TWI446092B - Light source device, projector - Google Patents

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TWI446092B
TWI446092B TW100143387A TW100143387A TWI446092B TW I446092 B TWI446092 B TW I446092B TW 100143387 A TW100143387 A TW 100143387A TW 100143387 A TW100143387 A TW 100143387A TW I446092 B TWI446092 B TW I446092B
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Koichi Akiyama
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Description

光源裝置、投影機
本發明係關於光源裝置及投影機者。
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 crystal 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1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，可實現光利用效率較高、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
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。
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。
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內儘可能均勻。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，為了增加光量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軸各自隔開，且於固體光源陣列整體中，射出之激發光之光束內，在與各固體光源相對應之光軸附近較明亮，而在與各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內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元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，且易於以不產生發光元件之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，且容易進行使用有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，由於在焦點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，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。
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，由於可進一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之激發光之平均化，且容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交點為原點、以上述中心軸為Z軸、以與上述中心軸正交之軸為r軸的rθZ圓柱座標系中，將座標值設為r及Z、將近軸曲率設為c、將圓錐常數設為K時，上述凹面為由以下之式(1)所表示之形狀。
[數1]
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之圖像顯示的投影機。
 [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10B(第1光源10Ba、第2光源10Bb)。
光源裝置100之構成為，沿著自光源10Ba射出之光之光路觀察，依序配置有光源10Ba、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、發光元件60、透鏡陣列120及130、偏光轉換元件140、以及重疊透鏡150。
此處，光源10Ba與準直光學系統20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10Bb所射出之光之光路觀察，依序配置有光源10Bb、準直透鏡陣列22b、聚光透鏡70、漫射體80、平行化透鏡90、光波長選擇光學系統40、透鏡陣列120及130、偏光轉換元件140及重疊透鏡150。
於具有上述構成之光源裝置100中，自光源10Ba射出之藍光照射於發光元件60，用作用於使自發光元件60所具有之螢光體射出螢光之激發光。自發光元件60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閥之照明光的白光L，並自光源裝置100射出。
以下，首先對自第1光源10Ba射出之光之行為進行說明，並且對各構成進行說明，其次，對自第2光源10Bb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10Ba的正視圖。如圖所示，光源10Ba係於基台11上雷射光源(固體光源)12以5個×5個之正方形狀(總計25個)二維排列而成的雷射光源陣列。各雷射光源12於俯視時具有圓角矩形，且以長軸方向朝向同一方向之方式排列。
光源10Ba作為使發光元件60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3(a))之雷射光。圖3(a)中，符號B表示光源10Ba作為激發光而射出之色光成分。再者，光源10Ba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1中，自光源10Ba射出之激發光以符號B表示。
圖4係光源10Ba的側視圖。如圖所示，自光源10Ba射出之激發光，經準直光學系統20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26再次平行化。藉由透過如上所述之準直光學系統20，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]
此處，如圖4所示，r、Z係以平行化透鏡26之出射面26b與激發光之光束之中心軸10ax的交點為原點L0且與中心軸10ax成軸對稱之rθZ圓柱座標系中的座標值。再者，圖4中，Z方向以激發光之射出方向為正。r表示自原點L0朝向與中心軸10ax正交之方向的距離。θ表示偏離特定之r方向之角度，但，由式(2)可知，非球面之形狀不依存於角度θ。
又，式(2)中，近軸曲率c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。
K為稱作圓錐常數之值。根據該圓錐常數K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K之值為-1<K<0之情形時，非球面為旋轉橢圓面。又，當圓錐常數K之值為K=-1之情形時，非球面為旋轉抛物面。進而，當圓錐常數K之值為K<-1之情形時，非球面為旋轉雙曲面。
又，左邊第3項係依存於被稱作一般非球面項之距離r的函數，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(2)之左邊第3項之下式(3)，由如下所述之方法確定。
[數3]
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n、中心部之厚度、設置位置。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)中之近軸曲率c。此處，當將平行化透鏡26之入射面26a設為平面之情形時，將入射面26a之曲率設為0。
其次，求出圓錐常數K。於本實施形態之光源裝置100中，圓錐常數K一方面變更其值，一方面藉由使用重複式(3)進行模擬而設定為射出平行光之條件。該類比中認為，將自光源裝置100射出之光束由無像差之理想透鏡進行聚光時，將聚光點上之光點徑為最小情形作為射出大致平行之光之條件。
若使用以上述方式設計之平行化透鏡26，則可使透過準直光學系統20之激發光成為平行度較高之光。
透過準直光學系統20之激發光入射至透鏡積分器30。透鏡積分器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40。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一對一地對應。自準直光學系統20射出之光於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×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1中，符號R表示紅光，符號G表示綠光，符號RG表示包含紅光R與綠光G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1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。即，包含第2透鏡陣列34與重疊光學系統50而構成的光學系統以物體面與第1透鏡陣列32之透鏡面一致、且像面與光照射面60a一致之方式構成即可。藉此，使強度分佈平均化之激發光照射於光照射面60a上。
此處，「第1透鏡陣列32之透鏡面」係指第1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1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(a)(b)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x軸及y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1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10Ba對應，分散地存在亮部分與暗部分。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1 mm×1 mm之大致正方形狀，如圖6(c)所示，光照射面60a之全部區域內的光強度大致相等，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60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，容易以於面內不產生光飽和之方式且向光照射面60a之整個面照射激發光。因此，發光元件60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50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40。於光波長選擇光學系統40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10Bb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10Ba相同之構成，其係射出藍光之雷射光源陣列。自光源10Bb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80。漫射體80具有使透過之光散射之功能。自光源10Bb射出之相干光之藍光因由漫射體80而散射，故於藍光內產生光程差，可干涉性降低。因此，投影於被投影面700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90而平行化之後，入射至光波長選擇光學系統40，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40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10Bb作為雷射光源陣列，但，只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、130係將自光波長選擇光學系統40射出之白光L之亮度分佈均勻化者。透鏡陣列120包含複數個第1小透鏡122，透鏡陣列130包含複數個第2小透鏡132。透鏡陣列120與透鏡陣列130中，第1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40射出之白光L於空間上分開而入射至複數個第1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射出之白光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132一對一地對應。來自第2小透鏡132上形成之二維光源像之白光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之白光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L1、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。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L1)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140射出之光重疊於被照明區域者。自光源裝置100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100ax之軸對稱性。
色彩分離光學系統200包含分色鏡210、分色鏡220、鏡230、鏡240、鏡250、向場透鏡300R、向場透鏡300G、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220使綠光反射。
自光源裝置100射出之白光L入射至分色鏡210。白光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。
白光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 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內面。於雙色稜鏡之內面上，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，三束色光(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700。
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100，可形成藉由抑制發光元件60中光飽和現象之產生從而使光量穩定，且較先前具有更高發光效率之光源。
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，且亮度不均得到抑制的高品質之圖像顯示。
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26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所示之光強度分佈。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計算結果，其係與圖6對應之圖。
如圖9(a)所示，若使用平行化透鏡27，則於入射至第1透鏡陣列32之前的空間位置上，激發光之光強度分佈較分散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 mm×1 mm之大致正方形狀之區域內均勻之頂帽型狀之光強度分佈，但其較圖6(b)(c)所示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27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之設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軸曲率c。
其次，求出圓錐常數K。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之激發光藉由入射面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影響。其結果為，平行化透鏡27之折射率n與圓錐常數K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K可由K=-n2 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K為-2.1>K>-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，本實施形態中，係使用如圖2所示之光源10Ba作為激發光之光源，但亦可使用如以下之圖10、11所示之光源部。
圖10係表示光源裝置101之概略圖。光源裝置101中，使用光源13替代上述之光源10Ba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11所示，光源13係於基台11上雷射光源12以10個×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式排列。又，於雷射光源12之短軸方向上，隔著間隔W1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W1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101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60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。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10Bb以外，準備射出紅光之光源10R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10R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。
圖13係具有透過型發光元件64之光源裝置103的概略圖。
如圖所示，光源裝置103中，自光源10B射出之激發光(藍光B)經由準直光學系統20、透鏡積分器30、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螢光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射出之白光L由包含第1拾取透鏡56、及第2拾取透鏡57之拾取光學系統59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10B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 mm×1 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，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1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1透鏡陣列32及重疊光學系統50之功能的說明圖。圖15中，為了簡化，而將重疊光學系統50示意性地圖示為單個凸透鏡。將重疊光學系統50設為無球面像差，或球面像差經修正而降低者。
如圖15(a)所示，於包含第1透鏡陣列32及重疊光學系統50而構成之光學系統中構成為，入射至第1透鏡陣列32之激發光(藍光B)為平行，透過第1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50之焦點F2。換言之，以第1透鏡陣列32與重疊光學系統50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1透鏡陣列32之後，入射至重疊光學系統50，自重疊光學系統50射出之激發光通過重疊光學系統50之固定寬度的出射光瞳P。
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50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 mm×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50之焦點F2之位置上配置與出射光瞳相同大小之發光元件60，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60。
圖16係表示與光源裝置104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60之前之空間位置上，激發光形成為1 mm×1 mm之大致正方形狀，如圖16(c)所示，於全部區域內光強度大致相等，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1透鏡陣列32分割為複數束光束之激發光由重疊光學系統50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P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10Ba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104，可形成光飽和現象之產生得到抑制從而使光量穩定，且較先前之發光效率更高的光源。
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可進一步提高如上所述透過平行化透鏡27之激發光之平行度。因此，容易進行使用第1透鏡陣列32及重疊光學系統50之激發光之平均化。
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，即便例如出射光瞳P較大之情形時，雖然一部分激發光浪費，但由於發光元件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60a係與重疊光學系統50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60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內根據設計要求等進行各種變更。
10、10B、10R、13．．．光源
10ax．．．中心軸
10Ba．．．第一光源(光源部)
10Bb．．．第二光源
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
60、63、64．．．發光元件
60a．．．光照射面
61．．．基體
62．．．螢光體層
70．．．聚光透鏡
80．．．漫射體
90．．．平行化透鏡
100~104．．．光源裝置
100ax．．．光束軸
120、130．．．透鏡陣列
122．．．第1小透鏡
132．．．第2小透鏡
140．．．偏光轉換元件
141．．．偏光轉換單元
142．．．入射區域
143．．．偏振分光鏡膜
144．．．反射構件
145．．．相位差板
150．．．重疊透鏡
200．．．色彩分離光學系統
210、220．．．分色鏡
230、240、250．．．鏡
260、270．．．中繼透鏡
300R、300G、300B．．．向場透鏡
400R、400G、400B．．．液晶光閥(光調變元件)
500．．．色彩合成元件
600．．．投影光學系統
621．．．螢光體粒子
700．．．被投影面
B．．．藍光(激發光)
F1、F2．．．焦點
G．．．綠光
L．．．白光
L0．．．原點
L1、L3P．．．偏光
L2．．．S偏光
La、Lb、r．．．距離
P．．．出射光瞳
PJ．．．投影機
R．．．紅光
RG．．．螢光
W、W1、W2、W3．．．間隔
α、β．．．入射角
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1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；
圖6(a)~(c)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；
圖7係偏光轉換元件的概略說明圖；
圖8係表示第1實施形態之光源裝置之變形例的說明圖；
圖9(a)~(c)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；
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圖；
圖12係表示第1實施形態之光源裝置之變形例的說明圖；
圖13係表示第1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16(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。
10B．．．光源
10Ba．．．第一光源(光源部)
10Bb．．．第二光源
20．．．準直光學系統(光源部)
22a、22b．．．準直透鏡陣列
24．．．聚光透鏡
26．．．平行化透鏡
30．．．透鏡積分器
32．．．透鏡陣列
34．．．第2透鏡陣列
40．．．光波長選擇光學系統
42、44．．．分色鏡
50．．．重疊光學系統
52．．．第1透鏡
54．．．第2透鏡
60．．．發光元件
70．．．聚光透鏡
80．．．漫射體
90．．．平行化透鏡
100．．．光源裝置
100ax．．．光束軸
120、130．．．透鏡陣列
122．．．第1小透鏡
132．．．第2小透鏡
140．．．偏光轉換元件
150．．．重疊透鏡
200．．．色彩分離光學系統
210、220．．．分色鏡
230、240、250．．．鏡
260、270．．．中繼透鏡
300R、300G、300B．．．向場透鏡
400R、400G、400B．．．液晶光閥(光調變元件)
500．．．色彩合成元件
600．．．投影光學系統
700．．．被投影面
B．．．藍光(激發光)
G．．．綠光
L．．．白光
R．．．紅光
RG．．．螢光
PJ．．．投影機

Claims (13)

  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，其發出藉由由聚光後之上述激發光激發之螢光。
  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 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面，上述出射面為上述凹面。
  6. 如請求項1之光源裝置，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合光學系統中，將與上述光照射面共軛之面設定為無限遠。
  7. 如請求項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. 如請求項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，入射面或出射面中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之光源裝置，其中在以上述凹面與上述光束 的中心軸之交點為原點、以上述中心軸為Z軸、以與上述中心軸正交之軸為r軸的rθZ圓柱座標系中，將座標值設為r及Z、將近軸曲率設為c、將圓錐常數設為K時，上述凹面為由下式所表示之形狀：
  11. 如請求項8之光源裝置，其中在以上述凹面與上述光束的中心軸之交點為原點、以上述中心軸為Z軸、以與上述中心軸正交之軸為r軸的rθZ圓柱座標系中，將座標值設為r及Z、將近軸曲率設為c、將圓錐常數設為K時，上述凹面為由下式所表示之形狀：
  12. 如請求項9之光源裝置，其中在以上述凹面與上述光束的中心軸之交點為原點、以上述中心軸為Z軸、以與上述中心軸正交之軸為r軸的rθZ圓柱座標系中，將座標值設為r及Z、將近軸曲率設為c、將圓錐常數設為K時，上述凹面為由下式所表示之形狀：
  13. 一種投影機，其特徵在於包含：如請求項1至12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。
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