JP2022142948A - 光源装置及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源を備えつつ、小型化を図ることができる光源装置及び画像投射装置を提供する。【解決手段】第１の色光を出射する第１の光源と、第２の色光を出射する第２の光源と、前記第１の色光の少なくとも一部を第３の色光に変換して出射する波長変換ユニットと、前記第１、第２、第３の色光が入射する光入射素子と、前記第１の色光を前記波長変換ユニットに反射する第１のフィルタと、前記第２の色光を前記光入射素子に反射する第２のフィルタと、を有し、前記第１、第２のフィルタは、前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間の前記第３の色光の光路上に、それぞれ別々に配置される、ことを特徴とする光源装置。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置及び画像投射装置に関する。

今日、様々な映像を拡大投影するプロジェクタ（画像投射装置）が広く普及している。プロジェクタは、光源から出射された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）又は液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号により変調された空間光変調素子からの出射光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。

プロジェクタでは、ＤＭＤ等の画像表示素子に、例えば色の三原色である赤色・緑色・青色の三色を照射することにより映像を形成している。この三色の全てをレーザ光源で生成することも可能ではあるが、赤色レーザや緑色レーザの発光効率が青色レーザに比べて低いため、青色レーザを励起光として蛍光体に照射して、蛍光体で波長変換された蛍光光から赤色光と緑色光を生成する方法が一般的である。

一方で、蛍光光のスペクトル幅は非常に広いため、レーザ光源を使う場合に比べて色再現性が悪いという問題点がある。このため最近では、蛍光光の赤色成分を赤色レーザ光で、緑色成分を緑色レーザ光で補強して明るさと色再現性を両立させるため、蛍光光に赤色／緑色レーザ光を合成することが提案されている（例えば特許文献１）。

中国特許出願公開第１１００８３００３号明細書

しかしながら、蛍光光に赤色／緑色レーザ光を合成する場合、蛍光光と赤色／緑色のスペクトルが重複するため、蛍光光に赤色／緑色レーザ光を合成する際に、蛍光光の一部が削られて（ケラレて）、蛍光光の光利用効率が低下するという問題がある。また、赤色／緑色レーザ光に対応する複数の光源を追加すること、及び、当該複数の光源の配置の制約に起因して、装置が大型化するという問題がある。

本発明は、以上の問題意識に基づいて完成されたものであり、複数の光源を備えつつ、小型化を図ることができる光源装置及び画像投射装置を提供することを目的とする。

本実施形態の光源装置は、第１の色光を出射する第１の光源と、第２の色光を出射する第２の光源と、前記第１の色光の少なくとも一部を第３の色光に変換して出射する波長変換ユニットと、前記第１、第２、第３の色光が入射する光入射素子と、前記第１の色光を前記波長変換ユニットに反射する第１のフィルタと、前記第２の色光を前記光入射素子に反射する第２のフィルタと、を有し、前記第１、第２のフィルタは、前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間の前記第３の色光の光路上に、それぞれ別々に配置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の光源を備えつつ、小型化を図ることができる光源装置及び画像投射装置を提供することができる。

レンズの光軸、光源の光軸、投影像中心の定義を説明するための図である。 第１実施形態の光源装置の構成を示す図である。 波長変換ユニットの構成の一例を示す図である。 第２のフィルタの反射特性の一例を示す図である。 光均一化素子に入射する全光のスペクトルの一例を示す図である。 第２の集光レンズにおける赤レーザ光と蛍光光のスポットを第２のフィルタと重ねて示す図である。 第２実施形態の光源装置の構成を示す図である。 第１、第２のフィルタの配置例を示す図である。 第３実施形態の光源装置の構成を示す第１の図である。 第３実施形態の光源装置の構成を示す第２の図である。 第４実施形態の光源装置の構成を示す第１の図である。 第４実施形態の光源装置の構成を示す第２の図である。 第５実施形態の光源装置の構成を示す図である。 比較例の光源装置の構成を示す図である。 本実施形態のプロジェクタの構成を示す図である。

＜用語の定義＞
図１Ａは、レンズの光軸の定義を説明するための図である。図１Ａに示すように、レンズの光軸とは、レンズの回転対称軸と一致する仮想的な直線を意味している。また、光軸は中心軸と読み替えてもよい。

図１Ｂは、光源の光軸の定義を説明するための図である。図１Ｂに示すように、光源の光軸とは、光源の発光面と、光源の直後に配置される光学素子の投影像中心とを垂直に結ぶ直線を意味している。また、光軸は中心軸と読み替えてもよい。

また、図１Ａ、図１Ｂの定義に加えて、本明細書における「光軸」とは、ある光学系において、系全体を通過する光束の代表となる仮想的な光線を含む仮想線を指す。光学系の設計にもよるが、複数の光学素子からなる光学系の場合、各光学素子の回転対称軸と略一致した仮想的な線上に光軸が位置してもよい。また、１つの光学素子では、例えば前後２面の曲率中心を結ぶ直線が光軸と一致してもよい。また、１つの光学素子の前後２面の片方が平面であれば、他方の曲率を有する面の曲率中心を通る直線が光軸と一致してもよい。また、光学素子を複数配列させた光学系であると、それぞれの光学素子を構成する曲面の曲率中心を略結んだ仮想線が光軸と一致してもよい。なお、実際に用いる光（光束）は、必ずしも光軸上を通過するとは限らないのは言うまでもない。

図１Ｃは、投影像中心の定義を説明するための図である。図１Ｃに示すように、投影像中心とは、光源の直後に配置される光学素子に投影される、光源の投影範囲の光強度分布の最小外接円の中心を意味している。

本明細書において、第１の色光とは、第１波長域の第１の光を意味しており（と読み替えてもよく）、第２の色光とは、第２波長域の第２の光を意味しており（と読み替えてもよく）、第３の色光とは、第３波長域の第３の光を意味している（と読み替えてもよい）。第１、第２、第３の色光は、複数の波長域の光を意味している（と読み替えてもよい）。第１、第２、第３の波長域は、それぞれ別々の波長域を意味しているが、一部の波長域が重複していてもよい。例えば、第１の色光は、青色光であり、第２の色光は、赤色光又は緑色光であり、第３の色光は、黄色又は緑色の蛍光光であってもよい。第２、第３の色光をこのように設定することで、例えば、蛍光光の赤色成分や緑色成分を赤色光や緑色光で補強できるので、色再現性の良い光源装置を実現することができる。

＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態の光源装置１の構成を示す図である。以下の説明におけるＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は、図中に示す矢線方向を基準とし、矢線（矢印）が向いている方向を＋方向、矢線（矢印）が向いていない方向を－方向とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は互いに直交する三次元空間を構成する。

光源装置１は、青レーザ光源（第１の光源）１０と、赤レーザ光源（第２の光源）２０と、青レーザ縮小素子３０と、赤レーザ縮小素子４０と、第１のフィルタ（第１の光学素子、第１のダイクロイックミラー、第１のノッチフィルタ）５０と、第２のフィルタ（第２の光学素子、第２のダイクロイックミラー、第２のノッチフィルタ）６０と、第１の集光レンズ（第１の集光素子、集光光学系）７０と、波長変換ユニット（蛍光体ユニット）８０と、第２の集光レンズ（第２の集光素子、集光光学系）９０と、光均一化素子（光入射素子）１００とを有している。

青レーザ光源１０と、赤レーザ光源２０と、青レーザ縮小素子３０と、赤レーザ縮小素子４０と、第１のフィルタ５０と、第２のフィルタ６０と、第１の集光レンズ７０と、波長変換ユニット８０と、第２の集光レンズ９０と、光均一化素子１００とは、Ｚ軸方向の位置を一致させて、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む同一平面内に位置している（当該同一平面内に少なくとも一部が位置している）。

青レーザ光源１０と、青レーザ縮小素子３０と、第１のフィルタ５０とは、Ｙ軸方向の－側の位置において、Ｘ軸方向の＋側から－側に順に並んでいる。赤レーザ光源２０と、赤レーザ縮小素子４０と、第２のフィルタ６０とは、Ｙ軸方向の＋側の位置において、Ｘ軸方向の－側から＋側に順に並んでいる。

第１の集光レンズ７０と、波長変換ユニット８０と、第２の集光レンズ９０と、光均一化素子１００とは、Ｘ軸方向の位置を一致させて、Ｙ軸方向に並んでいる。より具体的に、第１の集光レンズ７０と、波長変換ユニット８０とは、第１のフィルタ５０のＹ軸方向の－側に向かって順に並んでいる。また、第２の集光レンズ９０と、光均一化素子１００とは、第２のフィルタ６０のＹ軸方向の＋側に向かって順に並んでいる。

青レーザ光源１０は、Ｘ軸方向の－側に向かって青レーザ光（青色光、第１の色光）を出射する。青レーザ光は、例えば、発光強度の中心が４５５ｎｍであり、波長変換ユニット８０での励起作用を得ることができる波長の光であればよい。図１では、青レーザ光源１０を、複数の発光源をアレイ状に配列したものとして描いているが、これに限定されず、青レーザ光源１０を単一（１個）の発光源から構成してもよい。図１では、青レーザ光の光束を太字の破線で描くとともに、青レーザ光の光軸を１０Ａで示している。

青レーザ縮小素子３０は、正レンズ３１と負レンズ３２を有している。正レンズ３１は、青レーザ光源１０からの青レーザ光を収束させ、負レンズ３２は、青レーザ光源１０からの青レーザ光を発散させる結果、青レーザ光源１０からの青レーザ光が略平行化（コリメート）される。青レーザ縮小素子３０で略平行化される青レーザ光の光束は、第１のフィルタ５０のサイズに合わせて設計（調整）することが好ましい。

第１のフィルタ５０は、青レーザ縮小素子３０で略平行化された青レーザ光をＹ軸方向の－側に反射して、第１の集光レンズ７０、さらには波長変換ユニット８０に導く。第１のフィルタ５０は、例えば、青色光のみを反射して蛍光光を透過する特性を有している。

赤レーザ光源２０は、Ｘ軸方向の＋側に向かって赤レーザ光（赤色光、第２の色光）を出射する。赤レーザ光は、例えば、発光強度の中心が６１０ｎｍであり、所望の色再現性を達成することができる波長の光であればよい。図１では、赤レーザ光源２０を、複数の発光源をアレイ状に配列したものとして描いているが、これに限定されず、赤レーザ光源２０を単一（１個）の発光源から構成してもよい。図１では、赤レーザ光の光束を太字の一点鎖線で描くとともに、赤レーザ光の光軸を２０Ａで示している。なお、本実施形態では、赤レーザ光源２０からの赤レーザ光を合成する場合を例示しているが、緑レーザ光やその他の波長域（色）を持つレーザ光を合成することも可能である。この場合、第２のフィルタ６０の特性を同時に変えることが好ましい。

赤レーザ縮小素子４０は、正レンズ４１と負レンズ４２を有している。正レンズ４１は、赤レーザ光源２０からの赤レーザ光を収束させ、負レンズ４２は、赤レーザ光源２０からの赤レーザ光を発散させる結果、赤レーザ光源２０からの赤レーザ光が略平行化（コリメート）される。赤レーザ縮小素子４０で略平行化される赤レーザ光の光束は、第２のフィルタ６０のサイズに合わせて設計（調整）することが好ましい。

第２のフィルタ６０は、赤色光を反射する特性を有しており、赤レーザ縮小素子４０で略平行化された赤レーザ光をＹ軸方向の＋側に反射して、第２の集光レンズ９０、さらには光均一化素子１００に導く。

第１の集光レンズ７０は、第１のフィルタ５０からの青レーザ光を集光して波長変換ユニット８０に導く。また、第１の集光レンズ７０は、波長変換ユニット８０からの青レーザ光と蛍光光（第３の色光）を略平行化してＹ軸方向の＋側に導く。

第１の集光レンズ７０は、第１のフィルタ５０と波長変換ユニット８０の間に位置し、第１のフィルタ５０が反射した青レーザ光を集光するとともに、波長変換ユニット８０が出射した青レーザ光と蛍光光を略平行化する「第１の集光素子」として機能する。青レーザ光は、第１の集光レンズ（第１の集光素子）７０の一部分（Ｘ軸方向の＋側の領域）を通って波長変換ユニット８０に入射され、後述する反射領域８３で反射された後、第１の集光レンズ（第１の集光素子）７０の他部分（Ｘ軸方向の－側の領域）を通って出射される。これにより、蛍光体励起用の青レーザ光を照明光として利用できるので、蛍光光と合わせて白色光を生成することができる。

波長変換ユニット８０は、第１の集光レンズ７０からの青レーザ光をそのまま反射して第１の集光レンズ７０に導くとともに、第１の集光レンズ７０からの青レーザ光を蛍光光（第３の色光）に変換して第１の集光レンズ７０に導く。すなわち、波長変換ユニット８０は、第１の集光レンズ７０からの青レーザ光の一部（少なくとも一部）を蛍光光に変換して出射する。

図３は、波長変換ユニット８０の構成の一例を示す図である。図３に示すように、波長変換ユニット８０は、モータユニットを含む駆動機構８１（図２）により、Ｙ軸方向に沿った回転軸８２を中心として回転可能な円盤部材を構成している。波長変換ユニット８０は、周方向の一部分（小部分）に位置する反射領域８３と、周方向の他部分（大部分）に位置する蛍光領域８４とに区画されている。波長変換ユニット８０が回転軸８２を中心として回転すると、青レーザ光が反射領域８３と蛍光領域８４に交互に入射する。反射領域８３に入射した青レーザ光は、反射領域８３で反射されて、第１の集光レンズ７０に導かれる。蛍光領域８４に入射した青レーザ光は、蛍光領域８４で励起光として作用されて、青レーザ光とは異なる波長域の蛍光光（第３の色光）に変換された上で、第１の集光レンズ７０に導かれる。このように、波長変換ユニット８０では、青レーザ光を反射して第１の集光レンズ７０に導く機能と、青レーザ光を蛍光光に変換して第１の集光レンズ７０に導く機能とを時間的に切り替えることができる。

なお、図３では、波長変換ユニット８０を反射領域８３と蛍光領域８４に区画しているが、例えば、黄色蛍光領域や緑色蛍光領域等を設けて、蛍光領域を２つ以上に区画してもよい。波長変換ユニット８０は、回転駆動して時分割に光を出射するユニットに限らず、青レーザ光の反射機能と蛍光光変換機能を持つユニットであればよい。

図１では、蛍光光の光束をグレースケールの塗り潰し領域で描くとともに、蛍光光の光軸を８０Ａで示している。図１に示すように、蛍光光の光束の範囲内（グレースケール）に、青レーザ光の光束（太字破線）と、赤レーザ光の光束（太字一点鎖線）とが含まれている。

第２の集光レンズ９０は、第２のフィルタ６０から入射した赤レーザ光（第２の色光）、並びに、波長変換ユニット８０及び第１の集光レンズ７０から入射した青レーザ光（第１の色光）及び蛍光光（第３の色光）を集光して、光均一化素子１００に導く。図１では、第２の集光レンズ９０の光軸を９０Ａで示している。

光均一化素子１００は、例えば、４つのミラーが四角柱の内側になるように形成されたライトトンネルから構成されている。光均一化素子１００は、第２の集光レンズ９０から入射した青レーザ光（第１の色光）と赤レーザ光（第２の色光）と蛍光光（第３の色光）を均一化して出射する機能を持つ。

青レーザ光（第１の色光）と赤レーザ光（第２の色光）と蛍光光（第３の色光）の光路について説明する。

青レーザ光は、青レーザ光源１０から出射され、青レーザ縮小素子３０により光束が絞られて略平行光となり、第１のフィルタ５０で反射される。青レーザ光は、第１の集光レンズ７０のうちＸ軸方向の－側の半分に入射し、第１の集光レンズ７０の屈折力により光軸に角度をなして近づき、第１の集光レンズ７０の光軸付近で集光して、波長変換ユニット８０に入射する。青レーザ光は、波長変換ユニット８０の反射領域８３で反射されて、第１の集光レンズ７０のうちＸ軸方向の＋側の半分に入射し、第１の集光レンズ７０の屈折力により光軸に角度をなして離れ、略平行光となる。そして、青レーザ光は、第２の集光レンズ９０のうちＸ軸方向の＋側の半分に入射し、第２の集光レンズ９０の屈折力により光軸に角度をなして近づき、光軸付近で集光され、集光位置付近に配置された光均一化素子１００に入射する。

赤レーザ光は、赤レーザ光源２０から出射され、赤レーザ縮小素子４０により光束が絞られて略平行光となり、第２のフィルタ６０で反射される。そして、赤レーザ光は、第２の集光レンズ９０のうちＸ軸方向の＋側の半分に入射し、第２の集光レンズ９０の屈折力により光軸に角度をなして近づき、光軸付近で集光され、集光位置付近に配置された光均一化素子１００に入射する。

蛍光光は、波長変換ユニット８０の蛍光領域８４で青レーザ光が励起されて生成される。蛍光光は、第１の集光レンズ７０で略平行化される。蛍光光のうちＸ軸方向の－側の部分は、第１のフィルタ５０を透過し、第２の集光レンズ９０で集光され、集光位置付近に配置された光均一化素子１００に入射する。蛍光光のうちＸ軸方向の＋側の部分は、第２のフィルタ６０を透過し（後述するが一部は反射される）、第２の集光レンズ９０で集光され、集光位置付近に配置された光均一化素子１００に入射する。

本実施形態の光源装置１では、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０が、波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間の蛍光光（第３の色光）の光路上（グレースケール）に、それぞれ別々に配置されている。これにより、青レーザ光源１０及び赤レーザ光源２０、並びに、第１のフィルタ５０及び第２のフィルタ６０のレイアウトの自由度を向上させて、光源装置１の小型化を図ることができる。また、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０のレイアウトの自由度を向上させて、蛍光光（第３の色光）の光路内における第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０による光損失を最低限に抑えることで、光の利用効率を高めることができる。

青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０のセット、及び、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットを、Ｚ軸方向の位置を一致させるとともに、Ｙ軸方向の位置をずらし、且つ、Ｘ軸方向に重複させることで、より一層、光源装置１の小型化を図ることができる。

第１の集光レンズ７０と第２の集光レンズ９０は、波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間に位置する「集光光学系」を形成し、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０は、集光光学系の光軸外に配置されている。とりわけ、第２のフィルタ６０は、第２の集光レンズ（集光光学系）９０の光軸外に配置されている。蛍光光（第３の色光）は、集光光学系の光軸付近で最も強度が強くなるため、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０（特に第２のフィルタ６０）を集光光学系の光軸を避けて配置することで、蛍光光の利用効率を向上させることができる。

青レーザ光源（第１の光源）１０から出射する青レーザ光（第１の色光）の光軸（中心軸）１０Ａと、赤レーザ光源（第２の光源）２０から出射する赤レーザ光（第２の色光）の光軸（中心軸）２０Ａとは、互いに異なっている。具体的に、光軸（中心軸）１０Ａと光軸（中心軸）２０Ａは、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む同一平面内に位置し、且つ、波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間の蛍光光（第３の色光）の光路上（グレースケール）で、互いに平行に延びている（Ｘ軸方向に延びている）。青レーザ光源１０と赤レーザ光源２０、及び、各レーザ光源の冷却装置（ヒートシンク）をＹ軸方向にずらして並列に配置することにより、光源装置１がＸ軸方向に大型化することを防止することができる。また、冷却装置によるレーザ光源の冷却効率を高めることができる。

第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０は、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０の両方を透過する蛍光光（第３の色光）の成分が存在しないように設けられる。これにより、蛍光光の一部分のみの利用効率が低下することを防止して、蛍光光の色むらを抑制することができる。

第２のフィルタ６０は、蛍光光（第３の色光）の波長域のうち、赤レーザ光（第２の色光）の波長域を除いた波長域を透過する（赤色成分のみを反射する）。このように、第２のフィルタ６０に狭帯域の反射スペクトルとなる波長選択性を持たせることで、蛍光光の利用効率を向上させることができる。

図４は、第２のフィルタ６０の反射特性の一例を示す図である。例えば、ピークが６４０ｎｍの赤レーザ光（赤レーザ光源２０）を使用する場合、図４に示すように、第２のフィルタ６０の反射率は、６２０ｎｍ～６６０ｎｍの範囲で９６％以上に設定することができる。

図５は、光均一化素子１００に入射する全光のスペクトルの一例を示す図である。図５には、青レーザ光と赤レーザ光と蛍光光のスペクトルが描かれている。蛍光光の赤レーザ光に対応する部分が第２のフィルタ６０を透過したことにより、光利用効率が低下しているが、第２のフィルタ６０の反射特性・サイズ・配置を最適設定したことにより、光利用効率の低下が抑制されていることが分かる。

第２のフィルタ６０で反射される赤レーザ光（第２の色光）の光量は、第２のフィルタ６０で反射される蛍光光（第３の色光）の光量より多い。第２のフィルタ６０において、蛍光光の損失分よりも赤レーザ光の合成分を多くすることで、明るさを保ちつつ、色再現性を向上させることができる。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、第２の集光レンズ９０における赤レーザ光と蛍光光のスポットを第２のフィルタ６０と重ねて示す図である。図６Ａ～図６Ｃは、Ｙ軸方向の－側から見た時の位置関係を示しており、説明しない構成要素の図示は省略している。

図６Ａ～図６Ｃにおいて、第２の集光レンズ９０の光軸９０Ａは、第２の集光レンズ９０の回転対称軸と一致する仮想的な直線である。第２の集光レンズ９０における蛍光光のスポットは、第２の集光レンズ９０の光軸９０Ａを中心とした有効光学面の略全域に亘る広い範囲に形成されている。これに対して、第２の集光レンズ９０における赤レーザ光のスポットは、第２の集光レンズ９０の光軸９０Ａの左側に位置しており、仮想的に描いた第２のフィルタ６０の反射面の範囲内に収まっている。

このように、第２の集光レンズ９０における蛍光光のスポットに対して、第２の集光レンズ９０における赤レーザ光のスポットを小さくすることで、蛍光光の利用効率を向上させることができる。

より具体的に、第２の集光レンズ（第２の集光素子）９０における蛍光光（第３の色光）の投影面積をＰＳＡ３、第２の集光レンズ（第２の集光素子）９０における赤レーザ光（第２の色光）の投影面積をＰＳＡ２としたとき、条件式（１）を満足することが好ましい。
（１）０．１００≦ＰＳＡ２／ＰＳＡ３≦０．３７５

条件式（１）を満足することで、赤色光の光束を細くして第２のフィルタ６０を小さくすることにより低コスト化を図るとともに、蛍光光の利用効率を向上させ、赤色光の色むらを防止することができる。条件式（１）の上限を超えると、赤色光の光束が太くなって第２のフィルタが大きくなりすぎるために高コスト化が避けられなくなり、また蛍光光の利用効率が著しく低下してしまう。条件式（１）の下限を超えると、赤レーザ光を絞る必要があるため、赤色光の色むらが発生してしまう。

図６Ａでは、第２のフィルタ６０の全域が、赤レーザ光の反射に寄与するようになっているが、第２のフィルタ６０を蛍光光のスポットの外側で保持する場合、図６Ｂ、図６Ｃのように、第２のフィルタ６０を蛍光光の反射に寄与しないフィルタ被形成部（フィルタ非形成部）に形成することも可能である。図６Ｂでは、第２のフィルタ６０を蛍光光のスポットの外側（図中の左側）にまで延ばして、蛍光光のスポットと重なる部分を反射寄与部（第２のフィルタ）６１、蛍光体のスポットと重ならない部分を反射非寄与部（フィルタ被形成部、フィルタ非形成部）６２としている。図６Ｃでは、第２のフィルタ６０を別部材としてのガラス基板６３に形成して、ガラス基板６３を蛍光光のスポットの外側（図中の左側）にまで延ばしている。ガラス基板６３が反射非寄与部（フィルタ被形成部、フィルタ非形成部）に相当する。

また、一般的に、蛍光光は第２の集光レンズ（第２の集光素子）９０の光軸９０Ａの付近で最も光量が多くなるため、赤レーザ光のスポットが第２の集光レンズ９０の光軸９０Ａと重ならないように配置する、つまり、第２のフィルタ６０を第２の集光レンズ９０の光軸９０Ａと重ならないように配置する方が、蛍光光の光利用効率の低下を抑制できる。

＜第２実施形態＞
図７、図８を参照して、第２実施形態の光源装置１について説明する。図７は、第２実施形態の光源装置１の構成を示す図である。図８Ａ、図８Ｂは、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０の配置例を示す図である。第１実施形態の光源装置１との重複部分については説明を省略する。

第２実施形態の光源装置１では、青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０のセット、及び、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットのＹ軸方向の位置を一致させて、Ｘ軸方向に並べて配置している。青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０のセットがＸ軸方向の＋側に位置しており、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットがＸ軸方向の－側に位置している。そして、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０の反射面の裏側同士を対向させて背中合わせに配置している。

波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間の蛍光光（第３の色光）の光路上（グレースケール）の一部に第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０が重なるように配置されているので、蛍光光の光路上にフィルタを介さない領域が多くなり、蛍光光の利用効率を向上させることができる。

図８Ａ、図８Ｂに示すように、第１のフィルタ５０は、ガラス等の基板５０Ａの一面に設けられており、第２のフィルタ６０は、ガラス等の基板６０Ａの一面に設けられている。図８Ａは、第１のフィルタ５０が形成されていない基板５０Ａの背面と、第２のフィルタ６０が形成されていない基板６０Ａの背面とを間隔を設けて対向させた例を示している。図８Ｂは、第１のフィルタ５０が形成されていない基板５０Ａの背面と、第２のフィルタ６０が形成されていない基板６０Ａの背面とを貼り合わせた例を示している。貼り合わせにかかる図８Ｂの態様では、基板５０Ａ、６０Ａの界面での光の損失を減らして、蛍光光の利用効率の低下を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図９、図１０を参照して、第３実施形態の光源装置１について説明する。図９、図１０は、第３実施形態の光源装置１の構成を示す第１、第２の図である。図９は、Ｚ軸方向の－側から見た図であり、図１０は、Ｘ軸方向の－側から見た図である。第１～第２実施形態の光源装置１との重複部分については説明を省略する。

第３実施形態の光源装置１では、青レーザ光（第１の色光）と赤レーザ光（第２の色光）と蛍光光（第３の色光）が同一平面内に位置していない（三次元的に配置される）。また、青レーザ光源（第１の光源）１０から出射する青レーザ光（第１の色光）の光軸（中心軸）１０Ａと、赤レーザ光源（第２の光源）２０から出射する赤レーザ光（第２の色光）の光軸（中心軸）２０Ａとが、波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間の蛍光光（第３の色光）の光路上（グレースケール）で、互いにねじれの関係をなすように延びている。

別言すると、第３実施形態の光源装置１は、第１実施形態の光源装置１において、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットを、Ｙ軸方向の回転軸に沿って９０°回転させたものに相当する。

また、第３実施形態の光源装置１は、青レーザ光源１０の背面に青レーザ用ヒートシンク１０Ｂが設けられており、赤レーザ光源２０の背面に赤レーザ用ヒートシンク２０Ｂが設けられている。但し、青レーザ用ヒートシンク１０Ｂと赤レーザ用ヒートシンク２０Ｂは、第１実施形態の光源装置１にも設けられていてもよい。

第３実施形態の光源装置１によれば、青レーザ光源１０及び赤レーザ光源２０、ひいては青レーザ光と赤レーザ光を三次元的に配置することで、光源の配置自由度がさらに増し、光学系全体を小型化することができる。

第３実施形態の光源装置１では、青レーザ光源１０の光軸に対して赤レーザ光源２０の光軸が９０°回転しており、それに伴って第２のフィルタ６０も９０°回転している。このため、光源装置１をＸ軸方向に小型化することができる。また、Ｚ軸方向においても、波長変換ユニット８０により生じるスペースに赤レーザ光源２０を配置している（赤レーザ光源２０が波長変換ユニット８０よりＺ軸方向に飛び出すことがない）ため、全体として収まりの良い光学構成となっている。

なお、第３実施形態の光源装置１では、青レーザ光源１０の光軸に対して赤レーザ光源２０の光軸が９０°回転しているが、この回転角度は９０°に限定されることはなく、例えば、ヒートシンク（冷却装置）の設計等に応じて任意に変更（決定）することができる。

＜第４実施形態＞
図１１、図１２を参照して、第４実施形態の光源装置１について説明する。図１１、図１２は、第４実施形態の光源装置１の構成を示す第１、第２の図である。図１１は、Ｚ軸方向の－側から見た図であり、図１２は、Ｘ軸方向の－側から見た図である。第１～第３実施形態の光源装置１との重複部分については説明を省略する。

第４実施形態の光源装置１は、第３実施形態の光源装置１において、青レーザ光（第１の色光）の光軸（中心軸）１０Ａと、蛍光光（第３の色光）の光軸（中心軸）８０ＡとをＺ軸方向にずらしたものである（図１０と図１２を比較することにより光軸１０Ａと光軸８０ＡのＺ軸方向のずれが表現される）。このように、青レーザ光、赤レーザ光、蛍光光の光軸を自由に三次元的に配置することで、光源の配置自由度が増し、光源装置全体を小型化することができる。

＜第５実施形態＞
図１３を参照して、第５実施形態の光源装置１について説明する。図１３は、第５実施形態の光源装置１の構成を示す図である。

第５実施形態の光源装置１では、青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０のセット、及び、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットのＸ軸方向の位置を一致させて、Ｙ軸方向に並べて配置している。そして、青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０の並び順、及び、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０の並び順をともに、Ｘ軸方向の＋側から－側に揃えている。つまり、青レーザ光源１０と青レーザ縮小素子３０と第１のフィルタ５０のセット、及び、赤レーザ光源２０と赤レーザ縮小素子４０と第２のフィルタ６０のセットが完全にパラレルに配置されている。第５実施形態の光源装置１では、青レーザ用ヒートシンク１０Ｂと赤レーザ用ヒートシンク２０Ｂの一方のヒートシンクで使った冷却の気流を他方のヒートシンクの冷却にも利用することができ、冷却の高効率化を図るとともに、ファンの個数を減らすことによる装置の小型化と低コスト化も図ることができる。

ここまで第１～第５実施形態の光源装置１を例示して説明した。しかし、第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０を、波長変換ユニット８０と光均一化素子１００の間の蛍光光（第３の色光）の光路上（グレースケール）に、それぞれ別々に配置する場合のバリエーションは、第１～第５実施形態の光源装置１以外にも考えられ、種々の設計変更を行うことができる。いずれの態様であっても、レーザ光源の位置をずらすことにより光源装置が一方向へ大型化するのを防ぐとともに、冷却効率の良い配置とすることができるので、ヒートシンク等を小型化でき、装置の小型化、軽量化を実現することができる。

＜比較例＞
図１４は、比較例の光源装置の構成を示す図である。

比較例の光源装置では、青レーザと赤レーザの間にダイクロイックミラーが配置されて、図１４中の上から下に向かって順に、青レーザとダイクロイックミラーと赤レーザが一直線に並んでいる（ダイクロイックミラーの上下に位置する青レーザと赤レーザの光軸が一致している）。このため、光源装置自体が図１４中の上下方向に大型化してしまう。さらに、青レーザと赤レーザの背面に青レーザ用ヒートシンクと赤レーザ用ヒートシンクを設ける必要があるので、より一層、光源装置自体が図１４中の上下方向に大型化してしまう。

また、単一のダイクロイックミラーで青レーザと赤レーザを反射させる必要があるため、ダイクロイックミラーの大型化が避けられない。また、ダイクロイックミラーの反射スペクトルが広域であり、蛍光光の光束幅に占めるダイクロイックミラーの幅が広い。従って、蛍光体による蛍光光がダイクロイックミラーによって遮られる（ケラレる）ことによる光利用効率の低下が懸念される。さらに、青レーザと赤レーザを単一のダイクロイックミラーで反射させる制約があるため、フィルタの特性・サイズ・配置を変更することが難しく、やはり、蛍光光の光利用効率が低下してしまう。

比較例の光源装置では、青レーザと赤レーザの光源の配置制約が大きく、光源装置全体として収まりの良い構成にすることが難しい。また光源の配置制約があると、冷却効率の良い配置とすることが難しく、ヒートシンクが大型化、重量化してしまう。

比較例の光源装置では、蛍光光の片側に１～２枚のフィルタ（ダイクロイックミラーに施されたコーティング）が設けられている。青反射フィルタや赤反射フィルタは蛍光光を透過するものの、一般的にダイクロイックミラーの透過率は９６％程度であるため、蛍光光の光路のうち片側の光利用効率が最大で９３％程度まで落ち、蛍光光の光路の色むらとなりうる。

＜プロジェクタ（画像投射装置）＞
図１５は、本実施形態のプロジェクタ（画像投射装置）２００の構成を示す図である。図１５のプロジェクタ２００は、青レーザ光源１０と赤レーザ光源２０を組み合わせた光源装置１Ｒと、青レーザ光源１０と緑レーザ光源２０Ｇを組み合わせた光源装置１Ｇとの２つの光源装置を組み合わせた複合光源装置を有している。また、光源装置１Ｒと光源装置１Ｇで光均一化素子１００が共通化されている。

光源装置１Ｒでは、青レーザ光源１０が出射した青レーザ光が第１のフィルタ５０で反射され、波長変換ユニット８０で青レーザ光と蛍光光に分離される。また、赤レーザ光源２０が出射した赤レーザ光が第２のフィルタ６０で反射される。図１５では、青レーザ光の光束を破線で描き、赤レーザ光の光束を一点鎖線で描き、蛍光光の光束をグレースケールの塗り潰しで描いている。

光源装置１Ｇでは、青レーザ光源１０が出射した青レーザ光が第１のフィルタ５０で反射され、波長変換ユニット８０で青レーザ光と蛍光光に分離される。また、緑レーザ光源（第２の光源）２０Ｇが出射した緑レーザ光が第２のフィルタ（第２の光学素子、第２のダイクロイックミラー、第２のノッチフィルタ）６０Ｇで反射される。図１５では、青レーザ光の光束を破線で描き、緑レーザ光の光束を二点鎖線で描き、蛍光光の光束をグレースケールの塗り潰しで描いている。

光源装置１Ｒからの青レーザ光と赤レーザ光と蛍光光、及び、光源装置１Ｇからの青レーザ光と緑レーザ光と蛍光光は、２つのミラーを持つ光路合成素子２１０により合成され、光均一化素子１００に導かれる。

プロジェクタ２００は、照明光学系２２０と、画像表示素子２３０と、冷却装置（ヒートシンク）２４０と、投射光学系２５０とを有している。

照明光学系２２０は、光均一化素子１００を介して入射した、光源装置１Ｒ、１Ｇから出射された光を画像表示素子２３０に導く。画像表示素子２３０は、照明光学系２２０により導かれた光を用いて（照明光を変調して）画像を生成（出力）する。冷却装置２４０は、画像表示素子２３０を冷却する。投射光学系２５０は、照明光学系２２０により導かれた光を用いて画像表示素子２３０により生成された画像を投射する（画像表示素子２３０から出射する光を拡大してスクリーンに投影する）。

本実施形態のプロジェクタによれば、蛍光光の光利用効率の低下を抑えつつ、赤レーザ光と緑レーザ光を合成しているので、明るさと色再現性を両立することができる。また、光源装置以外の光学系や冷却装置との配置の兼ね合いでプロジェクタの大きさが決定するため、光源の配置を任意に決めることができるという利点と相まって、プロジェクタを小型化することができる。

以上説明したように、本実施形態では、プロジェクタ等の画像投射装置に用いる光源装置に関して、複数のレーザ光源から出射する複数の光を導光する反射フィルタを、レーザ光源毎に配置することでレーザ光源の配置の自由度を高め、反射フィルタとして各レーザの波長帯域のみを反射するものを選定できるため、レーザと蛍光の波長域が重畳する場合であっても、蛍光の損失を少なくすることができる。特に光源毎に反射フィルタを設けることで、レイアウト自由度が向上するので、熱設計（光源の放熱設計）が容易になり、装置の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、ダイクロイックミラー（第１のフィルタ５０と第２のフィルタ６０）を蛍光光の光路に対してなるべく小さくして、蛍光光の光軸８０Ａを避けるように設けている。また、赤レーザに対応するダイクロイックミラー（第２のフィルタ６０）の反射スペクトルを狭域にしている。さらに、赤レーザに対応するダイクロイックミラー（第２のフィルタ６０）を青レーザに対応するミラー（第１のフィルタ５０）とは別に設けている。

本実施形態の光源装置及び画像投射装置は、例えば、レーザ光源を用いた高出力のプロジェクタに搭載する光源モジュールに適用することができるが、その他、高出力が要求される照明用光源にも適用することができる。

なお、上述した各実施形態では、本発明の好適な実施具体例を示したが、本発明はその内容に限定されることはない。特に、各実施形態で例示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例にすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。このように、本発明は、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

１ １Ｒ １Ｇ 光源装置
１０ 青レーザ光源（第１の光源）
２０ 赤レーザ光源（第２の光源）
２０Ｇ 緑レーザ光源（第２の光源）
３０ 青レーザ縮小素子
４０ 赤レーザ縮小素子
５０ 第１のフィルタ（第１の光学素子、第１のダイクロイックミラー、第１のノッチフィルタ）
６０ 第２のフィルタ（第２の光学素子、第２のダイクロイックミラー、第２のノッチフィルタ）
６０Ｇ 第２のフィルタ（第２の光学素子、第２のダイクロイックミラー、第２のノッチフィルタ）
６１ 反射寄与部（第２のフィルタ）
６２ 反射非寄与部（フィルタ被形成部、フィルタ非形成部）
６３ ガラス基板（反射非寄与部、フィルタ被形成部、フィルタ非形成部）
７０ 第１の集光レンズ（第１の集光素子、集光光学系）
８０ 波長変換ユニット（蛍光体ユニット）
８１ 駆動機構
８２ 回転軸
８３ 反射領域
８４ 蛍光領域
９０ 第２の集光レンズ（第２の集光素子、集光光学系）
１００ 光均一化素子（光入射素子）
２００ プロジェクタ（画像投射装置）
２１０ 光路合成素子
２２０ 照明光学系
２３０ 画像表示素子
２４０ 冷却装置（ヒートシンク）
２５０ 投射光学系

Claims (14)

1. 第１の色光を出射する第１の光源と、
   第２の色光を出射する第２の光源と、
   前記第１の色光の少なくとも一部を第３の色光に変換して出射する波長変換ユニットと、
   前記第１、第２、第３の色光が入射する光入射素子と、
   前記第１の色光を前記波長変換ユニットに反射する第１のフィルタと、
   前記第２の色光を前記光入射素子に反射する第２のフィルタと、
   を有し、
   前記第１、第２のフィルタは、前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間の前記第３の色光の光路上に、それぞれ別々に配置される、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記第２のフィルタは、前記第３の色光の波長域のうち、前記第２の色光の波長域を除いた波長域を透過する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間に位置する集光光学系をさらに有し、
   前記第２のフィルタは、前記集光光学系の光軸外に配置される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１の光源から出射する前記第１の色光の中心軸と、前記第２の光源から出射する前記第２の色光の中心軸とは、互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記第１の光源から出射する前記第１の色光の中心軸と、前記第２の光源から出射する前記第２の色光の中心軸とは、同一平面内に位置し、且つ、前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間の前記第３の色光の光路上で、互いに平行に延びる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記第１の光源から出射する前記第１の色光の中心軸と、前記第２の光源から出射する前記第２の色光の中心軸とは、前記波長変換ユニットと前記光入射素子の間の前記第３の色光の光路上で、互いにねじれの関係をなすように延びる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源装置。
7. 前記第１、第２、第３の色光は、同一平面内に位置しない、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源装置。
8. 前記第２のフィルタと前記光入射素子の間に位置する第２の集光素子をさらに有し、
   前記第２の集光素子における前記第３の色光の投影面積をＰＳＡ３、前記第２の集光素子における前記第２の色光の投影面積をＰＳＡ２としたとき、条件式（１）を満足する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の光源装置。
   （１）０．１００≦ＰＳＡ２／ＰＳＡ３≦０．３７５
9. 前記第２のフィルタは、前記第２の色光の反射に寄与しないフィルタ被形成部に形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の光源装置。
10. 前記第２のフィルタで反射される前記第２の色光の光量は、前記第２のフィルタで反射される前記第３の色光の光量より多い、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の光源装置。
11. 前記第１、第２のフィルタは、前記第１、第２のフィルタの両方を透過する前記第３の色光の成分が存在しないように設けられる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光源装置。
12. 前記第１の色光は、青色光であり、
    前記第２の色光は、赤色光又は緑色光であり、
    前記第３の色光は、黄色又は緑色の蛍光光である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光源装置。
13. 前記波長変換ユニットは、前記第１の色光を反射する反射領域を有し、
    前記第１のフィルタと前記波長変換ユニットの間に位置し、前記第１のフィルタが反射した前記第１の色光を集光するとともに、前記波長変換ユニットが出射した前記第１、第３の色光を略平行化する第１の集光素子をさらに有し、
    前記第１の色光は、前記第１の集光素子の一部分を通って前記波長変換ユニットに入射され、前記反射領域で反射された後、前記第１の集光素子の他部分を通って出射される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光源装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光源装置と、
    前記光源装置から出射された光を画像表示素子へ導く照明光学系と、
    前記照明光学系により導かれた光を用いて前記画像表示素子により生成された画像を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする画像投射装置。

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