)의 렌즈면과, 발광 소자(60)의 광조사면(60a)이 공역 관계에 있도록 구성되어 있으면 좋다. 즉, 제 2 렌즈 어레이(34)와 중첩 광학계(50)를 포함하여 구성되는 광학계의 물체면이 제 1 렌즈 어레이(32)의 렌즈면과 일치하고, 상면(像面)이 광조사면(60a)과 일치하도록 구성되어 있으면 좋다. 이에 의해, 광조사면(60a)에는, 강도 분포가 평균화된 여기광이 조사되게 된다.

여기서, 「제 1 렌즈 어레이(32)의 렌즈면」이란, 제 1 렌즈 어레이(32)가 갖는 복수의 제 1 소형 렌즈(32a) 사이의 골(谷)을 잇는 가상적인 면이다.

도 6은 여기광의 주광선에 직교하는 평면에서의, 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이며, 도 6(a)는 제 1 렌즈 어레이(32)에 입사하는 여기광의 광강도, 도 6(b)는 광조사면(60a)에 입사하는 여기광의 광강도를 나타내는 분포도이다. 도 6(a), 도 6(b)에서는, 광강도가 큰 부분일수록 밝고, 광강도가 작은 부분일수록 어둡게 되도록 하여, 광강도를 영역의 명도에 대응시켜 표시하고 있다.

또한, 도 6(c)는, 도 6(b)의 분포도에 있어서, 원점을 지나고, 또한 x축 및 y축에 따른 영역에서의 광강도를 나타내는 그래프이다. 도 6(c)의 가로축은, 도 6(b)의 영역 중의 x축 또는 y축상의 위치(좌표), 세로축은, 광강도(방사 조도)를 나타내고 있다.

도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 렌즈 어레이(32)에 입사하기 전의 공간 위치에서는, 여기광의 광강도 분포는, 도 2에 나타내는 광원(10Ba)에 대응하여, 이산적으로 밝은 부분과 어두운 부분이 존재하고 있다. 이에 비하여, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 광조사면(60a)에 입사하기 전의 공간 위치에서는, 여기광은, 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상으로 성형되고, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이, 광조사면(60a)의 모든 영역 내에서 광강도가 대략 같은, 이른바 탑햇(top hat) 형상의 광강도 분포에 가까워진 연속적인 광강도 분포로 되어 있다.

발광 소자(60)에는, 상술한 바와 같이 렌즈 인티그레이터(30)를 투과하기 전과 비교하여 광강도 분포가 균일에 가까워진 여기광이 조사된다. 또한, 조사되는 여기광은, 발광 소자(60)의 평면에서 본 형상과 대략 동일 형상으로 성형되어 있다. 그 때문에, 발광 소자(60)에 대하여, 면 내에서 광포화가 생기지 않도록, 또한, 광조사면(60a)의 전면에 여기광을 조사하는 것이 용이하게 된다. 따라서, 발광 소자(60)는, 광조사면(60a)의 전면으로부터 양호하게 형광 RG를 발하는 2차 광원으로서 사용할 수 있다.

발광 소자(60)로부터 사출되는 형광 RG에 대해서는, 중첩 광학계(50)는 픽업 광학계로서 기능한다. 그 때문에 형광 RG는, 중첩 광학계(50)에 의해 평행화된 후에, 광파장 선택 광학계(40)에 입사한다. 광파장 선택 광학계(40)에 있어서는, 다이크로익 미러(44)에서 반사되어 렌즈 어레이(120)를 향해 사출된다.

다음으로, 제 2 광원(10Bb)으로부터 사출되는 광에 대하여 설명하면서, 각 구성에 대하여 설명한다.

광원(10Bb)은, 도 2에 나타내는 광원(10Ba)과 같은 구성을 갖고 있고, 청색광을 사출하는 레이저 광원 어레이이다. 광원(10Bb)으로부터 출사된 청색광은 제 2 콜리메이터 렌즈 어레이(22b)에 의해 평행화되어, 집광 렌즈(70)에 의해 집광된다.

집광 렌즈(70)의 초점 위치에는 디퓨저(80)가 마련되어 있다. 디퓨저(80)는 투과하는 광을 산란시키는 기능을 갖고 있다. 광원(10Bb)으로부터 사출되는 간섭성 광(coherent light)인 청색광이, 디퓨저(80)에 의해 산란되는 것에 의해 청색광의 내에 광로차가 마련되고, 가간섭성이 저하된다. 그 때문에, 피투사면(700)에 투사 되었을 때에 스펙클(speckle)이라고 불리는 간섭 무늬가 생기기 어렵게 된다.

디퓨저(80)를 투과한 청색광은, 평행화 렌즈(90)에 입사하여 평행화된 후에, 광파장 선택 광학계(40)에 입사하고, 다이크로익 미러(42)에 의해 반사되어 렌즈 어레이(120)를 향해 사출된다. 즉, 광파장 선택 광학계(40)로부터 사출되는 광은, 발광 소자(60)로부터 사출되는 적색광 및 녹색광이 혼색된 형광 RG와, 광원(10Bb)으로부터 사출되는 청색광 B가 혼색된 백색광 L이 된다.

또, 본 실시 형태에서는, 광원(10Bb)이 레이저 광원 어레이인 것으로 했지만, 표시에 이용하는 청색광을 사출할 수 있으면, 레이저 광원 어레이일 필요는 없다.

렌즈 어레이(120, 130)는, 광파장 선택 광학계(40)로부터 사출된 백색광 L의 휘도 분포를 균일화하는 것이다. 렌즈 어레이(120)는, 복수의 제 1 소형 렌즈(122)를 포함하고 있고, 렌즈 어레이(130)는 복수의 제 2 소형 렌즈(132)를 포함하고 있다. 렌즈 어레이(120)와 렌즈 어레이(130)에 있어서, 제 1 소형 렌즈(122)와 제 2 소형 렌즈(132)는 1대1로 대응하고 있다. 광파장 선택 광학계(40)로부터 사출된 광 L은, 복수의 제 1 소형 렌즈(122)에 공간적으로 나누어져 입사하고, 제 1 소형 렌즈(122)는, 입사한 광을 대응하는 제 2 소형 렌즈(132)에 결상시킨다. 이에 의해, 복수의 제 2 소형 렌즈(132)의 각각에, 2차 광원상이 형성된다. 또, 제 1 소형 렌즈(122), 제 2 소형 렌즈(132)의 외형 형상은, 액정 라이트 밸브(400R, 400G, 400B)의 화상 형성 영역의 외형 형상과 대략 상사형으로 되어 있다.

편광 변환 소자(140)는, 렌즈 어레이(120, 130)로부터 사출된 광 L의 편광 상태를 일치시키는 것이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 편광 변환 소자(140)는, 복수의 편광 변환셀(141)을 포함하고 있다. 편광 변환셀(141)은, 제 2 소형 렌즈(132)와 1대1로 대응하고 있다. 제 2 소형 렌즈(132)에 형성된 2차 광원상으로부터의 광 L은, 이 제 2 소형 렌즈(132)에 대응하는 편광 변환셀(141)의 입사 영역(142)에 입사한다.

편광 변환셀(141)의 각각에는, 입사 영역(142)에 대응시켜, 편광 빔스플리터막(143)(이하, PBS막(143)이라 칭한다) 및 위상차판(145)이 마련되어 있다. 입사 영역(142)에 입사한 광 L은, PBS막(143)에 의해 PBS막(143)에 대한 P 편광 L1과 S 편광 L2로 분리된다. P 편광 L1, S 편광 L2 중 한쪽의 편광(여기서는 S 편광 L2)은, 반사 부재(144)에 의해 반사된 후, 위상차판(145)에 입사한다. 위상차판(145)에 입사한 S 편광 L2는, 위상차판(145)에 의해 편광 상태가 다른 쪽의 편광(여기서는 P 편광 L1)의 편광 상태로 변환되어 P 편광 L3이 되어, P 편광 L1과 함께 사출된다.

중첩 렌즈(150)는, 편광 변환 소자(140)로부터 사출된 광을 피조명 영역에서 중첩시키는 것이다. 광원 장치(100)로부터 사출된 광은, 공간적으로 분할된 후, 중첩되는 것에 의해 휘도 분포가 균일화되어 광선축(100ax) 주위의 축대칭성이 높아진다.

색분리 광학계(200)는, 다이크로익 미러(210), 다이크로익 미러(220), 미러(230), 미러(240), 미러(250), 필드 렌즈(300R), 필드 렌즈(300G), 필드 렌즈(300B), 릴레이 렌즈(260), 릴레이 렌즈(270)를 포함하고 있다. 다이크로익 미러(210), 다이크로익 미러(220)는, 예컨대 유리 표면에 유전체 다층막을 적층한 것이다. 다이크로익 미러(210), 다이크로익 미러(220)는, 소정의 파장 대역의 색광을 선택적으로 반사시키고, 그 이외의 파장 대역의 색광을 투과시키는 특성을 갖고 있다. 여기서는, 다이크로익 미러(210)가 녹색광과 청색광을 반사시키고, 다이크로익 미러(220)가 녹색광을 반사시킨다.

광원 장치(100)로부터 사출된 광 L은, 다이크로익 미러(210)에 입사한다. 광 L 중의 적색광 R은, 다이크로익 미러(210)를 지나 미러(230)에 입사하고, 미러(230)에 의해 반사되어 필드 렌즈(300R)에 입사한다. 적색광 R은, 필드 렌즈(300R)에 의해 평행화된 후에, 액정 라이트 밸브(400R)에 입사한다.

광 L 중의 녹색광 G와 청색광 B는, 다이크로익 미러(210)에 의해 반사되어, 다이크로익 미러(220)에 입사한다. 녹색광 G는, 다이크로익 미러(220)에 의해 반사되어 필드 렌즈(300G)에 입사한다. 녹색광 G는, 필드 렌즈(300G)에 의해 평행화된 후에, 액정 라이트 밸브(400G)에 입사한다.

다이크로익 미러(220)를 지난 청색광 B는, 릴레이 렌즈(260)를 지나 미러(240)에 의해 반사된 후, 릴레이 렌즈(270)를 지나 미러(250)에 의해 반사되어 필드 렌즈(300B)에 입사한다. 청색광 B는, 필드 렌즈(300B)에 의해 평행화된 후에, 액정 라이트 밸브(400B)에 입사한다.

액정 라이트 밸브(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B)는, 예컨대 투과형의 액정 라이트 밸브 등의 광변조 장치에 의해 구성된다. 액정 라이트 밸브(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B)는, 화상 정보를 포함한 화상 신호를 공급하는 PC 등의 신호원(도시 생략)과 전기적으로 접속되어 있고, 공급된 화상 신호에 근거하여 입사광을 화소마다 공간 변조하여, 각각 적색 화상, 녹색 화상, 청색 화상을 형성한다. 액정 라이트 밸브(400R), 액정 라이트 밸브(400G), 액정 라이트 밸브(400B)에 의해 변조된 광(형성된 화상)은, 색합성 소자(500)에 입사한다.

색합성 소자(500)는, 다이크로익 프리즘 등에 의해 구성된다. 다이크로익 프리즘은, 4개의 삼각 프리즘이 서로 붙여진 구조로 되어 있다. 삼각 프리즘에 있어서 서로 붙여진 면은, 다이크로익 프리즘의 내면이 된다. 다이크로익 프리즘의 내면에, 적색광 R이 반사되고 녹색광 G가 투과하는 미러면과, 청색광 B가 반사되고 녹색광 G가 투과하는 미러면이 서로 직교하여 형성되어 있다. 다이크로익 프리즘에 입사한 녹색광 G는, 미러면을 지나 그대로 사출된다. 다이크로익 프리즘에 입사한 적색광 R, 청색광 B는, 미러면에서 선택적으로 반사 혹은 투과하여, 녹색광 G의 사출 방향과 같은 방향으로 사출된다. 이렇게 하여 3개의 색광(화상)이 겹쳐져 합성되고, 합성된 색광이 투사 광학계(600)에 의해 피투사면(700)에 확대 투사된다.

본 실시 형태의 프로젝터 PJ에서는, 이상과 같이 하여 화상 표시를 행한다.

이상과 같은 구성의 광원 장치(100)에 의하면, 발광 소자(60)에 있어서 광포화 현상의 발생이 억제되는 것에 의해 광량이 안정되어, 종래에 비하여 발광 효율이 높은 광원으로 할 수 있다.

또한, 이상과 같은 구성의 프로젝터 PJ에 의하면, 광포화 현상의 발생이 억제되는 것에 의해 광원 장치로부터 사출되는 광량이 안정되어, 휘도 불균일이 억제되어 고품질 화상 표시가 가능해진다.

또, 본 실시 형태에 있어서는, 평행화 렌즈(26)는, 사출면(26b)이 비구면 형상을 갖는 것으로 했지만, 입사면측이 비구면 형상인 렌즈를 이용하는 것으로 하더라도 상관없다.

도 8에 나타내는 평행화 렌즈(27)는, 입사면(27a)이, 식 (3)의 관계를 만족하는 회전 2차 곡면 형상으로 되어 있고, 사출면(27b)이 평면인 평 오목 렌즈이다. 이러한 평행화 렌즈(27)를 이용하면, 상술한 평행화 렌즈(26)를 이용하는 경우와 비교하여, 보다 평행도가 높은 광선속을 얻기 쉽다고 하는 이점이 있다.

즉, 상술한 평행화 렌즈(26)로부터 사출되는 광선속은, 평행화 렌즈(26)의 입사면(26a)과 사출면(26b)에서의 굴절에 의해, 2회의 진행 방향의 변경을 거쳐 사출된다. 한편, 평행화 렌즈(27)로부터 사출되는 광선속은, 평행화 렌즈(27)의 입사면(27a)에서의 굴절에 의해 평행화되기 때문에, 1회만의 진행 방향의 변경을 거쳐 사출되기 때문에, 렌즈의 성형 오차에 의한 평행화의 혼란이 생기기 어렵다. 따라서, 평행화 렌즈(27)를 이용하면, 보다 평행도가 높은 광선속을 얻는 것이 가능해진다.

한편으로, 상술한 평행화 렌즈(27)로부터 사출되는 광선속은, 도 9에 나타내는 광강도 분포가 된다. 도 9는 평행화 렌즈(27)를 이용한 경우의 여기광의 주광선에 직교하는 평면에서의, 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이며, 도 6에 대응하는 도면이다.

도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 평행화 렌즈(27)를 이용하면 제 1 렌즈 어레이(32)에 입사하기 전의 공간 위치에서는, 여기광의 광강도 분포는 이산적으로 또한 실패 형상으로 뒤틀려 배치되어 있다. 이것은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 평행화 렌즈(27)에서는, 입사하는 광선의 입사각이, 평행화 렌즈(27)의 중앙(부호 α)과 주변(부호 β)에서, 꽤 큰 차이가 생기고 있기 때문이며, 이 때문에, 평행화 렌즈(27)로부터 사출되는 광선속은, 중앙이 강하고 주위가 약하게 되는 강도 분포가 발생하기 쉽게 되어 있다.

그리고, 도 9(b), 도 9(c)에 나타내는 바와 같이, 광조사면(60a)에 입사하기 전의 공간 위치에서는, 여기광은, 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상의 영역 내에 균일한 탑햇 형상의 광강도 분포에 가까워지고 있지만, 도 6(b), 도 6(c)에 나타내는 광강도 분포보다 불균일한 것으로 되어 있다. 이것은, 제 1 렌즈 어레이(32)에 입사하기 전의 광강도의 불균일함(도 9(a) 참조)을 반영한 결과인 것으로 생각된다.

이러한 평행화 렌즈(27)의 비구면의 회전 2차 곡면 형상은, 상기 식 (3)에 근거하여, 다음과 같은 방법에 의해 결정된다.

구체적으로는, 우선, 집광 렌즈(24)의 형상, 및 평행화 렌즈(27)의 굴절률 n, 중심부의 두께, 설치 위치를 미리 정하여 놓는다. 또한, 평행화 렌즈(27)의 대신에, 입사면의 곡률, 굴절률, 중심부의 두께가 같고 또한 사출면이 구면 형상인 오목 렌즈를 상정한다. 그리고, 미리 결정된 형상과 같은 형상의 집광 렌즈에 대하여, 평행화 렌즈(27)의 설치 위치에 상기 오목 렌즈를 배치한 경우에, 구면 수차가 없으면 평행광으로 변환할 수 있는 해당 오목 렌즈의 입사면의 곡률을 구한다. 이렇게 하여 구한 곡률의 값이 근축곡률 c가 된다.

다음으로, 원뿔상수 K를 구한다. 여기서, 평행화 렌즈(27)에서는, 입사면(27a)이 식 (3)에 근거하여 설정된 비구면이기 때문에, 평행화 렌즈(27)에 입사하는 여기광은, 입사면(27a)에서의 굴절에 의해 진행 방향이 거의 평행한 방향으로 바뀌고, 사출면(27b)에서는 거의 굴절 작용을 받지 않는다. 이 결과, 평행화 렌즈(27)의 굴절률 n과 원뿔상수 K의 관계가 일정하게 된다. 또, 평행화 렌즈(27)의 반사면 형상의 비구면의 원뿔상수 K는, 거의 K=-n²로 결정되어 있다.

따라서, 본 변형예에 있어서는, 원뿔상수 K는, K=-n²로 구할 수 있어, 평행화 렌즈(26)를 이용하는 경우와 같은 시뮬레이션을 행할 필요는 없다. 이러한 평행화 렌즈(27)의 비구면의 원뿔상수 K는, -2.1>K>-3.8의 범위이다. 따라서, 입사면(27a)을 비구면 형상으로 하는 경우에는, 입사면(27a)을 회전 쌍곡면 형상으로 하면 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 여기광의 광원으로서 도 2에 나타내는 광원(10Ba)을 이용하는 것으로 했지만, 다음의 도 10, 도 11에 나타내는 광원부를 이용할 수도 있다.

도 10은 광원 장치(101)를 나타내는 개략도이다. 광원 장치(101)에서는, 여기광을 사출하는 광원으로서 상술한 광원(10Ba)의 대신에 광원(13)을 이용하고 있다. 광원(13)으로부터 사출된 청색광 B는 콜리메이터 렌즈 어레이(28)에 의해 평행화된 후에, 복수의 반사 미러(29a)를 포함하는 반사부(29)에 의해 반사되어 집광 렌즈(24)에 입사하는 구성으로 되어 있다.

반사 미러(29a)는, 각 레이저 광원(12)으로부터 사출된 청색광 B에 대응하여

마련되고, 주광선의 간격을 W1로부터 W2(W1>W2)로 하는 기능을 갖고 있다. 반사 미러(29a)는, 서로 간격 W3씩 이간하여 배치되어 있고, 각 반사 미러(29a)에 의해 반사되는 것에 의해, 주광선의 간격을 변경하는 구성으로 되어 있다.

도 11은 광원 장치(101)가 갖는 광원(13)의 평면도이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 광원(13)은, 기대(11)상에 레이저 광원(12)이 10개×5개의 장방형 형상으로 2차원 배열(합계 50개)로 배열되어 있는 레이저 광원 어레이이다. 각 레이저 광원(12)은, 평면에서 보아 직사각형을 이루고 있고, 장축 방향이 한 방향으로 향하도록 하여 배열하고 있다. 또한, 레이저 광원(12)의 단축 방향으로는, 간격 W1을 두고 배열하고 있다.

이러한 광원(13)에서는, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 각 레이저 광원(12)으로부터 사출되는 레이저 광(청색광 B)은, 주광선의 간격이 레이저 광원(12)의 배치 간격 W1에 따른 것이 된다.

그 때문에 도 11(c)에 나타내는 바와 같이, 반사부(29)에 의해 반사된 레이저 광(청색광 B)은, 주광선의 간격이 간격 W2가 되어, 광선속 전체적으로는 광량이 많아진다.

이러한 구성의 광원 장치(101)에서는, 광원(13)으로부터 사출되는 광의 밀도를 높일 수 있기 때문에, 발광 소자(60)에 조사하는 광의 광량을 늘려, 강한 형광을 사출하는 것이 가능한 광원 장치가 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 발광 소자(60)가 발하는 형광 RG에는, 적색광 R과 녹색광 G가 포함되는 것으로 했지만, 이것에 한하지 않는다. 예컨대, 도 12에 나타내는 광원 장치(102)와 같이 발광 소자(63)와 같이, 녹색광 G만을 포함하는 형광을 발하는 것으로 하더라도 좋다.

그 경우, 도 12에 나타내는 바와 같이, 표시에 이용하는 청색광을 사출하는 광원(10Bb)의 외에, 적색광을 사출하는 광원(10R)을 준비하면 된다. 즉, 광원(10Bb)으로부터 사출되는 청색광 B와 광원(10R)으로부터 사출되는 적색광 R의 광로상에, 청색광을 반사시키고 다른 광을 투과시키는 다이크로익 미러(46)를 배치하여 광로상에서 혼색시켜, 혼색된 광을 집광 렌즈(70)에 유도하는 구성으로 하면 된다. 광원(10R)은, 적색광을 사출할 수 있으면, 레이저 광원 어레이이더라도 좋고, 다른 구성이더라도 좋다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 발광 소자(60)를 여기광이 입사하는 쪽으로 형광을 사출하는 반사형의 구성으로 했지만, 여기광이 입사하는 면과 대향하는 면에 형광을 사출하는 투과형의 구성인 것으로 하더라도 상관없다.

도 13은 투과형의 발광 소자(64)를 갖는 광원 장치(103)의 개략도이다.

도면에 나타내는 바와 같이, 광원 장치(103)에서는, 광원(10B)으로부터 사출한 여기광(청색광 B)이, 콜리메이트 광학계(20), 렌즈 인티그레이터(30), 중첩 광학계(50)를 통해, 발광 소자(64)의 한쪽의 면(입사면(64a))에 입사한다. 발광 소자(64)에서는, 일부의 여기광이 흡수되어 적색광과 녹색광을 포함하는 형광 RG로 변환되고, 나머지의 여기광이 흡수되지 않고서 투과한다. 그 때문에, 발광 소자(64)의 다른 쪽의 면(사출면(64b))으로부터는, 흡수되지 않은 여기광(청색광 B)과, 형광 RG가 혼색된 백색광 L이 사출된다.

발광 소자(64)로부터 사출된 광 L은, 제 1 픽업 렌즈(56), 제 2 픽업 렌즈(57)를 포함하는 픽업 광학계(59)에 의해 퍼짐이 억제된 후에, 렌즈 어레이(120, 130), 편광 변환 소자(140), 중첩 렌즈(150)를 통해 사출된다.

이러한 광원 장치(103)이더라도, 광원(10B)으로부터 사출한 여기광의 광강도를 렌즈 인티그레이터(30)에 의해 평균화한 후에, 발광 소자(64)가 갖는 형광체층에 입사되기 때문에, 발광 효율이 높은 광원으로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 콜리메이트 광학계(20)에 포함되는 집광 렌즈(24)와 평행화 렌즈(26)가, 이른바 갈릴레오 타입의 어포컬(afocal) 광학계를 형성하고 있지만, 평행화 렌즈(26)의 대신에 볼록 렌즈를 이용하여, 이른바 케플러 타입의 어포컬 광학계를 형성하는 것으로 하더라도 상관없다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 렌즈 어레이(32)의 렌즈면과, 발광 소자(60)의 광조사면(60a)이, 집광 광학계를 사이에 두고 공역 관계에 있는 것으로 했지만, 광조사면(60a)에 결상되지 않고 있더라도, 제 1 렌즈 어레이(32)를 거치는 것에 의한 여기광의 중첩의 효과를 기대할 수 있어, 여기광의 광강도는 평균화되는 경향이 있다. 그 때문에, 발광 소자(60)에 있어서의 광포화 현상을 억제하고, 발광 효율이 높은 광원으로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 집광한 여기광은 조사 면적이 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상으로 성형되어 있고, 이 크기는 형광체층(62)의 평면에서 본 면적과 대략 같은 것으로 했지만, 예컨대, 여기광의 조사 면적 쪽이 형광체층(62)보다 약간만 큰 것으로 하더라도, 발광 소자(60)에서의 광포화는 억제되기 때문에, 발광 효율의 개선을 기대할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제 1 렌즈 어레이(32)와 제 2 렌즈 어레이(34)의 소형 렌즈의 평면에서 본 형상과, 광조사면(60a)의 평면에서 본 형상이, 대략 상사형인 것으로 했다. 그러나, 상사형이 아닌 것으로 한 경우에는, 일부의 여기광이 쓸모없게 되지만, 발광 소자(60)에서의 광포화는 억제되기 때문에, 발광 효율의 개선을 기대할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 상기 식 (3)을 이용하여 평행화 렌즈(26)의 오목면을 설계하는 것으로 했지만, 그 밖에 통상적으로 알려진 비구면의 설계 방법을 이용하더라도 상관없다.

[제 2 실시 형태]

도 14는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 광원 장치의 설명도이다. 이하의 설명에 있어서는, 제 1 실시 형태와 공통된 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.

도 14에 나타내는 바와 같이, 광원 장치(104)는, 제 1 실시 형태의 광원 장치(100)와 구성이 일부 공통되어 있다. 다른 것은, 렌즈 인티그레이터가 쌍을 이루고 있지 않고 제 1 렌즈 어레이(32)를 1매만 사용하는 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 중첩 광학계(50)가 본 발명의 집광 광학계로서 기능한다.

도 15는 제 1 렌즈 어레이(32) 및 중첩 광학계(50)의 기능을 나타내는 설명도이다. 도 15에 있어서는, 간략화를 위해, 중첩 광학계(50)를 모식적으로 하나의 볼록 렌즈로서 도시하고 있다. 중첩 광학계(50)는, 구면 수차가 없거나, 또는 구면 수차가 보정되어 저감되어 있는 것으로 한다.

도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 렌즈 어레이(32) 및 중첩 광학계(50)를 포함하여 구성되는 광학계에서는, 제 1 렌즈 어레이(32)에 입사하는 여기광(청색광 B)이 평행이며, 제 1 렌즈 어레이(32)와 중첩 광학계(50)를 투과한 여기광의 주광선이, 중첩 광학계(50)의 초점 F2를 통과하는 구성으로 되어 있다. 바꿔 말하면, 제 1 렌즈 어레이(32)와 중첩 광학계(50)를 양단으로 하는 광학계는, 물체면이 무한대로 설정되어 있다. 즉, 제 1 렌즈 어레이(32) 및 중첩 광학계(50)를 포함하여 구성되는 광학계가, 물체측 텔레센트릭으로 되어 있다. 이러한 광학계에서는, 입사하는 여기광(청색광 B)은, 제 1 렌즈 어레이(32)를 투과한 후, 중첩 광학계(50)에 입사하고, 중첩 광학계(50)로부터 사출되는 여기광은, 중첩 광학계(50)에 따른 일정폭의 사출동공 P를 통과한다.

이러한 구성에서는, 사출동공 P의 폭은, 중첩 광학계(50)의 개구수 NA와 초점 거리 Lb에 의해 일정한 크기로 정해진다. 또한, 사출동공 P의 형상은, 제 1 렌즈 어레이(32)를 구성하는 소형 렌즈(32a)와 상사형이 된다. 즉, 사출동공 P의 폭은, 중첩 광학계(50)와 제 1 렌즈 어레이(32)의 거리 La에 관계없이, 항상 일정하게 된다. 예컨대, 사출동공 P가 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상이 되도록 설계한다.

따라서, 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 중첩 광학계(50)의 초점 F2의 위치에, 사출동공과 같은 크기의 발광 소자(60)를 배치하고, 광조사면(60a)과 공역하는 면을 무한대로 설정하는 것으로, 제 1 실시 형태의 광원 장치(100)와 비교하여, 렌즈 어레이의 사용수를 줄이는(도 1에 나타낸 제 2 렌즈 어레이를 사용하지 않는) 것이 가능해진다. 그 결과, 적은 부품수로 여기광의 광강도를 평균화하여, 발광 소자(60)에 조사할 수 있다.

도 16은 광원 장치(104)의 여기광의 주광선에 직교하는 평면에서의, 여기광의 광강도를 나타내는 계산 결과이며, 도 6(b), 도 6(c)에 대응하는 도면이다.

도 16(b)에 나타내는 바와 같이, 발광 소자(60)에 입사하기 전의 공간 위치에서는, 여기광은, 1㎜×1㎜의 대략 정방형 형상으로 성형되고, 도 16(c)에 나타내는 바와 같이, 모든 영역 내에서 광강도가 대략 같은, 이른바 탑햇 형상의 광강도 분포에 가까워진 연속적인 광강도 분포로 되어 있다.

광원 장치(104)에 있어서는, 제 1 렌즈 어레이(32)에 의해 복수의 광선속으로 분할된 여기광이 중첩 광학계(50)에 의해 집광되기 때문에, 광강도 분포가 평균화된다. 더하여, 도 15에 나타내는 사출동공 P에서는, 여기광은 결상되지 않고 있기 때문에, 여기광의 상이 흐릿해져, 광강도를 평균화하기 쉽다. 그 때문에, 광원(10Ba)과 같이 이산적인 광원이더라도, 양호하게 광강도 분포를 평균화하는 것이 가능해진다.

이상과 같은 구성의 광원 장치(104)에 의하면, 광포화 현상의 발생이 억제되는 것에 의해 광량이 안정되어, 종래에 비하여 발광 효율이 높은 광원으로 할 수 있다.

또, 본 실시 형태에 있어서는, 평행화 렌즈(26)를 이용하는 것으로 하여 설명했지만, 도 8에 나타내는 평행화 렌즈(27)를 이용하는 것으로 하더라도 좋다. 입사면이 오목면이고 사출면이 평면인 평행화 렌즈(27)는, 상술한 바와 같이 평행화 렌즈(27)를 투과하는 여기광의 평행도를 평행화 렌즈(26)보다 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 제 1 렌즈 어레이(32) 및 중첩 광학계(50)를 이용한 여기광의 평균화를 행하기 쉬워진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 발광 소자(60)의 광조사면(60a)의 평면에서 본 면적이, 사출동공 P의 크기와 대략 같은 것으로 했다. 그러나, 예컨대 사출동공 P 쪽이 큰 경우라도, 일부의 여기광이 쓸모없게 되지만, 발광 소자(60)에서의 광포화는 억제되기 때문에, 발광 효율의 개선을 기대할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 광조사면(60a)이 중첩 광학계(50)의 초점 F2와 겹쳐 배치되는 것으로 했지만, 초점 F2로부터 어긋나 있다고 해도, 제 1 렌즈 어레이(32)를 거치는 것에 의한 여기광의 중첩의 효과를 기대할 수 있어, 여기광의 광강도는 평균화되는 경향이 있다. 그 때문에, 발광 소자(60)에 있어서의 광포화 현상을 억제하여, 발광 효율이 높은 광원으로 할 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시의 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 상술한 예에 있어서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례이고, 본 발명의 주지로부터 일탈하지 않는 범위에 있어서 설계 요구 등에 근거하여 여러 가지로 변경 가능하다.

10Ba : 광원(광원부)
12 : 레이저 광원(고체 광원)
20 : 콜리메이트 광학계(광원부)
22a : 콜리메이터 렌즈 어레이
24 : 집광 렌즈
26, 27 : 평행화 렌즈
26a, 27a : 입사면
26b, 27b : 사출면
32 : 렌즈 어레이
34 : 제 2 렌즈 어레이
50 : 중첩 광학계
60, 63, 64 : 발광 소자
60a : 광조사면
61 : 기체
62 : 형광체층
100~104 : 광원 장치
400R, 400G, 400B : 액정 라이트 밸브(광변조 소자)
600 : 투사 광학계
B : 청색광(여기광)
F2 : 초점
P : 사출동공
PJ : 프로젝터

Claims

여기광을 사출하는 복수의 고체 광원을 포함하고, 상기 여기광을 평행한 광선속(pencil of light ray)으로서 사출하는 광원부와,
상기 여기광을 복수의 부분 광선속으로 분할하는 렌즈 어레이와,
상기 복수의 부분 광선속으로 분할된 상기 여기광을 집광하는 집광 광학계와,
집광된 상기 여기광에 의해 여기되어 형광을 발하는 발광 소자
를 구비하며,
상기 집광 광학계는, 상기 렌즈 어레이와 쌍이 되고, 상기 부분 광선속이 입사하는 제 2 렌즈 어레이와, 상기 제 2 렌즈 어레이로부터 사출되는 상기 부분 광선속을 상기 발광 소자상에서 중첩시키는 중첩 광학계를 갖고,
상기 렌즈 어레이의 렌즈면과, 상기 발광 소자의 광조사면이, 상기 집광 광학계를 거쳐서 공역 관계에 있는
것을 특징으로 하는 광원 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 렌즈 어레이를 구성하는 복수의 소형 렌즈의 평면에서 본 형상은, 상기 광조사면의 평면에서 본 형상과 상사형이며,
상기 광조사면의 평면에서 본 면적과, 상기 광조사면과 같은 공간 위치에 있어서 상기 광조사면과 평행한 평면을 조사하는 상기 여기광의 조사 면적이 같은
것을 특징으로 하는 광원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광원부는, 상기 복수의 고체 광원으로부터 사출된 상기 여기광을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈로부터 사출되는 상기 여기광을 평행화하는 평행화 렌즈를 갖고,
상기 평행화 렌즈는, 입사면 또는 사출면 중 어느 한쪽에, 회전 2차 곡면 형상의 오목면을 갖는
것을 특징으로 하는 광원 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 평행화 렌즈는, 상기 입사면이 구면 형상의 볼록면이며, 상기 사출면이 상기 오목면인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 오목면은, 상기 오목면과 상기 광선속의 중심축의 교점을 원점, 상기 중심축을 Z축, 상기 중심축과 직교하는 축을 r축으로 한 rθZ 원주 좌표계에서의 좌표값을 r 및 Z로 하고, 근축곡률을 c로 하고, 원뿔상수(conic constant)를 K로 했을 때,
[수학식 1]

에 의해 나타나는 형상인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
청구항 1, 3, 4, 5 중 어느 한 항에 기재된 광원 장치와,
상기 광원 장치로부터 사출되는 광을 변조하는 광변조 소자와,
상기 광변조 소자에 의해 변조된 광을 투사하는 투사 광학계
를 구비하는 것을 특징으로 하는 프로젝터.
청구항 10에 기재된 광원 장치와,
상기 광원 장치로부터 사출되는 광을 변조하는 광변조 소자와,
상기 광변조 소자에 의해 변조된 광을 투사하는 투사 광학계
를 구비하는 것을 특징으로 하는 프로젝터.