JP6641964B2 - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

複数の半導体レーザーから射出される光によって蛍光体を励起し、励起した蛍光体から発せられた蛍光を利用する光源装置、およびこの光源装置を用いたプロジェクターが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

この光源装置では、固体光源ユニットからの射出光を偏光分離ミラーによって分離し、分離した一方の光を励起光として蛍光体層に導き、分離した他方の光と蛍光体層から得られた蛍光とを合成して照明光としている。また、固体光源ユニットと偏光分離ミラーとの間の光路上に設けた位相差板により偏光分離ミラーに入射する光の偏光状態を調整することで、色バランスが調整された所望の光を生成している。

特開２０１２−１３７７４４号公報

ところで、上記光源装置においては、固体光源ユニットから射出された励起光が偏光分離ミラーの前段に配置された光学素子に入射することで該光学素子が発熱し、膨張してしまう。すると、光弾性効果によって光学素子に複屈折が発生し、励起光の偏光状態が乱される。そのため、固体光源ユニットからの射出光を偏光分離ミラーによって所定の割合で分離することができず、所望の光を生成できない可能性があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、所望の光を射出できる光源装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、固体光源と、前記固体光源から射出された光線が入射するコリメーターレンズと、集光光学系と平行化光学系とを含み、前記コリメーターレンズを透過した前記光線が入射するアフォーカル光学系と、前記アフォーカル光学系を透過した前記光線が入射するレンズインテグレータと、前記レンズインテグレータを透過した前記光線が入射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子によって前記光線から分離された第１の偏光成分が入射する波長変換素子と、を備え、前記平行化光学系は、前記集光光学系により集光された前記光線を平行化し、前記平行化光学系に入射する前記光線の光密度は、前記集光光学系に入射する前記光線の光密度よりも高く、前記平行化光学系は、石英で形成されたレンズを含み、前記集光光学系は、前記石英よりも熱膨張係数が大きく、かつ前記光線に対する内部吸収率が前記石英よりも大きい材料で形成されたレンズを含む光源装置が提供される。

第１態様に係る光源装置によれば、アフォーカル光学系が内部吸収及び熱膨張係数の小さい石英で形成されたレンズを含むので、アフォーカル光学系が光を吸収することで生じる光弾性効果による複屈折の変化を低減することができる。よって、アフォーカル光学系を透過する光の偏光状態の変化を低減できるので、偏光分離素子により所定の量の第１の偏光成分を分離することができる。したがって、所望の光を得やすい。

上記第１態様において、前記集光光学系は、前記石英よりも熱膨張係数が大きい硝材で形成された非球面レンズで構成されており、前記平行化光学系は、前記石英で形成された両凹レンズで構成されているのが好ましい。
この構成によれば、集光されて光密度が高い光が透過するために発熱量が大きい平行化光学系に石英で形成されたレンズを用いるので、アフォーカル光学系で生じる光弾性効果による複屈折の変化を効率良く低減することができる。
石英は屈折率が比較的小さいため、石英で形成されたレンズ（石英レンズ）は光を大きく屈折させることが難しい。しかし、平行化光学系では、石英レンズとして、レンズ両面で光を屈折可能な両凹レンズを採用したので、光を良好に屈折させて平行化することができる。さらに、非球面レンズからなる集光光学系によって、アフォーカル光学系を透過した光線に収差を生じ難くすることができる。

上記第１態様において、前記集光光学系は、前記石英で形成された２枚の球面レンズで構成されており、前記平行化光学系は、前記石英で形成された両凹レンズで構成されているのが好ましい。
この構成によれば、集光されて光密度が高い光が透過するために発熱量が大きい平行化光学系に石英で形成されたレンズを用いるので、該平行化光学系で生じる光弾性効果による複屈折の変化を低減することができる。
また、集光光学系として２枚の球面レンズを用いることで、非球面レンズ１枚を用いる場合に比べてコストを低減しつつ、アフォーカル光学系を透過した光線に収差を生じ難くすることができる。
石英は屈折率が比較的小さため、石英レンズは光を大きく屈折させることが難しいが、両凹レンズはレンズ両面で光を屈折させることで光を良好に平行化することができる。

上記第１態様において、前記レンズインテグレータは、第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの後段に設けられ、前記石英で形成された第２のレンズアレイと、を含むのが好ましい。
この構成によれば、集光されて光密度が高い光が透過するために発熱量が大きい第２のレンズアレイを石英で形成するので、レンズインテグレータで生じる光弾性効果による複屈折の変化を低減することができる。

上記第１態様において、前記コリメーターレンズは、前記石英で形成されているのが好ましい。
この構成によれば、コリメーターレンズで生じる光弾性効果による複屈折の変化を低減することができる。

上記第１態様において、複数の前記固体光源から射出され、複数の前記コリメーターレンズを透過した複数の前記光線からなる光線束の断面を縮小する縮小光学系をさらに備え、前記縮小光学系は、前記石英で形成された光学素子を含むのが好ましい。
この構成によれば、縮小光学系の光学素子で生じる光弾性効果による複屈折の変化を低減することができる。

上記第１態様において、前記石英は合成石英であるのが好ましい。
この構成によれば、純度が高い合成石英を用いるため、熱膨張係数及び内部吸収率をより小さくすることができる。よって、アフォーカル光学系における光弾性効果による複屈折の変化をより低減することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第２態様に係る光源装置と、前記光源装置からの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、を備えるプロジェクターが提供される。

第２態様に係るプロジェクターは上記第１態様に係る光源装置を備えるので、所望の色バランスの画像光を投射することができる。

第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 蛍光発光素子の要部構成を示す図。 第２実施形態の光源装置の概略構成を示す図。 光源ユニットの概略構成を示す図。 縮小光学系によって縮小された縮小光線束を示す図。 変形例に係るアフォーカル光学系の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、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。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，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、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離する。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とを概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、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を透過することによって、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。

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のダイクロイックミラー７ｂの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の光路長よりも長い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，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各々には、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，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，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，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，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。

（照明装置）
続いて、照明装置２の構成について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、インテグレーター光学系２９と、偏光変換素子３０と、重畳光学系３１と、を備えている。

光源装置２Ａ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、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、位相差板２６と、ピックアップ光学系２７と、蛍光発光素子４５と、を備える。

アレイ光源２１、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、ホモジナイザー光学系２４および光学素子２５Ａは、光軸ａｘ１上に配置されている。一方、蛍光発光素子４５、ピックアップ光学系２７、位相差板２６、光学素子２５Ａ、インテグレーター光学系２９、偏光変換素子３０および重畳光学系３１は、光軸ａｘ２上に配置されている。
光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一平面内にあり、かつ、互いに直交している。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー２１ａが配列された構成を有する。具体的には、複数の半導体レーザー２１ａは、光軸ａｘ１と直交する面内にアレイ状に配列されている。半導体レーザー２１ａは、第１の波長帯の第１の光として、例えば４４０〜４８０ｎｍの波長域にピーク波長を有する青色の光線ＢＬを励起光として射出する。複数の半導体レーザー２１ａの各々から射出される光線ＢＬは、偏光分離素子５０Ａに向けて光軸ａｘ１と平行に射出される。
本実施形態の半導体レーザー２１ａは、特許請求の範囲の「固体光源」に相当する。

アレイ光源２１において、全ての半導体レーザー２１ａは、該半導体レーザー２１ａから射出される光線ＢＬが偏光分離素子５０Ａに対してＳ偏光として入射するように、配置されている。アレイ光源２１から射出された光線ＢＬは、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から射出された光線ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えば複数の半導体レーザー２１ａの配列に対応してアレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。コリメーター光学系２２を透過することによって平行光に変換された光線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、複数の光線ＢＬからなる光線束の光束径を縮小する。アフォーカル光学系２３は、例えば２枚のアフォーカルレンズ２３ａ、アフォーカルレンズ２３ｂから構成されている。

本実施形態において、アフォーカルレンズ２３ａは光入射面が非球面で構成された非球面レンズである。アフォーカルレンズ２３ａはコリメーター光学系２２からの複数の光線ＢＬを光軸ａｘ１に近づけるように集光させる機能を有する。
アフォーカルレンズ２３ａは一般的な硝材で形成されており、石英よりも熱膨張係数が大きい。

本実施形態において、アフォーカルレンズ２３ｂは光入射面側及び光射出面側の両面が凹面からなる両凹レンズで構成されている。アフォーカルレンズ２３ｂは、アフォーカルレンズ２３ａにより集光された複数の光線ＢＬを光軸ａｘ１と平行な平行光に変換する機能を有する。
アフォーカルレンズ２３ｂは石英で形成されたレンズ（石英レンズ）である。従って、アフォーカルレンズ２３ｂの熱膨張係数は一般的な硝材よりも小さい

つまり、本実施形態において、アフォーカルレンズ２３ａは特許請求の範囲の「集光光学系」に相当し、アフォーカルレンズ２３ｂは特許請求の範囲の「平行化光学系」に相当する。

上記構成に基づき、アフォーカル光学系２３は、複数の光線ＢＬからなる光線束の光束径を縮小してホモジナイザー光学系２４に入射させる。

ホモジナイザー光学系２４は、被照明領域（ここでは蛍光体層３２）における照度分布を均一にする。ホモジナイザー光学系２４は、例えば一対のマルチレンズアレイ２４ａ、マルチレンズアレイ２４ｂから構成されている。マルチレンズアレイ２４ａの各レンズはアフォーカル光学系２３からの光を複数の小光線束に分割して、各小光線束をマルチレンズアレイ２４ｂの対応する各レンズに入射させる。
ホモジナイザー光学系２４を透過した光線ＢＬは、偏光分離素子５０Ａを介して蛍光発光素子４５に入射する。本実施形態において、ホモジナイザー光学系２４は特許請求の範囲の「レンズインテグレータ」に相当する。

光学素子２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムから構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１および光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有する。傾斜面Ｋは、互いに直交する光軸ａｘ１および光軸ａｘ２の交点に配置されている。傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子５０Ａが設けられている。

偏光分離素子５０Ａは、第１の波長帯の光線ＢＬに対して偏光分離機能を有する。本実施形態では、偏光分離素子５０Ａは、光線ＢＬのうちのＳ偏光成分を反射させ、光線ＢＬのＰ偏光成分を透過させる。また、偏光分離素子５０Ａは、第１の波長帯（光線ＢＬの波長帯）とは異なる第２の波長帯の光を、偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有する。

本実施形態の場合、半導体レーザー２１ａから射出される光線ＢＬは偏光分離素子５０Ａに対してＳ偏光として入射する。そのため、偏光分離素子５０Ａに入射した光線ＢＬは、Ｓ偏光状態の光線ＢＬｓとして、蛍光発光素子４５に向けて反射される。
なお、光学素子２５Ａとして、プリズム形状の素子に限らず、板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。本実施形態の光線ＢＬｓは、特許請求の範囲の「第１の偏光成分」に相当する。

位相差板２６は、偏光分離素子５０Ａと蛍光発光素子４５の蛍光体層３２との間の光路中に配置されている。位相差板２６は、１／４波長板（λ／４板）で構成されている。Ｓ偏光の光線ＢＬｓは、位相差板２６を透過することにより円偏光の光線ＢＬｃに変換される。その後、円偏光の光線ＢＬｃは、ピックアップ光学系２７に入射する。後述するように、位相差板２６には回転機構（不図示）が設けられている。これにより、位相差板２６の光学軸は、光軸ａｘ２を中心として回転できるように構成されている。

ピックアップ光学系２７は、光線ＢＬｃを蛍光体層３２に向けて集光させる。ピックアップ光学系２７は、例えばピックアップレンズ２７ａおよびピックアップレンズ２７ｂから構成されている。

図３は蛍光発光素子４５の要部構成を示す図である。
図３に示すように、位相差板２６と蛍光体層３２との間の光路中には、反射部３２ａが設けられている。反射部３２ａは、第１の波長帯の第１の光である光線ＢＬｃのうちの一部の光線ＢＬｃ１を偏光分離素子５０Ａに向けて反射させる。反射部３２ａは、光線ＢＬｃのうちの他の一部の光線ＢＬｃ２を蛍光体層３２に向けて透過させる。反射部３２ａは、第２の波長帯の第２の光である蛍光光ＹＬ２を透過させる。

蛍光発光素子４５は、蛍光体層３２と、反射部３２ａと、反射素子３２ｂと、蛍光体層３２を支持する基板３３と、を備えている。蛍光体層３２には、基板３３とは反対側から光線ＢＬｃが入射する。蛍光体層３２は、第１の波長帯の第１の光である光線ＢＬｃ２を吸収して励起される蛍光体を含んでいる。光線ＢＬｃ２により励起された蛍光体は、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の光として、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する黄色の蛍光光を生成する。

本実施形態においては、反射部３２ａは、蛍光体層３２の光線ＢＬｃが入射する側の面に設けられた拡散反射面で構成されている。拡散反射面は、光線ＢＬｃのうち一部の光線ＢＬｃ１を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射する。

拡散反射面は、例えば、蛍光体層３２の光線ＢＬｃが入射する側の面に、ディンプル加工を施すことによって形成することができる。この場合、反射部３２ａは、多数の凸面が形成された表面によるフレネル反射を利用して、光線ＢＬｃのうち一部の光線ＢＬｃ１を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させることができる。

本実施形態においては、蛍光体層３２の光線ＢＬｃが入射する側とは反対側に、反射素子３２ｂが設けられている。反射素子３２ｂは、鏡面反射面からなる。鏡面反射面は、蛍光体層３２で生成された蛍光光ＹＬ１を反射する。具体的に、鏡面反射面は、蛍光体層３２の光線ＢＬｃが入射する側とは反対側の面に、反射膜３２ｃを設けることによって形成することができる。

また、鏡面反射面は、基板３３が光反射性を有する材料で形成されている場合、反射膜３２ｃを省略して、基板３３の蛍光体層３２と対向する面を鏡面化することによって形成することができる。
なお、反射素子３２ｂは、蛍光発光素子４５に入射した励起光（光線ＢＬｃ２）のうち、蛍光に変換されなかった成分を偏光分離素子５０Ａに向けて反射させる反射部としても機能する。

図２に示したように、蛍光体層３２は、蛍光体層３２の側面に設けられた光反射性を有する無機接着剤Ｓにより基板３３に固定されている。基板３３の蛍光体層３２を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３４が設けられている。

蛍光体層３２で生成された蛍光光のうち、基板３３側に向かう一部の蛍光光ＹＬ１は、反射素子３２ｂにより反射され、蛍光体層３２の外部に射出される。また、蛍光体層３２で生成された蛍光光のうち、基板３３と反対側に向かう他の一部の蛍光光ＹＬ２は、反射素子３２ｂを介することなく蛍光体層３２の外部に射出される。このようにして、蛍光体層３２から偏光分離素子５０Ａに向けて黄色の蛍光光ＹＬが射出される。

蛍光体層３２から偏光分離素子５０Ａに向けて射出された黄色の蛍光光ＹＬは、ピックアップ光学系２７および位相差板２６を透過する。蛍光光ＹＬは非偏光のため、蛍光光ＹＬは、位相差板２６を通過した後も非偏光のままで偏光分離素子５０Ａに入射する。蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａを透過する。

一方、反射部３２ａで反射した青色の光線ＢＬｃ１は、再びピックアップ光学系２７および位相差板２６を透過する。光線ＢＬｃ１は、位相差板２６を再び透過することにより、円偏光からＰ偏光の光線ＢＬｐに変換される。Ｐ偏光の光線ＢＬｐは、偏光分離素子５０Ａを透過する。

偏光分離素子５０Ａを透過する青色の光線ＢＬｐと黄色の蛍光光ＹＬとが合成されることにより、白色の照明光ＷＬが得られる。照明光ＷＬは、偏光分離素子５０Ａを透過した後に、インテグレーター光学系２９に入射する。なお、色温度の高い白色光（照明光）ＷＬを得るためには、光線ＢＬｃに対する反射部３２ａの反射率を１０〜２５％とすることが好ましく、１５〜２０％とすることがより好ましい。

インテグレーター光学系２９は、被照明領域である液晶パネルにおける照度分布を均一化する。インテグレーター光学系２９は、レンズアレイ２９ａおよびレンズアレイ２９ｂから構成されている。レンズアレイ２９ａおよびレンズアレイ２９ｂの各々は、複数のレンズがアレイ状に配列された構成を有する。インテグレーター光学系２９を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３０に入射する。

偏光変換素子３０は、照明光ＷＬを直線偏光に変換する。偏光変換素子３０を通過した照明光ＷＬは、重畳光学系３１に入射する。

重畳光学系３１は、重畳レンズから構成されている。照明光ＷＬは、重畳光学系３１を透過することにより被照明領域である各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの光入射面上で重畳され、照度分布が均一化される。

ところで、上記説明では理想的な場合について説明した。すなわち、アレイ光源２１から射出された光線ＢＬの全てが偏光分離素子５０Ａにより蛍光発光素子４５に向けて反射される場合について説明した。しかしながら、後述のように、光線ＢＬの一部が偏光分離素子５０Ａにより反射されない場合がある。

本実施形態において、アレイ光源２１と偏光分離素子５０Ａとの間における光軸ａｘ１上には、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、及びホモジナイザー光学系２４が配置されている。これら光学系を構成する硝材は内部吸収率がゼロではない。そのため、これら光学系を構成する硝材はアレイ光源２１から射出された光線ＢＬの一部を吸収して発熱する。

硝材が正の熱膨張係数を有する場合、硝材が発熱すると膨張する。室温において光学系が複屈折を持っていなかったとしても、膨張によって熱歪みが発生し、その結果、光学系に複屈折が発生する。以下、この現象を光弾性効果という。

光弾性効果による偏光状態の乱れによって、アレイ光源２１から射出された際にＳ偏光成分のみから構成されていた光線ＢＬの中にＰ偏光成分が含まれるようになる。すると、アレイ光源２１から射出された光線ＢＬのうち、Ｐ偏光成分の光線は偏光分離素子５０Ａを透過してしまう。そのため、偏光分離素子５０Ａにより蛍光発光素子４５に向けて反射される光線ＢＬｓの光量が減少してしまう。その結果、照明光ＷＬとして利用できる青色光（光線ＢＬｐ）と蛍光光ＹＬとの比率が変化し、照明光ＷＬの色バランス（ホワイトバランス）が崩れて所望の光（所望の色バランスの光）を得ることができなくなるおそれがある。

本実施形態において、アレイ光源２１と偏光分離素子５０Ａとの間における光軸ａｘ１上には、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、及びホモジナイザー光学系２４が配置されているが、光弾性効果はアフォーカル光学系２３において最も起こり易い。

アフォーカル光学系２３において光弾性効果が生じやすい理由は以下である。
光弾性効果（複屈折）が生じ易い条件としては、第１条件として、レンズの厚みが厚いことが挙げられる。光路長が長くなると位相差が大きいためである。第２条件として、光密度が高いことが挙げられる。光密度が高いほど温度が上昇し易いためである。第３条件として、レンズパワーが強いことが挙げられる。レンズにおける中心と周辺部とで厚み差が大きいためである。

アフォーカル光学系２３のうちアフォーカルレンズ２３ａは上記第１条件を満たす。また、アフォーカルレンズ２３ｂは上記第２条件及び３条件を満たす。

このようにアフォーカル光学系２３は、光弾性効果を生じ易い条件を満たしたレンズから構成されているため、アレイ光源２１と偏光分離素子５０Ａとの間に配置された光学系のうち、最も光弾性効果が生じ易い光学系であると言える。

本実施形態においては、最も光弾性効果が生じ易いアフォーカル光学系２３を構成するアフォーカルレンズ２３ａ及びアフォーカルレンズ２３ｂの少なくとも一方、具体的にはアフォーカルレンズ２３ｂを石英レンズで構成している。石英レンズは、一般的な硝材からなるレンズに比べて内部吸収及び熱膨張係数が小さい。

本実施形態においては、石英レンズの硝材は合成石英である。合成石英は、青色の光線ＢＬの波長において内部吸収率が例えば、０．１％以下であり、一般の光学硝子の内部吸収率の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、合成石英は、熱膨張係数が一般の光学硝子の熱膨張係数の１／１０程度であるため、温度が上昇しても歪みにくい。そのため、光線ＢＬの強度を強くしても、大きな熱歪みが起こりにくい。つまり、光弾性効果による偏光状態の変化が起こりにくい。

このように、石英レンズを含むアフォーカル光学系２３によれば、光線ＢＬの入射による熱歪が生じ難く複屈折の発生が低減されるので、該アフォーカル光学系２３を透過する光線ＢＬの偏光状態の乱れを低減できる。

なお、光線ＢＬの偏光状態の乱れを最も低減するには、アフォーカル光学系２３を構成するアフォーカルレンズ２３ａ及びアフォーカルレンズ２３ｂの両方を石英レンズで構成することが最も好ましい。しかしながら、アフォーカルレンズ２３ａ及びアフォーカルレンズ２３ｂの両方を石英レンズで構成することはコストの上昇を招く。

本実施形態では、アフォーカル光学系２３のうち、複数の光線ＢＬを平行化する平行化光学系としての機能を有するアフォーカルレンズ２３ｂを石英レンズで形成し、アフォーカルレンズ２３ａを一般的な硝材で形成している。

アフォーカルレンズ２３ａに入射する光線ＢＬの集光度は比較的低いことから、該アフォーカルレンズ２３ａを透過する光線ＢＬの光密度は低く、該アフォーカルレンズ２３ａの発熱量も小さくなる。一方、アフォーカルレンズ２３ｂには、アフォーカルレンズ２３ａで集光された光線ＢＬが入射するため、該アフォーカルレンズ２３ｂを透過する光の光密度が高く、アフォーカルレンズ２３ｂの発熱量も大きくなるためである。

以上のように、本実施形態のアフォーカル光学系２３においては、発熱量が大きく複屈折の発生し易いアフォーカルレンズ２３ｂに石英レンズを用い、相対的に複屈折が発生し難いアフォーカルレンズ２３ａに一般的な硝材からなるレンズを用いている。そのため、コストを抑えつつ、アフォーカル光学系２３を透過する光線ＢＬに生じる偏光状態の乱れを効率良く低減することができる。

なお、石英は屈折率が小さいため、石英レンズ（アフォーカルレンズ２３ｂ）は光を大きく屈折させることが難しい。しかし、本実施形態のアフォーカルレンズ２３ｂはレンズ両面で光を屈折可能な両凹レンズであるため、光線ＢＬを良好に屈折させて平行化することができる。
また、アフォーカル光学系２３は、アフォーカルレンズ２３ａとして非球面レンズを採用することで、該アフォーカル光学系２３を透過した光線ＢＬに生じる収差を低減することができる。

本実施形態の光源装置２Ａによれば、アフォーカル光学系２３を透過した光線ＢＬの偏光状態の乱れが低減されるので、偏光分離素子５０Ａにより所定の光量の光線ＢＬｓを蛍光発光素子４５に向けて反射させることができる。よって、青色光（光線ＢＬｐ）と蛍光光ＹＬとの比率の変化が低減され、照明光ＷＬの色バランス（ホワイトバランス）をほぼ一定に保つことができる。

したがって、本実施形態の照明装置２は、所望の光（所望の色バランスの光）を照射することができる。また、本実施形態のプロジェクター１によれば、所望の色バランスの照明光ＷＬを射出する照明装置２を備えるので、色バランスに優れた画像光をスクリーンＳＣＲ上に投射できる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は本実施形態の光源装置の概略構成を示す図である。なお、上記実施形態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。

図４に示すように、光源装置７０は、光源ユニット７０Ａと、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、第１の位相差板２６ａと、偏光ビームスプリッター３５と、第１のピックアップ光学系２８と、蛍光体層を備えた蛍光体ホイール（波長変換素子）２９と、第２の位相差板２６ｂと、第２のピックアップ光学系４１と、回転拡散素子４２と、を備えている。偏光ビームスプリッター３５は特許請求の範囲の「偏光分離素子」に相当する。以下、偏光ビームスプリッター３５をＰＢＳ３５と略称する。

光源ユニット７０Ａと、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、第１の位相差板２６ａと、ＰＢＳ３５と、第２の位相差板２６ｂと、第２のピックアップ光学系４１とは、光軸ＡＸ０上に配置されている。第１のピックアップ光学系２８は、光軸ＡＸ０と直交する光軸ＡＸ１上に配置されている。

本実施形態のアフォーカル光学系２３においても、アフォーカルレンズ２３ｂに石英レンズを用いアフォーカルレンズ２３ａに一般的な硝材からなるレンズを用いることで、コストを抑えつつ、アフォーカル光学系２３を透過する光線ＢＬに生じる偏光状態の乱れを効率良く低減している。

図５は光源ユニット７０Ａの概略構成を示す図である。
図５に示すように、光源ユニット７０Ａは、光源部１２１と、縮小光学系１６とを含む。本実施形態において、光源部１２１は、第１の光源部１２１Ａと第２の光源部１２１Ｂとを含む。本実施形態において、第１の光源部１２１Ａと第２の光源部１２１Ｂとは一体に形成されているが、別体から構成されていても良い。

第１の光源部１２１Ａ及び第２の光源部１２１Ｂは、それぞれ複数の半導体レーザー１２を含む。半導体レーザー１２は、例えば青色の光線ＢＬを射出する。半導体レーザー１２から射出された光線ＢＬはコリメーターレンズ（不図示）により平行光に変換される。
第１の光源部１２１Ａ及び第２の光源部１２１Ｂは、それぞれ、４行４列に配列された半導体レーザー１２を備えている。（後述の図６参照）。つまり、合計で３２個の半導体レーザー１２が配置されている。なお、図５，６において、複数の半導体レーザー１２の配列の行方向をＺ方向とし、列方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向と垂直な方向をＹ方向とする。半導体レーザー１２の個数および配列は特に限定されない。

本実施形態において、第１の光源部１２１Ａは、複数の光線ＢＬからなる光線束Ｋ２を射出する。また、第２の光源部１２１Ｂは、複数の光線ＢＬからなる光線束Ｋ３を射出する。

本実施形態の縮小光学系１６は、第１の縮小光学系１７と、第２の縮小光学系１８とを含む。縮小光学系１６は、光線束Ｋ２と光線束Ｋ３とを縮小して、縮小光線束Ｋ５ｓとして射出する。
第１の縮小光学系１７は、＋Ｙ方向に進む光線束Ｋ２を該＋Ｙ方向と交差する−Ｘ方向に縮小して、縮小光線束Ｋ２ｓとして射出する。また、第２の縮小光学系１８は、＋Ｙ方向に進む光線束Ｋ３を上記第１の方向とは逆の＋Ｘ方向に縮小して、縮小光線束Ｋ３ｓとして射出する。縮小光線束Ｋ２ｓと縮小光線束Ｋ３ｓとは縮小光線束Ｋ５ｓを構成する。

第１の縮小光学系１７は、プリズム１６Ａ，１６Ｂを含む。第２の縮小光学系１８は、プリズム１６Ｃ，１６Ｄを含む。これらプリズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、アフォーカルレンズ２３ｂと同様、合成石英から形成されている。

本実施形態において、プリズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、特許請求の範囲における「光学素子」に相当する。

なお、プリズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ各々は、図５のＺ方向に沿って延在する板状の部材から形成されており、他のレーザー列に属する半導体レーザー１２から射出された光の光路も同様にＸ方向にシフトする。

プリズム１６Ａは、第１の面１６Ａ３と、第２の面１６Ａ４と、第１の反射面１６Ａ１と、第２の反射面１６Ａ２と、を備えている。第１の反射面１６Ａ１と第２の反射面１６Ａ２各々は、光線ＢＬを反射する反射部材、例えば、ミラー等から構成される。第１の面１６Ａ３と第２の面１６Ａ４各々は、光線ＢＬを透過させる。

第１の反射面１６Ａ１は、第１の面１６Ａ３の法線方向（Ｙ方向）に対して４５°傾いている。そのため、第１の反射面１６Ａ１は、Ｙ方向に進んできた光線ＢＬを左回りに９０°折り曲げるように反射することが可能である。

第２の反射面１６Ａ２は、第２の面１６Ａ４の法線方向（Ｙ方向）に対して４５°傾いている。そのため、第２の反射面１６Ａ２は、第１の反射面１６Ａ１で反射されてプリズム１６Ａの内部を進んできた光線ＢＬを右回りに９０°折り曲げるように反射することが可能である。

プリズム１６Ｂは、第１の面１６Ｂ３と、第２の面１６Ｂ４と、第１の反射面１６Ｂ１と、第２の反射面１６Ｂ２と、を備えている。プリズム１６Ｃは、第３の面１６Ｃ３と、第４の面１６Ｃ４と、第３の反射面１６Ｃ１と、第４の反射面１６Ｃ２と、を備えている。プリズム１６Ｄは、第３の面１６Ｄ３と、第４の面１６Ｄ４と、第３の反射面１６Ｄ１と、第４の反射面１６Ｄ２と、を備えている。プリズム１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄの各々は、プリズム１６Ａと同じように構成されているため、詳しい説明は省略する。

本実施形態の縮小光学系１６においては、所定の配置ルールに基づいて、各プリズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが配置されている。

具体的に、プリズム１６Ｂが備える第１の反射面１６Ｂ１はプリズム１６Ａが備える第１の反射面１６Ａ１に対して光線束Ｋ２の縮小方向（−Ｘ方向）と反対側（＋Ｘ方向）に設けられている。さらに、プリズム１６Ｂが備える第２の反射面１６Ｂ２はプリズム１６Ａが備える第２の反射面１６Ａ２に対して＋Ｘ方向に設けられている。

さらに、プリズム１６Ｄが備える第３の反射面１６Ｄ１は、プリズム１６Ｃが備える第３の反射面１６Ｃ１に対して−Ｘ方向に設けられており、且つ、プリズム１６Ｄが備える第４の反射面１６Ｄ２は、プリズム１６Ｃが備える第４の反射面１６Ｃ２に対して−Ｘ方向に設けられている。

したがって、本実施形態では、縮小光学系１６が備える複数の反射面は、図５において左右対称の関係となっている。

以下、第１の縮小光学系１７および第２の縮小光学系１８の構造について説明する。
第１の縮小光学系１７を構成するプリズム１６Ａ，１６Ｂの各々には、第１の光源部１２１Ａのうち対応する半導体レーザー１２から射出された光線ＢＬが入射する。以下、説明の便宜上、第１の光源部１２１Ａを構成する複数の半導体レーザー１２を、図５の−Ｘ側から＋Ｘ側に向かって順に、それぞれ半導体レーザー１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇ，１２Ｈと称する。

図５に示すように、半導体レーザー１２Ｅから射出された光線ＢＬＥは、プリズム１６Ａを通り抜ける。半導体レーザー１２Ｆから射出された光線ＢＬは、プリズム１６Ａ，１６Ｂを通り抜ける。

プリズム１６Ａは半導体レーザー１２Ｇに対応して配置され、プリズム１６Ｂは半導体レーザー１２Ｈに対応して配置されている。

第２の縮小光学系１８を構成するプリズム１６Ｃ，１６Ｄの各々には、第２の光源部１２１Ｂのうち対応する半導体レーザー１２から射出された光線ＢＬが入射する。以下、説明の便宜上、第２の光源部１２１Ｂを構成する複数の半導体レーザー１２を、図５の−Ｘ側から＋Ｘ側に向かって順に、それぞれ半導体レーザー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと称する。

図５に示すように、半導体レーザー１２Ｄから射出された光線ＢＬＤはいずれのプリズムにも入射することなく直進する。半導体レーザー１２Ｃから射出された光線ＢＬＣは、プリズム１６Ｃを通り抜ける。

プリズム１６Ｃは半導体レーザー１２Ｂに対応して配置され、プリズム１６Ｄは半導体レーザー１２Ａに対応して配置されている。

本実施形態において、半導体レーザー１２Ｇから射出された光線ＢＬＧは、プリズム１６Ａの第１の面１６Ａ３を通って、第１の反射面１６Ａ１に入射し、第１の反射面１６Ａ１と第２の反射面１６Ａ２とでこの順に反射して、第２の面１６Ａ４を通って射出される。これにより、光線ＢＬＧの光路は、プリズム１６Ａにより−Ｘ方向にシフトされる。

ここで、図６は縮小光学系１６によって縮小された縮小光線束Ｋ５ｓを示す図である。
光線ＢＬＧは、図６に示すように、光線ＢＬＥと光線ＢＬＤとの間に位置する。

また、半導体レーザー１２Ｈから射出された光線ＢＬＨの光路は、図５に示したように、光線ＢＬＧと同様に、プリズム１６Ｂにより−Ｘ方向にシフトされる。縮小光線束Ｋ５ｓにおいて、光線ＢＬＨは、図６に示すように、光線ＢＬＥと光線ＢＬＦとの間に位置する。

このようにして、第１の縮小光学系１７は、光線束Ｋ２を縮小光線束Ｋ２ｓに変換する。縮小光線束Ｋ２ｓの進行方向は、光線束Ｋ２が第１の縮小光学系１７に入射したときと略同じである。

半導体レーザー１２Ｂから射出された光線ＢＬＢは、第２の縮小光学系１８のプリズム１６Ｃの第３の面１６Ｃ３を通って、第３の反射面１６Ｃ１に入射し、第３の反射面１６Ｃ１と第４の反射面１６Ｃ２とでこの順に反射して、第４の面１６Ｃ４を通って射出される。これにより、光線ＢＬＢの光路は、プリズム１６Ｃにより＋Ｘ方向にシフトされる。縮小光線束Ｋ５ｓにおいて、光線ＢＬＢは、図６に示すように、光線ＢＬＤと光線ＢＬＣとの間に位置する。

半導体レーザー１２Ａから射出された光線ＢＬＡの光路は、図５に示したように、光線ＢＬＢと同様に、プリズム１６Ｄにより＋Ｘ方向にシフトされる。縮小光線束Ｋ５ｓにおいて、光線ＢＬＡは、図６に示すように、光線ＢＬＣの−Ｘ側の近傍に位置する。

このようにして、第２の縮小光学系１８は、光線束Ｋ３を縮小光線束Ｋ３ｓに変換する。縮小光線束Ｋ３ｓの進行方向は、光線束Ｋ３が第２の縮小光学系１８に入射したときと略同じである。

したがって、本実施形態の縮小光学系１６は、複数の半導体レーザー１２から射出された複数の光線ＢＬを含む光線束を、上記縮小光線束Ｋ２ｓおよび縮小光線束Ｋ３ｓを含む縮小光線束Ｋ５ｓに変換する。

以上説明したように、光線ＢＬＨと光線ＢＬＧとはそれぞれプリズム１６Ｂとプリズム１６Ａの内部を−Ｘ方向に長距離進む。また、光線ＢＬＡと光線ＢＬＢとはそれぞれプリズム１６Ｄとプリズム１６Ｃの内部を＋Ｘ方向に長距離進む。したがって、縮小光学系１６は第１条件を満たしている。しかし、縮小光学系１６を構成しているプリズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが石英で形成されているため、縮小光学系１６による偏光状態の乱れが低減されている。

そのため、本実施形態の光源装置７０をプロジェクターに用いた場合において、例えば、該プロジェクターの投影モードに応じて光源部１２１（半導体レーザー１２）からの光線ＢＬの出力を大きくしたとしても、縮小光学系１６における複屈折の発生を低減することができる。

したがって、本実施形態の光源装置７０によれば、石英からなる縮小光学系１６と石英レンズを含むアフォーカル光学系２３とを備えるので、偏光分離素子５０Ａに対して偏光状態の乱れが低減された光線ＢＬを入射させることができる。これにより、所定の光量の光線ＢＬｃを蛍光発光素子４５に向けて反射させることができるので、照明光ＷＬの色バランス（ホワイトバランス）をほぼ一定に保つことができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態において、ホモジナイザー光学系２４の一部を石英レンズで形成してもよい。具体的に、マルチレンズアレイ２４ａの後段に配置され、該マルチレンズアレイ２４ａにより集光された光が入射するマルチレンズアレイ２４ｂを石英レンズで形成するのが好ましい。光密度が高い光がマルチレンズアレイ２４ｂを透過するため、マルチレンズアレイ２４ｂの発熱量も大きくなるためである。なお、マルチレンズアレイ２４ａは特許請求の範囲の「第１のレンズアレイ」に相当し、マルチレンズアレイ２４ｂは特許請求の範囲の「第２のレンズアレイ」に相当する。
この構成によれば、ホモジナイザー光学系２４を透過した光線ＢＬの偏光状態の乱れを低減できるので、照明光ＷＬの色バランスの乱れをより低減できる。

また、上記実施形態において、コリメーター光学系２２の各コリメーターレンズ２２ａを石英レンズで形成してもよい。この構成によれば、コリメーター光学系２２を透過した光線ＢＬの偏光状態の乱れを低減できるので、照明光ＷＬの色バランスの乱れをより低減できる。

また、上記実施形態においては、アフォーカル光学系２３の集光光学系を１枚の非球面レンズ（アフォーカルレンズ２３ａ）で形成することで収差を低減させる場合を例に挙げたが、集光光学系を２枚の球面レンズで形成することで収差を低減するようにしても良い。

図７は変形例に係るアフォーカル光学系１２３の構成を示す図である。図７に示すように、本変形例に係るアフォーカル光学系１２３は、集光光学系を構成するアフォーカルレンズ群１２３ａと、平行化光学系を構成するアフォーカルレンズ２３ｂと、を有する。

アフォーカルレンズ群１２３ａはアフォーカルレンズ２３ａ１及びアフォーカルレンズ２３ａ２を含む。アフォーカルレンズ２３ａ１及びアフォーカルレンズ２３ａ２は石英から形成された球面レンズである。

ここで、非球面レンズは硝材の材質によらず非常にコストが高い。そのため、一般的な硝材で形成した非球面レンズに比べると、石英で形成した球面レンズの方がコストを大きく低減可能である。そのため、石英からなる球面レンズを２枚用いて構成した集光光学系（アフォーカルレンズ群１２３ａ）と、上記実施形態の一般的な硝材からなる非球面レンズを１枚用いて構成した集光光学系（アフォーカルレンズ２３ａ）とは、コスト面の差が小さい。

本変形例のアフォーカル光学系１２３は石英レンズのみから構成されるため、該アフォーカル光学系１２３を透過した光線ＢＬの偏光状態の乱れをより低減することができる。また、集光光学系を構成するアフォーカルレンズ群１２３ａが石英からなる２枚の球面レンズで形成されるので、コスト上昇を抑えつつ、アフォーカル光学系１２３を透過した光線ＢＬに生じる収差を低減することができる。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

また、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。

ＢＬ…光線、Ｋ２，Ｋ３…光線束、１…プロジェクター、２Ａ，７０…光源装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、１２，２１ａ…半導体レーザー（固体光源）、１６…縮小光学系、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…プリズム（光学素子）、２２…コリメーター光学系、２２ａ…コリメーターレンズ、２３，１２３…アフォーカル光学系、２３ａ…アフォーカルレンズ（非球面レンズ）、２３ｂ…アフォーカルレンズ（両凹レンズ）、２３ａ１，２３ａ２…アフォーカルレンズ（球面レンズ）、２４…ホモジナイザー光学系（レンズインテグレータ）、３５…偏光ビームスプリッター、５０Ａ…偏光分離素子。

Claims (7)

1. 固体光源と、
   前記固体光源から射出された光線が入射するコリメーターレンズと、
   集光光学系と平行化光学系とを含み、前記コリメーターレンズを透過した前記光線が入射するアフォーカル光学系と、
   前記アフォーカル光学系を透過した前記光線が入射するレンズインテグレータと、
   前記レンズインテグレータを透過した前記光線が入射する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子によって前記光線から分離された第１の偏光成分が入射する波長変換素子と、を備え、
   前記平行化光学系は、前記集光光学系により集光された前記光線を平行化し、
   前記平行化光学系に入射する前記光線の光密度は、前記集光光学系に入射する前記光線の光密度よりも高く、
   前記平行化光学系は、石英で形成されたレンズを含み、
   前記集光光学系は、前記石英よりも熱膨張係数が大きく、かつ前記光線に対する内部吸収率が前記石英よりも大きい材料で形成されたレンズを含む光源装置。
2. 前記集光光学系は、非球面レンズで構成されており、
   前記平行化光学系は、両凹レンズで構成されている
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記レンズインテグレータは、
   第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの後段に設けられ、前記石英で形成された第２のレンズアレイと、を含む
   請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
4. 前記コリメーターレンズは、前記石英で形成されている
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 複数の前記固体光源から射出され、複数の前記コリメーターレンズを透過した複数の前記光線からなる光線束の断面を縮小する縮小光学系をさらに備え、
   前記縮小光学系は、前記石英で形成された複数のプリズムで構成される
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記石英は合成石英である
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの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
   プロジェクター。

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