WO2016143274A1 - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

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WO2016143274A1
WO2016143274A1 PCT/JP2016/000881 JP2016000881W WO2016143274A1 WO 2016143274 A1 WO2016143274 A1 WO 2016143274A1 JP 2016000881 W JP2016000881 W JP 2016000881W WO 2016143274 A1 WO2016143274 A1 WO 2016143274A1
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optical system
light
lens
light source
condensing optical
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PCT/JP2016/000881
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秋山　光一
章宏 柏木
千種 ▲高▼木
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セイコーエプソン株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/14—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters for producing polarised light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/74—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates to a light source device and a projector using the light source device.
  • Patent Document 1 As a light source device for a projector, one using a solid light source has been proposed (for example, Patent Document 1).
  • the P-polarized component of the blue light emitted from the solid light source passes through the dichroic mirror.
  • the blue light transmitted through the dichroic mirror is condensed on the phosphor by the condenser lens. Part of the blue light is converted to fluorescence by the phosphor, and the blue light that has not been converted to fluorescence is reflected toward the dichroic mirror. Since a phase difference plate is provided between the dichroic mirror and the phosphor, the blue light incident again on the dichroic mirror is S-polarized light. S-polarized blue light is reflected by the dichroic mirror toward the object to be illuminated along with the fluorescence.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a light source device with high light use efficiency and a projector incorporating the same.
  • a light source device includes a light emitting element, a condensing optical system in which a first component of light emitted from the light emitting element is incident, and a first light transmitted through the condensing optical system.
  • a light source device including an optical element on which the first component is incident and a pickup optical system on which the first component is incident via the optical element, wherein at least one of the condensing optical system and the pickup optical system is quartz
  • the 1st lens formed by is included.
  • the condensing optical system and the pickup optical system may be different from each other or the same.
  • the first component is referred to as a first light beam.
  • the optical element includes a diffuse reflection element, a transmissive diffusion element, and the like.
  • the first lens is made of quartz having a small internal absorption and thermal expansion coefficient, the first lens is unlikely to self-heat due to light absorption. Even if the temperature of the first lens rises due to light absorption, the birefringence caused by the thermal distortion of the first lens does not become very large. Therefore, the polarization state of the light transmitted through the condensing optical system hardly changes, and loss due to the polarization separation element or the like can be reduced. Therefore, high light utilization efficiency can be obtained.
  • the optical element includes a reflection surface that reflects the first component, and the first component reflected by the reflection surface enters the pickup optical system.
  • the optical element is a reflective element, high light utilization efficiency can be obtained.
  • a polarization separation element provided in the optical path between the light emitting element and the condensing optical system, and a light separation path provided in the optical path between the polarization separation element and the condensing optical system, And a phase difference element on which the first component incident via the polarization separation element is incident.
  • the condensing optical system also serves as the pickup optical system, and the first component reflected by the reflecting surface is the pickup optical system. The light passes through the system and the phase difference element and enters the polarization separation element. As described above, even when the polarization separation element is used, high light use efficiency can be obtained.
  • At least one of the plurality of lens surfaces of the condensing optical system and the pickup optical system is an aspherical surface having a negative conic constant. Since the power of an aspherical lens with a negative conic constant decreases toward the periphery of the lens surface, it is relatively easy to correct spherical aberration even when the condensing optical system is composed of a relatively thick lens. It is. Therefore, the first component can be extracted to the illuminated object side with little disturbance.
  • the first lens is disposed closest to the phase difference element in the condensing optical system, and the first lens has an aspheric surface having a negative conic constant on the phase difference element side. And it has a curved surface or plane with a radius of curvature of 1000 mm or more on the opposite side to the phase difference element.
  • the curvature of the convex surface is small, so the distance between the element on the reflecting element side (for example, the lens or the reflecting element) and the first lens Can be reduced. Therefore, it can be avoided that the diameter of the light beam incident on the first lens from the reflecting element side becomes large and the first lens becomes large.
  • the condensing optical system further includes a second lens disposed closest to the optical element in the condensing optical system, and the second lens is formed of quartz,
  • the lens surface on the optical element side of the second lens is a curved surface or a flat surface having a radius of curvature of 1000 mm or more.
  • the radius of curvature of the convex surface is small, so that the distance between the second lens and the reflecting element in the periphery of the second lens can be reduced. . Therefore, it can be avoided that the diameter of the light beam incident on the second lens is increased and the first lens is increased.
  • the first lens is disposed closest to the reflecting element in the condensing optical system.
  • the condensing optical system further includes a third lens arranged closest to the phase difference element in the condensing optical system, and the photoelastic constant of the third lens is the first lens It is smaller than the photoelastic constant of the lens.
  • the third lens is formed of a glass material other than quartz.
  • the photoelastic constant of the third lens is smaller than the photoelastic constant of the first lens, even if the third lens is thermally expanded, the birefringence does not become so large. Accordingly, the light use efficiency can be increased.
  • the third lens has an aspheric surface having a negative conic constant on the phase difference element side. According to this configuration, the aberration can be corrected by the second lens, and the first component can be extracted to the illuminated object side with little disturbance.
  • the condensing optical system further includes a fourth lens adjacent to the first lens, and the fourth lens is made of quartz.
  • a wavelength conversion element that emits colored light having a wavelength different from that of the first component is further included. According to this configuration, it is possible to irradiate the object to be illuminated with light including a plurality of color lights.
  • a projector includes the above-described light source device, a light modulation device that forms image light by modulating light emitted from the light source device according to image information, and image light.
  • a projection optical system for projecting includes the above-described light source device, a light modulation device that forms image light by modulating light emitted from the light source device according to image information, and image light.
  • the projector uses a light source device with high light utilization efficiency, so that a bright image can be projected with high efficiency.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the projector.
  • the projector 100 includes an illumination device 20, a color separation optical system 3, a light modulation device 4R, a light modulation device 4G, a light modulation device 4B, a combining optical system 5, and a projection optical system 6.
  • the color separation optical system 3 is for separating the illumination light WL emitted from the illumination device 20 into red light LR, green light LG, and blue light LB.
  • the color separation optical system 3 includes a first dichroic mirror 7a and a second dichroic mirror 7b, a first total reflection mirror 8a, a second total reflection mirror 8b, a third total reflection mirror 8c, and a first A relay lens 9a and a second relay lens 9b are provided.
  • the first dichroic mirror 7a separates the illumination light WL from the illumination device 20 into red light LR and light including green light LG and blue light LB.
  • the first dichroic mirror 7a transmits the red light LR and reflects the green light LG and the blue light LB.
  • the second dichroic mirror 7b reflects the green light LG and transmits the blue light LB.
  • the first total reflection mirror 8a is arranged in the optical path of the red light LR, and reflects the red light LR transmitted through the first dichroic mirror 7a toward the light modulation device 4R.
  • the second total reflection mirror 8b and the third total reflection mirror 8c are arranged in the optical path of the blue light LB, and guide the blue light LB transmitted through the second dichroic mirror 7b to the light modulation device 4B.
  • the green light LG is reflected from the second dichroic mirror 7b toward the light modulation device 4G.
  • the first relay lens 9a and the second relay lens 9b are arranged on the light incident side and the light emission side of the second total reflection mirror 8b in the optical path of the blue light LB.
  • the first relay lens 9a and the second relay lens 9b function to compensate for the optical loss of the blue light LB caused by the optical path length of the blue light LB being longer than the optical path lengths of the red light LR and the green light LG. have.
  • the light modulation device 4R modulates the red light LR according to the image information to form image light corresponding to the red light LR.
  • the light modulation device 4G modulates the green light LG according to the image information, and forms image light corresponding to the green light LG.
  • the light modulation device 4B modulates the blue light LB according to the image information, and forms image light corresponding to the blue light LB.
  • a transmissive liquid crystal panel is used for the light modulation device 4R, the light modulation device 4G, and the light modulation device 4B.
  • a polarizing plate (not shown) is disposed on each of the incident side and the emission side of the liquid crystal panel.
  • a field lens 10R, a field lens 10G, and a field lens 10B are disposed on the incident side of the light modulation device 4R, the light modulation device 4G, and the light modulation device 4B, respectively.
  • the field lens 10R, the field lens 10G, and the field lens 10B are parallel to each of the red light LR, the green light LG, and the blue light LB incident on the light modulation device 4R, the light modulation device 4G, and the light modulation device 4B. It is for making it.
  • Image light corresponding to each color from the light modulation device 4R, the light modulation device 4G, and the light modulation device 4B is incident on the combining optical system 5.
  • the combining optical system 5 combines the image light corresponding to the red light LR, the green light LG, and the blue light LB, and emits the combined image light toward the projection optical system 6.
  • a cross dichroic prism is used for the combining optical system 5.
  • the projection optical system 6 includes a projection lens group, and magnifies and projects the image light combined by the combining optical system 5 toward the screen SCR. As a result, an enlarged color image is displayed on the screen SCR.
  • the illumination device 20 includes the light source device 2, an integrator optical system 31, a polarization conversion element 32, and a superimposing optical system 33.
  • the light source device 2 includes an array light source 21, a collimator optical system 22, an afocal optical system 23, a first phase difference element 51, a homogenizer optical system 24, a polarization separation element 25, and a first light collecting element.
  • An optical system 26, a phosphor layer 27, a second retardation element 28, a second condensing optical system 29, and a diffuse reflection element 30 are provided.
  • the second retardation element 28 corresponds to the retardation element in the claims
  • the diffuse reflection element 30 corresponds to the optical element in the claims
  • the second condensing optical system 29 corresponds to the condensing optical system in the claims. To do.
  • the second condensing optical system 29 also serves as a pickup optical system.
  • the element 28, the second condensing optical system 29, and the diffuse reflection element 30 are sequentially arranged on the optical axis ax1.
  • the phosphor layer 27, the first condensing optical system 26, the polarization separation element 25, the integrator optical system 31, the polarization conversion element 32, and the superposition optical system 33 are sequentially arranged on the optical axis ax2.
  • the optical axis ax1 and the optical axis ax2 are in the same plane and are orthogonal to each other.
  • the array light source 21 includes a plurality of semiconductor lasers (light emitting elements) 21a.
  • the plurality of semiconductor lasers 21a are arranged in an array in a plane P1 orthogonal to the optical axis ax1.
  • Each semiconductor laser 21a emits blue light BL.
  • the semiconductor laser 21a emits laser light having a peak wavelength of 455 nm, for example, as the blue light BL.
  • the blue light BL emitted from the semiconductor laser 21a is S-polarized light with respect to the polarization separation element 25 described later. Part of the blue light BL is used as illumination blue light, and the other part is used as excitation light for exciting the phosphor layer 27 to generate yellow fluorescent light.
  • the semiconductor laser 21a is not limited to one emitting a single wavelength, and can be replaced with a plurality of semiconductor lasers emitting different wavelengths.
  • a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength of 460 nm may be used as the blue light for illumination, and a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength of 440 nm may be used as the blue light for excitation.
  • Blue light BL is emitted from the array light source 21 toward the polarization separation element 25 and first enters the collimator optical system 22.
  • the collimator optical system 22 converts each blue light BL emitted from the array light source 21 into parallel rays.
  • the collimator optical system 22 includes a plurality of collimator lenses 22a disposed along a plane orthogonal to the optical axis ax1.
  • the plurality of collimator lenses 22 a are arranged in an array, for example, corresponding to each semiconductor laser 21 a constituting the array light source 21.
  • the blue light BL converted into parallel rays by the collimator optical system 22 enters the afocal optical system 23.
  • the afocal optical system 23 adjusts the beam bundle diameter of the blue light BL.
  • the afocal optical system 23 includes, for example, a convex lens 23a and a concave lens 23b.
  • the blue light BL whose beam bundle diameter is adjusted by the afocal optical system 23 is transmitted through the first phase difference element 51 and further incident on the homogenizer optical system 24.
  • the first retardation element 51 is, for example, a half-wave plate, and the blue light BL that is S-polarized light includes the S-polarization component and the P-polarization component by appropriately rotating the first retardation element 51. Convert to blue light BL.
  • a quarter wavelength plate may be used as the first retardation element 51.
  • the homogenizer optical system 24 includes a first multi-lens array 24a and a second multi-lens array 24b.
  • the multi-lens array 24a includes a plurality of small lenses that divide the blue light BL into a plurality of light bundles.
  • the blue light BL transmitted through the homogenizer optical system 24 enters the polarization separation element 25.
  • the polarization separation element 25 is inclined so as to form an angle of 45 ° with respect to the optical axis ax1 and the optical axis ax2.
  • a polarization separation layer 25 a having wavelength selectivity is provided on one surface of the polarization separation element 25.
  • Polarization separating element 25 separates the blue light BL and the blue P polarized light BL P is a first light bundle, the blue S polarized light BL S is a second light bundle.
  • the polarization separation element 25 has a color separation function of transmitting the fluorescent light YL having a wavelength band different from that of the blue light BL regardless of the polarization state.
  • the first condensing optical system 26 condenses the blue S-polarized light BL S toward the phosphor layer 27.
  • First focusing optical system 26 cooperates with the homogenizer optical system 24, to equalize the distribution of the illuminance by the blue S polarized light BL S on the phosphor layer 27.
  • the first condensing optical system 26 includes, for example, a pickup lens 26a and a pickup lens 26b.
  • the blue S-polarized light BL S for excitation is condensed on the phosphor layer 27 that is a wavelength conversion element by the first condensing optical system 26.
  • the phosphor layer 27 is annularly provided on the plate material 36a.
  • the plate member 36a is supported by the rotation mechanism 36 and rotates around the rotation axis.
  • Phosphor layer 27, the blue S polarized light BL S of the wavelength 455nm is an excitation light, the fluorescence light emitted to the title compound (yellow light) YL having a peak wavelength in a wavelength range of, for example, 500 ⁇ 700 nm.
  • Fluorescent light YL is the third light bundle having a wavelength different from the blue S polarized light BL S.
  • a reflecting portion 37 is provided between the phosphor layer 27 and the plate material 36a.
  • the reflector 37 reflects the fluorescent light YL generated by the phosphor layer 27.
  • the fluorescent light YL generated in the phosphor layer 27 a part of the fluorescent light YL is reflected toward the first condensing optical system 26 by the reflecting portion 37. Further, among the fluorescent light YL generated by the phosphor layer 27, another part of the fluorescent light YL is emitted toward the first condensing optical system 26 without passing through the reflecting portion 37. In this way, the fluorescent light YL is emitted from the phosphor layer 27 toward the first condensing optical system 26 side.
  • Fluorescent light YL emitted from the phosphor layer 27 is non-polarized light.
  • the fluorescent light YL passes through the first condensing optical system 26 and then enters the polarization separation element 25 as a substantially parallel light beam.
  • the fluorescent light YL is transmitted from the polarization separation element 25 toward the integrator optical system 31.
  • Blue P polarized light BL P emitted in a state close to parallel light beams from the polarization separating element 25 is incident on the second phase difference element 28.
  • the second phase difference element 28 is a quarter wavelength plate ( ⁇ / 4 plate) disposed in the optical path between the polarization separation element 25 and the diffuse reflection element 30.
  • the blue P polarized light BL P emitted from the polarization separation element 25, by entering the second phase difference element 28, after being converted into blue light BL C is circularly polarized light, a second light condensing The light enters the optical system 29.
  • the second condensing optical system 29 is composed of one or more lenses and includes a lens formed of fused silica.
  • a lens formed of fused silica is referred to as a quartz lens.
  • the second condensing optical system 29 includes a first pickup lens 29a having a positive power and a relatively large diameter, a second pickup lens 29b having a positive power, a positive power and a relatively small diameter. And a third pickup lens 29c.
  • the first pickup lens 29 a is disposed at a position farthest from the diffuse reflection element 30 (second side of the second phase difference element 28) in the second condensing optical system 29.
  • the third pickup lens 29c is disposed at a position (closest side) closest to the diffuse reflection element 30 in the second condensing optical system 29.
  • the number of lenses constituting the second condensing optical system 29 is not limited to three.
  • Second condensing optical system 29 condenses the blue light BL C on the diffusion reflection element 30.
  • the diffuse reflection element 30 preferably has a characteristic of reflecting linearly polarized light that is incident vertically as linearly polarized light.
  • Diffuse reflecting element 30 blue light BL C which is diffused and reflected by the is a substantially parallel light beam by reversing the second focusing optical system 29.
  • Blue light BL C with retrograde second condensing optical system 29 is converted into the blue S polarized light BL S2 is S-polarized light by the second phase difference element 28, it enters the polarization separation element 25.
  • the blue S-polarized light BL S2 is reflected from the polarization separation element 25 toward the integrator optical system 31 as blue S-polarized light BL S3 .
  • the blue S-polarized light BL S3 is used as the illumination light WL together with the fluorescent light YL transmitted through the polarization separation element 25. That is, the blue S-polarized light BL S3 and the fluorescent light YL are emitted from the polarization separation element 25 in the same direction. Thereby, white illumination light WL in which blue S-polarized light BL S3 and fluorescent light (yellow light) YL are mixed is obtained.
  • the illumination light WL emitted from the polarization separation element 25 enters the integrator optical system 31.
  • the integrator optical system 31 includes, for example, a lens array 31a and a lens array 31b.
  • Each of the lens arrays 31a and 31b includes a plurality of lenses arranged in an array.
  • the illumination light WL transmitted through the integrator optical system 31 enters the polarization conversion element 32.
  • the polarization conversion element 32 includes a polarization separation film and a retardation plate. The polarization conversion element 32 converts the illumination light WL into linearly polarized light.
  • the illumination light WL emitted from the polarization conversion element 32 enters the superimposing optical system 33.
  • the superimposing optical system 33 cooperates with the integrator optical system 31 to uniformize the illuminance distribution by the illumination light WL in the illuminated area. In this way, the lighting device 20 generates the illumination light WL.
  • the light quantity of the blue S-polarized light BL S3 is expected to be approximately the same as the amount of the blue S-polarized light BL S2.
  • the amount of light of the blue S-polarized light BL S3 is smaller than the amount of light of the blue S-polarized light BL S2 . This tendency is remarkable when the power of the semiconductor laser 21a is large.
  • the glass material of the lens has a non-zero internal absorption rate. Therefore, it is conceivable that the lens constituting the second condensing optical system 29 absorbs part of the laser light emitted from the array light source 21 and locally generates heat. Therefore, the inventors of the present invention, as a cause of a decrease in the amount of blue S-polarized light BL S3 , the local concentration of the second condensing optical system 29 caused by high intensity light entering the second condensing optical system 29. A simulation was conducted focusing on heat generation.
  • FIG. 3 shows simulation results and experimental values representing the relationship between the glass material of each lens of the second condensing optical system 29 and the light utilization efficiency.
  • the light use efficiency is based on the light amount of the blue S-polarized light BL S3 when the second condensing optical system 29 has no birefringence.
  • the first pickup lens 29a, the second pickup lens 29b, and the third pickup lens 29c are referred to as a lens G1, a lens G2, and a lens G3, respectively.
  • Example 1 summarizes the glass materials used in the simulation.
  • the lenses G1, G2, and G3 constituting the second condensing optical system 29 are all quartz lenses.
  • the glass material of the lens G1 is S-BAL35, and the lenses G2 and G3 are quartz lenses.
  • the lenses G1 and G2 are quartz lenses, and the glass material of the lens G3 is S-LAH66.
  • Example 4 the glass material of the lens G1 is S-BAL35, the glass material of the lens G2 is S-LAL12, and the lens G3 is a quartz lens.
  • Example 5 the glass material of each lens is the same as in Example 2. The difference from the second embodiment is that the lens G3 is cooled.
  • the glass materials of the lenses G1, G2, and G3 are all S-FPM2.
  • the glass material of the lens G1 is S-BAL35
  • the glass material of the lens G2 is S-LAL12
  • the glass material of the lens G3 is S-LAH66.
  • Table 2 shows the optical characteristics of glass materials that can be used for each lens.
  • the unit of the photoelastic constant is nm / cm / 10 5 Pa.
  • Table 2 shows the internal transmittance instead of the internal absorption rate.
  • S-FPM2 used in Comparative Example 1 has a small photoelastic constant but a large internal absorptance and thermal expansion coefficient as compared with fused silica. Therefore, the lens formed of S-FPM2 should expand more than the quartz lens due to self-heating caused by light absorption. Stress is generated by the expansion, and as a result, birefringence occurs in the lens by the photoelastic effect.
  • the circularly polarized blue light BL C incident on the second condensing optical system 29 from the second phase difference element 28 is converted into elliptically polarized blue light BL C by the second condensing optical system 29.
  • the fused silica has a thermal expansion coefficient ⁇ of 10 ⁇ 10 ⁇ 7 (/ ° C.) or less, which is about 1/10 of the thermal expansion coefficient ⁇ of general optical glass. Therefore, even if the temperature rises, it is difficult to be distorted.
  • the fused silica has a photoelastic constant of 3.47.
  • the thermal strain does not easily increase even if the temperature rises. That is, since the birefringence does not easily increase, the polarization state of the light passing through the quartz lens hardly changes.
  • the lens G1 may not be a quartz lens. Low condensing degree of the blue light BL C entering the lens G1, due to the low light density of the light transmitted through the lens G1, because the calorific value of the lens G1 is small.
  • the photoelastic constant of the glass material of the lens G1 is preferably smaller than the photoelastic constant of fused silica.
  • the lens G2 and the lens G3 each light collecting the blue light BL C is disposed at a relatively high position may be configured with quartz lenses.
  • it may be the only lens G3 which are arranged at the highest position is the degree of convergence of the blue light BL C constituted by quartz lenses.
  • a glass material having a relatively small photoelastic constant and thermal expansion coefficient may be used as the glass material of the lens G3, instead of fused quartz.
  • the second focusing optical system in Example 6-9 corresponds to the second focusing optical system 29 shown in FIG.
  • the first pickup lens 29 a is disposed closest to the second phase difference element 28 in the second condensing optical system 29.
  • the third pickup lens 29 c is disposed closest to the diffuse reflection element 30 in the second condensing optical system 29.
  • the first pickup lens 29a, the second pickup lens 29b, and the third pickup lens 29c are each quartz lenses.
  • the glass material of the first pickup lens 29a is FCD515 made of HOYA that is not quartz, and the second pickup lens 29b and the third pickup lens 29c are quartz lenses.
  • the second condensing optical system in Example 10-12 includes a first pickup lens 29a having a positive power and a relatively large diameter, and a second pickup lens 29b having a positive power and a relatively small diameter. It is configured.
  • the first pickup lens 29a is disposed on the second phase difference element 28 side
  • the second pickup lens 29b is disposed on the diffuse reflection element 30 side.
  • Each of the first pickup lens 29a and the second pickup lens 29b is a quartz lens.
  • FIG. 4 shows a second condensing optical system according to the sixth embodiment.
  • the first pickup lens 29a has a first surface S1 that is an aspheric surface on the second phase difference element 28 side. Further, the first pickup lens 29a has a second curved surface S2 that is a convex curved surface (specifically, a spherical surface) or a flat surface having a radius of curvature of 1000 mm or more on the opposite side to the second retardation element 28.
  • the absolute value of the curvature of the first surface S1 is larger than the absolute value of the curvature of the second surface S2.
  • the conic constant of the first surface S1 is negative.
  • the first surface S1 be aspherical in order to correct aberrations.
  • the second pickup lens 29b has a third surface S3 that is a convex spherical surface on the second phase difference element 28 side, and a fourth surface S4 that is a convex spherical surface on the opposite side to the second phase difference element 28.
  • the third surface S3 may be an aspheric surface.
  • the third pickup lens 29c has a fifth surface S5 that is a spherical surface on the second phase difference element 28 side. Further, the third pickup lens 29c has a sixth surface S6 which is a convex curved surface (specifically, a spherical surface) or a plane having a radius of curvature of 1000 mm or more on the side opposite to the second retardation element 28.
  • the absolute value of the curvature of the fifth surface S5 is larger than the absolute value of the curvature of the sixth surface S6.
  • FIG. 5 shows a second condensing optical system according to the seventh embodiment.
  • the first pickup lens 29a is different from the sixth embodiment in that the first surface S1 is a spherical surface.
  • FIG. 6 shows a second condensing optical system according to the eighth embodiment.
  • the second surface S2 of the first pickup lens 29a is a shallow concave spherical surface, and the first surface S1 is different from the seventh embodiment in that the conical constant is a plus aspherical surface.
  • FIG. 7 shows a second condensing optical system according to the ninth embodiment.
  • the first pickup lens 29a has a first surface S1 that is an aspheric surface on the second phase difference element 28 side, and a second surface S2 that is a concave curved surface on the side opposite to the second phase difference element 28.
  • the first surface S1 is an aspheric surface having a negative conic constant.
  • the second pickup lens 29b has a third surface S3 that is a convex spherical surface on the second phase difference element 28 side, and a fourth surface S4 that is a convex spherical surface on the opposite side to the second phase difference element 28.
  • the third pickup lens 29c has a spherical fifth surface S5 on the second phase difference element 28 side, and a convex curved surface (specifically, a curvature radius of 1000 mm or more on the side opposite to the second phase difference element 28).
  • 6th surface S6 which is a spherical surface or a plane.
  • the absolute value of the curvature of the fifth surface S5 is larger than the absolute value of the curvature of the sixth surface S6. Since the first pickup lens 29a is a general optical glass, it can be pressed, and even a meniscus lens is relatively easy to process.
  • the glass material of the first pickup lens 29a is a material that easily generates heat because of its high internal absorption rate compared to fused silica.
  • the first pickup lens 29a since the light density of the light transmitted through the first pickup lens 29a is low, the first pickup lens 29a hardly generates heat.
  • the photoelastic constant of the first pickup lens 29a is considerably smaller than the photoelastic constant of the third pickup lens 29c.
  • FIG. 8 shows a second condensing optical system according to the tenth embodiment.
  • the first pickup lens 29a has a first surface S1 that is an aspheric surface on the second phase difference element 28 side, and a convex curved surface (with a radius of curvature of 1000 mm or more on the opposite side to the second phase difference element 28).
  • the second surface S2 is a spherical surface or a flat surface.
  • the absolute value of the curvature of the first surface S1 is larger than the absolute value of the curvature of the second surface S2.
  • the first surface S1 is an aspheric surface having a negative conic constant.
  • the second pickup lens 29b has a spherical third surface S3 on the second phase difference element 28 side, and a convex curved surface (specifically, a curvature radius of 1000 mm or more on the side opposite to the second phase difference element 28).
  • 4th surface S4 which is a spherical surface or a plane.
  • the absolute value of the curvature of the third surface S3 is larger than the absolute value of the curvature of the fourth surface S4.
  • the second condensing optical system can be constituted by two lenses.
  • FIG. 9 shows a second condensing optical system according to the eleventh embodiment.
  • the second pickup surface 29a is different from the tenth embodiment in that the second surface S2 of the first pickup lens 29a is a convex curved surface having a radius of curvature of less than 1000 mm and a relatively large protrusion amount. If the protrusion amount of the second surface S2 is too large, the distance between the first pickup lens 29a and the second pickup lens 29b is widened, and the diameter of the light beam incident on the first pickup lens 29a from the second pickup lens 29b is increased. . In order to capture the incident light bundle, it is necessary to enlarge the first pickup lens 29a. Therefore, as in Example 10, it is preferable that the curvature radius of the second surface S2 is large.
  • FIG. 10 shows a second condensing optical system according to the twelfth embodiment. This is different from Example 10 in that the second surface S2 of the first pickup lens 29a is a shallow concave spherical surface.
  • blue light BL C reciprocates second condensing optical system 29 is reflected by the diffuse reflecting element 30.
  • the second condensing optical system 29 includes a quartz lens, large birefringence hardly occurs even when strong laser light is transmitted through the second condensing optical system 29. Thereby, it is possible to suppress the reduction of the blue S-polarized light BLS3 and to increase the utilization efficiency of the blue light BL.
  • the blue light BLc is reflected by the diffuse reflection element 30 toward the polarization separation element 25 and synthesized with the fluorescent light YL, but the present invention is not limited to this.
  • laser light emitted from the semiconductor laser 21 a is incident obliquely on the diffuse reflection element 30, and the laser light diffusely reflected by the diffuse reflection element 30 is picked up optical system (collection light) different from the second light collection optical system 29.
  • the optical optical system may be used.
  • the reflection type diffuse reflection element is used as the optical element.
  • at least one of the condensing optical system that condenses the laser light on the diffusing element and the pickup optical system that takes in the diffusing light emitted from the diffusing element may include at least one quartz lens. . According to this, since the polarization disturbance due to the diffusing element can be reduced, the loss of diffused light in the subsequent stage can be reduced.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a projector 100m configured using a transmissive diffusion element or an optical element as a modification.
  • the projector 100m shown in FIG. 11 differs from the projector 100 shown in FIG. 1 in the structures of the illumination device 20m and the color separation optical system 3m.
  • Constituent elements and members common to the projector 100 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted or simplified.
  • the lighting device 20m includes a light emitting unit 20A and an illumination light forming unit 20B.
  • the lighting device 20m functions as a light source device.
  • the light emitting unit 20 ⁇ / b> A includes an array light source 21, a collimator optical system 22, an afocal optical system 23, and a homogenizer optical system 24.
  • the illumination light forming unit 20B includes a condensing optical system 229, a phosphor layer 27, and a pickup optical system 226.
  • the entire blue light BL emitted from the light emitting unit 20A enters the condensing optical system 229 as the first component described in the claims.
  • the condensing optical system 229 collects the blue light BL toward the phosphor layer 27.
  • the condensing optical system 229 cooperates with the homogenizer optical system 24 to uniformize the illuminance distribution by the blue light BL on the phosphor layer 27.
  • the condensing optical system 229 includes one or more lenses and includes a lens made of quartz.
  • synthetic quartz is used. Synthetic quartz has higher optical uniformity than fused quartz, and therefore has an internal absorption rate smaller than that of fused quartz. Therefore, synthetic quartz is preferred.
  • the condensing optical system 229 includes a first lens 29d having a positive power and a relatively large diameter, a second lens 29e having a positive power, and a relatively small diameter having a positive power.
  • the first lens 29 d is disposed at a position farthest from the phosphor layer 27 in the condensing optical system 229.
  • the third lens 29 f is disposed at a position closest to the phosphor layer 27 in the condensing optical system 229.
  • the excitation blue light BL incident on the condensing optical system 229 is condensed on the phosphor layer 27 which is a wavelength conversion element.
  • the number of lenses constituting the condensing optical system 229 is not limited to three as shown in the figure, and the condensing optical system 229 can also be composed of, for example, one lens.
  • the phosphor layer 27 functions as a transmissive diffusion element that diffuses the blue light BL.
  • the phosphor layer 27 is provided in an annular shape on a plate member 36 a that is rotated by a rotation mechanism 36.
  • the phosphor layer 27 converts the blue light BL having a wavelength of 455 nm, which is excitation light, into fluorescent light (yellow light) YL having a peak wavelength in a wavelength region of, for example, 500 to 700 nm and emits it.
  • the plate material 36a is light transmissive. Further, no reflecting portion is provided on the phosphor layer 27 on the side of the plate material 36a.
  • a dichroic film 47 that transmits blue light BL and reflects fluorescent light YL is provided on the opposite side of the phosphor layer 27 from the plate material 36a. Therefore, a component of the blue light BL that has not been converted into fluorescent light by the phosphor in the phosphor layer 27 passes through the phosphor layer 27 and is emitted as blue light LB to the pickup optical system 226 side. The fluorescent light YL is reflected by the dichroic film 47 and emitted to the pickup optical system 226 side. In this way, the illumination light composed of the blue light LB and the fluorescent light YL is emitted from the illumination device 20m.
  • the pickup optical system 226 is disposed on the opposite side of the phosphor layer 27 from the condensing optical system 229.
  • the pickup optical system 226 includes one or more lenses, and includes a lens formed of fused silica.
  • the pickup optical system 226 includes a first pickup lens 26a having a positive power and a relatively large diameter, a second pickup lens 26b having a positive power, and a relatively small diameter having a positive power.
  • the third pickup lens 26c The first pickup lens 26 a is disposed at a position farthest from the phosphor layer 27 in the pickup optical system 226.
  • the third pickup lens 26 c is disposed at a position closest to the phosphor layer 27 in the pickup optical system 226.
  • the blue light LB and the fluorescent light YL incident on the pickup optical system 226 are incident on the total reflection mirror 20d in a collimated state. Note that the number of lenses constituting the pickup optical system 226 is not limited to three.
  • the illumination light from the illumination device 20m is branched into blue light LB and fluorescent light YL by the first dichroic mirror 17a.
  • the fluorescent light YL reflected by the first dichroic mirror 17a is branched into red light LR and green light LG by the second dichroic mirror 17b.
  • the red light LR, the green light LG, and the blue light LB are guided by the total reflection mirrors 18b, 18c, 18e, and 18f, and illuminate the light modulation devices 4R, 4G, and 4B, respectively.
  • an integrator optical system 31Y and a superimposing optical system 33Y are arranged to make the fluorescent light YL uniform.
  • the integrator optical system 31Y includes, for example, a lens array 31Ya and a lens array 31Yb. Further, a polarization conversion element 32 for converting the fluorescent light YL into linearly polarized light is disposed. An integrator optical system 31B and a superimposing optical system 33B are arranged on the optical path of the blue light LB in order to make the blue light LB uniform.
  • the integrator optical system 31B includes, for example, a lens array 31Ba and a lens array 31Bb. Since the light emitting unit 20A includes the semiconductor laser 21a, the blue light BL is linearly polarized light.
  • each of the condensing optical system 229 and the pickup optical system 226 includes a quartz lens, large birefringence hardly occurs in the condensing optical system 229 or the pickup optical system 226 even if the blue light BL is a strong laser beam. Therefore, the polarization state of the blue light BL is almost maintained even when transmitted through the condensing optical system 229. Further, the polarization state of the blue light LB is almost maintained even when transmitted through the condensing optical system 226. Therefore, the blue light LB can be used with high efficiency without providing a polarization conversion element for the blue light LB.
  • the specifications of the integrator optical system 31Y and the superposition optical system 33Y are different from the specifications of the integrator optical system 31B and the superposition optical system 33B. This is because the divergence of the blue light LB is considerably smaller than that of the fluorescent light YL.
  • the condensing optical system 229 and the pickup optical system 226 can employ optical configurations as exemplified in the first to eleventh embodiments.
  • the light source device according to the present invention is mounted on a projector using a liquid crystal light valve is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the present invention is not limited to this.
  • the light source device according to the present invention can also be applied to lighting fixtures, automobile headlights, and the like.
  • the illumination light composed of the blue light LB can be obtained by replacing the phosphor layer 27 with a transmissive diffusing element that does not include the phosphor. Also in this case, it is not necessary to provide a polarization conversion element for the blue light LB. When color light of another color is necessary in addition to the blue light LB, another lighting device that emits red or green color light may be separately provided. In the above embodiment, blue light is emitted from the light emitting element and yellow fluorescent light YL is generated, but the color of each light is arbitrary.

Abstract

　光の利用効率が高い光源装置及びこれを組み込んだプロジェクターを提供することを目的とする。　光源装置２は、発光素子と、前記発光素子から射出された光のうち第１の成分が入射する集光光学系と、前記集光光学系を透過した前記第１の成分が入射する光学素子と、前記光学素子を経由した前記第１の成分が入射するピックアップ光学系と、を備える。集光光学系およびピックアップ光学系のうち少なくとも一方は、石英で形成された第１のレンズを含む。

Description

光源装置及びプロジェクター
　本発明は、光源装置及び当該光源装置を用いたプロジェクターに関する。
　プロジェクター用の光源装置として、固体光源を用いたものが提案されている（例えば特許文献１）。
　この特許文献１の光源装置において、固体光源から射出された青色光のうちＰ偏光成分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を透過した青色光は集光レンズによって蛍光体に集光される。青色光のうち一部は蛍光体で蛍光に変換され、蛍光に変換されなかった青色光はダイクロイックミラーに向かって反射される。ダイクロイックミラーと蛍光体との間には位相差板が設けられているため、ダイクロイックミラーに再び入射する青色光はＳ偏光となっている。Ｓ偏光の青色光は蛍光とともに、被照明物に向けてダイクロイックミラーで反射される。
　しかし、固体光源のパワーを大きくすると、被照明物に向けてダイクロイックミラーで反射される青色光の強度が低下し、青色光の利用効率が低下する、という問題があった。
特開２０１２－１０８４８６号公報
　本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、光の利用効率が高い光源装置及びこれを組み込んだプロジェクターを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、発光素子と、発光素子から射出された光のうち第１の成分が入射する集光光学系と、集光光学系を透過した第１の成分が入射する光学素子と、光学素子を経由した第１の成分が入射するピックアップ光学系と、を備えた光源装置であって、集光光学系およびピックアップ光学系のうち少なくとも一方は、石英で形成された第１のレンズを含む。ここで、集光光学系とピックアップ光学系とは、互いに異なる物でもよいし同じ物でもよい。
　なお、本明細書において、第１の成分のことを第１の光線束と称する。また、光学素子には、拡散反射素子、透過型拡散素子等が含まれる。
　上記光源装置では、第１のレンズが内部吸収および熱膨張係数が小さい石英で形成されているので、第１のレンズは光吸収による自己発熱をしにくい。たとえ光吸収によって第１のレンズの温度が上昇しても、第１のレンズの熱歪みによって生じる複屈折があまり大きくならない。そのため、集光光学系を透過する光の偏光状態が変化しにくく、偏光分離素子などによる損失を低減することができる。従って、高い光利用効率が得られる。
　本発明に係る光源装置の具体的な側面又は観点において、光学素子は第１の成分を反射させる反射面を備え、反射面で反射した第１の成分がピックアップ光学系に入射する。このように光学素子が反射素子であっても、高い光利用効率が得られる。
　本発明の別の側面において、発光素子と集光光学系との間の光路中に設けられた偏光分離素子と、偏光分離素子と集光光学系との間の光路中に設けられ、光のうち偏光分離素子を経由した第１の成分が入射する位相差素子と、をさらに備え、集光光学系はピックアップ光学系を兼ねており、反射面で反射された第１の成分は、ピックアップ光学系と位相差素子とを透過して偏光分離素子に入射する。このように偏光分離素子を用いる場合も、高い光利用効率が得られる。
　本発明に係る光源装置の別の側面において、集光光学系およびピックアップ光学系が有する複数のレンズ面のうち少なくとも一つのレンズ面は、円錐定数がマイナスの非球面である。円錐定数がマイナスの非球面レンズは、レンズ面の周辺に向けてパワーが弱まるので、集光光学系を比較的肉厚のレンズで構成した場合であっても、球面収差の補正が比較的容易である。したがって、乱れの少ない状態で第１の成分を被照明体側に取り出すことができる。
　本発明の別の側面において、第１のレンズは、集光光学系において最も位相差素子側に配置されており、第１のレンズは、位相差素子側に円錐定数がマイナスの非球面を有し、位相差素子とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の曲面又は平面を有する。この場合、第１のレンズにおいて、上記非球面の反対側の面が凸面の場合、当該凸面の曲率が小さいため、反射素子側の要素（例えばレンズまたは反射素子）と第１のレンズとの間隔を小さくすることができる。そのため、反射素子側から第１のレンズに入射する光線束の径が大きくなるために第１のレンズが大きくなる、ということを回避できる。
　本発明のさらに別の側面において、集光光学系は、集光光学系において最も光学素子側に配置された第２のレンズをさらに含み、第２のレンズは、石英で形成されており、第２のレンズの光学素子側のレンズ面は、曲率半径が１０００ｍｍ以上の曲面又は平面である。この場合、第２のレンズにおいて、上記レンズ面が凸面の場合、当該凸面の曲率半径が小さいため、第２のレンズの周辺部における第２のレンズと反射素子との間隔を小さくすることができる。そのため、第２のレンズに入射する光線束の径が大きくなるために第１のレンズが大きくなる、ということを回避できる。
　本発明のさらに別の側面において、第１のレンズは、集光光学系において最も反射素子側に配置されている。
　本発明のさらに別の側面において、集光光学系は、集光光学系において最も位相差素子側に配置された第３のレンズをさらに含み、第３のレンズの光弾性定数は、第１のレンズの光弾性定数よりも小さい。この場合、第３のレンズは、石英以外の硝材で形成されている。しかし、第３のレンズの光弾性定数が第１のレンズの光弾性定数よりも小さいため、第３のレンズが熱膨張しても複屈折があまり大きくならない。従って、光の利用効率を高めることができる。
　本発明のさらに別の側面において、第３のレンズは、位相差素子側に円錐定数がマイナスの非球面を有する。この構成によれば、第２のレンズによって収差を補正することができ、乱れの少ない状態で第１の成分を被照明物側に取り出すことができる。
　本発明のさらに別の側面において、集光光学系は、第１のレンズと隣り合う第４のレンズをさらに備え、第４のレンズは、石英で形成されている。
　本発明のさらに別の側面において、第１の成分とは波長が異なる色光を射出する波長変換素子をさらに含む。この構成によれば、複数の色光を含む光を被照明物側に照射することができる。
　上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、上記した光源装置と、光源装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、画像光を投射する投射光学系とを備える。
　上記プロジェクターでは、高い光利用効率の光源装置を用いるので、高効率で明るい画像を投射することができる。
実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す平面図である。 実施形態に係る光源装置を備える照明装置を説明する概略構成図である。 レンズの硝材と光利用効率との関係を表す図である。 集光光学系の一実施例を説明する断面図である。 集光光学系の別の実施例を説明する断面図である。 集光光学系のさらに別の実施例を説明する断面図である。 集光光学系のさらに別の実施例を説明する断面図である。 集光光学系のさらに別の実施例を説明する断面図である。 集光光学系のさらに別の実施例を説明する断面図である。 集光光学系のさらに別の実施例を説明する断面図である。 変形例のプロジェクターの構成を示す概念図である。
　以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
　図１は、プロジェクターの概略構成を示す平面図である。プロジェクター１００は、照明装置２０と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６とを備えている。
　色分離光学系３は、照明装置２０から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離するためのものである。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを備えている。
　第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２０からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを含む光と、に分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過すると共に、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に、青色光ＬＢを透過する。
　第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。
　第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー８ｂの光入射側及び光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。
　光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。
　光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側それぞれには、偏光板（図示せず。）が配置されている。
　また、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ、フィールドレンズ１０Ｇ、及びフィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ、フィールドレンズ１０Ｇ、及びフィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂのそれぞれに入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び青色光ＬＢのそれぞれを平行化するためのものである。
　合成光学系５には、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂからの各色に対応した画像光が入射する。合成光学系５は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。
　投射光学系６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。
　図２を参照して照明装置２０について説明する。照明装置２０は、光源装置２と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とを備えている。光源装置２は、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差素子５１と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子２５と、第１の集光光学系２６と、蛍光体層２７と、第２の位相差素子２８と、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とを備えている。第２の位相差素子２８は請求項における位相差素子に相当し、拡散反射素子３０は請求項における光学素子に相当し、第２の集光光学系２９は請求項における集光光学系に相当する。また、第２の集光光学系２９はピックアップ光学系を兼ねている。
　照明装置２０において、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差素子５１と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子２５と、第２の位相差素子２８と、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。蛍光体層２７と、第１の集光光学系２６と、偏光分離素子２５と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。
　アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー（発光素子）２１ａを備えている。複数の半導体レーザー２１ａは、光軸ａｘ１と直交する平面Ｐ１内において、アレイ状に並んで配置される。
　各半導体レーザー２１ａは、青色光ＢＬを射出する。半導体レーザー２１ａは、青色光ＢＬとして、例えばピーク波長が４５５ｎｍのレーザー光を射出する。半導体レーザー２１ａから射出された青色光ＢＬは、後述する偏光分離素子２５に対するＳ偏光となっている。青色光ＢＬの一部は、照明用の青色光として利用され、他の一部は蛍光体層２７を励起して黄色の蛍光光を発生させるための励起光として利用される。
　なお、半導体レーザー２１ａは、単一の波長を射出するものに限らず、互いに異なる波長を射出する複数の半導体レーザーに置き換えることができる。この場合、照明用の青色光として、例えば波長４６０ｎｍのレーザー光を射出する半導体レーザーを用い、励起用の青色光として、例えば波長４４０ｎｍのレーザー光を射出する半導体レーザーを用いればよい。
　青色光ＢＬは、アレイ光源２１から偏光分離素子２５に向けて射出され、まずコリメーター光学系２２に入射する。
　コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された各青色光ＢＬを平行光線に変換するものである。コリメーター光学系２２は、光軸ａｘ１と直交する平面に沿って配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、アレイ光源２１を構成する各半導体レーザー２１ａにそれぞれ対応して例えばアレイ状に配置されている。
　コリメーター光学系２２により平行光線に変換された青色光ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、青色光ＢＬの光線束径を調整するものである。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ及び凹レンズ２３ｂから構成されている。
　アフォーカル光学系２３により光線束径が調整された青色光ＢＬは、第１の位相差素子５１を透過し、さらにホモジナイザー光学系２４に入射する。第１の位相差素子５１は、例えば１／２波長板であり、第１の位相差素子５１を適宜回転させることで、Ｓ偏光である青色光ＢＬをＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む青色光ＢＬに変換する。１／４波長板を第１の位相差素子５１として用いてもよい。
　ホモジナイザー光学系２４は、第１のマルチレンズアレイ２４ａと、第２のマルチレンズアレイ２４ｂとから構成されている。マルチレンズアレイ２４ａは、青色光ＢＬを複数の光線束に分割する複数の小レンズを備えている。
　ホモジナイザー光学系２４を透過した青色光ＢＬは、偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１及び光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように傾斜している。
　偏光分離素子２５の片面には、波長選択性を有する偏光分離層２５ａが設けられている。偏光分離素子２５は、青色光ＢＬを第１の光線束である青色Ｐ偏光ＢＬＰと、第２の光線束である青色Ｓ偏光ＢＬＳとに分離する。偏光分離素子２５は、青色Ｓ偏光ＢＬＳを、励起光として蛍光体層２７に向けて反射し、青色Ｐ偏光ＢＬＰを拡散反射素子３０に向けて透過させる。
　また、偏光分離素子２５は、青色光ＢＬとは波長帯が異なる蛍光光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。
　偏光分離素子２５から平行光束に近い状態で射出された青色Ｓ偏光ＢＬＳは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、青色Ｓ偏光ＢＬＳを蛍光体層２７に向けて集光させる。第１の集光光学系２６はホモジナイザー光学系２４と協同して、蛍光体層２７上における青色Ｓ偏光ＢＬＳによる照度の分布を均一化する。
　第１の集光光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ及びピックアップレンズ２６ｂで構成されている。励起用の青色Ｓ偏光ＢＬＳは、第１の集光光学系２６によって、波長変換素子である蛍光体層２７上に集光される。
　蛍光体層２７は、板材３６ａの上に環状に設けられている。板材３６ａは回転機構３６に支持されて回転軸の周りに回転する。蛍光体層２７は、励起光である波長４５５ｎｍの青色Ｓ偏光ＢＬＳを、例えば５００～７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光光（黄色光）ＹＬに変換して射出する。蛍光光ＹＬは青色Ｓ偏光ＢＬＳとは波長が異なる第３の光線束である。
　蛍光体層２７と板材３６ａとの間には、反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層２７で生成された蛍光光ＹＬを反射する。
　蛍光体層２７で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７によって第１の集光光学系２６に向かって反射される。また、蛍光体層２７で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７を介さずに第１の集光光学系２６に向かって射出される。このようにして、蛍光光ＹＬが蛍光体層２７から第１の集光光学系２６側に向かって射出される。
　蛍光体層２７から射出された蛍光光ＹＬは非偏光光である。蛍光光ＹＬは、第１の集光光学系２６を通過した後、略平行光束として偏光分離素子２５に入射する。そして、この蛍光光ＹＬは、偏光分離素子２５からインテグレータ光学系３１に向けて透過する。
　偏光分離素子２５から平行光束に近い状態で射出された青色Ｐ偏光ＢＬＰは、第２の位相差素子２８に入射する。第２の位相差素子２８は、偏光分離素子２５と拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板（λ／４板）である。したがって、偏光分離素子２５から射出された青色Ｐ偏光ＢＬＰは、この第２の位相差素子２８に入射することによって、円偏光である青色光ＢＬＣに変換された後、第２の集光光学系２９に入射する。
　第２の集光光学系２９は一枚以上のレンズからなり、溶融石英で形成されたレンズを含んでいる。以下、溶融石英で形成されたレンズを、石英レンズと称する。第２の集光光学系２９は、正のパワーを有し比較的大径の第１ピックアップレンズ２９ａと、正のパワーを有する第２ピックアップレンズ２９ｂと、正のパワーを有し比較的小径の第３ピックアップレンズ２９ｃとを有する。第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の集光光学系２９内で拡散反射素子３０から最も遠い位置（最も第２の位相差素子２８側）に配置されている。第３ピックアップレンズ２９ｃは、第２の集光光学系２９内で拡散反射素子３０に最も近い位置（最も近い側）に配置されている。なお、第２の集光光学系２９を構成するレンズの枚数は３枚に限らない。
　第２の集光光学系２９は、青色光ＢＬＣを拡散反射素子３０上に集光させる。第２の集光光学系２９は、ホモジナイザー光学系２４と協同して、拡散反射素子３０上における青色光ＢＬＣによる照度の分布を均一化する。
　拡散反射素子３０は、第２の集光光学系２９から入射した青色光ＢＬＣを偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、垂直に入射した直線偏光を直線偏光として反射する特性を備えていることが好ましい。
　拡散反射素子３０で拡散反射された青色光ＢＬＣは、第２の集光光学系２９を逆行して略平行光束とされる。第２の集光光学系２９を逆行した青色光ＢＬＣは、第２の位相差素子２８によってＳ偏光である青色Ｓ偏光ＢＬＳ２に変換された後、偏光分離素子２５に入射する。そして、青色Ｓ偏光ＢＬＳ２は、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３として偏光分離素子２５からインテグレータ光学系３１に向けて反射される。
　これにより、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３は、偏光分離素子２５を透過した蛍光光ＹＬと共に、照明光ＷＬとして利用されることになる。すなわち、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３及び蛍光光ＹＬは、偏光分離素子２５から互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３と蛍光光（黄色光）ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが得られる。
　偏光分離素子２５から射出された照明光ＷＬは、インテグレータ光学系３１に入射する。インテグレータ光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ及びレンズアレイ３１ｂから構成されている。各レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。
　インテグレータ光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は照明光ＷＬを直線偏光に変換する。
　偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３はインテグレータ光学系３１と協同して、被照明領域における照明光ＷＬによる照度の分布を均一化する。このようにして、照明装置２０は照明光ＷＬを生成する。
　上記の説明では、理想的な場合について説明した。すなわち、拡散反射素子３０から戻ってきた青色光ＢＬＣが第２の位相差素子２８によってＳ偏光に変換される場合について説明した。この場合、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３の光量は青色Ｓ偏光ＢＬＳ２の光量とほぼ同じであると予想される。しかし実際には、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３の光量は青色Ｓ偏光ＢＬＳ２の光量よりも少ない。この傾向は半導体レーザー２１ａのパワーが大きいときに顕著である。
　レンズの硝材はゼロではない内部吸収率を持っている。そのため、第２の集光光学系２９を構成するレンズは、アレイ光源２１から射出されたレーザー光の一部を吸収して、局所的に発熱することが考えられる。そこで、発明者らは、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３の光量が低下する原因として、第２の集光光学系２９に高強度の光が入射することによる第２の集光光学系２９の局所的な発熱に着目して、シミュレーションを行なった。
　図３に、第２の集光光学系２９の各レンズの硝材と光利用効率との関係を表すシミュレーション結果と実験値とを示す。光利用効率は、第２の集光光学系２９が複屈折を持たない場合の青色Ｓ偏光ＢＬＳ３の光量を基準としている。以下、第１ピックアップレンズ２９ａ、第２ピックアップレンズ２９ｂ、および第３ピックアップレンズ２９ｃをそれぞれ、レンズＧ１、レンズＧ２、レンズＧ３と称する。シミュレーションでは、まず、円偏光の青色光ＢＬＣが第２の集光光学系２９に入射した時のレンズＧ１、レンズＧ２、レンズＧ３における発熱から歪みと応力を計算した。次に、応力分布を基にして光弾性効果による複屈折を計算した。そして、青色Ｓ偏光ＢＬＳ２の偏光状態を計算することによって、照明に利用される青色Ｓ偏光ＢＬＳ３の光量を求めた。
　表１は、シミュレーションにおいて用いた硝材をまとめたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　表１に示したように、
　実施例１において、第２の集光光学系２９を構成するレンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３はいずれも石英レンズである。
　実施例２において、レンズＧ１の硝材はＳ－ＢＡＬ３５であり、レンズＧ２，Ｇ３は石英レンズである。
　実施例３において、レンズＧ１，Ｇ２は石英レンズであり、レンズＧ３の硝材はＳ－ＬＡＨ６６である。
　実施例４において、レンズＧ１の硝材はＳ－ＢＡＬ３５，レンズＧ２の硝材はＳ－ＬＡＬ１２、レンズＧ３は石英レンズである。
　実施例５において、各レンズの硝材は実施例２と同様である。実施例２との違いは、レンズＧ３を冷却している点である。
　比較例１において、レンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３の硝材はいずれもＳ－ＦＰＭ２である。
　比較例２において、レンズＧ１の硝材はＳ－ＢＡＬ３５、レンズＧ２の硝材はＳ－ＬＡＬ１２、レンズＧ３の硝材はＳ－ＬＡＨ６６である。
　石英以外の上記の硝材はいずれも、株式会社オハラ製である。表２に各レンズに使用可能な硝材の光学特性を示す。なお、光弾性定数の単位はｎｍ／ｃｍ／１０５Ｐａである。また、表２には内部吸収率の代わりに内部透過率を示してある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　図３において、黒丸はシミュレーション結果であり、白丸は比較例２に対応する実測値である。シミュレーション結果は実験値とよく一致している。
　シミュレーションにより、実施例１乃至実施例５では８０％以上の光利用効率が得られるが、比較例１および比較例２では、５０％程度しか得られないことがわかった。
　例えば比較例１で用いているＳ－ＦＰＭ２は溶融石英と比べて、光弾性定数は小さいが内部吸収率と熱膨張係数が大きい。そのため、Ｓ－ＦＰＭ２で形成されたレンズは光吸収に起因する自己発熱によって石英レンズよりも大きく膨張するはずである。膨張によって応力が発生し、その結果、光弾性効果によってレンズに複屈折が生じる。この場合、第２の位相差素子２８から第２の集光光学系２９に入射した円偏光の青色光ＢＬＣは、第２の集光光学系２９によって楕円偏光の青色光ＢＬＣに変換される。拡散反射素子３０で反射された楕円偏光の青色光ＢＬＣは、第２の集光光学系２９によってその偏光状態がさらに乱される。楕円偏光の青色光ＢＬＣは拡散反射素子３０から逆行して第２の位相差素子２８を透過した後も楕円偏光であるため、偏光分離素子２５を反射できないＰ偏光成分を含んでいる。偏光分離素子２５を反射できるＳ偏光成分のみが青色Ｓ偏光ＢＬＳ３として利用される。このように、第２の集光光学系２９による光吸収が光利用効率を低下させる、と考えられる。
　一方、溶融石英は、青色光ＢＬＣの波長において内部吸収率が０．１％（厚みτ＝１０ｍｍ）以下であり、一般の光学ガラスの内部吸収率の１／５０程度である。そのため、強い光が入射しても発熱しにくい。また、溶融石英は、熱膨張係数αが１０×１０－７（／℃）以下であり、一般の光学ガラスの熱膨張係数αの１／１０程度である。そのため、温度が上昇しても歪みにくい。溶融石英の光弾性定数は、３．４７であるが、内部吸収率と熱膨張係数αとが一般の硝材よりも小さいため、温度が上昇しても熱歪みが大きくなりにくい。つまり、複屈折が大きくなりにくいため、石英レンズを通過する光の偏光状態は変化しにくい。
　実際、石英レンズが用いられていない比較例１、２では、高い光利用効率が得られない。しかし、第２の集光光学系２９が石英レンズを含んでいる実施例１乃至５では８０％以上の光利用効率が得られ、レンズＧ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれが石英レンズである実施例１では、ほぼ１００％の光利用効率が得られている。実施例２と実施例５を比較すると、レンズＧ３を冷却した方が光利用効率が高いことがわかる。これは、冷却することによって、複屈折が小さくなるためである。
　このように、少なくとも一枚の内部吸収率が小さい石英レンズを用いて第２の集光光学系２９を構成することによって、複屈折の原因の一つである光吸収を低減することが、光利用効率を高めるためには有効であることがわかった。
　なお、実施例２および実施例４からわかるように、レンズＧ１は石英レンズでなくてもよい。レンズＧ１に入射する青色光ＢＬＣの集光度が低く、レンズＧ１を透過する光の光密度が低いため、レンズＧ１の発熱量が小さいからである。レンズＧ１の硝材の光弾性定数は、溶融石英の光弾性定数よりも小さい方が好ましい。
　高い光利用効率を得るためには、第２の集光光学系を構成する複数のレンズの全てを石英レンズで構成することが最も好ましい。しかし、コストの面からは、青色光ＢＬＣの集光度が比較的高い位置に配置されているレンズＧ２およびレンズＧ３各々を石英レンズで構成するとよい。あるいは、青色光ＢＬＣの集光度が最も高い位置に配置されているレンズＧ３のみを石英レンズで構成してもよい。
　また、実施例３からわかるように、レンズＧ３の硝材として、溶融石英の代わりに、光弾性定数と熱膨張係数が比較的小さい硝材を用いてもよい。
　次に、図４乃至図１０を参照して、実施例６－１２による第２の集光光学系を構成するレンズ面について説明する。
　実施例６－９における第２の集光光学系は、図２に示した第２の集光光学系２９に相当する。いずれの実施例においても、第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の集光光学系２９内で最も第２の位相差素子２８側に配置されている。第３ピックアップレンズ２９ｃは、第２の集光光学系２９内で最も拡散反射素子３０側に配置されている。実施例６－８においては、第１ピックアップレンズ２９ａ、第２ピックアップレンズ２９ｂおよび第３ピックアップレンズ２９ｃはそれぞれ、石英レンズである。実施例９においては、第１ピックアップレンズ２９ａの硝材は石英ではないＨＯＹＡ製のＦＣＤ５１５であり、第２ピックアップレンズ２９ｂおよび第３ピックアップレンズ２９ｃはそれぞれ石英レンズである。
　実施例１０－１２における第２の集光光学系は、正のパワーを有し比較的大径の第１ピックアップレンズ２９ａと、正のパワーを有し比較的小径の第２ピックアップレンズ２９ｂとから構成されている。いずれの実施例においても、第１ピックアップレンズ２９ａは第２の位相差素子２８側に配置されており、第２ピックアップレンズ２９ｂは拡散反射素子３０側に配置されている。また、第１ピックアップレンズ２９ａおよび第２ピックアップレンズ２９ｂはそれぞれ、石英レンズである。
　（実施例６）
　図４に実施例６による第２の集光光学系を示す。
　第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の位相差素子２８側に非球面である第１面Ｓ１を有する。また、第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の位相差素子２８とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の凸の曲面（具体的には球面）又は平面である第２面Ｓ２を有する。第１面Ｓ１の曲率の絶対値は、第２面Ｓ２の曲率の絶対値よりも大きくなっている。第１面Ｓ１の円錐定数はマイナスである。
　第１ピックアップレンズ２９ａはその有効径が大きいため、収差を補正するためには第１面Ｓ１を非球面とすることが望ましい。
　第２ピックアップレンズ２９ｂは、第２の位相差素子２８側に凸の球面である第３面Ｓ３を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に凸の球面である第４面Ｓ４を有する。なお、第３面Ｓ３は非球面でもよい。
　第３ピックアップレンズ２９ｃは、第２の位相差素子２８側に球面である第５面Ｓ５を有する。また第３ピックアップレンズ２９ｃは、第２の位相差素子２８とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の凸の曲面（具体的には球面）又は平面である第６面Ｓ６を有する。第５面Ｓ５の曲率の絶対値は、第６面Ｓ６の曲率の絶対値よりも大きくなっている。
　（実施例７）
　図５に実施例７による第２の集光光学系を示す。第１ピックアップレンズ２９ａの第１面Ｓ１は球面である、という点で、実施例６と異なっている。
　（実施例８）
　図６に実施例８による第２の集光光学系を示す。第１ピックアップレンズ２９ａの第２面Ｓ２が浅い凹の球面であり、第１面Ｓ１は円錐定数がプラスの非球面である点で、実施例７と異なっている。
　（実施例９）
　図７に実施例９による第２の集光光学系を示す。
　第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の位相差素子２８側に非球面である第１面Ｓ１を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に凹の曲面である第２面Ｓ２を有する。第１面Ｓ１は、円錐定数がマイナスの非球面である。
　第２ピックアップレンズ２９ｂは、第２の位相差素子２８側に凸の球面である第３面Ｓ３を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に凸の球面である第４面Ｓ４を有する。第３面Ｓ３の曲率の絶対値は、第４面Ｓ４の曲率の絶対値よりも大きくなっている。
　第３ピックアップレンズ２９ｃは、第２の位相差素子２８側に球面である第５面Ｓ５を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の凸の曲面（具体的には球面）又は平面である第６面Ｓ６を有する。第５面Ｓ５の曲率の絶対値は、第６面Ｓ６の曲率の絶対値よりも大きくなっている。
　第１ピックアップレンズ２９ａは、一般の光学ガラスなのでプレス加工が可能であり、メニスカスレンズであっても比較的加工しやすい。第１ピックアップレンズ２９ａの硝材は、溶融石英に比較して内部吸収率が高いため発熱しやすい材料である。しかし、前述したように、第１ピックアップレンズ２９ａを透過する光の光密度が低いため、第１ピックアップレンズ２９ａは発熱しにくい。さらに、第１ピックアップレンズ２９ａの光弾性定数は、第３ピックアップレンズ２９ｃの光弾性定数よりもかなり小さい。第１ピックアップレンズ２９ａの光弾性定数を小さくすることにより、複屈折の発生延いては偏光の乱れを抑制することができる。
　（実施例１０）
　図８に実施例１０による第２の集光光学系を示す。第１ピックアップレンズ２９ａは、第２の位相差素子２８側に非球面である第１面Ｓ１を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の凸の曲面（具体的には球面）又は平面である第２面Ｓ２を有する。第１面Ｓ１の曲率の絶対値は、第２面Ｓ２の曲率の絶対値よりも大きくなっている。第１面Ｓ１は、円錐定数がマイナスの非球面である。
　第２ピックアップレンズ２９ｂは、第２の位相差素子２８側に球面である第３面Ｓ３を有し、第２の位相差素子２８とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の凸の曲面（具体的には球面）又は平面である第４面Ｓ４を有する。第３面Ｓ３の曲率の絶対値は、第４面Ｓ４の曲率の絶対値よりも大きくなっている。本実施例のように、第２の集光光学系を二枚のレンズで構成することもできる。
　（実施例１１）
　図９に実施例１１による第２の集光光学系を示す。第１ピックアップレンズ２９ａの第２面Ｓ２が１０００ｍｍ未満の曲率半径を有し比較的突起量が大きい凸の曲面となっている点で、実施例１０と異なっている。第２面Ｓ２の突出量が大きすぎると、第１ピックアップレンズ２９ａと第２ピックアップレンズ２９ｂとの間隔が広がり、第２ピックアップレンズ２９ｂから第１ピックアップレンズ２９ａに入射する光線束の径が大きくなる。入射する光線束を取り込むためには、第１ピックアップレンズ２９ａを大きくする必要がある。したがって、実施例１０のように、第２面Ｓ２の曲率半径は大きい方が好ましい。
　（実施例１２）
　図１０に実施例１２による第２の集光光学系を示す。
　第１ピックアップレンズ２９ａの第２面Ｓ２が浅い凹の球面となっている点で、実施例１０と異なっている。
　以上で説明した光源装置２においては、青色光ＢＬＣが拡散反射素子３０で反射されて第２の集光光学系２９を往復する。しかし、第２の集光光学系２９が石英レンズを含んでいるため、第２の集光光学系２９を強いレーザー光が透過した場合であっても大きな複屈折が生じにくい。これにより、青色Ｓ偏光ＢＬＳ３が減少することを抑えて、青色光ＢＬの利用効率を高めることができる。
　以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば次のような変形も可能である。
　上記実施形態では、青色光ＢＬｃは偏光分離素子２５に向かって拡散反射素子３０で反射され、蛍光光ＹＬと合成されるが、本発明はこれに限られない。例えば、半導体レーザー２１ａから射出されたレーザー光を拡散反射素子３０に斜めに入射させ、拡散反射素子３０で拡散反射したレーザー光を、第２の集光光学系２９とは異なるピックアップ光学系（集光光学系）で取り込んでもよい。
　上記実施形態では、光学素子として反射型の拡散反射素子を用いたが、光学素子として透過型の拡散素子を用いてレーザー光を拡散させる場合にも適用できる。この場合、レーザー光を拡散素子に集光させる集光光学系と、拡散素子から射出された拡散光を取り込むピックアップ光学系と、のうち少なくとも一方が少なくとも一枚の石英レンズを含んでいればよい。これによれば、拡散素子による偏光の乱れを小さくすることができるため、後段における拡散光の損失を低減できる。
　図１１は、変形例として、透過型の拡散素子又は光学素子を用いて構成されたプロジェクター１００ｍを説明する図である。図１１に示すプロジェクター１００ｍは、図１に示すプロジェクター１００と比較して、照明装置２０ｍ及び色分離光学系３ｍの構造が異なっている。プロジェクター１００と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化する。
　照明装置２０ｍは、発光部２０Ａと、照明光形成部２０Ｂとを備える。この照明装置２０ｍは、光源装置として機能する。
　発光部２０Ａは、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４とを含む。
　照明光形成部２０Ｂは、集光光学系２２９と、蛍光体層２７と、ピックアップ光学系２２６とを含む。
　発光部２０Ａから射出された青色光ＢＬ全体が、特許請求の範囲に記載の第１の成分として集光光学系２２９に入射する。集光光学系２２９は、青色光ＢＬを蛍光体層２７に向けて集光させる。集光光学系２２９はホモジナイザー光学系２４と協同して、蛍光体層２７上における青色光ＢＬによる照度の分布を均一化する。
　集光光学系２２９は、一枚以上のレンズからなり、石英で形成されたレンズを含んでいる。本変形例では、合成石英を用いた。合成石英は溶融石英よりも光学的な均一性が高いため、内部吸収率が溶融石英よりも小さい。従って、合成石英の方が好ましい。具体的には、集光光学系２２９は、正のパワーを有し比較的大径の第１レンズ２９ｄと、正のパワーを有する第２レンズ２９ｅと、正のパワーを有し比較的小径の第３レンズ２９ｆとを有する。第１レンズ２９ｄは、集光光学系２２９内で蛍光体層２７から最も遠い位置に配置されている。第３レンズ２９ｆは、集光光学系２２９内で蛍光体層２７に最も近い位置に配置されている。この集光光学系２２９に入射した励起用の青色光ＢＬは、波長変換素子である蛍光体層２７上に集光される。
　なお、集光光学系２２９を構成するレンズの枚数は図示のような３枚に限らず、集光光学系２２９を例えば１枚のレンズで構成することもできる。
　蛍光体層２７は、青色光ＢＬを拡散させる透過型拡散素子として機能している。蛍光体層２７は、図２に示す場合と同様に、回転機構３６によって回転する板材３６ａの上に環状に設けられている。蛍光体層２７は、励起光である波長４５５ｎｍの青色光ＢＬを、例えば５００～７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光光（黄色光）ＹＬに変換して射出する。
　板材３６ａは、光透過性を有する。また、蛍光体層２７の板材３６ａ側に反射部が設けられていない。その代わり、蛍光体層２７の板材３６ａとは反対側に、青色光ＢＬを透過させるとともに蛍光光ＹＬを反射させるダイクロイック膜４７が設けられている。したがって、青色光ＢＬのうち蛍光体層２７中の蛍光体によって蛍光光に変換されなかった成分は、蛍光体層２７を通過し、青色光ＬＢとしてピックアップ光学系２２６側に射出される。蛍光光ＹＬは、ダイクロイック膜４７によって反射され、ピックアップ光学系２２６側に射出される。このようにして、青色光ＬＢと蛍光光ＹＬとからなる照明光が照明装置２０ｍから射出される。
　ピックアップ光学系２２６は、蛍光体層２７の集光光学系２２９とは反対側に配置されている。ピックアップ光学系２２６は、一枚以上のレンズからなり、溶融石英で形成されたレンズを含んでいる。具体的には、ピックアップ光学系２２６は、正のパワーを有し比較的大径の第１ピックアップレンズ２６ａと、正のパワーを有する第２ピックアップレンズ２６ｂと、正のパワーを有し比較的小径の第３ピックアップレンズ２６ｃとを有する。第１ピックアップレンズ２６ａは、ピックアップ光学系２２６内で蛍光体層２７から最も遠い位置に配置されている。第３ピックアップレンズ２６ｃは、ピックアップ光学系２２６内で蛍光体層２７に最も近い位置に配置されている。このピックアップ光学系２２６に入射した青色光ＬＢ及び蛍光光ＹＬは、コリメートされた状態で全反射ミラー２０ｄに入射する。
　なお、ピックアップ光学系２２６を構成するレンズの枚数は３枚に限らない。
　色分離光学系３ｍにおいて、照明装置２０ｍからの照明光は、第１のダイクロイックミラー１７ａによって、青色光ＬＢと蛍光光ＹＬとに分岐される。第１のダイクロイックミラー１７ａで反射された蛍光光ＹＬは、第２のダイクロイックミラー１７ｂによって、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとに分岐される。赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、及び青色光ＬＢは、全反射ミラー１８ｂ，１８ｃ，１８ｅ，１８ｆによって導かれ、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂをそれぞれ照明する。
　蛍光光ＹＬの光路上には、蛍光光ＹＬを均一化するため、インテグレータ光学系３１Ｙと重畳光学系３３Ｙとが配置されている。インテグレータ光学系３１Ｙは、例えば、レンズアレイ３１Ｙａ及びレンズアレイ３１Ｙｂから構成されている。さらに、蛍光光ＹＬを直線偏光に変換するための偏光変換素子３２が配置されている。青色光ＬＢの光路上には、青色光ＬＢを均一化するため、インテグレータ光学系３１Ｂと重畳光学系３３Ｂとが配置されている。インテグレータ光学系３１Ｂは、例えば、レンズアレイ３１Ｂａ及びレンズアレイ３１Ｂｂから構成されている。
　発光部２０Ａは半導体レーザー２１ａを備えているため、青色光ＢＬは直線偏光である。集光光学系２２９とピックアップ光学系２２６各々が石英レンズを含んでいるため、青色光ＢＬが強いレーザー光であっても、集光光学系２２９あるいはピックアップ光学系２２６において大きな複屈折が生じにくい。そのため、青色光ＢＬの偏光状態は、集光光学系２２９を透過しても殆ど維持される。また、青色光ＬＢの偏光状態は、集光光学系２２６を透過しても殆ど維持される。したがって、青色光ＬＢに対しては偏光変換素子を設けなくても、青色光ＬＢを高い効率で利用できる。なお、詳細な説明は省略するが、インテグレータ光学系３１Ｙと重畳光学系３３Ｙの仕様は、インテグレータ光学系３１Ｂと重畳光学系３３Ｂの仕様とは異なる。これは、青色光ＬＢの方が蛍光光ＹＬに比較して発散がかなり少ないことを考慮したものである。
　集光光学系２２９及びピックアップ光学系２２６は、上記実施例１～１１として例示したような光学的構成を採用することができる。
　上記実施形態では、本発明による光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、本発明はこれに限られない。光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。青色光ＬＢを反射ミラーに対してＳ偏光として入射させることにより、反射ミラーによる青色光ＬＢの損失を低減することができる。
　上記実施形態では本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
　上記変形例において、蛍光体を含まない透過型拡散素子で蛍光体層２７を置き換えることによって、青色光ＬＢからなる照明光を得ることができる。この場合も、青色光ＬＢに対して偏光変換素子を設ける必要は無い。青色光ＬＢに加えて他の色の色光が必要な場合は、赤や緑の色光を射出する他の照明装置を別途設ければよい。
　なお、上記実施例では、発光素子から青色光が射出され、黄色の蛍光光ＹＬが生成されたが、各光の色は任意である。
　２…光源装置、３，３ｍ…色分離光学系、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、５…合成光学系、６…投射光学系、７ａ，７ｂ…ダイクロイックミラー、２０，２０ｍ…照明装置、２１…アレイ光源、２１ａ…半導体レーザー、２２…コリメーター光学系、２２ａ…コリメーターレンズ、２３…アフォーカル光学系、２４…ホモジナイザー光学系、２５…偏光分離素子、２６…第１の集光光学系、２７…蛍光体層、２８…第２の位相差素子、２９…第２の集光光学系、３０…拡散反射素子、３１…インテグレータ光学系、３２…偏光変換素子、３３…重畳光学系、３６…回転機構、５１…第１の位相差素子、１００，１００ｍ…プロジェクター、ａｘ１，ａｘ２…光軸、ＢＬ…各青色光、ＢＬ…青色光、ＢＬＣ…青色光、ＢＬＰ…青色Ｐ偏光、ＢＬＳ…青色Ｓ偏光、ＬＢ…青色光、ＬＧ…緑色光、ＬＲ…赤色光、Ｐ１…平面、Ｓ１～Ｓ６…面、ＷＬ…照明光、ＹＬ…蛍光光。

Claims (12)

  1. 　発光素子と、
    　前記発光素子から射出された光のうち第１の成分が入射する集光光学系と、
    　前記集光光学系を透過した前記第１の成分が入射する光学素子と、
    　前記光学素子を経由した前記第１の成分が入射するピックアップ光学系と、を備えた光源装置であって、
    　前記集光光学系および前記ピックアップ光学系のうち少なくとも一方は、石英で形成された第１のレンズを含むことを特徴とする光源装置。
  2. 　前記光学素子は前記第１の成分を反射させる反射面を備え、
    　前記反射面で反射した前記第１の成分が前記ピックアップ光学系に入射する請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記発光素子と前記集光光学系との間の光路中に設けられた偏光分離素子と、
    　前記偏光分離素子と前記集光光学系との間の光路中に設けられ、前記光のうち前記偏光分離素子を経由した前記第１の成分が入射する位相差素子と、をさらに備え、
    　前記集光光学系は前記ピックアップ光学系を兼ねており、
    　前記反射面で反射された前記第１の成分は、前記ピックアップ光学系と前記位相差素子とを透過して前記偏光分離素子に入射する請求項２に記載の光源装置。
  4. 　前記集光光学系および前記ピックアップ光学系が有する複数のレンズ面のうち少なくとも一つのレンズ面は、円錐定数がマイナスの非球面である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
  5. 　前記第１のレンズは、前記集光光学系において最も前記位相差素子側に配置されており、
    　前記第１のレンズは、前記位相差素子側に円錐定数がマイナスの非球面を有し、前記位相差素子とは反対側に曲率半径が１０００ｍｍ以上の曲面又は平面を有する、請求項３に記載の光源装置。
  6. 　前記集光光学系は、前記集光光学系において最も前記光学素子側に配置された第２のレンズをさらに含み、
    　前記第２のレンズは、石英で形成されており、
    　前記第２のレンズの前記光学素子側のレンズ面は、曲率半径が１０００ｍｍ以上の曲面又は平面である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置。
  7. 　前記第１のレンズは、前記集光光学系において最も前記反射素子側に配置されている請求項３に記載の光源装置。
  8. 　前記集光光学系は、前記集光光学系において最も前記位相差素子側に配置された第３のレンズをさらに含み、
    　前記第３のレンズの光弾性定数は、前記第１のレンズの光弾性定数よりも小さい、請求項７に記載の光源装置。
  9. 　前記第３のレンズは、前記位相差素子側に円錐定数がマイナスの非球面を有する、請求項８に記載の光源装置。
  10. 　前記集光光学系は、前記第１のレンズと隣り合う第４のレンズをさらに備え、
    　前記第４のレンズは、石英で形成されている、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光源装置。
  11. 　前記第１の成分とは波長が異なる色光を射出する波長変換素子をさらに含む、請求項３乃至１０のいずれか一項に記載の光源装置。
  12. 　請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
    　前記光源装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    　前記画像光を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とするプロジェクター。
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