TW201224632A - Light source device and projector - Google Patents

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201224632 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光源裝置及投影機者。 【先前技術】 先前’就投影機而言’通常使用超高壓水銀燈等放電燈 作為光源。然而’此種放電燈存在壽命較短、暫態點燈較 難、及自燈放射出之紫外線使液晶光閥（liquid cryStai light valve)劣化等問題。因此’揭示有使用有代替放電燈之方 式之光源的投影機。 例如，於專利文獻1中所揭示之投影機中係使用如下之 光源’其將激發光自外部入射至螢光體，並將所獲得之發 光光（螢光）射出。詳細而言，於專利文獻！中揭示有一種光 源’其係將螢光體之可見光放射方向上的端面之面積總和 設定為小於激發光發光的端面之面積總和，與直接使用激 發光之光源相比，可以更小之面積放出強光。藉由該結 構’可貫現光利用效率較咼、低成本、低消耗電力且明亮 之投影機。 [先行技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2004-327361號公報 【發明内容】 [發明所欲解決之問題] 然而，就專利文獻1所記載之光源而言，若光過度集中 於螢光體上’則會由於以下理由導致發光量下降。 157759.doc -4 · 201224632 即，若激發光之強度較大，則由於螢光體分子之中被激 發之電子的比例增加，可激發之電子（基態之電子）減少， 故無法進行與激發光之光量相應之發光，而產生所謂之光 飽和現象。由此會導致發光效率（螢光體之發光量相對於 激發光之入射光量的比例）下降。因此，使用如上述專利 文獻1之光源’且為了獲得強光而增加激發光量，亦難以 獲得所需之光量。 本發明係鑒於上述情況而完成，其目的在於提供一種可 抑制發光效率之下降，且可射出強（較多之光量）光之光源 裝置。又’其目的在於提供一種包含如上所述之光源裝 置’且可進行高品質之圖像顯示之投影機。 [解決問題之技術手段] 發明者針對上述課題進行努力研究之後得知，若考慮上 述之光飽和現象，則較好激發光之光強度於照射區域内儘 可能均勻。其原因在於：以自螢光體發出儘量多之光量的 螢光之方式照射激發光之情形時，若激發光之光量不均， 則無法自螢光體中激發光所照射之整個面較好地射出螢 光。 另一方面’作為用以使螢光體良好地發光之激發光之光 源’通常使用如雷射光源之固體光源，進而，為了增加光 s而採用使用有複數個固體光源之固體光源陣列。然而， 若使用固體光源陣列，則自各固體光源射出之光之光轴各 自隔開，且於固體光源陣列整體中，射出之激發光之光束 内’在與各固體光源相對應之光軸附近較明亮，而在與各 157759.doc 201224632 固體光源間之區域相對應之部分較暗，而產生光量之不 均。因此，難以實現螢光體不會產生光飽和、且自螢光體 之整面射出螢光的高效率之發光。 因此’為了解決上述之課題，本發明之光源裝置之特徵 在於具有：光源部，其包含射出激發光之複數個固體光 源’且使上述激發光成為平行之光束而射出；透鏡陣列， 其將上述激發光分割為複數個部分光束；聚光光學系統， 其將分割為上述複數個部分光束之上述激發光聚光；及發 光元件，其將由聚光後之上述激發光所激發之螢光發出。 藉由該構成，自複數個固體光源射出且具有分散性之光 強度分佈的激發光經由透鏡陣列與聚光光學系統而重疊於 發光元件上，使光強度分佈平均化。因此，能夠使發光元 件整體以同樣之光強度照射激發光，且容易以於激發光所 照射之區域内不產生光飽和之方式控制光量。因此，可製 成能容易抑制發光效率之下降、並穩定地射出強光之光源 裝置。 第1，本發明中，較理想的是：上述聚光光學系統係與 上述透鏡陣列成對，包含上述部分光束所入射之第2透鏡 陣列、及使自上述第2透鏡陣列射出之上述部分光束重疊 於上述發光元件上之重疊光學系統，且上述透鏡陣列之透 鏡面與上述發光it件之光照射面經由上述聚光光學系統而 具有共軛關係。 藉由該構成，由於複數個部分光束於發光元件之光照射 面上良好地重疊，故使光強度分佈易於平均化，且易於以 157759.doc 201224632 不產生發光元件之光飽和之方式控制光量β 本發明中，較理想的是：構成上述透鏡陣列之複數個小 透鏡之俯視形狀與上述光照射面之俯視形狀為相似形，上 述光照射面之俯視面積與於與上述光照射面相同之空間位 置上向與上述光照射面平行之平面照射的上述激發光之照 射面積大致相等。 藉由該構成，由於可使激發光無浪費地照射於發光元 件’故相對於投入之激發光量’可使獲取之螢光量最大 化。 本發明中，較理想的是：上述光源部包含將自上述複數 個固體光源射出之上述激發光聚光之聚光透鏡、及將自上 述聚光透鏡射出之上述激發光平行化之平行化透鏡，上述 平行化透鏡之入射面或出射面中之任一面包含旋轉二維曲 面形狀之凹面。 藉由該構成，由於可提高入射至透鏡陣列之激發光之平 行度，故可如設計般容易控制使用有透鏡陣列及聚光光學 系統之激發光之平均化，且可容易抑制發光效率之下降^ 本發明中，較理想的是：上述平行化透鏡中，上述入射 面為球面狀之凸面’上述出射面為上述凹面。 藉由該構成，使入射至透鏡陣列之激發光較難產生藉由 透過平行化透鏡而獲得之強度分佈，且容易進行使用^透 鏡陣列及聚光光學系統之激發光之平均化。故，容易抑制 光飽和並使發光元件發光。 第2,本發明中，較理想的是：上述發光元件中，光照 157759.doc 201224632 射面重合設置於上述聚光光學系統之焦點位置，將以上述 透鏡陣列與上述聚光光學系統為兩端之整合光學系統中與 上述光照射面共軛之面設定為無限遠。 藉由該構成’即使聚光光學系統與透鏡陣列之相對位置 未精密設定’亦可藉由設定聚光光學系統與發光元件之相 對位置’而使射向發光元件之激發光重疊。又，由於在焦 占位置上激發光未成像，故激發光之影像較模糊從而易於 使光強度平均化。因此，於發光元件中，易於以不產生光 飽和之方式控制光量。 本發明中，較理想的是：構成上述透鏡陣列之複數個小 透鏡之俯視形狀與上述發光元件之光照射面之俯視形狀為 相似形，上述發光元件之光照射面之俯視面積與上述整合 光學系統之出射光瞳之大小大致相等。 藉由該構成，由於可使激發光無浪費地照射於發光元 件，故相對於投入之激發光量，可使獲取之螢光量最大 化。 本發明中，杈理想的是：上述光源部包含將自上述複數 個固體光源射出之上述激發光聚光之聚光透鏡、及將自上 述聚光透鏡射出之上述激發光平行化之平行化透鏡，上述 平行化透鏡中，入射面或出射面中之任一者包含旋轉二維 曲面形狀之凹面。 藉由該構成’由於可提高入射至透鏡陣列之激發光之平 行度，故可如設計般容易控制使用有透鏡陣列及聚光光學 系統之激發光之平均化，且可容易控制發光效率之下降。 157759.doc 201224632 本發明中’較理想的是：上述平行化透鏡中，上述入射 面為上述凹面，上述出射面為平面。 藉由該構成’由於可進—步提高透過平行化透鏡之激發 光之平行度，故容易進行使用有透鏡陣列及聚光光學系統 發光平均化’且谷易抑制光飽和而使發光元件發 光。 本發明中，較理想的是：在以上述凹面與上述光束的中 心軸之父點為原點、以上述中心軸為2軸、以與上述中心 軸正交之軸為r軸的ΓθΖ圓柱座標系中，將座標值設 Z、將近軸曲率設為c、將圓錐常數設為民時，上述凹面為 由以下之式（1)所表示之形狀。 [數1] l + V^ + 〇.c2.r2 一〇 ⑴ 藉由該構成，可較容易地確定凹面之形狀。又，若使用 具有根據該式所確定之非球面之透鏡，則可減小球面像差， 因此’可使自光源裝置射出之光之平行度進一步提高。 又’本發明之投影機之特徵在於：具有上述之光源裝 置、對自上述光源裝置射出之光進行調變之光調變元件、及 將由上述光調變元件進行調變後之光投影之投影光學系統。 藉由該構成，由於包含上述之光源裝置，故可提供一種 藉由抑制發光元件中光飽和現象之產生從而使自光源裝置 所射出之光量穩定，且亮度不均得到抑制而可進行高品質 157759.doc 201224632 之圖像顯示的投影機。 【實施方式】 [第1實施形態] 以下，參照圖1〜圖13，對本發明之第1實施形態之光源 裝置及投影機進行說明。再者，以下之全部圖式中，為使 圖式易懂，適當地改變各構成要素之尺寸或比例等。 圖1係表示本實施形態之光源裝置100及投影機PJ的示意 圖。如圖所示，投影機PJ包含光源裝置100、色彩分離光 學系統200、液晶光閥（光調變元件）400R、液晶光閥400G、 液晶光閥400B、色彩合成元件500及投影光學系統600。 投影機PJ大致以如下之方式工作。自光源裝置100所射 出之光由色彩分離光學系統200分離為複數束色光。由色 彩分離光學系統200分離出之複數束色光入射至各自所對 應之液晶光閥400R、液晶光閥400G、及液晶光閥400B後 受到調變。經液晶光閥400R、液晶光閥400G、液晶光閥 400B調變之各色光入射至色彩合成元件500並受到合成。 經色彩合成元件500合成之光由投影光學系統600擴大投影 於牆壁及螢幕等被投影面700上，顯示全彩之投影圖像。 以下，對投影機PJ之各構成要素進行說明。 光源裝置100具有射出藍光之兩個光源1QB(第1光源 10Ba、第 2光源 10Bb)。 光源裝置100之構成為，沿著自光源l〇Ba射出之光之光 路觀察，依序配置有光源l〇Ba、準直光學系統20、透鏡積 分器30、光波長選擇光學系統40、重疊光學系統50、發光 157759.doc -10- 201224632 元件60、透鏡陣列120及13〇、偏光轉換元件14〇、以及重 疊透鏡150。 此處，光源10Ba與準直光學系統2〇構成本發明中之光源 部。又，透鏡積分器30中所含之第2透鏡陣列34與重疊光 學系統50構成本發明中之聚光光學系統。 又，光源裝置100之構成為，沿著自光源1〇抑所射出之 光之光路觀察’依序配置有光源丨〇Bb、準直透鏡陣列 22b、聚光透鏡70、漫射體8〇、平行化透鏡9〇、光波長選 擇光學系統40、透鏡陣列120及13〇、偏光轉換元件14〇及 重疊透鏡150。 於具有上述構成之光源裝置1〇〇中，自光源1〇以射出之 藍光照射於發光元件60，用作用於使自發光元件6〇所具有 之螢光體射出螢光之激發光。自發光元件6〇射出之螢光與 自光源10Bb射出之藍光於光路上混色而成為用作液晶光間 之照明光的白光L，並自光源裝置1〇〇射出。 以下，首先對自第i光源10仏射出之光之行為進行說 明，並且對各構成進行說日月’其次，對自第2光源！働射 出之光之行為進行說明，並對各構成進行說明。 圖2係光源l〇Ba的正視圖。如圖所示，光源i〇Ba係於基 台11上雷射光源(固體光源)12_x5個之正方形狀(總計 25個）二維排列而成的雷射光料^各雷射光源12於俯視 時具有圓角矩形，且以長轴方向朝向同—方向之方式排列。 光源10Ba作為使發光元件6〇所具備之螢光物質激發之激 發光’且射出藍色（發光強度之峰值： 約445 nm ,參照圖 157759.doc 201224632 3(a))之雷射光。圖3(a)中，符號B表示光源1〇Ba作為激發 光而射出之色光成分。再者，光源1〇Ba亦不為如圖2所示 之雷射光源陣列，而僅使用一個雷射光源。又，若為能夠 使下述之螢光物質激發之波長的光，則亦可為射出具有 445 nm以外之峰值波長的色光之光源。圖j中，自光源 10Ba射出之激發光以符號b表示。 圖4係光源l〇Ba的側視圖。如圖所示，自光源1〇Ba射出 之激發光，經準直光學系統2〇所含之第1準直透鏡陣列22a 而平行化。之後，經聚光透鏡24聚光之激發光之光束向聚 光透鏡24之焦點F1之方向前行，並由平行化透鏡％再次平 行化。藉由透過如上所述之準直光學系統2〇，激發光之全 部光束之寬度變窄。 此處，平行化透鏡26中，入射面26a為球面狀之凸面， 出射面26b為非球面狀之凹面。進一步具體說明出射面26b 之形狀，平行化透鏡26之出射面26b之非球面形狀係大致 滿足式（2)之關係之形狀。即，出射面26b中，藉由將出射 面26b之非球面形狀設為旋轉二維曲面形狀，可射出平行 度較高之光。 [數2]

Z 〇 (2) 此處，如圖4所示，r、2係以平行化透鏡26之出射面2补 與激發光之光束之中心軸1 〇ax的交點為原點L〇且與中心軸 157759.doc 12- 201224632 10ax成軸對稱之ι·ΘΖ圓柱座標系中的座標值。再者，圖4 中，Ζ方向以激發光之射出方向為正。r表示自原點L〇朝向 與中心軸10ax正交之方向的距離β θ表示偏離特定方向之 角度，但，由式（2)可知，非球面之形狀不依存於角度㊀^ 又’式（2)中，近軸曲率0係表示假定使用球面狀之平凹 透鏡將由聚光透鏡24所聚光之激發光的光束轉換為平行光 之情形時該球面之曲率。即，於近軸區域（旋轉軸附近之 區域），藉由使用具有該曲率c之平凹透鏡，可將由聚光透 鏡24所聚光之激發光之光束轉換為平行光。 κ為稱作圓錐常數之值。根據該圓錐常數κ之值，旋轉 二維曲面形狀被限定為特定之形狀。即，當圓錐常數尺之 值為-1<Κ<0之情形時’非球面為旋轉擴圓面。又，當圓錐 常數Κ之值為K=-l之情形時，非球面為旋轉抛物面。進 而’當圓錐常數〖之值為之情形3夺，非球面為旋轉雙 曲面。 又，左邊第3項係依存於被稱作—般非球面項之距離^ 函數，但由於其係十分小的值，故於本實施形態中忽略。 本實施形態中，平行化透鏡26之非球面之旋轉二維曲面 形狀可根據忽略式⑺之左邊第3項之下式⑺，由如下所述 之方法確定。 [數3] Ζ- c*r 2 *·* (3) 157759.doc •13- 201224632 首先’考慮聚光透鏡24之形狀、平行化透鏡26之入射面 26a之曲率、平行化透鏡26之折射率n、平行化透鏡26之中 心部之厚度、及平行化透鏡26之設置位置，求出近軸曲率 c之值。 具體而言，首先，預先確定聚光透鏡24之形狀、及平行 化透鏡26之入射面26a之曲率、折射率η、中心部之厚度、 设置位置。又’作為平行化透鏡26之替代，假定入射面之 曲率、折射率、中心部之厚度相同且出射面為球面狀之凹 透鏡。且，對於與預先確定之形狀相同形狀之聚光透鏡， 於平行化透鏡26之設置位置上配置有上述凹透鏡之情形 時，求出可使於近軸區域（旋轉軸附近之區域）將透過光轉 換為平行光的該凹透鏡之出射面之曲率。 如上所述求出之曲率之值成為規定出射面26b之形狀之 上述式（3)中之近轴曲率ce此處，當將平行化透鏡％之入 射面26a設為平面之情形日夺，將入射面^之曲率設為 其次，求出圓錐常數K。於本實施形態之光源裝置1〇〇 中，圓錐常數K-方面變更其值，一方面藉由使用重複式 (3)進行模擬而設^為射出平行光之條件。該類比中認為， 將自光源裝置1GG射出之光束由無像差之理想透鏡進行聚 光時，將聚光點上之光㈣為最小情形作為射出大致平行 之光之條件。 右使用以上述方式設計之平行化透鏡％，則可使透過準 直光學系統2G之激發域為平行度較高之光。 透過準直光學純2〇之激發光人射至透鏡積分器3〇。透 157759.doc -14- 201224632 鏡積分器30具有第1透鏡陣列32與第2透鏡陣列34，其等以 該順序排列於光路上。第1透鏡陣列32、第2透鏡陣列34係 將自準直光學系統20射出之光之亮度分佈均勻化者。 透過透鏡積分器30之激發光入射至光波長選擇光學系統 4〇。光波長選擇光學系統40具有分色鏡42及分色鏡44。分 色鏡42及分色鏡44係例如於玻璃表面積層介電質多層膜而 構成。 分色鏡42及分色鏡44具有選擇性地使發光之波長頻帶之 色光反射，而使除此以外之波長頻帶之色光透過的波長選 擇性。具體而言，分色鏡42使藍光反射，而使比藍光波長 更長之光（例如，比480 nm波長更長之光）透過另一方 面’分色鏡44使藍光透過，將比藍光波長更長之光（例 如，比480 nm波長更長之光）反射。此處，激發光透過分 色鏡44，並且由分色鏡42反射。 經分色鏡42反射之激發光入射至重疊光學系統50，且於 發光元件60上成像。 圖5表示入射至透鏡積分器30之激發光（藍光B)照射至發 光元件60之前的激發光的行為。 如圖5所示，第1透鏡陣列32包含複數個第1小透鏡32a， 第2透鏡陣列34包含複數個第2小透鏡34a。又，第1小透鏡 32a及第2小透鏡34a之俯視形狀與發光元件60之光照射面 60a之俯視形狀為大致相似形。 第1透鏡陣列32及第2透鏡陣列34中，第1小透鏡32a與第 2小透鏡34a—對一地對應。自準直光學系統20射出之光於 157759.doc •15· 201224632 空間上分開而入射至複數個第1小透鏡32a，第1小透鏡32a 將入射之光於對應之第2小透鏡34a上成像。藉此，於複數 個第2小透鏡34a之各個上分別形成二維光源像。 又’自複數個第2小透鏡34a之各個所射出之光經由分色 鏡42而於包含第1透鏡52及第2透鏡54而構成的重疊光學系 統50上聚光，且於發光元件60上成像》換言之，包含第2 透鏡陣列34與重疊光學系統50而構成之聚光光學系統係使 入射之光於所對應之發光元件60之光照射面60a上成像。 如圖5所示，發光元件60具有板狀之基體61、及形成於 基體61之激發光入射側之面上之螢光體層62 ^螢光體層62 係例如於俯視時形成為1 mm X 1 mm之大致正方形狀，且具 有發出螢光之螢光體粒子621。如上所述之螢光體層62具 有吸收激發光（藍光）並將其轉換為黃色（發光強度之峰值： 約550 nm ’參照圖3(b))之螢光的功能。 圖3(b)中，符號R所表示之成分係螢光體層62射出之黃 色光中可用作紅光之色光成分，符號G所表示之成分係同 樣可用作綠光之色光成分。圖丨中，符號尺表示紅光，符號 G表示綠光’符號rg表示包含紅光r與綠光〇之螢光。 如上所述之構成中，包含第2透鏡陣列34與重疊光學系 統50而構成之光學系統係以第i透鏡陣列32之透鏡面與發 光元件60之光照射面60a具有共軛關係之方式構成即可。

光照射面60a — 照射面60a—致之方式構成即可。藉此， 一致、且像面與 ’使強度分佈平 157759.doc •16- 201224632 均化之激發光照射於光照射面6〇a上。 此處，「第1透鏡陣列32之透鏡面」係指第i透鏡陣列32 所具有之複數個第1小透鏡32a間的谷連接而成之虛擬面。 圖6係表示與激發光之主光束正交的平面上之激發光之 光強度的計算結果，圖6(a)為表示入射至第i透鏡陣列32之 激發光之光強度的分佈圖，圖6(b)為表示入射至光照射面 60a之激發光之光強度的分佈圖。圖6(^(1?)中，以光強度 越大之部位越亮而光強度越小之部位越暗之方式，將光強 度對應於區域之亮度而進行表示。 又，圖6(c)係為表示圖6(b)中分佈圖中通過原點且沿父軸 及7軸之區域中之光強度的圖表。圖6(c)之橫軸表示圖 6(b)之區域中之X軸或y軸上的位置（座標），縱軸表示光強 度（放射照度）。 如圖6(a)所示，於入射至第}透鏡陣列32之前的空間位置 上’激發光之光強度分佈與圖2所示之光源丨〇Ba對應，分 散地存在焭部分與暗部分。相對於此，如圖6(b)所示，於 入射至光照射面60a之前的空間位置上，激發光形成為i mmx〗 mm之大致正方形狀，如圖6(c)所示，光照射面6〇a 之全部區域内的光強度大致相等，成為接近所謂頂帽形狀 之光強度分佈的連續之光強度分佈。 與如上所述透過透鏡積分器30之前相比，光強度分佈接 近均勻之激發光照射於發光元件6〇上。又，照射之激發光 成形為與發光元件60之俯視形狀大致相同之形狀。因此， 對於發光元件60，容易以於面内不產生光飽和之方式且向 157759.doc -17- 201224632 光照射面60a之整個面照射激發光。因此，發光元件6〇可 用作自光照射面60a之整個面良好地發出螢光rg之二維光 源。 對於自發光元件60射出之螢光RG，重疊光學系統5〇作 為拾取光學系統發揮功能。因此，螢光RG由重疊光學系 統50平行化之後，入射至光波長選擇光學系統4〇〇於光波 長選擇光學系統4〇中’該螢光rg由分色鏡44進行反射後 向透鏡陣列120射出。 其次’ 一方面對自第2光源i〇Bb射出之光進行說明，一 方面對各構成進行說明。 光源10Bb具有與如圖2所示之光源i〇Ba相同之構成，其 係射出藍光之雷射光源陣列。自光源丨〇Bb射出之藍光由第 2準直透鏡陣列22b平行化，並由聚光透鏡70聚光。 於聚光透鏡70之焦點位置設置有漫射體8〇。漫射體8〇具 有使透過之光散射之功能。自光源1〇]31)射出之相干光之藍 光因由漫射體80而散射，故於藍光内產生光程差，可干涉 性降低。因此，投影於被投影面7〇〇上時，不易產生被稱 作斑點之干擾條紋。 透過漫射體80之藍光入射至平行化透鏡9〇而平行化之 後’入射至光波長選擇光學系統4〇，由分色鏡42反射後向 透鏡陣列120射出。即，自光波長選擇光學系統4〇射出之 光係由自發光元件60射出之紅光及綠光混色而成之螢光 RG、與自光源10Bb射出之藍光B混色而成的白光L。 再者，本實施形態中’係將光源l〇Bb作為雷射光源陣 157759.doc -18· 201224632 列仁要可射出用於顯示之藍光，則無需為雷射光源 陣列。 透鏡陣列120、13〇係將自光波長選擇光學系統4〇射出之 白光L之亮度分佈均勻化者。透鏡陣列12〇包含複數個第五 小透鏡122，透鏡陣列13〇包含複數個第2小透鏡132。透鏡 陣列120與透鏡陣列13〇中，第i小透鏡122與第2小透鏡132 一對一地對應。自光波長選擇光學系統4〇射出之光L於空 間上分開而入射至複數個第i小透鏡122，第1小透鏡122將 入射之光於所對應之第2小透鏡132上成像。藉此，複數個 第2小透鏡132之各個上分別形成為二維光源像。再者，第 1小透鏡122、第2小透鏡132之外形形狀與液晶光閥400R、 400G、400B之圖像形成區域之外形形狀為大致相似形。 偏光轉換元件140係使自透鏡陣列120、130射出之光L之 偏光狀態一致者。如圖7所示，偏光轉換元件140包含複數 個偏光轉換單元141。偏光轉換單元141與第2小透鏡132 — 對一地對應。來自第2小透鏡132上形成之二維光源像之光 L入射至與該第2小透鏡132對應之偏光轉換單元141之入射 區域142。 偏光轉換單元141之各個中，對應於入射區域142而設置 有偏振分光鏡膜143(以下稱作PBS(Polarized Beam Separator，偏振分光鏡）膜143)及相位差板145。入射至入 射區域142之光L藉由PBS膜143而分成與PBS膜143相應之P 偏光L1與S偏光L2。P偏光LI、S偏光L2中之一偏光（此處 為S偏光L2)由反射構件144反射後，入射至相位差板145。 157759.doc -19- 201224632 入射至相位差板145之S偏光L2藉由相位差板145而使偏光 狀態轉換為另一偏光（此處為p偏光j^)之偏光狀態，從而 成為P偏光L3，與P偏光L1一起射出。 重疊透鏡150係將自偏光轉換元件ι4〇射出之光重疊於被 照明區域者。自光源裝置1 〇〇射出之光於空間上分割之後 重疊’藉此’使亮度分佈均勻化並提高圍繞光束軸1 〇〇ax 之轴對稱性。 色彩分離光學系統200包含分色鏡21〇、分色鏡22〇、鏡 230、鏡240、鏡250、向場透鏡300r、向場透鏡3〇〇(}、向 場透鏡300B、中繼透鏡260及中繼透鏡270。分色鏡210、 分色鏡220係於例如玻璃表面積層介電質多層膜而成者。 分色鏡210、分色鏡220具有選擇性地使特定之波長頻帶之 色光反射’而使除此以外之波長頻帶之色光透過的特性。 此處，分色鏡210使綠光與藍光反射，分色鏡22〇使綠光反 射。 自光源裝置100射出之光L入射至分色鏡210。光L中之紅 光R通過分色鏡210而入射至鏡230，由鏡230反射後入射至 向場透鏡300R。紅光R由向場透鏡300R平行化之後，入射 至液晶光閥400R。 光L中之綠光G與藍光B由分色鏡210反射後入射至分色 鏡220。綠光G由分色鏡220反射後入射至向場透鏡300G。 綠光G由向場透鏡300G平行化之後，入射至液晶光閥 400G。 通過分色鏡220之藍光B通過中繼透鏡260由鏡240反射之 157759.doc -20- 201224632 後，通過中繼透鏡270由鏡250反射，之後入射至向場透鏡 300B。藍光B由向場透鏡300B平行化之後，入射至液晶光 閥400B。 液晶光閥400R、液晶光閥400G、液晶光閥400B包含例 如透過型液晶光閥等光調變裝置。液晶光閥400R、液晶光 閥400G、液晶光閥400B係與供給包含有圖像資訊之圖像 訊號的PC(Personal Computer，個人電腦）等訊號源（圖示 略）電性連接，根據所供給之圖像訊號針對每個畫素對入 射光進行空間調變，分別形成紅色圖像、綠色圖像、藍色 圖像。經液晶光閥400R、液晶光閥400G、液晶光閥400B 調變之光（所形成之圖像）入射至色彩合成元件500。 色彩合成元件500包含雙色稜鏡等。雙色稜鏡為4個三稜 鏡相互貼合之結構。三稜鏡中，貼合面成為雙色稜鏡之内 面。於雙色稜鏡之内面上，將反射紅光r且使.綠光G透過 之鏡面與反射藍光B且使綠光G透過之鏡面相互正交而形 成。入射至雙色稜鏡之綠光G通過鏡面後原樣射出。入射 至雙色稜鏡之紅光R、藍光B於鏡面上選擇性地反射或透 過’向與綠光G之射出方向相同之方向射出。如上所述， 二束色光（圖像）重合而合成，所合成之色光由投影光學系 統600擴大投影於被投影面7〇〇。 本實施形態之投影機PJ中，如上述方式進行圖像顯示。 利用以上述方式構成之光源裝置1〇〇，可形成藉由抑制 發光元件6G中光飽和現象之產生從而使光量穩^，且較先 前具有更高發光效率之光源。 157759.doc 201224632 又’利用以上述方式構成之投影機pj，可實現藉由抑制 光飽和現象之產生從而使自光源裝置所射出之光量穩定， 且冗度不均得到抑制的南品質之圖像顯不。 再者’本實施形態中，係使平行化透鏡26之出射面26b 具有非球面形狀’但亦可使用入射面側為非球面形狀之透 鏡。 如圖8所示之平行化透鏡27係，入射面27a設為滿足式（3) 之關係之旋轉二維曲面形狀，出射面27b為平面的平凹透 鏡。若使用如上所述之平行化透鏡27，則與使用上述之平 行化透鏡24之情形相比，有易於獲得更高平行度之光束之 優點。 即，自上述之平行化透鏡26射出之光束係藉由平行化透 鏡26之入射面26a與出射面26b之折射，而經過兩次行進方 向之變更後射出。另一方面，由於自平行化透鏡27射出之 光束係藉由平行化透鏡27之入射面27a之折射而平行化， 故僅經過一次前進方向之變更後射出，因此不易因透鏡之 成形誤差而導致平行化混亂。因此，使用平行化透鏡27， 可獲得更高平行度之光束。 另一方面，自上述之平行化透鏡27射出之光束為如圖9 所不之光強度分佈。圖9係表示與使用平行化透鏡27之情 形時的激發光之主光束正交之平面上的激發光之光強度的 s十异結果’其係與圖6對應之圖。 如圖9(a)所不，若使用平行化透鏡27，則於入射至第【透 鏡陣列32之别的空間位置上，激發光之光強度分佈較分散 157759.doc •22· 201224632 且以線圈狀扭曲地配置。其原因在於，如圖8所示，於平 行化透鏡27中，入射之光線之入射角於平行化透鏡27之中 央（符號α)與周邊（符號β)產生相當大之差，因此，自平行 化透鏡27射出之光束容易產生中央較強而周圍較弱之強度 分佈。 且’如圖9(b)(c)所示，於入射至光照射面60a之前的空 間位置上’激發光雖然接近於1 mmxl mm之大致正方形狀 之區域内均勻之頂帽型狀之光強度分佈，但其較圖0(b)(c) 所不之光強度分佈更不均勻。認為其係反映入射至第1透 鏡陣列32之前的光強度之不均勻性（參照圖9(a))之結果。 如上所述之平行化透鏡2 7之非球面之旋轉二維曲面形狀 可根據上述式（3)由以下之方法所確定。 具體而言，首先，預先確定聚光透鏡24之形狀、及平行 化透鏡27之折射率n、中心部之厚度、及設置位置。又， 代替平行化透鏡27，假定為入射面之曲率、折射率、中心 部之厚度相同且出射面為球面狀之凹透鏡。之後，求出對 於與預先確定之形狀相同形狀之聚光透鏡，於平行化透鏡 27之设置位置上配置上述凹透鏡之情形時，無球面像差時 可轉換為平行光之該凹透鏡之入射面的曲率。以上述方式 求出之曲率之值為近抽曲率C。 其次，求出圓錐常數Κ。此處，平行化透鏡27中，由於 入射面27a為根據式（3)而設定之非球面，故入射至平行化 透鏡27之激發光藉由人射面27a上之折射，使得前進方向 變為大致平行之方向，於出射面27b上基本不受折射作用 157759.doc •23- 201224632 影響。其結果為，平行化透鏡27之折射率!!與圓錐常數反之 關係為固定。再者，平行化透鏡27之反射面形狀之非球面 的圓錐常數K大致確定為K=-n2。 因此’本變形例中，圓錐常數Κ可由κ>-η2求出，無需如 使用平行化透鏡26之情形之模擬。如上所述之平行化透鏡 27之非球面之圓錐常數κ為-2.1>Κ>-3.8之範圍。因此，將 入射面27a製成非球面形狀之情形時，將入射面27a設為旋 轉雙曲面形狀即可。 又’本貫施形態中’係使用如圖2所示之光源i〇Ba作為 激發光之光源’但亦可使用如以下之圖10、丨丨所示之光源 部。 圖1 〇係表示光源裝置101之概略圖。光源裝置1 〇丨中，使 用光源13替代上述之光源i〇Ba作為射出激發光之光源。構 成為，自光源13射出藍光B由準直透鏡陣列28平行化之 後’由包含複數個反射鏡29a之反射部29反射且入射至聚 光透鏡24。 反射鏡29a對應於自各雷射光源12射出之藍光b而設置， 具有將主光束之間隔設為W1〜W2(W1>W2)之功能。反射鏡 29a係構成為，相互以間隔W3而隔開配置，藉由各反射鏡 29a進行反射，而改變主光束之間隔。 圖11係光源裝置101所具有之光源13的俯視圖。如圖i i 所示’光源13係於基台11上雷射光源12以1 〇個χ 5個之長方 形狀二維排列（總計50個）而成之雷射光源陣列。各雷射光 源12於俯視視時具有矩形，以長軸方向朝向同一方向之方 157759.doc -24· 201224632 式排列。又，於雷射光源12之短軸方向上，隔著間隔wi 而排列。 如上所述之光源13中，如圖11 (b)所示’自各雷射光源12 射出之雷射光（藍光B)係主光束之間隔對應於雷射光源12 之配置間隔臂1者。 因此，如圖11(c)所示，經反射部29反射之雷射光（藍光 B)之主光束之間隔為間隔W2，光束整體之光量變多。 如上所述之構成之光源裝置1〇1中，由於可提高自光源 13射出之光之密度，故其係可增加照射於發光元件6〇之光 之光量，且可射出較強之螢光之光源裝置。 又’本實施形態中，發光元件60發出之螢光rg中包含 紅光R與綠光G，但並不限於此❶例如，亦可如圖12所示 之光源裝置102中之發光元件63般，發出僅包含綠光g之螢 光。 該情形時’如圖12所示，射出用於顯示之藍光的光源 l〇Bb以外，準備射出紅光之光源1〇R即可。即，構成如下 即可：於自光源10Bb射出之藍光B與自光源10R射出之紅 光R之光路上’配置使藍光反射且使其他光透過之分色鏡 46並於光路上進行混色’將經混色之光引導至聚光透鏡 70。若光源10R可射出紅光，則光源1〇r可為雷射光源陣 列’亦可為其他構成。 又’本實施形態中，將發光元件60為於激發光之入射側 射出螢光的反射型構成，但亦可為於與激發光之入射面相 對之面射出螢光的透過型構成。 157759.doc •25- 201224632 圖13係具有透過型發光元件64之光源裝置1 〇3的概略 圖。 如圖所示，光源裝置1〇3中，自光源1〇B射出之激發光 (藍光B)經由準直光學系統2〇、透鏡積分器3〇、及重疊光 學系統50而入射至發光元件64之一面（入射面64a)。發光元 件64中，吸收一部分激發光並轉換為包含紅光與綠光之榮 光RG ’剩餘之激發光不經吸收而透過。因此，自發光元 件64之另一面（出射面64b)射出未吸收之激發光（藍光b)與 螢光RG混色而成之白光L。 自發光元件64射出之光L由包含第1拾取透鏡56、及第2 拾取透鏡5 7之拾取光學系統5 9抑制擴散後，經由透鏡陣列 120及130、偏光轉換元件140、及重疊透鏡150而射出。 即便是如上所述之光源裝置103，由於使自光源1 〇B射出 之激發光之光強度由透鏡積分器30平均化之後，入射至發 光元件64所具有之螢光體層，故亦可為發光效率較高之光 源》 又’本實施形態中，準直光學系統20中所含之聚光透鏡 24與平行化透鏡26形成所謂伽利略型無焦光學系統，但， 亦可使用凸透鏡替代平行化透鏡26而形成所謂開普勒型無 焦光學系統。 又，本實施形態中，第1透鏡陣列32之透鏡面與發光元 件60之光照射面60a經由聚光光學系統而具有共軛關係， 但，即便於光照射面60a上未成像，亦可期待經由第i透鏡 陣列32之激發光之重疊效果，激發光之光強度有平均化之 157759.doc -26- 201224632 傾向。因此，可形成發光元件60之光飽和現象得到抑制， 且發光效率較高之光源。 又，本實施形態中，聚光之激發光形成為照射面積為 1 mmxl mm之大致正方形狀，其大小與螢光體層62之俯視 面積大致相同，但，即便例如激發光之照射面積較螢光體 層62略大，由於發光元件60上之光飽和得到抑制，故亦可 期待發光效率之改善。 又，本實施形態中，第1透鏡陣列32與第2透鏡陣列34之 小透鏡之俯視形狀與光照射面60a之俯視形狀為大致相似 形。然而’當並非為相似形之情形時，雖然一部分之激發 光浪費，但由於發光元件6 0上之光飽和得到抑制，故可期 待發光效率之改善。 又’本實施形態中’使用上述式（3)設計平行化透鏡26 之凹面，但，亦可使用其他通常已知之非球面之設計方 法。 [第2實施形態] 圖14係本發明之第2實施形態之光源裝置的說明圖。以 下之說明中，對與第丨實施形態共通之構成要素標註相同 之符號’並省略詳細說明。 如圖14所示，光源裝置104與第1實施形態之光源裝置 100之構成有一部分共通。不同之處在於，透鏡積分器不 成對且僅使用一個第1透鏡陣列32。本實施形態中，重疊 光學系統50作為本發明之聚光光學系統發揮功能。 圖15係表示第！透鏡陣列32及重疊光學系統”之功能的 157759.doc •27· 201224632 說月圖目15中，為了簡化，而將重疊光學系統50示意性 地圖不為單個凸透鏡。將重疊光學系統5〇設為無球面像 差’或球面像差經修正而降低者。 如圖15⑷所不，於包含第1透鏡陣列32及重疊光學系統 5〇而構成之光學系統中構成為，人射至第1透鏡陣列32之 激發光（藍光B)為平行，透過第丨透鏡陣列32與重疊光學系 統50之激發光的主光束通過重疊光學系統5〇之焦點F2。換 言之，以第1透鏡陣列32與重疊光學系統5〇作為兩端之光 學系統中，物體面設定為無限遠。即，包含第1透鏡陣列 32及重疊光學系統50而構成之光學系統為物體側遠心。如 上所述之光學系統中，入射之激發光（藍光B)透過第i透鏡 陣列32之後，入射至重疊光學系統5〇，自重疊光學系統5〇 射出之激發光通過重疊光學系統5〇之固定寬度的出射光瞳 P 〇 於如上所述之構成中，出射光瞳P之寬度係根據重疊光 學系統50之數值孔徑NA與焦點距離Lb而設為固定之大 小。又，出射光瞳P之形狀與構成第1透鏡陣列32之小透鏡 32a為相似形。即，出射光瞳p之寬度與重疊光學系統5〇與 第1透鏡陣列32之距離La無關，始終固定。例如，以出射 光瞳P為1 mmx 1 mm之大致正方形狀之方式設計。 因此，如圖15(b)所示，於重疊光學系統5〇之焦點？2之 位置上配置與出射光瞳相同大小之發光元件6 〇，並將與光 照射面60a共軛之面設定為無限遠，藉此，與第1實施形態 之光源裝置100相比，可減少透鏡陣列之使用數（不使用圖 157759.doc -28 · 201224632 1所示之第2透鏡陣列）。其結果為，能夠以較少之零件數 使激發光之光強度平均化，並照射於發光元件6〇。 圓16係表示與光源裝置ι〇4之激發光之主光束正交之平 面上的激發光之光強度的計算結果，且其係與圖6(b)(c)對 應的圖。 如圖16(b)所示，於入射至發光元件6〇之前之空間位置 上，激發光形成為1 mmxl mm之大致正方形狀如圖丨6^) 所示，於全部區域内光強度大致相等，為接近所謂頂帽型 狀之光強度分佈的連續之光強度分佈。 光源裝置104中，由於經第丨透鏡陣列32分割為複數束光 束之激發光由重疊光學系統5〇聚光，故光強度分佈平均 化。除此之外，於如圖15所示之出射光瞳卩中，由於激發 光未成像，故激發光之圖像較模糊，光強度易於平均化。 因此’即便如光源lGBa之分散型光源，亦可良好地將光強 度分佈平均化。 藉由如以上所述之構成之光源裝置1〇4 ’可形成光飽和 現象之產生得到抑制從而使光量穩^，且較先前之發光效 率更兩的光源。 再者，本實施形態中，係使用平行化透鏡26而進行說 明，但，亦可使用如圖8所示之平行化透鏡27。就入射面 為凹面且出射面為平面之平行化透鏡27而言，較之平行化 透鏡26可進-步提高如上所料過平行化透鏡”之激發光 之平行度。因此’容易進行使用第以鏡陣列32及重疊光 學系統50之激發光之平均化。 157759.doc •29- 201224632 又，本實施形態中，發光元件60之光照射面60a之俯視 面積與出射光瞳p之大小大致相等。然而，即便例如出射 光曈p較大之情形時，雖然一部分激發光浪費，但由於發 光7C件60上之光飽和得到抑制，故可期待發光效率之改 善。 又，本實施形態中，光照射面6〇a係與重疊光學系統5〇 之焦點F2重合配置，但，即便自焦點F2偏離，亦可期待經 由第1透鏡陣列32之激發光之重疊效果’激發光之光強度 有平均化之傾向。因此，可形成發光元件6〇中之光飽和現 象得到抑制，且發光效率較高之光源。 以上，一方面參照隨附圖式，一方面關於本發明之適宜 之實施形態例進行了說明，但，本發明當然不限定於上述 示例。上述之示例中所示之各構成構件之各種形狀及組合 等僅為一例，可於不偏離本發明之主旨之範圍内根據設計 要求等進行各種變更。 【圖式簡單說明】 圖1係表示第1實施形態之光源裝置及投影機的示意圖； 圖2係第1實施形態之光源裝置中所含之光源部的正視 圖； 圖3(a)、（b)係表示光源及發光元件之發光特性的圖表； 圖4係第丨實施形態之光源裝置中所含之光源部的側視 圖； 圖5係表示入射至透鏡積分器之激發光之行為的說明 圖； 157759.doc -30- 201224632 面上的 圖6(a)〜(c)係表示於與激發光之主光束正交之平 激發光之光強度的計算結果； 圖7係偏光轉換元件的概略說明圖； 圖； 上的 圖8係表示第丨實施形態之光源裝置之變形例的說明 圖9(a)〜(c)係表示於與激發光之主光束正交之平面 激發光之光強度的計算結果； 圖10係表示第1實施形態之光源裝置之變形例的說明 圖； 圖11(a)〜(c)係表示第1實施形態之光源裝置之變形例的 說明圓； 圖12係表示第丨實施形態之光源裝置之變形例的說明 圖； 圖13係表示第丨實施形態之光源裝置之變形例的說明 圖； 圖14係表示第2實施形態之光源裝置的示意圖； 圖15(a)、（b)係表示入射至透鏡積分器之激發光之行為 的說明圖；及 圖i6(a)、（b)係表示於與激發光之主光束正交之平面上 的激發光之光強度的計算結果。 【主要元件符號說明】 ίο、10B、10R、13 光源 l〇ax 中心軸 10Ba 第一光源（光源部） 10Bb 第二光源 157759.doc -31- 201224632 11 基台 12 雷射光源（固體光源） 20 準直光學系統（光源部） 22a 、22b 準直透鏡陣列 24 聚光透鏡 26、 27 平行化透鏡 26a 、27a、64a 入射面 26b 、27b 、 64b 出射面 28 準直透鏡陣列 29 反射部 29a 反射鏡 30 透鏡積分器 32 透鏡陣列 32a 第1小透鏡 34 第2透鏡陣列 34a 第2小透鏡 40 光波長選擇光學系統 42 ' 44、46 分色鏡 50 重疊光學系統 52 第1透鏡 54 第2透鏡 56 第1拾取透鏡 57 第2拾取透鏡 59 拾取光學系統 157759.doc •32- 201224632 60 ' 63 ' 64 60a 61 62 70 80 90 100〜104 1 OOax 120、130 122 132 140 141 142 143 144 145 150 200 210 ' 220 230 ' 240 ' 250 260 ' 270 300R、300G、300B 發光元件 光照射面 基體 螢光體層 聚光透鏡 漫射體 平行化透鏡 光源裝置 光束軸 透鏡陣列 第1小透鏡 第2小透鏡 偏光轉換元件 偏光轉換單元 入射區域 偏振分光鏡膜 反射構件 相位差板 重疊透鏡 色彩分離光學系統 分色鏡 鏡 中繼透鏡 向場透鏡 -33- 157759.doc 201224632

400R、400G、400B 500 600 621 700 B FI、F2

G

L L0 LI、L3P L2

La、Lb ' r P PJ R

RG W、W1、W2、W3 α、β 液晶光閥（光調變元件） 色彩合成元件 投影光學系統 螢光體粒子 被投影面 藍光（激發光） 焦點 綠光 白光 原點 偏光 S偏光 距離 出射光瞳 投影機 紅光 螢光 間隔 入射角 157759.doc -34-

Claims (1)

1. 201224632 七、申請專利範圍： 1. 一種光源裝置’其特徵在於包括： 光源部，其包含射出激發光之複數個固體光源，使上 述激發光成為平行之光束而射出； 透鏡陣列’其將上述激發光分割為複數個部分光束； 聚光光學系統’其使分割為上述複數個部分光束之上 述激發光聚光；及 發光元件，其由聚光後之上述激發光激發而發出螢 光。 2. 如請求項1之光源裝置，其中上述聚光光學系統包含與 上述透鏡陣列成對且供上述部分光束入射之第2透鏡陣 列、及使自上述第2透鏡陣列射出之上述部分光束重疊 於上述發光元件上之重疊光學系統， 上述透鏡陣列之透鏡面與上述發光元件之光照射面經 由上述聚光光學系統而具有共軛關係。 3. 如請求項2之光源裝置，其中構成上述透鏡陣列之複數 個小透鏡之俯視形狀與上述光照射面之俯視形狀為相似 形， 上述光照射面之俯視面積，與於與上述光照射面相同 之空間位置上向與上述光照射面平行之平面照射的上述 激發光之照射面積大致相等。 4. 如請求項2或3之光源裝置，其中上述光源部包含將自上 述複數個固體光源射出之上述激發光聚光之聚光透鏡、 及使自上述聚光透鏡射出之上述激發光平行化之平行化 157759.doc 201224632 透鏡， 上述平行化透鏡中，入射面或出射面中之任一者包含 旋轉二維曲面形狀之凹面。 5·如請求項4之光源裝置’其中上述平行化透鏡之上述入 射面為球面狀之凸®，上述出射面為±述凹面。 6.如請求項丨之光源以，其中上述發光元件之光照射面 重合設置於上述聚光光學系統之焦點位置， 將以上述透鏡陣列與上述聚光光學系統作為兩端之整 。光予系、统中，#與上述光照射面共輛之面設定為無限 遠。 如吻求項6之光源裝置，其中構成上述透鏡陣列之複數 個小透鏡之俯視形狀係與上述發光元件之光照射面之俯 視形狀為相似形， 上述發光元件之光照射面之俯視面積係與上述整合光 學系統之出射光瞳之大小大致相等。 8·如明求項6或7之光源裝置，其中上述光源部包含將自上 述複數個固體光源射出之上述激發光聚光之聚光透鏡、 及將自上述聚光透鏡射出之上述激發光平行化之平行化 透鏡， 上述平行化透鏡中，入射面或出射面令之任一者包含 旋轉二維曲面形狀之凹面。 9.如請求項8之光源裝置，其中上述平行化透鏡之上述入 射面為上述凹面，上述出射面為平面。 10·如請求項4、5、8、9中任一項之光源裝置，其中在以上 157759.dOC 201224632 述凹面與上述光束的中心軸 , 乂點為原點、以上述中心 軸為Z軸、以與上述中心軸 ^ ^ 此交之軸為r軸的ΓθΖ圓柱座標 系中’將座標值設為r及Z、將土斤紅从方 將近軸曲率設為c、將圓錐常 數设為K時’上述凹面為由下或挪主_ r式所表不之形狀： [數1J 1 + (l + AT)· c2 · r2 11. 一種投影機，其特徵在於包含：如請求項丨至⑺中任一 項之光源裝置、對自上述光源裝置射出之光進行調變之 光調變元#、及將由上述光調變元彳進行調變後之光投 影之投影光學系統。 157759.doc