WO2015189947A1 - 光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

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WO2015189947A1
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lens
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正晃 松原
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a light source device including a phosphor and a projector using the light source device.
  • the light source device described in Patent Document 1 includes a solid-state light source unit, a condensing unit, a diffusion plate, a dichroic mirror, a condenser lens, a phase difference plate, a reflection plate, and a fluorescent light emission plate.
  • the solid-state light source unit includes a plurality of blue semiconductor lasers arranged in an array. A collimating lens is provided for each blue semiconductor laser, and the blue light output from each blue semiconductor laser is converted into a parallel beam by the collimating lens.
  • the solid light source unit is configured to emit S-polarized light and P-polarized blue light, respectively. Blue light emitted from the solid-state light source unit is incident on the dichroic mirror through the light collecting unit and the diffusion plate.
  • the condensing unit includes a first lens having positive power (also referred to as positive refractive power) and a second lens having negative power (also referred to as negative refractive power).
  • a lens is disposed on the solid light source unit side.
  • the first and second lenses reduce the luminous flux diameter of the blue light from the solid light source unit.
  • the diffusion plate diffuses blue light from the light collecting unit.
  • the dichroic mirror transmits light incident as P-polarized light, reflects light incident as S-polarized light, and transmits light in green and red wavelength bands.
  • S-polarized light is reflected by the dichroic mirror and enters the condenser lens.
  • P-polarized light passes through the dichroic mirror as it is and enters the phase difference plate.
  • Blue reflected light (S-polarized light) from the dichroic mirror is condensed on the fluorescent light-emitting plate by the condenser lens.
  • the fluorescent light-emitting plate has a rotatable disk shape and includes a phosphor layer.
  • the phosphor layer includes a red phosphor region that emits red fluorescence and a green phosphor region that emits green fluorescence, and blue light is sequentially irradiated to the red phosphor region and the green phosphor region by rotating the fluorescent light emitting plate.
  • the Red fluorescence from the red phosphor region and green fluorescence from the green phosphor region respectively enter the dichroic mirror via the condenser lens. Red fluorescence and green fluorescence are transmitted through the dichroic mirror.
  • Blue transmitted light (P-polarized light) from the dichroic mirror passes through the phase difference plate and enters the reflection plate.
  • the reflecting plate reflects incident blue light in the direction of the phase difference plate.
  • the blue reflected light from the reflecting plate again passes through the phase difference plate and enters the dichroic mirror.
  • Blue transmitted light (P-polarized light) is converted into S-polarized light by passing through the retardation plate twice.
  • Blue light (S-polarized light) from the phase difference plate is reflected by the dichroic mirror.
  • the blue reflected light (S-polarized light) from the dichroic mirror is emitted from the light source device through the same optical path as the red fluorescent light and green fluorescent light transmitted through the dichroic mirror.
  • the light source device described in Patent Document 2 includes a plurality of blue LDs (laser diodes), a plurality of collimating lenses, a condensing lens, a concave lens, a dichroic mirror, a condensing lens group, and a fluorescent wheel.
  • a collimating lens is provided for each blue LD, and the blue light output from each blue LD is converted into a parallel beam by the collimating lens. Blue light emitted from each blue LD via each collimator lens is irradiated to a phosphor layer on which a green phosphor of a fluorescent wheel is formed via a condenser lens, a concave lens, a dichroic mirror, and a condenser lens group.
  • Each blue LD and each collimating lens are arranged so that the irradiation regions on the phosphor layer of the blue light from each blue LD overlap each other.
  • fluorescence emitted from a phosphor irradiates a display element such as a digital micromirror device (DMD) or a liquid crystal display element via an illumination optical system. Is done. An image formed by the display element is projected onto an external screen by a projection optical system.
  • DMD digital micromirror device
  • the peak light intensity of the excitation light is determined by the irradiation size of the excitation light.
  • the light emission intensity of the phosphor depends on the light intensity of the excitation light. However, when the light intensity of the excitation light reaches a certain value, the light emission intensity of the phosphor does not increase and is saturated or decreased. As a result, the wavelength conversion efficiency from excitation light to fluorescence decreases.
  • the emission size of the phosphor region depends on the irradiation size (spot size) of excitation light.
  • spot size the irradiation size of excitation light.
  • the irradiation size of the excitation light is set to an appropriate size that satisfies the first and second constraints.
  • the light source devices described in Patent Documents 1 and 2 have the following problems.
  • Optical components such as lenses constituting the light source device have performance variations due to individual differences. Also, there are variations in the assembly position when assembling the optical component. Due to such variations in optical components, the irradiation size of the excitation light may deviate from an appropriate size. If the irradiation size of the excitation light deviates from an appropriate size, it becomes difficult to satisfy the first constraint or the second constraint described above, and the wavelength conversion efficiency is lowered, or fluorescence is taken into the illumination optical system or projection optical system. Problems such as reduced efficiency occur.
  • the light beam is largely bent by the lens on the side close to the excitation light source (blue LD array), that is, the power of the light source side lens is large, and the refractive index. Therefore, aberrations (mainly distortion and spherical aberration) occur. It is difficult to correct such an aberration caused by the lens on the light source side by a subsequent optical system. For this reason, distortion occurs in the light source image (image of the blue LD array) formed on the phosphor region (phosphor layer) due to distortion, and part of the light source image is blurred due to spherical aberration.
  • the intensity distribution is non-uniform.
  • the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to be able to reliably irradiate excitation light with an appropriate size, and to suppress a decrease in wavelength conversion efficiency and the efficiency of fluorescence incorporation into an illumination optical system or projection optical system. It is an object of the present invention to provide a light source device and a projector.
  • a phosphor portion provided with a phosphor; An excitation light source that outputs excitation light for exciting the phosphor; A reduction optical system that reduces the diameter of the excitation light beam output from the excitation light source; A condensing optical system for condensing the excitation light whose beam diameter is reduced by the reduction optical system on the phosphor part,
  • the reduction optical system includes: A plurality of lenses including two or more lenses having positive power; A holding portion for holding the plurality of lenses, The lens having the smallest positive power among the two or more lenses is disposed on the excitation light source side,
  • the holding unit includes a lens moving unit that reciprocally moves the lens having the smallest positive power in the optical axis direction of the reduction optical system,
  • a light source device is provided in which the refractive index of the lens having the smallest positive power is not more than the refractive index of the other lenses of the reduction optical system.
  • the light source device ; A display element that spatially
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a light source device according to an embodiment of the present invention.
  • the light source device includes a solid light source unit 6 that is an excitation light source, a reduction optical system 7, a condensing optical system 8, a diffusion plate 1f, and a phosphor unit 9.
  • the solid light source unit 6 includes a plurality of solid light sources 1a and a plurality of collimator lenses 1b.
  • the solid light source 1a is, for example, a blue laser diode (LD) that outputs blue light having a peak wavelength in a blue wavelength region.
  • LD blue laser diode
  • 24 blue LDs are arranged in a 6 ⁇ 4 matrix.
  • the number of blue LDs is not limited to 24.
  • the number of blue LDs may be increased or decreased as necessary.
  • the collimator lens 1b is provided for each solid light source 1a, and the excitation light output from each solid light source 1a is converted into a parallel light beam by the corresponding collimator lens 1b.
  • the reduction optical system 7 reduces the beam diameter of the excitation light (pseudo parallel light) from the solid light source unit 6. By making the outgoing light beam diameter smaller than the incident light beam diameter, it is possible to reduce the size of the members disposed after the reduction optical system 7.
  • the reduction optical system 7 includes lenses 1c to 1e and a holding unit that holds the lenses 1c to 1e. From the solid light source unit 6 side, the lens 1c, the lens 1d, and the lens 1e are arranged in this order. The lenses 1c and 1d both have positive power (positive refractive power), and the lens 1e has negative power (negative refractive power). The power of the lens 1c is smaller than the power of the lens 1d. The refractive index of the lens 1c is smaller than the refractive index of the other lenses of the reduction optical system 7.
  • the holding unit includes a lens moving unit 7 a that reciprocates the lens 1 c in the optical axis direction of the reduction optical system 7.
  • the lens moving unit 7a includes a lens frame, a moving shaft provided with a feed screw for reciprocating the lens frame in the optical axis direction, and a rotating unit connected to the moving shaft.
  • the rotating unit When the rotating unit is rotated, the moving shaft rotates in conjunction with the rotating operation, and the lens frame moves in the optical axis direction.
  • the rotation of the rotating part includes normal rotation and reverse rotation.
  • the lens frame moves in the direction toward the solid light source unit 6, and when the rotating part is rotated in the reverse direction, the lens frame moves in the direction opposite to the solid light source unit 6 side. Moving.
  • the lens 1c can be freely reciprocated in the optical axis direction of the reduction optical system 7, and the magnification of the reduction optical system 7 can be changed.
  • the configuration of the lens moving unit 7a is an example, and the lens moving unit 7a may have any configuration as long as the lens 1c can be moved along the optical axis of the reduction optical system 7.
  • the lens configuration of the reduction optical system 7 is not limited to the lenses 1c to 1e.
  • the reduction optical system 7 only needs to have two or more lenses having positive power and at least one lens having negative power.
  • the lens having the smallest power among the two or more lenses having positive power is disposed on the solid light source unit 6 side and is held by the lens moving unit 7a.
  • the refractive index of the lens having the smallest power held by the lens moving unit 7 a is equal to or lower than the refractive index of the other lenses of the reduction optical system 7.
  • Excitation light from the reduction optical system 7 enters the condensing optical system 8 through the diffusion plate 1f.
  • the diffusion plate 1 f diffuses the excitation light from the reduction optical system 7.
  • the diffusion angle is about 3 °, for example.
  • the diffusion angle is an angle formed by a light beam passing through the center of the light beam (center light beam) and a light beam passing through the outermost side of the light beam.
  • the condensing optical system 8 includes lenses 1g and 1h, and condenses the excitation light incident from the reduction optical system 7 via the diffusion plate 1f on the phosphor wheel 1i of the phosphor unit 9.
  • the lens configuration of the condensing optical system 8 is not limited to the lenses 1g and 1h.
  • the condensing optical system 8 may include three or more lenses.
  • the phosphor unit 9 includes a phosphor wheel 1i and a drive unit (motor) 9a that rotates the phosphor wheel 1i.
  • FIG. 2 shows an example of the phosphor wheel 1i.
  • the phosphor wheel 1 i includes a disk-shaped reflecting mirror 10.
  • the central part of the reflecting mirror 10 is connected to the rotating shaft of the drive part 9a via the hub 9b.
  • a phosphor region having a predetermined width is formed along the outer periphery, and the phosphor region is divided into first and second phosphor regions by two notches 10a. Yes.
  • the first and second phosphor regions each include a yellow phosphor region 10Y, a red phosphor region 10R, and a green phosphor region 10G.
  • the yellow phosphor region 10Y, the red phosphor region 10R, and the green phosphor region 10G are arranged in order in the circumferential direction.
  • the notches 10 a are provided at two opposing portions of the outer peripheral portion of the reflecting mirror 10.
  • the notch 10a serves as a transmission region.
  • blue light (excitation light) from the solid light source unit 6 is emitted from the yellow phosphor region 10Y, the red phosphor region 10R, the green phosphor region 10G, and the notch 10a.
  • the transmission region is irradiated in order.
  • the yellow phosphor region 10Y includes a phosphor that emits yellow fluorescence.
  • the red phosphor region 10R includes a phosphor that emits red fluorescence.
  • the green phosphor region 10G includes a phosphor that emits green fluorescence. Any of the yellow phosphor, the red phosphor and the green phosphor can be excited by the blue light from the solid light source unit 6.
  • the yellow fluorescence includes light in the wavelength range from green to red. Yellow fluorescence from the yellow phosphor region 10Y, red fluorescence from the red phosphor region 10R, green fluorescence from the green phosphor region 10G, and blue light from the transmission region of the notch 10a are used as output light of the light source device. .
  • the ratio of the area in the circumferential direction (division ratio in the circumferential direction) of each of the transmission regions of the yellow phosphor region 10Y, the red phosphor region 10R, the green phosphor region 10G, and the notch 10a is included in the output light of the light source device. It is appropriately set according to the balance of the light intensity of each of yellow light, red light, green light and blue light.
  • the blue light (excitation light) from the solid-state light source unit 6 has its light beam diameter reduced by the reduction optical system 7, diffused by the diffusion plate 1f, and then condensed on the phosphor wheel 1i by the condensing optical system 8. .
  • the rotating part of the lens moving part 7a is rotated forward or backward, the focal length of the lens 1c and the lens 1d changes, and as a result, the irradiation size (spot size) of the excitation light on the phosphor wheel 1i changes.
  • the shape of the irradiation spot of the excitation light corresponds to the arrangement shape of the solid light sources 1a.
  • solid light sources 1a of the solid light source unit 6 schematically shows an example of the arrangement shape of the solid light sources 1 a of the solid light source unit 6.
  • solid light sources 1a made of blue LD are arranged in a 6 ⁇ 4 matrix.
  • the reduction optical system 7 and the condensing optical system 8 form light sources of 24 blue LDs arranged in a 6 ⁇ 4 matrix on the phosphor wheel 1i.
  • FIG. 4A to 4C show intensity distributions of excitation light irradiated on the phosphor wheel 1i.
  • FIG. 4A shows the intensity distribution of the excitation light in a state where the lens 1c is arranged at a preset reference position.
  • FIG. 4B shows the intensity distribution of the excitation light in a state where the lens 1c has moved by 0.5 mm from the reference position to the solid light source unit 6 side.
  • FIG. 4C shows the intensity distribution of the excitation light when the lens 1c is moved by 1.0 mm from the reference position to the solid light source unit 6 side.
  • 5A to 5C schematically show light source images formed on the phosphor wheel 1i with the diffusion plate 1f removed.
  • FIG. 5A shows a light source image in a state where the lens 1c is disposed at the position P shown in FIG.
  • FIG. 5B shows a light source image in a state where the lens 1c is moved by 0.5 mm from the position P to the solid light source unit 6 side.
  • FIG. 5C shows a light source image in a state in which the lens 1c is moved by 1.0 mm from the position P toward the solid light source unit 6 side.
  • the excitation light from the solid light source unit 6 is a blue LD light source array (rectangular). While maintaining this state, it is reduced and irradiated to the phosphor wheel 1i.
  • the excitation light from the solid light source unit 6 is emitted from the blue LD light source array. While maintaining the (rectangular) state, it is reduced and irradiated to the phosphor wheel 1i.
  • the irradiation size of the excitation light with the lens 1c arranged at the position P is the largest, and when the lens 1c moves to the solid light source unit 6 side, the irradiation size of the excitation light becomes Gradually get smaller.
  • the focal length of the lens 1c and the lens 1d changes, and as a result, the irradiation size of the excitation light changes.
  • the spot shape of the excitation light maintains the shape (rectangular shape) of the light source array of the blue LD.
  • the arrangement interval of the blue LD of the solid light source unit 6 and the diffusion angle of the diffusion plate 1f are designed so that the intensity distribution of the excitation light that has passed through the diffusion plate 1f becomes a uniform intensity distribution called “top hat”. By maintaining the spot shape of the excitation light, a uniform intensity distribution can be maintained.
  • the lens 1c is moved when the irradiation size of the excitation light deviates from an appropriate size due to variations due to individual differences of optical components such as lenses and variations in assembly positions.
  • the irradiation size can be adjusted to an appropriate size.
  • the fluorescence emission size depends on the excitation light irradiation size
  • the fluorescence emission size can be set to an appropriate size by adjusting the excitation light irradiation size. Therefore, when the light source device of this embodiment is applied to a projector, the fluorescence output from the light source device can be reliably taken into the illumination optical system and the projection optical system.
  • the intensity distribution of the excitation light becomes non-uniform due to the occurrence of aberrations (mainly distortion and spherical aberration).
  • aberrations mainly distortion and spherical aberration.
  • the light source image of the solid-state light source 1a arranged in a 6 ⁇ 4 matrix shown in FIG. 5A the light source image is distorted due to distortion aberration, and the light source image is partially blurred due to spherical aberration and adjacent. As the light source images overlap, the intensity distribution of the excitation light becomes non-uniform.
  • the intensity distribution of the excitation light becomes non-uniform, the wavelength conversion efficiency may decrease due to a phosphor saturation phenomenon or the like at a portion where the light intensity is high. Therefore, in order to make the intensity distribution of the excitation light uniform, it is effective to suppress the occurrence of aberrations in the previous stage.
  • the positive power of the lens 1c closer to the solid light source unit 6 is made smaller than that of the other lenses, and the refractive index of the lens 1c is also made smaller than that of the other lenses. (Mainly distortion and spherical aberration) are suppressed. Thereby, the intensity distribution of the excitation light is made uniform.
  • the intensity distribution of the excitation light is a Gaussian distribution
  • the light intensity increases in the central portion of the spot of the excitation light, and the wavelength conversion efficiency may decrease due to a phosphor saturation phenomenon or the like.
  • the solid light sources 1a are arranged in an array and the excitation light is diffused by the diffusion plate 1f, so that the intensity distribution of the excitation light is more uniform.
  • the amount of light energy supplied to the phosphor per unit time can be reduced, and the temperature rise of the phosphor due to excitation light can be suppressed. Thereby, the fall of the wavelength conversion efficiency by the emitted light intensity saturation of a fluorescent substance and a temperature rise can be suppressed.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a projector provided with the light source device of the present invention.
  • the projector includes a light source device, a relay optical system, a color synthesis system, an illumination optical system, a projection optical system, and a display element 11.
  • the light source device includes the solid-state light source unit 6, the reduction optical system 7, the condensing optical system 8, the diffusion plate 1 f and the phosphor unit 9 shown in FIG. 1.
  • the relay optical system guides blue light transmitted through the phosphor wheel 1i of the phosphor unit 9 to the color synthesis system, and includes lenses 2a, 2b, 2d, 2f, and 2h, and mirrors 2c, 2e, and 2g.
  • the color synthesis system synthesizes yellow fluorescence, red fluorescence and green fluorescence from the phosphor wheel 1i and blue light from the relay optical system, and includes a dichroic mirror 3a, a lens 3b, and a light tunnel 3c.
  • the dichroic mirror 3a is disposed on the optical path between the diffusion plate 1f and the lens 1g of the light source device.
  • the lenses 2a, 2b, 2d, 2f, 2h, and 3b are all condenser lenses.
  • the phosphor wheel 1i is rotated to sequentially irradiate excitation light (blue light) to the yellow phosphor region 10Y, the red phosphor region 10R, the green phosphor region 10G, and the transmission region of the cutout 10a.
  • the yellow fluorescent light from the yellow fluorescent region 10Y, the red fluorescent light from the red fluorescent region 10R, and the green fluorescent light from the green fluorescent region 10G sequentially pass through the lens 1h and the lens 1g and pass through the dichroic mirror 3a of the color synthesis system. Incident on one surface. Excitation light (blue light) transmitted through the transmission region of the notch 10a enters the relay optical system.
  • the blue light from the phosphor wheel 1i is reflected by the mirror 2c at an angle of approximately 90 ° after passing through the lenses 2a and 2b.
  • the blue reflected light from the mirror 2c is reflected by the mirror 2e at an angle of about 90 ° after passing through the lens 2d.
  • the blue reflected light from the mirror 2e passes through the lens 2f and is then reflected by the mirror 2g at an angle of approximately 90 °.
  • the blue reflected light from the mirror 2g passes through the lens 2h and then enters the other surface of the color synthesis dichroic mirror 3a.
  • FIG. 7 shows the spectral transmission characteristics of the dichroic mirror 3a.
  • the dichroic mirror 3a has a characteristic of transmitting light in the blue wavelength band of visible light and reflecting light in other wavelength bands.
  • the dichroic mirror 3a having such characteristics can be realized by a dielectric multilayer film.
  • the dichroic mirror 3a transmits the excitation light (blue light) from the solid light source unit 6.
  • the dichroic mirror 3a reflects yellow fluorescence, green fluorescence, and red fluorescence from the phosphor wheel 1i and transmits blue light from the relay optical system.
  • the lens 3b condenses blue light, yellow fluorescence, green fluorescence, and red fluorescence from the dichroic mirror 3a on one opening end of the light tunnel 3c. That is, yellow fluorescent light, red fluorescent light, green fluorescent light, and blue light are sequentially incident on the light tunnel 3c.
  • the lenses 1g and 1h not only have a role of condensing excitation light on the phosphor wheel 1i but also have a role of converting yellow fluorescence, green fluorescence, and red fluorescence from the phosphor wheel 1i into parallel luminous fluxes, respectively.
  • the diameter of the light beam of the excitation light from the reduction optical system 7 and the diameter of the light beam of the fluorescence converted into a parallel light beam by the lenses 1g and 1h substantially coincide.
  • the luminous flux diameter of the blue light incident on the dichroic mirror 3c through the relay optical system also substantially coincides with the luminous flux diameters of these excitation light and fluorescence.
  • the light tunnel 3c has a rectangular parallelepiped hollow structure, and light incident from one opening end propagates inside and is emitted from the other opening end.
  • One opening end face (incident surface) of the light tunnel 3c is disposed at the focal position of the lens 3b.
  • the irradiation surface of the phosphor wheel 1i and the incident surface of the light tunnel 3 are in an imaging relationship.
  • the light emitted from the other opening end of the light tunnel 3c becomes light having a rectangular uniform intensity distribution and is supplied to the illumination optical system.
  • the illumination optical system includes lenses 4a, 4b, 4d and a mirror 4c.
  • the lenses 4a, 4b, and 4d are condensing lenses.
  • the light emitted from the other opening end of the light tunnel 3 sequentially passes through the lenses 4a and 4b and is then reflected by the mirror 4c.
  • the reflected light from the mirror 4c is applied to the display element 11 through the lens 4d.
  • the illumination light is magnified and illuminated on the display element 11 while maintaining a rectangular uniform intensity distribution at the exit end of the light tunnel 3c.
  • the display element 11 spatially modulates the light beam from the illumination optical system according to the video signal to form an image.
  • the display element 11 is, for example, a digital micromirror device (DMD).
  • DMD digital micromirror device
  • the DMD has a plurality of micromirrors, and each micromirror is configured such that the angle changes according to the drive voltage.
  • the drive voltage indicating the on state is supplied and the drive voltage indicating the off state
  • the reflection angle differs depending on whether or not is supplied.
  • an incident light beam is spatially modulated to form an image.
  • a liquid crystal panel or the like can be used as the display element 11 in addition to the DMD.
  • the image formed on the display element 11 is enlarged and projected on the projection surface by the projection lens 5a of the projection optical system.
  • the projection surface may be anything that can project an image, such as a screen or a wall.
  • the fluorescence emission size by adjusting the fluorescence emission size, it is possible to balance the light emission efficiency of the light source device and the capture efficiency of the optical system at the subsequent stage. Efficiency can be increased.
  • the light source device and projector described above are examples of the present invention, and the configuration thereof can be changed as appropriate.
  • the present invention may take forms such as the following supplementary notes 1 to 5, but is not limited to these forms.
  • Appendix 1 A phosphor portion provided with a phosphor; An excitation light source that outputs excitation light for exciting the phosphor; A reduction optical system that reduces the diameter of the excitation light beam output from the excitation light source; A condensing optical system for condensing the excitation light whose beam diameter is reduced by the reduction optical system on the phosphor part,
  • the reduction optical system includes: A plurality of lenses including two or more lenses having positive power; A holding portion for holding the plurality of lenses, The lens having the smallest positive power among the two or more lenses is disposed on the excitation light source side,
  • the holding unit includes a lens moving unit that reciprocally moves the lens having the smallest positive power in the optical axis direction of the reduction optical system, The light source device, wherein a refractive index of a lens having the smallest positive power is equal to or less than a refractive index of another lens of the reduction optical
  • the excitation light source is A plurality of solid state light sources arranged in an array; A plurality of collimator lenses that collimate the output light of each of the plurality of solid-state light sources, and The light source device according to appendix 1, wherein the reduction optical system and the condensing optical system form light source images of the plurality of solid light sources on the phosphor portion.
  • the light source device according to appendix 1 or 2 further comprising a diffusion plate that is provided on an optical path between the reduction optical system and the condensing optical system and diffuses incident light.
  • [Appendix 4] The light source device according to any one of appendices 1 to 3, A display element that spatially modulates the light output from the light source device to form an image; A projector optical system for enlarging and projecting an image formed by the display element; [Appendix 5] Output light of the light source device is incident from one opening end, the incident light propagates through the inside and has a light tunnel that is emitted from the other opening end, and the light emitted from the other opening end of the light tunnel.
  • the projector according to appendix 4 further comprising an illumination optical system that irradiates the display element with the illumination optical system.
  • the excitation light source, the reduction optical system, the condensing optical system, and the phosphor part are respectively the solid light source unit 6, the reduction optical system 7, the condensing optical system 8 and the fluorescence shown in FIG. Corresponds to the body unit 9.
  • the diffusion plate corresponds to the diffusion plate 1f illustrated in FIG.
  • the display element and the projection optical system correspond to the display element 11 and the projection lens 5a shown in FIG. 6, respectively.
  • the light tunnel corresponds to the light tunnel 3c shown in FIG.

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Abstract

　光源装置は、蛍光体を備えた蛍光体部（１ｉ）と、蛍光体を励起する励起光を出力する励起光源（６）と、励起光の光束径を縮小する縮小光学系（７）と、縮小光学系（７）によって光束径が縮小された励起光を蛍光体部（１ｉ）上に集光する集光光学系（８）と、を有する。縮小光学系（７）は、正のパワーを持つ２枚のレンズ（１ｃ、１ｄ）を含む複数のレンズと、レンズ（１ｃ）を光軸方向に往復移動するレンズ移動部（７ａ）を有する。レンズ（１ｃ）は、励起光源（６）側に配置されており、レンズ（１ｄ）よりもパワーが小さい。レンズ（１ｃ）の屈折率は、縮小光学系（７）の他のレンズの屈折率以下である。

Description

光源装置およびプロジェクタ
　本発明は、蛍光体を備えた光源装置及びそれを用いたプロジェクタに関する。
　水銀ランプを光源とする高輝度のプロジェクタが提供されているが、水銀ランプは有害物質である水銀を含むため、環境への影響を配慮し、水銀フリーの製品開発が急務となっていた。このような背景の中、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）を光源とするプロジェクタの開発が進められ、これらを光源とする低輝度のＬＥＤプロジェクタやレーザープロジェクタがすでに市場に投入されている。
　しかし、高輝度の緑色のＬＥＤや小型で高出力な緑色のＬＤは、未だ量産化されていないため、高輝度のＬＥＤプロジェクタやレーザープロジェクタは、未だ市場に投入されていない。
　そこで、光源に蛍光体を用いた高輝度のプロジェクタが提案されている。特許文献１、２には、蛍光体を用いたプロジェクタの光源装置が記載されている。
　特許文献１に記載の光源装置は、固体光源ユニット、集光部、拡散板、ダイクロイックミラー、コンデンサレンズ、位相差板、反射板及び蛍光発光板を有する。
　固体光源ユニットは、アレイ状に配置された複数の青色半導体レーザーを備える。青色半導体レーザー毎にコリメートレンズが設けられており、各青色半導体レーザーから出力された青色光はそれぞれコリメートレンズにより平行光束化される。固体光源ユニットは、Ｓ偏光及びＰ偏光の青色光をそれぞれ出射するように構成されている。
　固体光源ユニットから出射した青色光は、集光部及び拡散板を介してダイクロイックミラーに入射する。集光部は、正のパワー（正の屈折力ともいう。）を有する第１のレンズと、負のパワー（負の屈折力ともいう。）を有する第２のレンズとからなり、第１のレンズが固体光源ユニット側に配置されている。第１及び第２のレンズは、固体光源ユニットからの青色光の光束径を縮小する。拡散板は、集光部からの青色光を拡散する。
　ダイクロイックミラーは、青色の波長帯域において、Ｐ偏光で入射する光を透過し、Ｓ偏光で入射する光を反射し、かつ、緑色及び赤色の波長帯域の光を透過する特性を有する。拡散板からの青色拡散光のうち、Ｓ偏光はダイクロイックミラーによって反射されてコンデンサレンズに入射する。一方、Ｐ偏光はそのままダイクロイックミラーを透過して位相差板に入射する。
　ダイクロイックミラーからの青色反射光（Ｓ偏光）は、コンデンサレンズによって蛍光発光板上に集光される。蛍光発光板は回転可能な円盤状のものであって、蛍光体層を含む。蛍光体層は、赤色蛍光を発する赤色蛍光体領域と緑色蛍光を発する緑色蛍光体領域を含み、蛍光発光板が回転することで、青色光が赤色蛍光体領域及び緑色蛍光体領域に順次照射される。赤色蛍光体領域からの赤色蛍光及び緑色蛍光体領域からの緑色蛍光はそれぞれ、コンデンサレンズを介してダイクロイックミラーに入射する。赤色蛍光及び緑色蛍光は、ダイクロイックミラーを透過する。
　ダイクロイックミラーからの青色透過光（Ｐ偏光）は、位相差板を通過し、反射板に入射する。反射板は、入射した青色光を位相差板の方向に反射する。反射板からの青色反射光は、再び、位相差板を通過してダイクロイックミラーに入射する。青色透過光（Ｐ偏光）は、位相差板を二回通過することで、Ｓ偏光に変換される。位相差板からの青色光（Ｓ偏光）は、ダイクロイックミラーによって反射される。ダイクロイックミラーからの青色反射光（Ｓ偏光）は、ダイクロイックミラーを透過した赤色蛍光及び緑色蛍光と同一の光路で光源装置より出射される。
　特許文献２に記載の光源装置は、複数の青色ＬＤ（レーザーダイオード）、複数のコリメートレンズ、集光レンズ、凹レンズ、ダイクロイックミラー、集光レンズ群及び蛍光ホイールを有する。
　青色ＬＤ毎にコリメートレンズが設けられており、各青色ＬＤから出力された青色光はそれぞれコリメートレンズにより平行光束化される。各青色ＬＤから各コリメートレンズを介して出射した青色光は、集光レンズ、凹レンズ、ダイクロイックミラー及び集光レンズ群を介して蛍光ホイールの緑色蛍光体が形成された蛍光体層に照射される。
　各青色ＬＤと各コリメートレンズは、各青色ＬＤからの青色光の蛍光体層上の照射領域が互いに重なるように配置されている。
　特許文献１や特許文献２に記載された光源装置を備えたプロジェクタにおいて、蛍光体より発した蛍光は、照明光学系を介してディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶表示素子などの表示素子に照射される。表示素子により形成した画像は、投射光学系により外部のスクリーンン上に投射される。
　励起光の照射サイズを小さくすると、単位面積当たりの光密度が高くなるため、励起光のピーク光強度が高くなる。反対に、励起光の照射サイズを大きくすると、単位面積当たりの光密度が低くなるため、励起光のピーク光強度が低くなる。このように、励起光のピーク光強度は励起光の照射サイズによって決まる。
　一般に、蛍光体の発光強度は励起光の光強度に依存するが、励起光の光強度がある値に達すると、それ以上高くしても、蛍光体の発光強度は増大せず、飽和または低下する現象が起こり、励起光から蛍光への波長変換効率が低下する。このため、励起光の照射サイズは、そのような現象が生じないように設定する必要がある（第１の制約）。
　また、蛍光体領域（蛍光体層）の発光サイズは、励起光の照射サイズ（スポットサイズ）に依存する。励起光の照射サイズを大きくすると、発光サイズが大きくなって、蛍光を照明光学系や投射光学系に効率よく取り込むことが困難になる。このため、励起光の照射サイズは、蛍光を照明光学系や投射光学系に確実に取り込むことができるように設定する必要がある（第２の制約）。
　通常、励起光の照射サイズは、上記の第１及び第２の制約を満たす適切なサイズに設定される。
特開２０１２－１３３３３７号公報 特開２０１２－２１５６３３号公報
　特許文献１、２に記載された光源装置には、以下のような問題がある。
　光源装置を構成するレンズ等の光学部品には、個体差による性能のばらつきがある。また、光学部品を組み立てる際の組み付け位置にもばらつきがある。このような光学部品のばらつきにより、励起光の照射サイズが適切なサイズから外れてしまう場合がある。励起光の照射サイズが適切なサイズから外れると、前述した第１の制約又は第２の制約を満たすことが困難となり、波長変換効率の低下や、照明光学系や投射光学系への蛍光の取り込み効率の低下といった問題を生じる。
　また、特許文献１、２に記載された光源装置では、励起光源（青色ＬＤアレイ）に近い側のレンズで光束を大きく曲げている、すなわち、光源側のレンズのパワーが大きく、かつ、屈折率が高いため、収差（主に歪曲収差や球面収差）が発生する。このような光源側のレンズで生じる収差は、後段の光学系で補正することは困難である。このため、歪曲収差により、蛍光体領域（蛍光体層）上に形成される光源像（青色ＬＤアレイの像）に歪みが生じ、球面収差により一部の光源像がボケることで、励起光の強度分布が不均一となる。励起光の強度分布が不均一になると、光強度が高い部分で、蛍光体の飽和現象等が発生し、波長変換効率が低下する場合がある。
　本発明の目的は、上記問題を解決し、励起光を適切なサイズで確実に照射することができ、波長変換効率や照明光学系や投射光学系への蛍光の取り込み効率の低下を抑制することができる、光源装置及びプロジェクタを提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
　蛍光体を備えた蛍光体部と、
　前記蛍光体を励起する励起光を出力する励起光源と、
　前記励起光源より出力された前記励起光の光束径を縮小する縮小光学系と、
　前記縮小光学系によって光束径が縮小された励起光を前記蛍光体部上に集光する集光光学系と、を有し、
　前記縮小光学系は、
　正のパワーを持つ２枚以上のレンズを含む複数のレンズと、
　前記複数のレンズを保持する保持部と、を有し、
　前記２枚以上のレンズのうちの正のパワーが最も小さなレンズが前記励起光源側に配置され、
　前記保持部は、前記正のパワーが最も小さなレンズを前記縮小光学系の光軸方向に往復移動するレンズ移動部を有し、
　前記正のパワーが最も小さなレンズの屈折率は、前記縮小光学系の他のレンズの屈折率以下である、光源装置が提供される。
　本発明の別の態様によれば、
　上記光源装置と、
　前記光源装置から出力された光を空間的に変調して画像を形成する表示素子と、
　前記表示素子により形成された画像を拡大投射する投射光学系と、を有するプロジェクタが提供される。
本発明の一実施形態による光源装置の構成を示す模式図である。 図１に示す光源装置に用いられる蛍光体ホイールの一例を示す模式図である。 図１に示す光源装置の固体光源ユニットの固体光源の配列を示す模式図である。 レンズ移動量を０ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される励起光の強度分布を示す模式図である。 レンズ移動量を０．５ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される励起光の強度分布を示す模式図である。 レンズ移動量を１．０ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される励起光の強度分布を示す模式図である。 レンズ移動量を０ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される光源像を示す模式図である。 レンズ移動量を０．５ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される光源像を示す模式図である。 レンズ移動量を１．０ｍｍとした場合の蛍光体ホイール上に照射される光源像を示す模式図である。 図１に示す光源装置を備えたプロジェクタの一例を示す模式図である。 図６に示すプロジェクタのダイクロイックミラーの分光透過特性を示す特性図である。
　次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態による光源装置の構成を示す模式図である。
　図１を参照すると、光源装置は、励起光源である固体光源ユニット６、縮小光学系７、集光光学系８、拡散板１ｆ及び蛍光体ユニット９を有する。
　固体光源ユニット６は、複数の固体光源１ａ及び複数のコリメータレンズ１ｂを有する。固体光源１ａは、例えば、青色の波長域にピーク波長を有する青色光を出力する青色レーザーダイオード（ＬＤ）である。ここでは、２４個の青色ＬＤが６×４の行列状に配置されている。ただし、青色ＬＤの数は２４個に限定されない。青色ＬＤの数は、必要に応じて増減してもよい。
　コリメータレンズ１ｂは、固体光源１ａ毎に設けられており、各固体光源１ａより出力された励起光はそれぞれ対応するコリメータレンズ１ｂによって平行光束化される。
　縮小光学系７は、固体光源ユニット６からの励起光（疑似平行光）の光束径を縮小する。出射光束径を入射光束径よりも小さくすることで、縮小光学系７以降に配置される部材のサイズを小さくすることができる。
　縮小光学系７は、レンズ１ｃ～１ｅと、これらレンズ１ｃ～１ｅを保持する保持部とを有する。固体光源ユニット６側から、レンズ１ｃ、レンズ１ｄ、レンズ１ｅの順序で配置されている。レンズ１ｃ及び１ｄはいずれも正のパワー（正の屈折力）を持ち、レンズ１ｅは負のパワー（負の屈折力）を持つ。レンズ１ｃのパワーは、レンズ１ｄのパワーより小さい。レンズ１ｃの屈折率は、縮小光学系７の他のレンズの屈折率よりも小さい。
　保持部は、レンズ１ｃを縮小光学系７の光軸方向に往復移動するレンズ移動部７ａを有する。レンズ移動部７ａは、レンズ枠と、レンズ枠を光軸方向に往復移動させるための送りねじを備えた移動軸と、移動軸に連結された回転部とを有する。回転部を回転させると、その回転動作に連動して移動軸が回転し、レンズ枠が光軸方向に移動する。回転部の回転には、正回転と逆回転がある。回転部を正回転させた場合は、レンズ枠は固体光源ユニット６側の方向に移動し、回転部を逆回転させた場合には、レンズ枠は固体光源ユニット６側とは反対側の方向に移動する。これにより、レンズ１ｃを縮小光学系７の光軸方向に自由に往復移動させることができ、縮小光学系７の倍率を変更することができる。なお、レンズ移動部７ａの構成は一例であり、レンズ１ｃを縮小光学系７の光軸に沿って移動することができるのであれば、レンズ移動部７ａはどのような構成であってもよい。
　縮小光学系７のレンズ構成は、レンズ１ｃ～１ｅに限定されない。縮小光学系７は、正のパワーを持つ２枚以上のレンズと、負のパワーを持つ少なくとも１枚のレンズを有するものであればよい。ただし、正のパワーを持つ２枚以上のレンズのうちのパワーが最も小さなレンズが、固体光源ユニット６側に配置され、かつ、レンズ移動部７ａにより保持される。レンズ移動部７ａにより保持されたパワーが最も小さなレンズの屈折率は、縮小光学系７の他のレンズの屈折率以下である。
　縮小光学系７からの励起光は、拡散板１ｆを介して集光光学系８に入射する。拡散板１ｆは、縮小光学系７からの励起光を拡散する。拡散角は、例えば３°程度である。ここで、拡散角は、光束の中心を通る光線（中心光線）と光束の最も外側を通る光線とのなす角度である。
　集光光学系８は、レンズ１ｇ、１ｈを備え、縮小光学系７から拡散板１ｆを介して入射した励起光を蛍光体ユニット９の蛍光体ホイール１ｉ上に集光する。集光光学系８のレンズ構成は、レンズ１ｇ、１ｈに限定されない。集光光学系８は、３枚以上のレンズを含んでいてもよい。
　蛍光体ユニット９は、蛍光体ホイール１ｉと、蛍光体ホイール１ｉを回転する駆動部（モーター）９ａとを有する。図２に、蛍光体ホイール１ｉの一例を示す。
　図２を参照すると、蛍光体ホイール１ｉは、円盤状の反射鏡１０を備える。反射鏡１０の中心部はハブ９ｂを介して駆動部９ａの回転軸に連結されている。反射鏡１０上には、外周部に沿って所定の幅の蛍光体領域が形成されており、該蛍光体領域は、２つの切り欠き１０ａによって第１及び第２の蛍光体領域に分断されている。第１及び第２の蛍光体領域はそれぞれ、黄色蛍光体領域１０Ｙ、赤色蛍光体領域１０Ｒ及び緑色蛍光体領域１０Ｇを含む。黄色蛍光体領域１０Ｙ、赤色蛍光体領域１０Ｒ及び緑色蛍光体領域１０Ｇは、円周方向に順に並べられている。
　蛍光体ホイール１ｉの回転バランスをとるために、切り欠き１０ａは、反射鏡１０の外周部の対向する２か所の部分に設けられている。切り欠き１０ａは、透過領域としての役割を果たす。蛍光体ホイール１ｉを所定の速度で回転させることで、固体光源ユニット６からの青色光（励起光）が、黄色蛍光体領域１０Ｙ、赤色蛍光体領域１０Ｒ、緑色蛍光体領域１０Ｇ及び切り欠き１０ａの透過領域に順に照射される。
　黄色蛍光体領域１０Ｙは、黄色の蛍光を発光する蛍光体を含む。赤色蛍光体領域１０Ｒは、赤色の蛍光を発光する蛍光体を含む。緑色蛍光体領域１０Ｇは、緑色の蛍光を発光する蛍光体を含む。黄色蛍光体、赤色蛍光体及び緑色蛍光体はいずれも、固体光源ユニット６からの青色光で励起することができる。なお、黄色蛍光は、緑色から赤色の波長範囲の光を含む。
　黄色蛍光体領域１０Ｙからの黄色蛍光、赤色蛍光体領域１０Ｒからの赤色蛍光、緑色蛍光体領域１０Ｇからの緑色蛍光及び切り欠き１０ａの透過領域からの青色光が、光源装置の出力光として用いられる。黄色蛍光体領域１０Ｙ、赤色蛍光体領域１０Ｒ、緑色蛍光体領域１０Ｇ及び切り欠き１０ａの透過領域それぞれの円周方向における面積の割合（円周方向の分割比）は、光源装置の出力光に含まれる黄色光、赤色光、緑色光及び青色光それぞれの光強度のバランスに応じて適宜に設定される。
　次に、本実施形態の光源装置の動作について具体的に説明する。
　固体光源ユニット６からの青色光（励起光）は、縮小光学系７によって光束径が縮小され、拡散板１ｆによって拡散された後、集光光学系８によって蛍光体ホイール１ｉ上に集光される。レンズ移動部７ａの回転部を正回転または逆回転すると、レンズ１ｃとレンズ１ｄの合焦点距離が変化し、その結果、蛍光体ホイール１ｉ上における励起光の照射サイズ（スポットサイズ）が変化する。ここで、励起光の照射スポットの形状は、固体光源１ａの配列形状に対応する。
　図３に、固体光源ユニット６の固体光源１ａの配列形状の一例を模式的に示す。この例では、青色ＬＤよりなる固体光源１ａが、６×４の行列状に配置されている。縮小光学系７及び集光光学系８は、６×４の行列状に配置された２４個の青色ＬＤの光源像を蛍光体ホイール１ｉ上に結像する。
　図４Ａ～図４Ｃに、蛍光体ホイール１ｉ上に照射された励起光の強度分布を示す。図４Ａは、レンズ１ｃが予め設定された基準位置に配置された状態における励起光の強度分布を示す。図４Ｂは、レンズ１ｃが基準位置より固体光源ユニット６側に０．５ｍｍだけ移動した状態における励起光の強度分布を示す。図４Ｃは、レンズ１ｃが基準位置より固体光源ユニット６側に１．０ｍｍだけ移動した状態における励起光の強度分布を示す。
　図５Ａ～図５Ｃに、拡散板１ｆを取り除いた状態で蛍光体ホイール１ｉ上に結像される光源像を模式的に示す。図５Ａは、レンズ１ｃが図１に示した位置Ｐに配置された状態における光源像を示す。図５Ｂは、レンズ１ｃが位置Ｐより固体光源ユニット６側に０．５ｍｍだけ移動した状態における光源像を示す。図５Ｃは、レンズ１ｃが位置Ｐより固体光源ユニット６側に１．０ｍｍだけ移動した状態における光源像を示す。
　図４Ａ及び図５Ａから分かるように、レンズ１ｃが位置Ｐに配置された状態において、固体光源ユニット６からの励起光は、青色ＬＤの配列形状（矩形）の状態を維持したまま縮小されて蛍光体ホイール１ｉに照射される。図４Ｂ及び図５Ｂから分かるように、レンズ１ｃが位置Ｐより固体光源ユニット６側に０．５ｍｍだけ移動した状態においても、固体光源ユニット６からの励起光は、青色ＬＤの光源配列（矩形）の状態を維持したまま縮小されて蛍光体ホイール１ｉに照射される。同様に、図４Ｃ及び図５Ｃから分かるように、レンズ１ｃが位置Ｐより固体光源ユニット６側に１．０ｍｍだけ移動した状態においても、固体光源ユニット６からの励起光は、青色ＬＤの光源配列（矩形）の状態を維持したまま縮小されて蛍光体ホイール１ｉに照射される。
　また、図４Ａ～図４Ｃから分かるように、レンズ１ｃが位置Ｐに配置された状態の励起光の照射サイズが最も大きく、レンズ１ｃが固体光源ユニット６側へ移動すると、励起光の照射サイズは徐々に小さくなる。このように、レンズ１ｃを縮小光学系７の光軸に沿って移動させることで、レンズ１ｃとレンズ１ｄの合焦点距離が変化し、その結果、励起光の照射サイズが変化する。
　ただし、励起光の照射サイズが変化しても、励起光のスポット形状は、青色ＬＤの光源配列の形状（矩形）を維持する。固体光源ユニット６の青色ＬＤの配置間隔や拡散板１ｆの拡散角は、拡散板１ｆを通過した励起光の強度分布が「トップハット」と呼ばれる均一な強度分布となるように設計されており、励起光のスポット形状を維持することで、均一な強度分布を維持することが可能となる。
　以上説明した本実施形態の光源装置によれば、レンズ等の光学部品の個体差によるばらつきや組み付け位置のばらつきにより、励起光の照射サイズが適切なサイズから外れた場合に、レンズ１ｃを移動することで照射サイズを適切なサイズに調整することができる。これにより、光学部品のばらつき等による光源装置の光出力レベルの低下を抑制することができ、安定した高い光出力レベルを有する。
　加えて、蛍光の発光サイズは励起光の照射サイズに依存することから、励起光の照射サイズの調整により、蛍光の発光サイズも適切なサイズとすることができる。よって、本実施形態の光源装置をプロジェクタに適用した場合に、光源装置より出力した蛍光を照明光学系や投射光学系に確実に取り込むことができる。
　また、光源に近い側のレンズで大きく光束を曲げると収差（主に歪曲収差や球面収差）が発生し、その収差を後段の光学系で補正することが困難になる場合がある。この場合、収差（主に歪曲収差や球面収差）の発生により、励起光の強度分布が不均一になる。例えば、図５Ａに示した６×４の行列状に配置された固体光源１ａの光源像において、歪曲収差により光源像が歪曲し、また、球面収差により部分的に光源像がボケて、隣接する光源像が重なることで、励起光の強度分布が不均一になる。励起光の強度分布が不均一になると、光強度が高い部分で、蛍光体の飽和現象等により波長変換効率が低下する場合がある。したがって、励起光の強度分布を均一にする上で、前段での収差発生を抑えることが効果的である。本実施形態の光源装置では、固体光源ユニット６に近い側のレンズ１ｃの正のパワーを他のレンズよりも小さくし、かつ、レンズ１ｃの屈折率も他のレンズよりも小さくすることで、収差（主に歪曲収差や球面収差）の発生を抑制する。これにより、励起光の強度分布を均一にしている。
　さらに、励起光の強度分布がガウス分布である場合、励起光のスポットの中心部分では、光強度が高くなって、蛍光体の飽和現象等により波長変換効率が低下する場合がある。本実施形態の光源装置によれば、固体光源１ａをアレイ状に配列し、拡散板１ｆで励起光を拡散させることで、励起光の強度分布はより均一なものになっている。
　さらに、蛍光体ホイール１ｉを回転させることで、単位時間当たりの蛍光体に供給される光エネルギー量を低減でき、励起光による蛍光体の温度上昇を抑制することができる。これにより、蛍光体の発光強度飽和や温度上昇による波長変換効率の低下を抑制することができる。
　（プロジェクタ）
　図６は、本発明の光源装置を備えたプロジェクタの一例を示す模式図である。
　図６を参照すると、プロジェクタは、光源装置、リレー光学系、色合成系、照明光学系、投射光学系及び表示素子１１を有する。
　光源装置は、図１に示した固体光源ユニット６、縮小光学系７、集光光学系８、拡散板１ｆ及び蛍光体ユニット９を有する。リレー光学系は、蛍光体ユニット９の蛍光体ホイール１ｉを透過した青色光を色合成系に導くものであって、レンズ２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈ、ミラー２ｃ、２ｅ、２ｇを含む。色合成系は、蛍光体ホイール１ｉからの黄色蛍光、赤色蛍光及び緑色蛍光と、リレー光学系からの青色光とを合成するものであって、ダイクロイックミラー３ａ、レンズ３ｂ及びライトトンネル３ｃを含む。ダイクロイックミラー３ａは、光源装置の拡散板１ｆとレンズ１ｇの間の光路上に配置されている。レンズ２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈ、３ｂはいずれも集光レンズである。
　光源装置において、蛍光体ホイール１ｉを回転させて、励起光（青色光）を黄色蛍光体領域１０Ｙ、赤色蛍光体領域１０Ｒ、緑色蛍光体領域１０Ｇ及び切り欠き１０ａの透過領域に順次照射する。黄色蛍光体領域１０Ｙからの黄色蛍光、赤色蛍光体領域１０Ｒからの赤色蛍光及び緑色蛍光体領域１０Ｇからの緑色蛍光は、レンズ１ｈ及びレンズ１ｇを順次通過して、色合成系のダイクロイックミラー３ａの一方の面に入射する。切り欠き１０ａの透過領域を透過した励起光（青色光）は、リレー光学系に入射する。
　リレー光学系において、蛍光体ホイール１ｉからの青色光は、レンズ２ａ、２ｂを通過後、ミラー２ｃにて略９０°の角度で反射される。ミラー２ｃからの青色反射光は、レンズ２ｄを通過後、ミラー２ｅにて略９０°の角度で反射される。ミラー２ｅからの青色反射光は、レンズ２ｆを通過後、ミラー２ｇにて略９０°の角度で反射される。ミラー２ｇからの青色反射光は、レンズ２ｈを通過後、色合成系のダイクロイックミラー３ａの他方の面に入射する。
　図７に、ダイクロイックミラー３ａの分光透過特性を示す。ダイクロイックミラー３ａは、可視光のうち、青色の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光を反射する特性を有する。このような特性を有するダイクロイックミラー３ａは、誘電体多層膜より実現できる。
　色合成系において、ダイクロイックミラー３ａは、固体光源ユニット６からの励起光（青色光）を透過させる。また、ダイクロイックミラー３ａは、蛍光体ホイール１ｉからの黄色蛍光、緑色蛍光及び赤色蛍光を反射し、リレー光学系からの青色光を透過させる。
　ダイクロイックミラー３ａを透過した青色光及びダイクロイックミラー３ａで反射された黄色蛍光、緑色蛍光及び赤色蛍光は、同一光路でレンズ３ｂに入射する。レンズ３ｂは、ダイクロイックミラー３ａからの青色光、黄色蛍光、緑色蛍光及び赤色蛍光をライトトンネル３ｃの一方の開口端上に集光する。すなわち、ライトトンネル３ｃには、黄色蛍光、赤色蛍光、緑色蛍光、青色光が順次入射する。
　レンズ１ｇ、１ｈは、励起光を蛍光体ホイール１ｉ上に集光する役割を持つだけでなく、蛍光体ホイール１ｉからの黄色蛍光、緑色蛍光及び赤色蛍光をそれぞれ平行光束化する役割を持つ。縮小光学系７からの励起光の光束径とレンズ１ｇ、１ｈによって平行光束化された蛍光の光束径はほぼ一致する。また、リレー光学系を通ってダイクロイックミラー３ｃに入射する青色光の光束径も、これら励起光及び蛍光の光束径とほぼ一致する。これにより、ライトトンネル３ｃ以降の照明光学系での、蛍光と青色光の取り込み角度を一致させることができ、均一な照明光を得ることができる。また、縮小光学系７により光束径を縮小した励起光をダイクロイックミラー３ａに供給するように構成したことで、集光光学系８、拡散板１ｆ、リレー光学系及び色合成系の小型化が可能となっている。
　ライトトンネル３ｃは、直方体形状の中空構造のものであって、一方の開口端より入射した光が内部を伝搬して他方の開口端より出射される。ライトトンネル３ｃの一方の開口端面（入射面）は、レンズ３ｂの焦点位置に配置されている。蛍光体ホイール１ｉの照射面とライトトンネル３の入射面とは結像関係にある。ライトトンネル３ｃの他方の開口端より出射した光は、矩形の均一な強度分布を持つ光となって、照明光学系に供給される。
　照明光学系は、レンズ４ａ、４ｂ、４ｄ及びミラー４ｃを含む。レンズ４ａ、４ｂ、４ｄは集光レンズである。ライトトンネル３の他方の開口端より出射した光は、レンズ４ａ、４ｂを順次通過した後、ミラー４ｃにて反射される。ミラー４ｃからの反射光は、レンズ４ｄを介して表示素子１１に照射される。この照明光学系では、ライトトンネル３ｃの出射端の矩形の均一な強度分布を維持したまま照明光が表示素子１１に拡大照明される。
　表示素子１１は、映像信号に応じて照明光学系からの光束を空間的に変調して画像を形成する。表示素子１１は、例えば、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤは、複数の微小ミラーを有し、各微小ミラーは、駆動電圧に応じて角度が変化するように構成されており、オン状態を示す駆動電圧が供給された場合とオフ状態を示す駆動電圧が供給された場合とで反射角度が異なる。映像信号に応じて各微小ミラーをオンオフ制御することで、入射光束を空間的に変調して画像を形成する。なお、表示素子１１として、ＤＭＤの他、液晶パネルなどを用いることもできる。
　表示素子１１に形成された画像は、投射光学系の投射レンズ５ａによって投射面上に拡大投射される。投射面は、スクリーンや壁など、画像を投射できるものであればよい。
　本プロジェクタによれば、蛍光の発光サイズを調整することで、光源装置の発光効率と後段の光学系での取り込み効率のバランスをとることができ、プロジェクタ全体としての総合的な光学系の光利用効率を高めることができる。
　以上説明した光源装置及びプロジェクタは、本発明の一例であり、その構成は適宜に変更することができる。
　また、本発明は、以下の付記１～５のような形態をとり得るが、これら形態に限定されない。
［付記１］
　蛍光体を備えた蛍光体部と、
　前記蛍光体を励起する励起光を出力する励起光源と、
　前記励起光源より出力された前記励起光の光束径を縮小する縮小光学系と、
　前記縮小光学系によって光束径が縮小された励起光を前記蛍光体部上に集光する集光光学系と、を有し、
　前記縮小光学系は、
　正のパワーを持つ２枚以上のレンズを含む複数のレンズと、
　前記複数のレンズを保持する保持部と、を有し、
　前記２枚以上のレンズのうちの正のパワーが最も小さなレンズが前記励起光源側に配置され、
　前記保持部は、前記正のパワーが最も小さなレンズを前記縮小光学系の光軸方向に往復移動するレンズ移動部を有し、
　前記正のパワーが最も小さなレンズの屈折率は、前記縮小光学系の他のレンズの屈折率以下である、光源装置。
［付記２］
　前記励起光源は、
　アレイ状に配置された複数の固体光源と、
　前記複数の固体光源それぞれの出力光を平行光束化する複数のコリメータレンズと、を有し、
　前記縮小光学系及び集光光学系は、前記複数の固体光源の光源像を前記蛍光体部上に結像する、付記１に記載の光源装置。
［付記３］
　前記縮小光学系と前記集光光学系の間の光路上に設けられ、入射光を拡散する拡散板を、さらに有する、付記１又は２に記載の光源装置。
［付記４］
　付記１から３のいずれか１つに記載の光源装置と、
　前記光源装置から出力された光を空間的に変調して画像を形成する表示素子と、
　前記表示素子により形成された画像を拡大投射する投射光学系と、を有するプロジェクタ。
［付記５］
　前記光源装置の出力光が一方の開口端から入射し、入射した光が内部を伝搬して他方の開口端より出射されるライトトンネルを備え、該ライトトンネルの他方の開口端より出射された光を前記表示素子に照射する照明光学系を、さらに有する、付記４に記載のプロジェクタ。
　上記付記１～３の光源装置において、励起光源、縮小光学系、集光光学系及び蛍光体部はそれぞれ、図１に示した固体光源ユニット６、縮小光学系７、集光光学系８および蛍光体ユニット９に対応する。拡散板は、図１に示した拡散板１ｆに対応する。
　上記付記４～５のプロジェクタにおいて、表示素子及び投射光学系はそれぞれ図６に示した表示素子１１及び投射レンズ５ａに対応する。また、ライトトンネルは、図６に示したライトトンネル３ｃに対応する。
　１ａ　固体光源
　１ｂ　コリメータレンズ
　１ｃ～１ｅ、１ｇ、１ｈ　レンズ
　１ｆ　拡散板
　１ｉ　蛍光体ホイール
　６　固体光源ユニット
　７　縮小光学系
　７ａ　レンズ移動部
　８　集光光学系
　９　蛍光体ユニット
　９ａ　駆動部

Claims (5)

  1. 　蛍光体を備えた蛍光体部と、
    　前記蛍光体を励起する励起光を出力する励起光源と、
    　前記励起光源より出力された前記励起光の光束径を縮小する縮小光学系と、
    　前記縮小光学系によって光束径が縮小された励起光を前記蛍光体部上に集光する集光光学系と、を有し、
    　前記縮小光学系は、
    　正のパワーを持つ２枚以上のレンズを含む複数のレンズと、
    　前記複数のレンズを保持する保持部と、を有し、
    　前記２枚以上のレンズのうちの正のパワーが最も小さなレンズが前記励起光源側に配置され、
    　前記保持部は、前記正のパワーが最も小さなレンズを前記縮小光学系の光軸方向に往復移動するレンズ移動部を有し、
    　前記正のパワーが最も小さなレンズの屈折率は、前記縮小光学系の他のレンズの屈折率以下である、光源装置。
  2. 　前記励起光源は、
    　アレイ状に配置された複数の固体光源と、
    　前記複数の固体光源それぞれの出力光を平行光束化する複数のコリメータレンズと、を有し、
    　前記縮小光学系及び集光光学系は、前記複数の固体光源の光源像を前記蛍光体部上に結像する、請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記縮小光学系と前記集光光学系の間の光路上に設けられ、入射光を拡散する拡散板を、さらに有する、請求項１又は２に記載の光源装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置と、
    　前記光源装置から出力された光を空間的に変調して画像を形成する表示素子と、
    　前記表示素子により形成された画像を拡大投射する投射光学系と、を有するプロジェクタ。
  5. 　前記光源装置の出力光が一方の開口端から入射し、入射した光が内部を伝搬して他方の開口端より出射されるライトトンネルを備え、該ライトトンネルの他方の開口端より出射された光を前記表示素子に照射する照明光学系を、さらに有する、請求項４に記載のプロジェクタ。
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