WO2014196079A1 - 光源装置およびそれを備えた投写型表示装置 - Google Patents

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孝史 石川
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Definitions

  • the present invention relates to a light source device including a phosphor wheel that emits fluorescence by excitation light from a light source, and a projection display device including the light source device.
  • Patent Document 1 proposes a light source device that excites a phosphor with excitation light emitted from a light source. More specifically, the light source device includes a light source that emits blue excitation light that excites the phosphor, and a disk-shaped phosphor wheel that is coated with a phosphor that emits fluorescence when the excitation light enters.
  • the phosphor wheel is composed of a red region made of a phosphor that emits light having a red wavelength when excitation light is incident, a green region made of a phosphor that emits light having a green wavelength, and a blue region that diffuses light having a blue wavelength. The area is divided in the circumferential direction.
  • the phosphor wheel has a rotation mechanism, and emits red, green, and blue light in a time-sharing manner by making excitation light incident while rotating the phosphor.
  • a condensing lens group is arranged between the phosphor wheel and a light guide device (light tunnel) that emits light with a uniform light intensity distribution as well as light from the phosphor wheel.
  • Light emitted in a time division manner by the body wheel enters the same light guide device.
  • the light emitted from the light guide device is modulated according to the image signal by the DMD, and then enlarged and projected on the screen.
  • the light source device of Patent Document 1 has the following problems.
  • the diameter of the laser light that is the excitation light irradiated on the phosphor that is, the spot of the excitation light
  • a method of reducing the etendue by reducing the light emitting area of the phosphor by reducing the size can be considered.
  • the size of the excitation light spot is reduced, the laser power per unit area of the excitation light spot is increased.
  • the quantum efficiency is lowered due to heat generation of the phosphor, so that the light emission output of the phosphor is lowered and the luminance is lowered.
  • the quantum efficiency is lowered, the amount of heat generated by the phosphor itself is further increased, so that the luminance is further lowered. That is, when the laser power density on the phosphor increases, a phenomenon of temperature quenching occurs. Therefore, it is difficult to reduce etendue by reducing the spot size of the excitation light.
  • An object of the present invention is to provide a light source device with reduced etendue and a projection display device having the same.
  • the light source device of the present invention includes a phosphor wheel having a plurality of concentrically arranged ring-shaped light emitting regions, each of which generates illumination light of a plurality of colors by irradiation of excitation light, and a plurality of ring-shaped light sources. It has a light source part which irradiates excitation light simultaneously with respect to a light emission area, and a plurality of optical elements into which a plurality of illumination lights generated by irradiation of excitation light are respectively incident.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a light source device according to the present invention. Each part will be described below.
  • the light source device 20 of the present invention mainly includes a light source unit 17, an excitation optical system 18, a phosphor wheel 7, and optical elements 15 and 16.
  • the optical element includes a hollow light tunnel or a solid rod integrator. In the present invention, the light tunnel will be described as an example.
  • the light source unit 17 includes a light source 1 that emits excitation light having a first wavelength and a collimator lens 2.
  • the type of the light source 1 is not particularly limited.
  • a laser diode that is a solid-state light source that emits light having a wavelength of about 405 nm (light having a first wavelength) can be used.
  • the light source 1 is constituted by one laser diode
  • a plurality of laser diodes are arranged in an array to increase the output of excitation light.
  • the excitation light emitted from the light source 1 is a divergent beam. Therefore, in order to convert the diffused beam into a parallel beam, the collimating lens 2 is disposed facing each laser diode. The excitation light incident on the collimating lens 2 from the light source 1 is converted into a parallel beam and incident on the excitation optical system 18.
  • the excitation optical system 18 includes a convex lens 3, a concave lens 4, a dichroic prism 5, and a lens 6, and creates a spot of excitation light on the phosphor 7.
  • the excitation optical system 18 is not limited to these optical components.
  • a diffusion plate or other lens may be disposed before, after, or between the above-described optical components.
  • the excitation system optical system 18 condenses the excitation light emitted from the light source unit 17 on the phosphor wheel 7 by the optical component described above.
  • the diameter of the spot of the excitation light condensed and formed on the phosphor wheel 7 is the same as that of the related art such as Patent Document 1, so that the laser power per unit area of the spot of the excitation light does not increase. I have to.
  • the phosphor wheel 7 includes a disk-shaped substrate 8 and a rotary motor 9.
  • FIG. 2 is a view when the phosphor wheel 7 is viewed from the side on which the excitation light is incident.
  • FIG. 3 is a graph showing the intensity of light having the fourth wavelength from light having the first wavelength.
  • a first phosphor region 10 On the substrate 8, a first phosphor region 10, a second phosphor region 11, and a third phosphor region 12 are provided.
  • the first phosphor region 10 emits light having a second wavelength, which is illumination light, when light having the first wavelength, which is excitation light, is incident, and the second phosphor region 11 has a first wavelength, which is excitation light.
  • the third phosphor region 12 When light having a wavelength of 1 is incident, it emits light having a third wavelength, which is illumination light, and the third phosphor region 12 has a fourth wavelength, which is illumination light, when the first wavelength that is excitation light is incident. Emits light.
  • the phosphor is coated on the substrate 8 so as to form two concentrically different bands. That is, two ring-shaped phosphors are formed on the substrate 8. Out of the two ring-shaped phosphors, the outer ring-shaped phosphor is a phosphor region 10 that emits light of the second wavelength.
  • the inner ring-shaped phosphor is divided in the circumferential direction by a phosphor region 11 that emits light of the third wavelength and a phosphor region 12 that emits light of the fourth wavelength.
  • the outer side may be referred to as an “outer ring-shaped light emitting region” and the inner side may be referred to as an “inner ring-shaped light emitting region”.
  • the second wavelength is green
  • the third wavelength is red
  • the fourth wavelength is blue.
  • light emitted from the light emitting region may be referred to as “illumination light”.
  • the light emitted from the phosphor wheel passes through the lens 6 and then enters the dichroic prism 5.
  • the material of the substrate 8 is not particularly limited, but is preferably a metal substrate subjected to high reflection treatment.
  • a metal substrate subjected to high reflection treatment For example, when the substrate 8 is a transparent substrate, a phosphor is applied on the transparent substrate, and light is emitted from the surface opposite to the incident surface of the excitation light, the light is emitted from the phosphor surface. This is because it is difficult to extract all of the light from the surface opposite to the incident surface.
  • a high reflection process is performed, and a phosphor is applied thereon.
  • the substrate 8 is rotated by the rotary motor 9 so that the incident position of the excitation light in the phosphor regions 10, 11, 12 changes. By this rotational movement, the incident position of the excitation light on the substrate 8 changes in the circumferential direction.
  • the excitation light when the excitation light is irradiated onto the phosphor, light of the same wavelength emits light in the same area as the excitation light spot.
  • the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region are simultaneously irradiated with the excitation light having the first wavelength. Therefore, illumination light is emitted from the outer ring-shaped light emitting region at one spot, and illumination light is emitted from the inner ring light emitting region. That is, the light emission area in the outer ring-shaped light emission region and the light emission area in the inner ring-shaped light emission region are smaller than the light emission area of the phosphor in the related art.
  • the shape and light emission characteristics of the phosphor regions 10, 11, 12 are not particularly limited.
  • FIG. 4 is a graph showing the optical characteristics of the dichroic prism 5.
  • the dichroic prism 5 has a characteristic of transmitting light having a wavelength of 430 nm or less and reflecting light having a wavelength of 440 nm or more. That is, the light having the first wavelength, which is excitation light, passes through the dichroic prism 5 and is condensed on the phosphor wheel 7.
  • the dichroic prism 5 reflects the illumination light having the second to fourth wavelengths emitted from the phosphor regions 10, 11, and 12 on which the excitation light is incident, toward the light tunnels 15 and 16.
  • An optical component having such characteristics can be realized by dielectric multilayer technology.
  • Dielectric multilayer film is a technology that uses interference of reflected light generated when a low refractive index material and a high refractive index material are laminated, and obtains desired optical characteristics by overlapping several tens of layers. It is an optical film for.
  • the field lens 13 and the convex lens 14 guide the illumination light having the second to fourth wavelengths reflected by the dichroic prism 5 to the entrance of the first light tunnel 15 or the second light tunnel 16.
  • the light tunnels 15 and 16 emit incident light with a uniform light intensity distribution.
  • the light tunnels 15 and 16 are arranged adjacent to each other as shown in FIG. At this time, the entrance of the light tunnel is disposed at a position that is conjugate with the phosphor wheel 7.
  • the conjugate relationship indicates a relationship between two points when light emitted from one point passes through the optical system and is condensed again at one point.
  • the image of the phosphor wheel 7 is formed at the position of the entrance of the light tunnels 15 and 16, when the phosphor wheel 7 of this embodiment is used, the outer ring-shaped light emitting region and An image of the inner ring-shaped light emitting region is formed in a spatially divided state. Therefore, the entrances of the first light tunnel 15 and the second light tunnel 16 are caused by the outer ring-shaped light emitting region, that is, the phosphor region 10, and the inner ring-shaped light emitting regions, that is, the phosphor regions 11 and 12. By corresponding (arranging) to the positions of the images, it is possible to spatially separate light having different wavelengths using the same optical system.
  • the green illumination light having the second wavelength is incident on the first light tunnel 15, and the red illumination light having the third and fourth wavelengths is incident on the second light tunnel 16.
  • Blue illumination light is incident in a time-sharing manner according to the position of the excitation light spot.
  • the two light tunnels 15 and 16 may be individually created and arranged adjacent to each other, or the plates facing each other may be shared to form one element.
  • color filters 19a and 19b that selectively transmit light of a specific wavelength are disposed near the entrance or exit of each of the light tunnels 15 and 16.
  • FIG. 5A shows the transmittance characteristics of the color filter 19a disposed at the entrance or exit of the first light tunnel 15.
  • FIG. 5B shows the transmittance characteristics of the color filter 19 b arranged at the entrance or exit of the second light tunnel 16.
  • the color filter 19a arranged in the first light tunnel 15 does not transmit light of the first wavelength of about 405 nm and the third wavelength (red) and the fourth wavelength (blue) which are excitation light, Transmits light of wavelength (green).
  • the color filter 19b disposed in the second light tunnel 16 does not transmit the light having the first wavelength of about 405 nm and the second wavelength (green), which is the excitation light, and the third wavelength (red) and the fourth wavelength. Transmits light of wavelength (blue).
  • the color filters 19a and 19b By these color filters 19a and 19b, the light that reaches the light tunnels 15 and 16 among the light having the first wavelength reflected on the phosphor surface, and the outer ring-shaped light emitting region (phosphor region) due to the aberration of the optical system. 10) The light incident on the second light tunnel 16 out of the light emitted from 10) or the light incident on the first light tunnel 15 out of the light emitted from the inner ring-shaped light emitting regions (phosphor regions 11 and 12) is removed. be able to. Therefore, it is possible to prevent unnecessary wavelength components from being mixed into the illumination light emitted from the light tunnels 15 and 16.
  • the color filters 19a and 19b are not limited to the above-described optical characteristics, and the transmittance characteristics can be customized according to light having a desired wavelength.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram in the vicinity of the light tunnels 15 and 16.
  • a combining unit 23 is provided so that the lights emitted from the light tunnels 15 and 16 are combined.
  • the combining unit 74 deflects the exit of the second light tunnel 16 by 90 degrees in the direction of the exit of the first light tunnel 15 so that the exits of the light tunnels 15 and 16 face each other at right angles.
  • a refracting portion 16a is provided.
  • a dichroic mirror 22 is reflected near the exit of the first light tunnel 15 so as to reflect the illumination light from the first light tunnel 15 in the same direction as the exit direction of the illumination light from the exit of the second light tunnel 16. Deploy. At this time, the optical axes of the illumination lights emitted from the light tunnels 15 and 16 are overlapped with each other.
  • the dichroic mirror 22 reflects illumination light having the second wavelength and transmits illumination light having the third and fourth wavelengths.
  • the second light tunnel 16 is not provided with the refracting portion 16a, but a mirror is disposed in the vicinity of the exit of the second light tunnel 16, and the illumination light emitted from the light tunnels 15 and 16 by the dichroic mirror 22 and the mirror. These optical axes may overlap each other.
  • the illumination light of the second wavelength emitted from the first light tunnel 15 and the illumination light of the third and fourth wavelengths emitted from the second light tunnel 16 are on the same optical axis. Since it is synthesized, white light can be obtained.
  • a dichroic prism can be used instead of the dichroic mirror 22.
  • two different concentric ring-shaped phosphors that is, the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region are formed on the phosphor wheel 7. Is done.
  • the spot diameter of the excitation light of the first wavelength irradiated on the phosphor wheel is the same as in the related art, but the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region are simultaneously irradiated on the outer ring-shaped light emitting region.
  • the sizes of the ring-shaped light emitting area and the inner ring-shaped light emitting area are set.
  • the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region are simultaneously irradiated with the excitation light having the first wavelength. Therefore, the light emission area in the outer ring-shaped light emission region and the light emission area in the inner ring-shaped light emission region are smaller than in the case where illumination light having the same wavelength is emitted by one spot of excitation light. Therefore, the etendue of the illumination light emitted from the phosphor wheel is smaller than that in the related art.
  • the light emission area is reduced by reducing the light emission area, unlike the related art, the light emission region is formed in a ring shape, so that the light emission time can be lengthened and the total amount of illumination light can be increased. it can.
  • the illumination light of the second wavelength emitted from the phosphor region 10 the illumination light of the third wavelength and the illumination light of the fourth wavelength emitted from the phosphor regions 11 and 12, and the space.
  • the illumination light having the second wavelength, the illumination light having the third wavelength, and the illumination light having the fourth wavelength can be incident on the separate light tunnels 15 and 16. Therefore, the opening areas of the light tunnels 15 and 16 can be reduced as compared with the case where illumination lights of all wavelengths are incident on one light tunnel.
  • the light tunnels 15 and 16 are assumed to be light sources of illumination light emitted from the light source device 20, the etendue can be reduced as compared with a light source device having one light guide device (light tunnel) of related art. Therefore, the light use efficiency can be improved, and a high-luminance light source device can be realized without increasing the size of the device.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of a light source device according to the present invention.
  • the light source 21 is a blue laser diode. That is, the excitation light emitted from the light source 21 has the fourth wavelength, and the wavelength is 448 nm.
  • the polarization direction of the laser diode at this time is S-polarized light (first polarized light).
  • the configuration of the light source unit 37 is the same as that of the first embodiment except that an S-polarized blue laser diode is used as the light source 21.
  • a quarter wavelength plate 26 is disposed between the dichroic prism 25 and the phosphor wheel 27.
  • FIG. 8 is a view of the phosphor wheel 27 according to the present embodiment as viewed from the side on which the excitation light is incident.
  • FIG. 9 is a graph showing the intensity of light of the second to fourth wavelengths in the present embodiment.
  • a ring-shaped phosphor region 30 (corresponding to the “outer ring-shaped light emitting region” in the first embodiment) and inside the phosphor region 30, the phosphor region 31 and the diffuse reflection region
  • a ring-shaped region consisting of 32 (corresponding to the “inner ring-shaped light emitting region” in the first embodiment) is provided.
  • the phosphor region 30 and the phosphor region 31 emit illumination light of the second wavelength and illumination light of the third wavelength, respectively, when light of the fourth wavelength that is excitation light from the light source 21 is incident.
  • the diffuse reflection area 32 increases the diffusion angle of the incident excitation light having the fourth wavelength and reflects it in the optical axis direction.
  • the second wavelength is green and the third wavelength is red.
  • FIG. 10 is a graph showing the optical characteristics of the dichroic prism 25.
  • the dichroic prism 25 functions as a polarization beam splitter (PBS) in the blue wavelength range (fourth wavelength range). Specifically, it transmits S-polarized light and reflects P-polarized light.
  • PBS polarization beam splitter
  • the transition of blue light (excitation light of the fourth wavelength) will be described.
  • the excitation light of the fourth wavelength is blue S-polarized light, it is transmitted through the dichroic prism 25 and transmitted through the quarter-wave plate 26 to be converted into circularly polarized light.
  • the fourth wavelength excitation light reflected by the diffuse reflection region 32 is transmitted through the half wavelength plate because it is transmitted through the quarter wavelength plate 26 again. It becomes the same as the optical conditions, and the polarization axis is rotated by 90 degrees to be converted to P-polarized light (second polarized light).
  • the blue light that is the fourth wavelength excitation light reflected by the diffuse reflection region 32 is reflected by the dichroic prism 25 and separated from the excitation light directed from the light source 21 toward the phosphor wheel 27.
  • the polarization of the excitation light having the fourth wavelength and the optical characteristics of the dichroic prism 25 are not particularly limited, and can be changed within a range in which a similar effect can be obtained.
  • FIG. 11A is a graph showing the transmittance characteristics of the color filter 39a disposed at the entrance or exit of the first light tunnel 35.
  • FIG. 11B is a graph showing the transmittance characteristics of the color filter 39b arranged at the entrance or exit of the second light tunnel 36.
  • FIG. 11A is a graph showing the transmittance characteristics of the color filter 39a disposed at the entrance or exit of the first light tunnel 35.
  • FIG. 11B is a graph showing the transmittance characteristics of the color filter 39b arranged at the entrance or exit of the second light tunnel 36.
  • the green illumination light having the second wavelength is incident on the first light tunnel 35, and the blue illumination light having the first and third wavelengths and the red illumination light are incident on the second light tunnel 36.
  • the illumination light is incident in a time-sharing manner according to the position of the excitation light spot.
  • the color filter 39a disposed in the first light tunnel 35 does not transmit the light of the fourth wavelength (blue) and the light of the third wavelength (red), but transmits the light of the second wavelength (green). .
  • the color filter 39b disposed in the second light tunnel 36 does not transmit the second wavelength (green) light. Transmits light of the fourth wavelength (blue) and light of the third wavelength (red).
  • the illumination light of the second wavelength, the illumination light of the third wavelength, and the illumination light of the fourth wavelength are incident on the separate light tunnels 35 and 36 as in the first embodiment. Can do. Therefore, the opening area of the light tunnels 35 and 36 can be reduced. Therefore, when the light tunnels 35 and 36 are assumed to be light sources of illumination light emitted from the light source device 40, the etendue can be reduced as compared with the light source devices of the related art. Therefore, the light use efficiency can be improved, and a high-luminance light source device can be realized without increasing the size of the device.
  • the excitation light for exciting the phosphor is incident as one spot on the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region.
  • the excitation light spot for exciting the phosphor is incident on the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region in a spatially separated state. This is because when the outer and inner ring-shaped light emitting regions are excited by the same excitation light spot, the excitation light is centered on the region (boundary portion) between the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region. Is incident on the phosphor wheel.
  • the phosphor wheel and the entrance of the Lightton tunnel are in a conjugate relationship. Therefore, at the entrance of the first light tunnel and the second light tunnel, light from the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region is spatially separated into the first light tunnel or the second light tunnel. Incident. However, the light from the boundary portion becomes a region where it cannot pass through the entrance of any light tunnel. In order to increase the amount of light incident on the entrance of the light tunnel and improve the light utilization efficiency, it is desirable that the excitation light be incident only on the outer ring-shaped light emitting region and the inner ring-shaped light emitting region.
  • an array is used. This can be realized by dividing the plurality of arranged laser diodes into two groups and arranging them at spatial intervals.
  • a laser diode group for incidence of the outer ring-shaped light emitting region and a laser diode group for incidence of the inner ring-shaped light emitting region are provided. There must be enough space between them. As a result, the size of optical components used in the excitation optical system increases, the entire apparatus becomes larger, and the cost also increases.
  • the center axis of the collimating lens is a laser diode.
  • the light emitting point is decentered in the radial direction of the collimating lens.
  • FIG. 12A is a schematic diagram for explaining the behavior of excitation light when the light emitting point 41a of the LD that is the light source 41 and the central axis 42a of the collimating lens 42 coincide.
  • FIG. 12B is a schematic diagram for explaining the behavior of excitation light when the light emitting point 41a of the LD, which is the light source 41, and the central axis 42a of the collimating lens 42 are decentered.
  • the diverging beam emitted from the laser diode is converted into a parallel beam by the collimating lens 42.
  • the light emitting point 41a of the laser diode that is the light source 41 and the central axis 42a of the collimating lens 42 are decentered, the divergent beam emitted from the laser diode is converted into a parallel beam by the collimating lens 42.
  • the light is deflected in the direction opposite to the light emitting point 41a of the laser diode with respect to the central axis 42a of the collimating lens 42.
  • FIG. 13 is a schematic block diagram of the light source device of 3rd Embodiment of the light source device which concerns on this invention. Note that a description of the same configuration as in the first embodiment is omitted.
  • the light source unit 57 includes a plurality of laser diodes that emit light having a first wavelength, which is the light source 41, and a collimator lens 42. Since the light emitted from the laser diode is a divergent beam, a collimating lens 42 is disposed opposite to each laser diode for conversion into a parallel beam. As described with reference to FIG. 12B, by decentering the emission point of the laser diode and the central axis of the collimating lens 42, the parallel excitation light is separated into two traveling directions.
  • the laser diodes that are the light sources 41 are arranged at equal intervals, and the emission points of some of the laser diodes are in the first direction with respect to the central axis of the collimating lens 42 facing, in FIG.
  • the light emitting points of the remaining laser diodes are decentered in the right direction, and are decentered in the second direction, that is, in the left direction in FIG.
  • the excitation light emitted from the laser diode corresponding to the collimating lens 42 decentered in the right direction is converted by the collimating lens 42 into a parallel beam deflected in the right direction in FIG.
  • the excitation light emitted from the laser diode corresponding to the collimating lens 42 decentered in the left direction is converted by the collimating lens 42 into a parallel beam deflected in the left direction in FIG.
  • the excitation optical system 58 includes a convex lens 43, a concave lens 44, a dichroic prism 45, and a lens 46, and forms a spot of excitation light on the phosphor wheel 47.
  • the excitation optical system 58 is not limited to these optical components. In order to realize an appropriate spot of excitation light, for example, a diffusion plate or other lens may be disposed before, after, or between the aforementioned optical components.
  • the excitation system optical system 58 condenses the excitation light emitted from the light source unit 57 on the phosphor wheel 47 by the above optical components. In the present embodiment, since the excitation light emitted from the light source unit 57 is separated in two traveling directions, the excitation light is separated into two spots on the phosphor wheel 47 after passing through the excitation optical system 58. ing.
  • the light source device 60 of the present embodiment different excitation lights are incident on the two ring-shaped light emitting regions on the phosphor wheel 47 with a simple configuration.
  • the two light tunnels 55 and 56 at a position where only light emitted from each ring-shaped light emitting region is incident (position where a conjugate relationship is obtained), light having a wavelength independent from each light tunnel 55 and 56 is obtained. Can be obtained.
  • FIG. 14A is an intensity distribution of excitation light on the phosphor wheel when excitation light from the light source is not separated
  • FIG. 14B is on the phosphor wheel when excitation light from the light source is separated. It is an intensity distribution of excitation light at.
  • the solid line indicates the intensity distribution of the excitation light irradiated on the phosphor wheel
  • the alternate long and short dash line indicates the intensity distribution of light emitted from the inner ring-shaped light emitting region 51
  • the broken line indicates the intensity of light emitted from the outer ring-shaped light emitting region 50.
  • Distribution. 14A and 14B the horizontal axis indicates the position on the phosphor wheel 47.
  • FIG. 15A is a graph showing the relationship between the wavelength and intensity of light incident on each light tunnel when the excitation light from the light source is not separated
  • FIG. 15B is a graph when the excitation light from the light source is separated
  • 4 is a graph showing the relationship between the wavelength and intensity of light incident on each light tunnel.
  • the broken line indicates the intensity distribution of light incident on one light tunnel
  • the alternate long and short dash line indicates the intensity distribution of light incident on the other light tunnel. Show.
  • the center of the spot of the excitation light is located between the ring-shaped light emitting regions 50 and 51 (boundary region), and the intensity of the excitation light Is the highest at the center of the spot of the excitation light and decreases with distance from the center.
  • the emission intensity distribution of the phosphor depends on the intensity distribution of the excitation light, the emission intensity of the phosphor has a maximum value near the boundary region. Further, when there is a region where the phosphor is not applied to the boundary region of the phosphor ring depending on the manufacturing process conditions, that is, between the outer ring-shaped light emitting region 50 and the inner ring-shaped light emitting region 51. In the case of having an interval, a part of the excitation light does not contribute to the excitation of the phosphor, so that the light use efficiency is lowered.
  • the excitation light is incident on the phosphor so that the maximum value of the emission intensity distribution exists within the respective ring-shaped light emitting regions 50 and 51.
  • the intensity distribution of the light emitted from the phosphor also has a shape having a maximum value in the ring-shaped light emitting regions 50 and 51. Even if there is a region where the phosphor is not applied at the boundary between the ring-shaped light emitting regions 50 and 51, the excitation light is incident only on the ring-shaped light emitting regions 50 and 51, so there is no light loss. .
  • the positions of the phosphor wheel and the light tunnel entrance are in a conjugate relationship. If ideal imaging can be realized with the optical system from the phosphor wheel to the light tunnel, the intensity distribution of the light emitted from the ring-shaped light emitting region is completely reproduced at the entrance of the light tunnel. However, since aberration occurs in an actual optical system, the light intensity distribution at the entrance of the light tunnel is expanded. Therefore, when two ring-shaped light emitting regions are excited by one excitation light spot, a region where light from each ring-shaped light emitter region is mixed in a light tunnel is generated (see FIG. 15A).
  • the light tunnel is provided with a color filter that selectively transmits the wavelength of light emitted from the light tunnel, so that light in the mixed color region is removed by the color filter. Therefore, the light use efficiency decreases.
  • the light use efficiency is improved.
  • the excitation light separately forms spots in the outer light emitting region and the inner light emitting region. Therefore, similarly to the above-described embodiment, the light emission area of the illumination light in the outer light emission region and the light emission area of the illumination light in the outer light emission region are smaller than those of the related art. Therefore, the etendue of the illumination light emitted from the phosphor wheel is reduced. In addition, since the opening area of the light tunnel is reduced, the etendue of illumination light emitted from the light source device is reduced.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the first embodiment of the projection display apparatus according to the present invention. Based on FIG. 16, the projection display device in the present embodiment will be described. Since the configuration of the light source device is the same as that of the light source device of the first embodiment, the description thereof is omitted. Further, as described in the first embodiment, the light axes emitted from the light tunnels 75 and 76 are overlapped with each other.
  • the light emitted from the light tunnels 75 and 76 of the light source device 70 is reflected by the mirror 61 after the diffusion angle is suppressed by the convex lens 60.
  • the light reflected by the mirror 61 is condensed by the convex lens 63 via the field lens 62 and is incident on a TIR (Total Internal Reflection) prism 64.
  • the light incident on the TIR prism 64 is totally reflected toward a DMD (Digital-Micromirror-Device) 65 that is a light modulation element, modulated by the DMD 65, and becomes image light.
  • the image light emitted from the DMD 65 passes through the TIR prism 64.
  • the image light transmitted through the TIR prism 64 is enlarged and projected on the screen by the projection lens 66.
  • each color of red, blue, and green from the light source device 70 can be obtained.
  • Time-divided video light can be obtained.
  • the etendue of light emitted from the light source device 70 is small, the light use efficiency in the projection display device 67 of the present invention can be increased. Therefore, a high-brightness projection display device can be realized.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the projection display apparatus according to the present invention. Based on FIG. 17, the projection display device according to the present embodiment will be described. Since the configuration of the light source device 100 is the same as that of the light source device of the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the light emitted from the first light tunnel 105 is reflected by the mirror 87, the diffusion angle is suppressed by the convex lens 80, and then reflected by the mirror 81.
  • the light reflected by the mirror 81 is collected by the convex lens 83 via the field lens 82 and is incident on the first TIR prism 84.
  • the light incident on the first TIR prism 84 is totally reflected toward the first DMD 85, modulated by the first DMD 85, and becomes image light.
  • the video light emitted from the first DMD 85 passes through the first TIR prism 84.
  • the light emitted from the second light tunnel 106 is reflected by the mirror 88, the diffusion angle is suppressed by the convex lens 89, then reflected by the mirror 90, and then reflected by the mirror 92 via the field lens 91.
  • the light reflected by the mirror 92 is collected by the convex lens 93 and enters the second TIR prism 94.
  • the light incident on the second TIR 94 is totally reflected toward the second DMD 95, modulated by the second DMD 95, and becomes image light.
  • the video light emitted from the second DMD 95 passes through the second TIR prism 94.
  • the image light transmitted through the first TIR prism 84 and the image light transmitted through the second TIR prism 94 are combined on the same optical axis by the dichroic prism (image combining unit) 96, and then enlarged and projected on the screen by the projection lens 97.
  • the method of synthesizing the image light is not limited to the dichroic prism. For example, using a dichroic mirror and a mirror, one image light is reflected by the dichroic mirror and the other image light reflected by the mirror is transmitted. You may make it do.
  • the first DMD 85 to which light from the first light tunnel 105 that emits light emitted from the outer ring-shaped light emitting region that emits light of the second wavelength is guided is always image information of light of the second wavelength. Modulate light based on The second DMD 95 to which the light from the second light tunnel 106 is guided has a third light emitted from the inner ring-shaped light emitting region corresponding to the phase (rotation angle) of the rotation motor 102 of the phosphor wheel 101. Or light of the fourth wavelength is incident.
  • the second DMD 95 modulates the light in time division based on the image information of the incident wavelength in synchronization with the phase of the rotary motor 9. Therefore, the period for displaying one frame depends on the time when the light of the second wavelength and the light of the third wavelength are projected, and the time of the light of the second wavelength and the light of the fourth wavelength are projected. Composed.
  • DMD is used as the light modulation element, but the present invention is not limited to this.
  • a liquid crystal element may be used as the light modulation element.
  • the light source device of the second or third embodiment can be used for the projection display device of the present invention.

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Abstract

本発明の目的は、エテンデュを低減させた光源装置および投写型表示装置を提供することにある。本発明の光源装置（２０）は、励起光の照射により、複数の色の照明光をそれぞれ発生する、同心的に配置された複数のリング状の発光領域を備えた蛍光体ホイール（７）と、複数のリング状の発光領域に対して同時に励起光を照射する光源部（１７）と、励起光の照射により発生した複数の照明光がそれぞれ入射される複数の光学素子（１５、１６）と、を有する。

Description

光源装置およびそれを備えた投写型表示装置
　本発明は、光源からの励起光により蛍光を発する蛍光体ホイールを備えた光源装置とその光源装置を備えた投写型表示装置に関する。
　現在、液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタをはじめとする投写型表示装置に用いられる様々な光源装置が提案されている。
　例えば特許文献１には、光源から放射された励起光で蛍光体を励起する光源装置が提案されている。より具体的には、この光源装置は、蛍光体を励起する青色の励起光を放射する光源と、励起光が入射すると蛍光を放射する蛍光体が塗布された円板状の蛍光体ホイールとを備えている。蛍光体ホイールは、励起光が入射すると赤の波長の光を放射する蛍光体からなる赤色領域と、緑の波長の光を放射する蛍光体からなる緑色領域と、青色波長の光を拡散する青色領域によって、周方向に分割されている。蛍光体ホイールは回転機構を備えており、蛍光体を回転させながら励起光を入射することで、赤色、緑色、青色の光を時分割で放射する。蛍光体ホイールと、蛍光体ホイールからの光が入射するとともに均一な光強度分布にして入射した光を放射する導光装置（ライトトンネル）との間に集光レンズ群が配置されており、蛍光体ホイールにて時分割で放射された光は同一の導光装置に入射する。導光装置から射出した光は、ＤＭＤによって画像信号に従って変調されたのち、スクリーン上に拡大投射される。
特開２０１０－２３７４４３号公報
　しかしながら、特許文献１の光源装置には以下の課題があった。
　レーザ光源と蛍光体ホイールを組み合わせた光源装置を用いて、高輝度な投写型表示装置を構成するためには、蛍光体に照射される励起光であるレーザ光の径、つまり励起光のスポットのサイズを小さくすることで蛍光体の発光面積を小さくし、エテンデュを小さくする方法が考えられる。しかしながら、励起光のスポットのサイズを小さくすると、励起光のスポットの単位面積当たりのレーザパワーが大きくなる。励起光のスポットの単位面積当たりのレーザパワーが大きくなると、蛍光体の発熱によって量子効率が低下するので、蛍光体の発光出力が低下し輝度が低下する。また、量子効率が低下すると、さらに蛍光体自体の発熱量が大きくなるので、さらに輝度が低下する。つまり、蛍光体上でのレーザパワー密度が大きくなると温度消光という現象が生じてしまう。そのため、励起光のスポットのサイズを小さくすることで、エテンデュを小さくすることは困難である。
　本発明の目的は、エテンデュを低減させた光源装置およびそれを備えた投写型表示装置を提供することにある。
　本発明の光源装置は、励起光の照射により、複数の色の照明光をそれぞれ発生する、同心的に配置された複数のリング状の発光領域を備えた蛍光体ホイールと、複数のリング状の発光領域に対して同時に励起光を照射する光源部と、励起光の照射により発生した複数の照明光がそれぞれ入射される複数の光学素子と、を有する。
本発明に係る光源装置の第１の実施形態の概略構成図である。 蛍光体ホイールを励起光の入射する側から見たときの図である。 第１の波長から第４の波長の光の強度を示したグラフである。 ダイクロイックプリズムの光学特性を示すグラフである。 第１ライトトンネルの入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタの透過率特性を示すグラフである。 第２ライトトンネルの入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタの透過率特性を示すグラフである。 白色光を得ることができる光源装置の要部の概略構成図である。 本発明に係る光源装置の第２の実施形態の光源装置の概略構成図である。 第２の実施形態における蛍光体ホイールを励起光の入射する側から見たときの図である。 第２の実施形態における第２の波長から第４の波長の光の強度を示したグラフである。 第２の実施形態におけるダイクロイックプリズムの光学特性を示すグラフである。 第２の実施形態における第１ライトトンネルの入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタの透過率特性を示すグラフである。 第２の実施形態における第２ライトトンネルの入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタの透過率特性を示すグラフである。 光源であるレーザダイオードの発光点とコリメートレンズの中心軸とが一致しているときの励起光のふるまいを説明するための概略図である。 光源であるレーザダイオードの発光点がコリメートレンズの中心軸に対して偏心しているときの励起光のふるまいを説明するための概略図である。 本発明に係る光源装置の第３の実施形態の光源装置の概略構成図である。 光源からの励起光が分離していないときの、蛍光体ホイール上での励起光及び蛍光体で発光した光の強度分布である。 光源からの励起光が分離したときの、蛍光体ホイール上での励起光及び蛍光体で発光した光の強度分布である。 光源からの励起光が分離していないときの、各ライトトンネル上での照明光の強度分布である。 光源からの励起光が分離したときの、各ライトトンネル上での照明光の強度分布である。 本発明に係る投写型表示装置の第１の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る投写型表示装置の第２の実施形態の概略構成図である。
　本発明の光源装置について、図面を参照して説明する。
　［第１の実施形態］
　図１は、本発明に係る光源装置の第１の実施形態の概略構成図である。以降に各部分の説明をする。本発明の光源装置２０は、主に光源部１７、励起光学系１８、蛍光体ホイール７、及び光学素子１５、１６を含む。なお、光学素子としては、中空のライトトンネルまたは中実のロッドインテグレータなどが挙げられるが、本願発明ではライトトンネルを例として説明する。
　（光源部）
　光源部１７は、第１の波長の励起光を放出する光源１とコリメートレンズ２とを有している。光源１の種類は特に限定されないが、例えば約４０５ｎｍの波長の光（第１の波長の光）を放射する、固体光源であるレーザダイオードが使用できる。
　なお、１つのレーザダイオードで光源１を構成する場合、レーザダイオードの出力に上限があるため高輝度の光源装置を実現することは困難である。そのため、本実施形態では複数のレーザダイオードをアレイ状に配列して励起光の出力を増加させる。
　光源１から放射される励起光は発散ビームである。そのため、拡散ビームを平行ビームに変換するためにコリメートレンズ２を各レーザダイオードに対向して配置する。光源１からコリメートレンズ２に入射した励起光は平行ビーム化され、励起光学系１８に入射する。
　（励起光学系）
　励起光学系１８について説明する。励起光学系１８は、凸レンズ３、凹レンズ４、ダイクロイックプリズム５、及びレンズ６から構成され、蛍光体７上に励起光のスポットを作り出す。なお、励起光学系１８はこれらの光学部品に限定されない。励起光の適切な大きさのスポットを実現するため、前述の光学部品の前後や間に、たとえば拡散板やその他のレンズを配置してよい。励起系光学系１８は、光源部１７から放射された励起光を、上述の光学部品によって蛍光体ホイール７上に集光させる。なお、蛍光体ホイール７上に集光し、形成される励起光のスポットの径は、特許文献１などの関連技術と同じであり、励起光のスポットの単位面積当たりのレーザパワーが大きくならないようにしている。
　（蛍光体ホイール）
　蛍光体ホイール７は円板状の基板８と回転モータ９とを含む。図２は、蛍光体ホイール７を励起光の入射する側から見たときの図である。また、図３は、第１の波長の光から第４の波長の光の強度を示したグラフである。基板８上には、第１の蛍光体領域１０、第２の蛍光体領域１１、及び第３の蛍光体領域１２が設けられている。
　第１の蛍光体領域１０は、励起光である第１の波長の光が入射すると照明光である第２の波長の光を放射し、第２の蛍光体領域１１は、励起光である第１の波長の光が入射すると照明光である第３の波長の光を放射し、第３の蛍光体領域１２は、励起光である第１の波長が入射すると照明光である第４の波長の光を放射する。
　図２に示す例では、基板８には、蛍光体が同心的に異なる２つの帯になるように塗布されている。つまり２つのリング状の蛍光体が基板８に形成されている。２つのリング状の蛍光体のうち、外側のリング状の蛍光体は第２の波長の光を放出する蛍光体領域１０である。内側のリング状の蛍光体は周方向に、第３の波長の光を放射する蛍光体領域１１と、第４の波長の光を放射する蛍光体領域１２とによって分割されている。なお、以降の説明では、２つのリング状の蛍光体のうち、外側を「外側のリング状発光領域」、内側を「内側のリング状発光領域」と称することもある。本実施形態では、第２の波長は緑色であり、第３の波長は赤色であり、第４の波長は青色である。なお、以降の説明では、発光領域から発する光を「照明光」と称することもある。
　蛍光体ホイール上から放射された光は、レンズ６を透過したのち、ダイクロイックプリズム５に入射する。
　基板８の材料は特に限定されないが、高反射処理が施された金属基板であることが望ましい。これは、たとえば、基板８を透明基板とし、透明基板上に蛍光体を塗布して、励起光の入射面とは反対側の面から光を放射する構成とする場合、蛍光体表面で放射された光のすべてを入射面とは反対側の面から取り出すのが困難であるからである。本実施形態では、金属基板上に図示はしないが、高反射処理が施されており、その上に蛍光体が塗布されている。
　基板８は、蛍光体領域１０、１１、１２内での励起光の入射位置が変化するように回転モータ９によって回転運動する。この回転運動によって、基板８に対する励起光の入射位置は周方向に変化する。
　関連技術では励起光が蛍光体に照射されることで、同じ波長の光が励起光のスポットと同じ面積分発光していた。しかしながら、本発明では、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域に、同時に第１の波長の励起光が照射される。そのため、１つのスポットで外側のリング状発光領域で照明光が発光し、内側のリング光発光領域でも照明光が発光する。つまり、外側のリング状発光領域での発光面積と内側のリング状発光領域での発光面積は、関連技術における蛍光体の発光面積よりも小さくなる。
　蛍光体領域１０、１１、１２の形状および発光特性は特に限定されない。
　（ダイクロイックプリズム）
　図４は、ダイクロイックプリズム５の光学特性を示すグラフである。図４に示すように、本実施形態では、ダイクロイックプリズム５は波長４３０ｎｍ以下の光を透過して、波長４４０ｎｍ以上の光を反射する特性を有する。つまり、励起光である第１の波長の光はダイクロイックプリズム５を透過して、蛍光体ホイール７に集光する。ダイクロイックプリズム５は、励起光が入射した蛍光体領域１０、１１、１２から放射された第２～第４の波長の照明光を、ライトトンネル１５、１６に向かって反射する。このような特性を有する光学部品は、誘電体多層膜技術によって実現できる。誘電体多層膜とは、低屈折率材料と高屈折率材料とを積層した時に発生する反射光の干渉を利用する技術で、数十層と層数を重ねることで、所望の光学特性を得るための光学膜である。
　（ライトトンネル）
　フィールドレンズ１３及び凸レンズ１４は、ダイクロイックプリズム５で反射した第２～第４の波長の照明光を第１ライトトンネル１５または第２ライトトンネル１６の入射口に導光する。ライトトンネル１５、１６は、入射した光を均一な光強度分布にして放射するものである。ライトトンネル１５、１６同士は、図１に示すように、隣接して配置される。このとき、ライトトンネルの入射口は、蛍光体ホイール７と共役関係となる位置に配置される。共役関係とは、一点から発した光が光学系を通過したのち再度一点に集光するときの２点の関係を示す。したがって、ライトトンネル１５、１６の入射口の位置で蛍光体ホイール７の像が結像されるため、本実施形態の蛍光体ホイール７を使用する場合、結像位置では外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域の像が空間的に分割した状態で結像される。そのため、第１ライトトンネル１５と第２ライトトンネル１６の入射口を、外側のリング状発光領域つまり蛍光体領域１０に起因する像と内側のリング状発光領域つまり蛍光体領域１１、１２に起因する像の位置にそれぞれ対応（配置）させることで、同一の光学系を利用して波長の異なる光を空間的に分離することが可能である。
　したがって、本実施形態では、第１ライトトンネル１５には第２の波長である緑色の照明光のみが入射し、第２ライトトンネル１６には第３及び第４の波長である赤色の照明光と青色の照明光が励起光のスポットの位置に応じて時分割で入射する。
　ライトトンネル１５、１６の構成としては、２つのライトトンネル１５、１６を個別に作成して隣接して配置してもよいし、互いに向かい合うプレートを共有化して１つの素子としてもよい。
　また、各ライトトンネル１５、１６の入射口もしくは出射口の近傍には、特定の波長の光を選択的に透過するカラーフィルタ１９ａ、１９ｂが配置されることが好ましい。
　図５Ａは、第１ライトトンネル１５の入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタ１９ａの透過率特性を示している。図５Ｂは、第２ライトトンネル１６の入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタ１９ｂの透過率特性を示している。
　第１ライトトンネル１５に配置されるカラーフィルタ１９ａは、励起光である第１の波長４０５ｎｍ付近および第３の波長（赤色）と第４の波長（青色）の光を透過せず、第２の波長（緑色）の光を透過する。
　第２ライトトンネル１６に配置されるカラーフィルタ１９ｂは、励起光である第１の波長４０５ｎｍ付近および第２の波長（緑色）の光を透過せず、第３の波長（赤色）と第４の波長（青色）の光を透過する。
　これらのカラーフィルタ１９ａ、１９ｂによって、蛍光体表面で反射した第１の波長の光のうちライトトンネル１５、１６に到達する光、及び、光学系の収差によって外側のリング状発光領域（蛍光体領域１０）から放射した光のうち第２ライトトンネル１６に入射する光または内側のリング状発光領域（蛍光体領域１１、１２）から放射した光のうち第１ライトトンネル１５に入射する光を除去することができる。そのため、ライトトンネル１５、１６から出射した照明光に不要な波長成分が混入することを防ぐことができる。なお、カラーフィルタ１９ａ、１９ｂに関しては前述の光学特性に限定されず、所望の波長の光にあわせて透過率特性をカスタマイズすることができる。
　次に、ライトトンネル１５、１６から出射した照明光から白色光を得る構成の一例を説明する。図６は、ライトトンネル１５、１６付近の概略構成図である。図６に示すように、ライトトンネル１５、１６から出射した光が合成するように合成部２３が設けられている。例えば、合成部７４は、第２ライトトンネル１６の出射口を、第１ライトトンネル１５の出射口の方向に９０度偏向して、互いのライトトンネル１５、１６の出射口が直角に向かい合うようにする屈折部１６ａが設けられている。そして、第１ライトトンネル１５の出射口近傍に、第２ライトトンネル１６の出射口からの照明光の出射方向と同じ方向に第１ライトトンネル１５からの照明光を反射するようにダイクロイックミラー２２を配置する。このとき、各ライトトンネル１５、１６から出射する照明光の光軸同士が重なるようにする。ダイクロイックミラー２２は、第２の波長の照明光を反射し、第３及び第４の波長の照明光を透過するようになっている。なお、第２ライトトンネル１６に屈折部１６ａを設けずに、第２ライトトンネル１６の出射口近傍にミラーを配置して、ダイクロイックミラー２２とミラーとで各ライトトンネル１５、１６から出射する照明光の光軸同士が重なるようにしてもよい。
　上記のように構成することで、第１ライトトンネル１５から出射した第２の波長の照明光と、第２ライトトンネル１６から出射した第３及び第４波長の照明光とが同一光軸上で合成されため、白色光を得ることができる。なお、ダイクロイックミラー２２の代わりにダイクロイックプリズムを用いることも可能である。
　上述したように、本実施形態の光源装置２０では、蛍光体ホイール７上に同心円状の異なる２つのリング状の蛍光体、つまり外側のリング状発光領域と、内側のリング状発光領域とが形成される。また、蛍光体ホイールに照射される第１の波長の励起光のスポット径は関連技術と同様であるが、同時に外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域に照射されるように外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域のサイズが設定されている。そのため、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域とに同時に第１の波長の励起光が照射される。したがって、外側のリング状発光領域における発光面積と内側のリング状発光領域における発光面積とが、励起光の１つのスポットで同じ波長の照明光を発光させる場合に比べて小さくなる。よって、関連技術に比べて蛍光体ホイールで発光する照明光のエテンデュが小さくなる。なお、発光面積が小さくなることで発光量は減るものの、関連技術とは異なり、リング状に発光領域が形成されているので、発光時間を長くすることができ、照明光の総量を増やすことができる。
　さらに、この構成により、蛍光体領域１０で放射された第２の波長の照明光と、蛍光体領域１１、１２で放射された第３の波長の照明光及び第４の波長の照明光と空間的に分割できる。したがって、第２の波長の照明光と第３の波長の照明光及び第４の波長の照明光とを別々のライトトンネル１５、１６に入射させることができる。そのため、１つのライトトンネルにすべての波長の照明光を入射させる場合に比べてライトトンネル１５、１６の開口面積を小さくすることができる。ライトトンネル１５、１６を光源装置２０から放射される照明光の光源と仮定する場合、関連技術の１つの導光装置（ライトトンネル）を有する光源装置に比べてエテンデュを減少させることができる。そのため、光の利用効率を向上させることができ、かつ、装置の大型化を招くことなく高輝度な光源装置を実現することができる。
　なお、蛍光体ホイールに、第２～第４の波長の照明光をそれぞれ発光する３つのリング発光領域を形成し、３つのライトトンネルに入射するように構成することも可能である。
　［第２の実施形態］
　以下に、本発明に係る光源装置の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
　図７は、本発明に係る光源装置の第２の実施形態の概略構成図である。本実施形態では、光源２１を青色のレーザダイオードとする。すなわち、光源２１から放射される励起光は第４の波長であり、波長は４４８ｎｍである。このときのレーザダイオードの偏光方向をＳ偏光（第１の偏光）とする。
　本実施形態において、光源部３７の構成は、光源２１にＳ偏光の青色のレーザダイオードを用いた以外は第１の実施形態と同様である。
　（励起光学系）
　本実施の形態の励起光学系３８において、ダイクロイックプリズム２５と蛍光体ホイール２７との間に１／４波長板２６が配置されている。
　（蛍光体ホイール）
　図８は、本実施形態における蛍光体ホイール２７を励起光の入射する側から見たときの図である。図９は、本実施形態における第２の波長から第４の波長の光の強度を示したグラフである。基板２８上には、リング状の蛍光体領域３０（第１の実施形態の「外側のリング状発光領域」に相当）と、蛍光体領域３０の内側にあり、蛍光体領域３１及び拡散反射領域３２からなるリング状の領域（第１の実施形態の「内側のリング状発光領域」に相当）とが設けられている。蛍光体領域３０及び蛍光体領域３１は、光源２１からの励起光である第４の波長の光が入射すると、第２の波長の照明光と、第３の波長の照明光をそれぞれ放射する。拡散反射領域３２は、入射した第４の波長の励起光の拡散角度を拡げるとともに光軸方向に反射する。本実施形態では、第２の波長は緑色であり、第３の波長は赤色である。
　（ダイクロイックプリズム）
　図１０は、ダイクロイックプリズム２５の光学特性を示すグラフである。図１０に示すように、ダイクロイックプリズム２５は青色波長域（第４の波長域）において偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）として機能する。具体的には、Ｓ偏光を透過してＰ偏光を反射する。
　ここで、青色光（第４の波長の励起光）の遷移について説明する。前述のとおり、第４の波長の励起光は青色のＳ偏光のため、ダイクロイックプリズム２５を透過して１／４波長板２６を透過して円偏光に変換される。蛍光体ホイール２７の拡散反射領域３２で反射されたのち、再度１／４波長板２６を透過するため、拡散反射領域３２で反射された第４の波長の励起光が１／２波長板を透過した光学条件と同じになり、偏光軸が９０度回転してＰ偏光（第２の偏光）に変換される。したがって、拡散反射領域３２で反射された第４の波長の励起光である青色光はダイクロイックプリズム２５によって反射され、光源２１から蛍光体ホイール２７に向かう励起光とは分離される。なお、第４の波長の励起光の偏光およびダイクロイックプリズム２５の光学特性は特に限定されず、同様の効果が得られる範囲で、変更することができる。
　（ライトトンネル）
　図１１Ａは、第１ライトトンネル３５の入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタ３９ａの透過率特性を示すグラフである。図１１Ｂは、第２ライトトンネル３６の入射口もしくは出射口に配置されるカラーフィルタ３９ｂの透過率特性を示すグラフである。
　本実施形態では、第１ライトトンネル３５には第２の波長である緑色の照明光のみが入射し、第２ライトトンネル３６には第１及び第３の波長である青色の照明光と赤色の照明光が励起光のスポットの位置に応じて時分割で入射する。
　第１ライトトンネル３５に配置されるカラーフィルタ３９ａは、第４の波長（青色）の光および第３の波長（赤色）の光を透過せず、第２の波長（緑色）の光を透過する。
　第２ライトトンネル３６に配置されるカラーフィルタ３９ｂは、第２の波長（緑色）光を透過せず。第４の波長（青色）の光および第３の波長（赤色）の光を透過する。
　上述の構成によって、第１の実施形態と同様に、第２の波長の照明光と第３の波長の照明光及び第４の波長の照明光とを別々のライトトンネル３５、３６に入射させることができる。そのため、ライトトンネル３５、３６の開口面積を小さくすることができる。したがって、ライトトンネル３５、３６を光源装置４０から放射される照明光の光源と仮定する場合、関連技術の光源装置に比べてエテンデュを減少させることができる。そのため、光の利用効率を向上させることができ、かつ、装置の大型化を招くことなく高輝度な光源装置を実現することができる。
　［第３の実施形態］
　上述の実施形態では、蛍光体を励起する励起光が１つのスポットとして、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域とに入射していた。しかしながら、蛍光体を励起する励起光のスポットは、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域とに空間的に分離した状態で入射することが望ましい。なぜなら、外側と内側のリング状発光領域を同一の励起光のスポットで励起する場合、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域との間の領域（境界部）を中心にして励起光が蛍光体ホイールに入射する。前述のとおり、蛍光体ホイールとライトトントンネルの入射口とは共役関係の位置にある。そのため、第１ライトトンネルおよび第２ライトトンネルの入射口において、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域からの光は空間的に分離した状態で第１ライトトンネルまたは第２ライトトンネルに入射する。しかしながら、境界部からの光はいずれのライトトンネルの入射口を通過できない領域となる。ライトトンネルの入射口への入射光量を増やして、光利用効率を向上させるためには、外側のリング状発光領域と内側のリング状発光領域とにのみ励起光を入射する構成が望ましい。
　光源である複数のレーザダイオードからの励起光を同一の光学部品を使用して蛍光体ホイールまで導光する構成において、励起光を蛍光体上で２つのスポットに分割するためには、アレイ状に配置された複数のレーザダイオードを２つのグループに分けて、それらを、空間的に間隔をおいて配置することで実現が可能である。
　しかしながら、蛍光体ホイール上で励起光のスポットを完全に２つに分離するためには、外側のリング状発光領域入射用のレーザダイオードグループと内側のリング状発光領域入射用のレーザダイオードグループとの間の間隔を十分に取る必要がある。そのため、励起光学系に用いる光学部品のサイズが拡大し、装置全体が大型化し、コストも増加する。
　そこで上記の課題を解決するために、本実施形態では、励起光学系のサイズを増加させることなく、分離した励起光のスポット同士の間隔を十分にとる方法として、コリメートレンズの中心軸をレーザダイオードの発光点に対してコリメートレンズの径方向に偏心させている。
　図１２Ａは、光源４１であるＬＤの発光点４１ａとコリメートレンズ４２の中心軸４２ａが一致するときの励起光のふるまいを説明するための概略図である。図１２Ｂは、光源４１であるＬＤの発光点４１ａとコリメートレンズ４２の中心軸４２ａが偏心するときの励起光のふるまいを説明するための概略図である。
　光源４１であるレーザダイオードの発光点４１ａとコリメートレンズ４２の中心軸４２ａが一致するときは、レーザダイオードから放射された発散ビームはコリメートレンズ４２によって平行ビーム化される。一方、光源４１であるレーザダイオードの発光点４１ａとコリメートレンズ４２の中心軸４２ａが偏心するときは、レーザダイオードから放射された発散ビームはコリメートレンズ４２によって平行ビーム化されるが、この平行ビームはコリメートレンズ４２の中心軸４２ａに対してレーザダイオードの発光点４１ａと逆の方向に偏向する。
　上記の内容を踏まえ、本実施形態の光源装置について説明する。図１３は、本発明に係る光源装置の第３の実施形態の光源装置の概略構成図である。なお、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
　（光源部）
　光源部５７は、光源４１である、第１の波長の光を放出する複数のレーザダイオードと、コリメートレンズ４２とを有している。レーザダイオードから放射される光は発散ビームのため、平行ビームに変換するためにコリメートレンズ４２を各レーザダイオードに対向して配置する。図１２Ｂを用いて説明したように、レーザダイオードの発光点とコリメートレンズ４２の中心軸を偏心させることで、平行ビーム化された励起光は２つの進行方向に分離する。具体的には、光源４１であるレーザダイオードが等間隔に配置されており、そのうち一部のレーザダイオードの発光点が、対向するコリメートレンズ４２の中心軸に対して第１の方向、図１３では右方向に偏心しており、残りのレーザダイオードの発光点が、対向するコリメートレンズ４２の中心軸に対して第２の方向、図１３では左方向に偏心している。このとき、右方向に偏心したコリメートレンズ４２に対応するレーザダイオードから放射された励起光は、コリメートレンズ４２によって図１３では右方向に偏向した平行ビームに変換される。一方、左方向に偏心したコリメートレンズ４２に対応するレーザダイオードから放射された励起光は、コリメートレンズ４２によって図１３では左方向に偏向した平行ビームに変換される。
　（励起光学系）
　励起光学系５８について説明する。励起光学系５８は、凸レンズ４３、凹レンズ４４、ダイクロイックプリズム４５、及びレンズ４６から構成され、蛍光体ホイール４７上に励起光のスポットを成形する。なお、励起光学系５８はこれらの光学部品に限定しない。適切な励起光のスポットを実現するために、前述の光学部品の前後や間に、たとえば拡散板やその他のレンズを配置してよい。励起系光学系５８は、光源部５７から放射された励起光を、以上の光学部品によって蛍光体ホイール４７上に集光する。本実施形態では、光源部５７から放射された励起光は２つの進行方向に分離しているため、励起光学系５８を通過したのちに蛍光体ホイール４７上で励起光は２つのスポットに分離している。
　本実施形態の光源装置６０では、簡便な構成で蛍光体ホイール４７上の２つのリング状発光領域に対して異なる励起光が入射する。また、２つのライトトンネル５５、５６を各リング状発光領域から放射された光のみが入射する位置（共役関係になる位置）に配置することで、各ライトトンネル５５、５６から独立した波長の光を得ることができる。
　以下、本実施形態の効果についてより具体的に説明する。図１４Ａは、光源からの励起光が分離していないときの、蛍光体ホイール上での励起光の強度分布であり、図１４Ｂは、光源からの励起光が分離したときの、蛍光体ホイール上での励起光の強度分布である。なお、実線が蛍光体ホイールに照射される励起光の強度分布、一点鎖線が内側のリング状発光領域５１で発光する光の強度分布、破線が外側のリング状発光領域５０で発光する光の強度分布である。また、図１４Ａ、図１４Ｂにおいて横軸は蛍光体ホイール４７上での位置を示している。
　図１５Ａは、光源からの励起光が分離していないときの、各ライトトンネルに入射する光の波長と強度の関係を示すグラフであり、図１５Ｂは、光源からの励起光が分離したときの、各ライトトンネルに入射する光の波長と強度の関係を示すグラフである。なお、図１５Ａ及び図１５Ｂにおいて、破線で示しているのが一方のライトトンネルに入射する光の強度分布であり、一点鎖線で示しているのが他方のライトトンネルに入射する光の強度分布を示している。
　１つの励起光スポットで２つのリング状発光領域５０、５１を励起するとき、励起光のスポットの中心がリング状発光領域５０、５１同士の間（境界領域）の位置にあり、励起光の強度は励起光のスポットの中心で最も高く、中心から離れるにつれて減少すると仮定する。
　蛍光体の発光強度分布は励起光の強度分布に依存するため、蛍光体の発光強度は境界領域付近が最大値となる。また、製造プロセス上の条件によって、蛍光体リングの境界領域に蛍光体が塗布されていない領域が存在する場合、つまり、外側のリング状発光領域５０と内側のリング状発光領域５１との間に間隔を有する場合、励起光の一部は蛍光体の励起に寄与しないため、光利用効率が低下する。
　一方、２つの励起光のスポットを形成する構成の場合、励起光は、発光強度分布の最大値がそれぞれのリング状発光領域５０、５１の範囲内に存在するように蛍光体に入射されるため、蛍光体で発光した光の強度分布もリング状発光領域５０、５１内に最大値を持つ形状となる。また、リング状発光領域５０、５１の境界部分に蛍光体が塗布されていない領域が存在する場合であっても、励起光はリング状発光領域５０、５１のみに入射するため光の損失がない。
　次に、ライトトンネル上での蛍光の強度分布について説明する。蛍光体ホイールとライトトンネル入射口の位置は共役関係にある。蛍光体ホイールからライトトンネルまでの光学系で理想的な結像が実現できればリング状発光領域で発光した光の強度分布は、ライトトンネルの入射口で完全に再現される。しかしながら、実際の光学系では収差が発生するためライトトンネルの入射口での光の強度分布が拡がる。したがって、１つの励起光スポットで２つのリング状発光領域を励起するとき、それぞれのリング状発光体領域からの光はライトトンネルで混色する領域が発生する（図１５Ａ参照）。
　上述の実施形態で述べたように、ライトトンネルには、ライトトンネルから出射する光の波長を選択的に透過するカラーフィルタが配置されるため、混色する領域の光はカラーフィルタによって除去される。したがって、光利用効率が低下する。一方、２つの励起スポットを形成する構成の場合、２つのライトトンネルで混色する領域を最小化することができるため、カラーフィルタによる混色成分の除去が最小となる。そのため、光利用効率が向上する。
　また、本実施形態の構成の場合は、励起光が外側の発光領域と内側の発光領域とに別々にスポットを形成する。そのため、上述の実施形態と同様に、外側の発光領域における照明光の発光面積と外側の発光領域における照明光の発光面積は、関連技術の構成に比べて小さくなる。そのため、蛍光体ホイールから発する照明光のエテンデュは小さくなる。また、ライトトンネルの開口面積も小さくなるので、光源装置から発する照明光のエテンデュが小さくなる。
　次に本発明の光源装置を備えた投写型表示装置について説明する。
　［第１の実施形態］
　図１６は、本発明に係る投写型表示装置の第１の実施形態の概略構成図である。図１６に基づいて、本実施形態における投写型表示装置について説明する。光源装置の構成は、第１の実施形態の光源装置と同じであるため、説明を省略する。また、各ライトトンネル７５、７６から放射した光は、第１の実施形態で説明したように、光軸同士が重なるようになっている。
　図１６のように、光源装置７０の各ライトトンネル７５、７６から放射された光は、凸レンズ６０によって拡散角度を抑えられたのち、ミラー６１によって反射される。ミラー６１で反射した光は、フィールドレンズ６２を経由して、凸レンズ６３によって集光され、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）プリズム６４に入射する。ＴＩＲプリズム６４に入射した光は光変調素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）６５に向かって全反射され、ＤＭＤ６５で変調され、映像光となる。ＤＭＤ６５から放射された映像光は、ＴＩＲプリズム６４を透過する。ＴＩＲプリズム６４を透過した映像光は投写レンズ６６によってスクリーン上に拡大投写される。
　光源装置７０の光源の各レーザダイオードの発光のタイミングと蛍光体ホイールの位相とＤＭＤ６５への変調信号とを画像情報に基づいて調節することで、光源装置７０からの赤、青、緑の各色が時分割された映像光を得ることができる。
　また、光源装置７０から放射される光のエテンデュが小さいので、本発明の投写型表示装置６７における光の利用効率を高めることができる。そのため、高輝度な投写型表示装置を実現することができる。
　［第２の実施形態］
　図１７は、本発明に係る投写型表示装置の第２の実施形態の概略構成図である。図１７に基づいて、本実施形態における投写型表示装置について説明する。光源装置１００の構成は、第１の実施形態の光源装置と同じであるため、説明を省略する。
　図１７のように、第１ライトトンネル１０５から放射された光は、ミラー８７によって反射され、凸レンズ８０によって拡散角度を抑えられたのち、ミラー８１によって反射される。ミラー８１で反射された光は、フィールドレンズ８２を経由して、凸レンズ８３によって集光され、第１ＴＩＲプリズム８４に入射する。第１ＴＩＲプリズム８４に入射した光は第１ＤＭＤ８５に向かって全反射され、第１ＤＭＤ８５で変調され、映像光となる。第１ＤＭＤ８５から放射された映像光は、第１ＴＩＲプリズム８４を透過する。
　第２ライトトンネル１０６から放射された光は、ミラー８８によって反射され、凸レンズ８９によって拡散角度を抑えられたのち、ミラー９０によって反射され、フィールドレンズ９１を経由して、ミラー９２によって反射される。ミラー９２で反射した光は、凸レンズ９３によって集光され、第２ＴＩＲプリズム９４に入射する。第２ＴＩＲ９４に入射した光は第２ＤＭＤ９５に向かって全反射され、第２ＤＭＤ９５で変調され、映像光となる。第２ＤＭＤ９５から放射された映像光は、第２ＴＩＲプリズム９４を透過する。
　第１ＴＩＲプリズム８４を透過した映像光と第２ＴＩＲプリズム９４を透過した映像光とがダイクロイックプリズム（映像合成部）９６で同一光軸に合成されたのち、投写レンズ９７によってスクリーン上に拡大投写される。なお、映像光を合成する方法は、ダイクロイックプリズムに限定されず、例えば、ダイクロイックミラーとミラーとを用い、ダイクロイックミラーで一方の映像光を反射し、ミラーで反射されせた他方の映像光を透過するようにしてもよい。
　以下、本実施の形態における動作について説明する。第２の波長の光を発光する外側のリング状発光領域から放射された光を射出する第１ライトトンネル１０５からの光が導光される第１ＤＭＤ８５は、常に第２の波長の光の画像情報に基づいて光を変調する。また、第２ライトトンネル１０６からの光が導光される第２ＤＭＤ９５には、蛍光体ホイール１０１の回転モータ１０２の位相（回転角度）に対応して、内側のリング状発光領域で発光した第３の波長の光または第４の波長の光が入射する。第２ＤＭＤ９５は、回転モータ９の位相に同期して、入射する波長の画像情報に基づいて時分割で光を変調する。したがって、１フレームを表示する期間は、第２の波長の光と第３の波長の光が投射される時間と、第２の波長の光と第４の波長の光が投射される時間とによって構成される。
　なお、本発明の投写型表示装置では光変調素子としてＤＭＤを上げたが、これに限定されない。光変調素子として液晶素子を用いた構成としてもよい。
　また、本発明の投写型表示装置には、第２または第３の実施形態の光源装置を用いることも可能であることは明らかである。
　以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
１、２１、４１　光源（固体光源）
２、４２　コリメートレンズ
５、２５、４５、ダイクロイックプリズム
７、２７、４７、１０１　蛍光体ホイール
１０、１１、１２、３０、３１、３２　蛍光体領域
１５、３５、５５、７５、１０５　第１ライトトンネル（光学素子）
１６、３６、５６、７６、１０６　第２ライトトンネル（光学素子）
１７、２１、４１　光源部
１９ａ、１９ｂ、３９ａ、３９ｂ、　カラーフィルタ
２０、３７、６０、７０、１００　光源装置
２３　合成部
２６　１／４波長板
３３　拡散反射領域
４１ａ　発光点
４２ｃ　中心線
５０　第１のリング状発光領域
５１　第２のリング状発光領域
６４　ＴＩＲプリズム
６５　ＤＭＤ（光変調素子）
８４　第１ＴＩＲプリズム
８５　第１ＤＭＤ（第１光変調素子）
９４　第２ＴＩＲプリズム
９５　第２ＤＭＤ（第２光変調素子）
９６　ダイクロイックプリズム（映像光合成部）

Claims (8)

  1. 　励起光の照射により、複数の色の照明光をそれぞれ発生する、同心的に配置された複数のリング状の発光領域を備えた蛍光体ホイールと、
    　前記複数のリング状の発光領域に対して同時に前記励起光を照射する光源部と、
    　前記励起光の照射により発生した前記複数の照明光がそれぞれ入射される複数の光学素子と、
    を有する光源装置。
  2. 　請求項１に記載の光源装置であって、
    　前記光源部は、励起光を発する複数の固体光源と、各前記固体光源に対向するように配置されたコリメートレンズと、を有し、
    　前記固体光源の発光点が前記コリメートレンズの中心軸に対して偏心している光源装置。
  3. 　請求項１または２に記載の光源装置であって、
    　前記複数の光学素子には、特定の波長の照明光を選択的に透過するカラーフィルタそれぞれ設けられている、光源装置。
  4. 　請求項２または３に記載の光源装置であって、
    　前記光源部は第１の波長の励起光を放射し、
    　前記複数のリング状の発光領域は、前記励起光が照射されることで第２の波長の照明光を発光する蛍光体領域からなる第１のリング状発光領域と、前記励起光が照射されることで第３の波長の照明光を発光する蛍光体領域及び前記励起光が照射されることで第４の波長の照明光を発光する蛍光体領域とからなる第２のリング状発光領域であり、
    　前記複数の光学素子は、前記第２の波長の照明光が入射する第１光学素子と、前記第３の波長の照明光及び前記第４の波長の照明光が入射する第２光学素子であり、
    　前記光源部と前記蛍光体ホイールとの間には、前記光源部からの第１の波長の前記励起光を透過し、前記第１のリング状発光領域で発光した前記第２の波長の光を前記第１光学素子に向かって反射し、前記第２のリング状発光領域で発光した前記第３の波長の光及び前記第４の波長の光を前記第２光学素子に向かって反射するダイクロイックプリズムが設けられている、光源装置。
  5. 　請求項２または３に記載の光源装置であって、
    　光源部は第１の偏光の第４の波長の励起光を放射し、
    　前記複数のリング状の発光領域は、前記励起光が照射されることで第２の波長の照明光を発光する蛍光体領域からなる第１のリング状発光領域と、前記励起光が照射されることで第３の波長の照明光を発光する蛍光体領域及び前記励起光が照射されることで第４の波長の照明光を拡散反射する拡散反射領域とからなる第２のリング状発光領域であり、
    　前記複数の光学素子は、前記第２の波長の照明光が入射する第１光学素子と、前記第３の波長の照明光及び前記第４の波長の照明光が入射する第２光学素子であり、
    　前記光源部と前記蛍光体ホイールとの間に、前記励起光と前記蛍光体ホイールからの複数の照明光が通過する１／４波長板が設けられ、
    　前記光源部と前記１／４波長板との間に、前記光源部からの前記励起光を透過し、前記１／４波長板を透過した前記第２の波長の照明光を前記第１光学素子に向けて反射し、前記１／４波長板を透過した前記第３の波長の照明光と前記第４の波長の照明光を第２光学素子に向けて反射するダイクロイックプリズムが設けられている、光源装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備える投写型表示装置であって、
    　前記複数の光学素子から出射した照明光を同一光軸上に放射する合成部と、
    　前記合成部からの前記照明光を変調して映像光を反射する光変調素子と、
    　前記映像光を拡大投写する投写レンズと、
    を有する投写型表示装置。
  7. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置を備える投写型表示装置であって、
    　前記複数の光学素子に対応してそれぞれ設けられ、前記複数の光学素子から出射した照明光をそれぞれ変調して映像光を反射する複数の光変調素子と、
    　前記複数の光変調素子から入射する映像光を合成して出射する映像合成部と、
    　前記映像合成部からの合成された前記映像光を拡大投写する投写レンズと、
    を有する投写型表示装置。
  8. 　同心的に配置された複数のリング状の発光領域を備えた蛍光体ホイールの前記複数のリング状の発光領域に対して同時に励起光を照射する工程と、
    　前記励起光の照射により発生した前記複数の照明光を、複数の光学素子のいずれかに入射させる工程と、
    　前記複数の光学素子に入射した前記複数の照明光の強度を均一化させて出射させる工程と、
    を含む、照明光を発生させる方法。
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