JP7330787B2 - 光源装置およびこれを備える画像投射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光源装置およびこれを備える画像投射装置に関する。
プロジェクタ（画像投射装置）用の光源装置として、特許文献１に記載の光源装置が知られている。特許文献１に記載の光源装置は、波長変換素子を有する第１の回転ホイールと、拡散素子を有する第２の回転ホイールを備えている。この光源装置は、第１の回転ホイールへ入射する青色光を射出する第１の青色レーザーダイオード（以下、青色ＬＤ）と、第２の回転ホイールへ入射する青色光を射出する第２の青色ＬＤも備えている。
特許文献１に記載の光源装置において、第１の青色ＬＤからの青色光は第１の回転ホイールによって拡散反射され、かつ波長変換されて黄色光となって後段の液晶パネルを介してスクリーンへ投射される。第２の青色ＬＤからの青色光は第２の回転ホイールを拡散透過し、青色光のまま後段の液晶パネルを介してスクリーンへ投射される。
特許文献１に記載の光源装置では、第１の回転ホイールと第２の回転ホイールという回転する部材が２つ存在するために、回転ホイールを回転させるためのモータも２つ存在する。したがって、特許文献１に記載の光源装置は２つの回転ホイールと２つのモータが存在するために大型化している。光源装置が大型化するとプロジェクタも大型化してしまうために好ましくない。
そこで本発明は、従来よりも小型な光源装置およびこれを備える画像投射装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、
光変調素子を照明するための照明光学系に光を導く光源装置であって、
第１の青色光を射出するための第１の光源部と、
第２の青色光を射出するための第２の光源部と、
前記第１の青色光を拡散させる拡散素子および前記第２の青色光の少なくとも一部を黄色光に変換する波長変換素子が同心円状に設けられた回転ホイールを備え、前記拡散素子により拡散された前記第１の青色光は前記回転ホイールを透過し、前記波長変換素子により黄色光に変換された前記第２の青色光は前記回転ホイールを反射することを特徴とする。
光変調素子を照明するための照明光学系に光を導く光源装置であって、
第１の青色光を射出するための第１の光源部と、
第２の青色光を射出するための第２の光源部と、
前記第１の青色光を拡散させる拡散素子および前記第２の青色光の少なくとも一部を黄色光に変換する波長変換素子が同心円状に設けられた回転ホイールを備え、前記拡散素子により拡散された前記第１の青色光は前記回転ホイールを透過し、前記波長変換素子により黄色光に変換された前記第２の青色光は前記回転ホイールを反射することを特徴とする。
本発明によれば、従来よりも小型な光源装置およびこれを備える画像投射装置を提供することができる。
（プロジェクタの構成）
図１を用いて後述の各実施例の光源装置を搭載可能なプロジェクタについて説明する。
図１を用いて後述の各実施例の光源装置を搭載可能なプロジェクタについて説明する。
図１に示すプロジェクタは光源装置１００、照明光学系１１０、色分離合成部１２０、投射レンズ４２、投射レンズ４２を保持可能なレンズ保持部４２０を備えている。光源装置１００の代わりに、後述の第２実施例の光源装置２００、第３実施例の光源装置３００、第４実施例の光源装置４００のいずれかを用いてもよい。
光源装置１００から射出された白色光は照明光学系１１０、色分離合成部１２０、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投射される。
また、各実施例の光源装置はスクリーン（被投射面）Ｓへ画像を投射可能なプロジェクタであれば、スクリーンの表側から画像を投射するフロントプロジェクタだけではなく、スクリーンの裏側から画像を投射するリアプロジェクタにも搭載可能である。
また、投射レンズ４２はレンズ保持部４２０から取り外し可能な交換レンズでもよいし、取り外し不能な固定式レンズでもよい。
（照明光学系１１０の構成）
照明光学系１１０は、光源装置１００の側から順に配置された、第１のレンズアレイ１４、第２のレンズアレイ１５、偏光変換素子１７、コンデンサーレンズ１６を備えている。
照明光学系１１０は、光源装置１００の側から順に配置された、第１のレンズアレイ１４、第２のレンズアレイ１５、偏光変換素子１７、コンデンサーレンズ１６を備えている。
第１のレンズアレイ１４は、照明光学系１１０の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列され、光源装置１００からの光を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する。
第２のレンズアレイ１５は、第１のレンズアレイ１４の複数のレンズセルのそれぞれに対応するように照明光学系１１０の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列された複数のレンズセルを有する。第２のレンズアレイ１５は、後述のコンデンサーレンズ１６とともに、第１のレンズアレイ１４の複数のレンズセルの像を後述の光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂの近傍に形成する。
第２のレンズアレイ１５とコンデンサーレンズ１６との間には偏光変換素子１７が配置されている。偏光変換素子１７は光源装置１００からの光の偏光方向を所定の方向に揃えるように構成されている。
コンデンサーレンズ１６は、第２のレンズアレイ１５からの複数の分割光束を集光して各光変調素子上に重ね合わせる。つまり、第１のレンズアレイ１４、第２のレンズアレイ１５およびコンデンサーレンズ１６は、光源装置１００からの光の強度分布を均一にするインテグレータ光学系を構成する。なお、インテグレータ光学系はロッドインテグレータを用いた光学系であってもよい。
（色分離合成部１２０の構成）
色分離合成部１２０は、色分離合成系と光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂからなる。色分離合成系は後述の各光学素子からなる。図１において光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂは透過型液晶パネルであるが、透過型液晶パネルの代わりに反射型液晶パネルやマイクロミラーアレイを用いることもでき、光変調素子の種類によって色分離合成系の構成を適宜変更すればよい。また、図１において光変調素子は合計３つ存在するが、各実施例の光源装置は光変調素子が１つまたは２つのプロジェクタにも搭載可能である。光変調素子が１つの場合には色分離合成系は不要である。
色分離合成部１２０は、色分離合成系と光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂからなる。色分離合成系は後述の各光学素子からなる。図１において光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂは透過型液晶パネルであるが、透過型液晶パネルの代わりに反射型液晶パネルやマイクロミラーアレイを用いることもでき、光変調素子の種類によって色分離合成系の構成を適宜変更すればよい。また、図１において光変調素子は合計３つ存在するが、各実施例の光源装置は光変調素子が１つまたは２つのプロジェクタにも搭載可能である。光変調素子が１つの場合には色分離合成系は不要である。
照明光学系１１０からの白色光はダイクロイックミラー２１によって色分離される。ダイクロイックミラー２１は赤色光を反射し、青色光および緑色光を透過させる特性を有する。
（赤色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの赤色光はミラー２３で反射され、コンデンサーレンズ３０Ｒおよび入射側偏光板３１Ｒを介して赤色光用の光変調素子４０Ｒへ入射する。プロジェクタに接続されたコンピュータなどの入力装置からの情報を基に、赤色光用の光変調素子４０Ｒは入射した赤色光を変調する。赤色光用の光変調素子４０Ｒによって変調された赤色光は出射側偏光板３２Ｒとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。クロスダイクロイックプリズム４１は、４つの直角プリズムを貼り合わせた立方体または直方体形状を有し、プリズムの貼り合わせ面には誘電体多層膜であるダイクロイック膜が形成されている。
ダイクロイックミラー２１からの赤色光はミラー２３で反射され、コンデンサーレンズ３０Ｒおよび入射側偏光板３１Ｒを介して赤色光用の光変調素子４０Ｒへ入射する。プロジェクタに接続されたコンピュータなどの入力装置からの情報を基に、赤色光用の光変調素子４０Ｒは入射した赤色光を変調する。赤色光用の光変調素子４０Ｒによって変調された赤色光は出射側偏光板３２Ｒとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。クロスダイクロイックプリズム４１は、４つの直角プリズムを貼り合わせた立方体または直方体形状を有し、プリズムの貼り合わせ面には誘電体多層膜であるダイクロイック膜が形成されている。
（緑色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの緑色光はダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。ダイクロイックミラー２２からの緑色光はコンデンサーレンズ３０Ｇおよび入射側偏光板３１Ｇを介して緑色光用の光変調素子４０Ｇへ入射する。緑色光用の光変調素子４０Ｇも赤色光用の光変調素子４０Ｒと同様に入力装置からの情報を基に、入射した緑色光を変調する。緑色光用の光変調素子４０Ｇによって変調された緑色光は出射側偏光板３２Ｇとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。
ダイクロイックミラー２１からの緑色光はダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。ダイクロイックミラー２２からの緑色光はコンデンサーレンズ３０Ｇおよび入射側偏光板３１Ｇを介して緑色光用の光変調素子４０Ｇへ入射する。緑色光用の光変調素子４０Ｇも赤色光用の光変調素子４０Ｒと同様に入力装置からの情報を基に、入射した緑色光を変調する。緑色光用の光変調素子４０Ｇによって変調された緑色光は出射側偏光板３２Ｇとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。
（青色光の光路）
ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２に入射する。前述のようにダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。したがって、ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２を透過し、リレー光学系、コンデンサーレンズ３０Ｂおよび入射側偏光板３１Ｂを介して青色光用の光変調素子４０Ｂへ入射する。ここでいうリレー光学系とは、リレーレンズ２６、ミラー２４、リレーレンズ２７、ミラー２５のことである。
ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２に入射する。前述のようにダイクロイックミラー２２は緑色光を反射し、青色光を透過させる特性を有する。したがって、ダイクロイックミラー２１からの青色光はダイクロイックミラー２２を透過し、リレー光学系、コンデンサーレンズ３０Ｂおよび入射側偏光板３１Ｂを介して青色光用の光変調素子４０Ｂへ入射する。ここでいうリレー光学系とは、リレーレンズ２６、ミラー２４、リレーレンズ２７、ミラー２５のことである。
青色光用の光変調素子４０Ｂも赤色光用の光変調素子４０Ｒと同様に入力装置からの情報を基に、入射した青色光を変調する。青色光用の光変調素子４０Ｂによって変調された青色光は出射側偏光板３２Ｂとクロスダイクロイックプリズム４１、投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投影される。
以上説明した光路で赤色光、緑色光、青色光がスクリーンＳへ投影され、カラー画像が表示される。
（第１実施例）
図２から図４を用いて第１実施例の光源装置１００について説明する。
図２から図４を用いて第１実施例の光源装置１００について説明する。
図２は光源装置１００の構成を示す図である。図２において１は青色光を射出する第１の光源部、２は青色光を射出する第２の光源部である。第１の光源部１からの青色光（第１の青色光）は後述の拡散体層（拡散素子）９０Ｃに導かれ、第２の光源部２からの青色光（第２の青色光）は後述の蛍光体層（波長変換素子）９Ｂに導かれる。
第１の光源部１および第２の光源部２は同一の部材に保持された青色ＬＤの集合（青色ＬＤバンク）であるが、１つの青色ＬＤ（発光素子）であってもよい。より詳細には、本実施例および後述の第２、第３実施例では第１の光源部１は１つの青色ＬＤバンクのことであり、第２の光源部２は互いに近接して（接触して）配置された２つの青色ＬＤバンクのことである。１つの青色ＬＤバンクは、合計８個の青色ＬＤと、各青色ＬＤからの発散光を平行光にするための８個コリメータレンズと、これら複数の青色ＬＤと複数のコリメータレンズを保持する保持部材を有している。そして、ベース部材Ｂ上において、第１の光源部１である青色ＬＤバンクは、第２の光源部２である２つの青色ＬＤバンクの集合から離れた位置に設けられている。ベース部材Ｂはヒートシンクやヒートパイプ等の冷却部材（放熱部材）であり、各光源部を冷却する機能を有する。
第１の光源部１の青色ＬＤの個数と第２の光源部２の青色ＬＤの個数および波長は同じでも互いに異なっていてもよい。各光源部の青色ＬＤからの青色光の波長は４６５ｎｍであるが、４４５ｎｍあるいは４５５ｎｍの青色光を射出する青色ＬＤを用いてもよい。本実施例では第１の光源部１が備える青色ＬＤの個数は第２の光源部２が備える青色ＬＤの個数よりも少ないが、青色ＬＤの個数の関係は逆あるいは同数であってもよい。
第１の光源部１および第２の光源部２はともにベース部材Ｂ上に設けられている。ベース部材Ｂは第１の光源部１および第２の光源部２が発する熱を放熱するための複数のフィンなどの放熱部を有する。本実施例では複数の光源部が１つの冷却部材を共用している。
第１の光源部１と第２の光源部２は次のように区別してもよい。ベース部材Ｂ上に複数の青色ＬＤバンクが設けられている場合、この複数の青色ＬＤバンクのうち、後述のコンデンサーレンズ（第１のコンデンサーレンズユニット）８１に入射する光を射出する青色ＬＤバンクを第１の光源部１とする。コンデンサーレンズ８１に入射する光を射出する青色ＬＤバンクが複数ある場合には、それら複数の青色ＬＤバンクを第１の光源部１とする。同様に、ベース部材Ｂ上に設けられている複数の青色ＬＤバンクのうち、後述のコンデンサーレンズユニット６（第２のコンデンサーレンズユニット）に入射する光を射出する青色ＬＤバンクを第２の光源部２とする。コンデンサーレンズユニット６に入射する光を射出する青色ＬＤバンクが複数ある場合には、それら複数の青色ＬＤバンクを第２の光源部２とする。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
第１の光源部１からの青色光（青色の平行光）Ｌ３はミラー７で反射され、コンデンサーレンズ８１によって回転ホイール９の拡散体層（拡散素子）９０Ｃに集光される。本実施例ではコンデンサーレンズ８１は１枚の正レンズで構成したが、全体として正のパワーを有する構成であれば、複数のレンズの集合で構成してもよい。
第１の光源部１からの青色光（青色の平行光）Ｌ３はミラー７で反射され、コンデンサーレンズ８１によって回転ホイール９の拡散体層（拡散素子）９０Ｃに集光される。本実施例ではコンデンサーレンズ８１は１枚の正レンズで構成したが、全体として正のパワーを有する構成であれば、複数のレンズの集合で構成してもよい。
回転ホイール９は図３に示すように円板状の回転板９０Ａ、円環状の蛍光体層９Ｂ、円環状の拡散体層９０Ｃを備え、図２に示すモータＭによって回転可能である。回転板９０Ａの表面には、円環状の蛍光体層（波長変換素子）９Ｂおよび円環状の拡散体層９０Ｃが同心円状に形成されている。回転板９０Ａには円環状の貫通部（穴部）が設けられており、この貫通部に拡散ガラスである拡散体層９０Ｃが埋め込まれている。つまり、回転板９０Ａは拡散体層９０Ｃよりも内側の部分と外側の部分を有しており、この内側の部分と拡散体層９０Ｃが接着剤で連結されており、拡散体層９０Ｃと上記外側の部分が接着剤で連結されている。
蛍光体層９Ｂは透明な樹脂バインダに細かな蛍光体粒子を均一に混合させたものを回転板９０Ａ上に塗布する等して形成した。しかしながら、入射光を使用上問題がない程度に拡散させることができ、かつ青色光を充分に黄色光へ変換することができる構成であれば蛍光体層９Ｂの構成は上記の構成に限定されない。例えば、蛍光体層９Ｂの代わりに量子ドットあるいは量子ロッドを用いてもよい。本実施例では蛍光体粒子の主材料はＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系であり、第２の光源部２からの青色光の少なくとも一部を黄色光に変換する。量子ロッドの主材料はカドミウムセレン等を用いればよい。
本実施例では拡散体層と蛍光体層を同一の回転ホイール上に形成しているため、回転ホイール、その回転支持機構およびモータＭも１つでよい。このため、従来のように波長変換素子と拡散素子をそれぞれ別個の回転ホイールに形成した構成に対し、大幅な小型化が可能となる。
なお、回転板９０Ａはアルミなどの金属製であるが、蛍光体層９Ｂに入射した光を使用上充分に反射させることができれば、この構成に限定されない。また、蛍光体層９Ｂは拡散体層９０Ｃよりも外側に設けられているが、逆に蛍光体層９Ｂを拡散体層９０Ｃよりも内側に設けてもよい。
また、拡散体層９０Ｃは拡散ガラスであるが、入射光を使用上問題がない程度に拡散させることができれば、上記の構成に限定されない。例えば透明な樹脂バインダに細かな拡散粒子を均一に混合させたものを回転板９０Ａの貫通部に流し込み、硬化させて形成してもよい。
また、回転板９０Ａは金属製ではなく樹脂製やガラス製であってもよい。回転板９０Ａが樹脂製やガラス製で透明である場合には、拡散体層９０Ｃは透明な樹脂バインダに細かな拡散粒子を均一に混合させたものを回転板９０Ａに塗布して形成すればよい。回転板９０Ａの表面に円環状の金属コーティング（反射部）を施し、この金属コーティングの上に蛍光体層９Ｂを設ければよい。この金属コーティングによって蛍光体９Ｂからの光は反射されて照明光学系１１０へ導かれる。
コンデンサーレンズ８１から拡散体層９０Ｃに入射した青色光は拡散体層９０Ｃによって拡散されつつ拡散体層９０Ｃを透過し、コリメータレンズユニット８によって平行光となってミラー１０へ向かう。本実施例ではコリメータレンズユニット８は２枚の正レンズで構成したが、全体として正のパワーを有する構成であれば、１枚の正レンズあるいは３枚以上のレンズの集合であってもよい。
コリメータレンズユニット８からの拡散光Ｌ４はミラー１０で反射され、ダイクロイックミラー（第１のダイクロイックミラー、第１の合成素子）５に入射する。ダイクロイックミラー５の特性を図４に示す。図４に示すように、ダイクロイックミラー５は第１の光源部１および第２の光源部２からの青色光の波長である４６５ｎｍ付近で高い透過率を有するともに、５００ｎｍ以上の帯域、つまり緑色光および赤色光に対しては高い反射率を有する。したがって、ミラー１０で反射された拡散光Ｌ４はダイクロイックミラー５を透過して照明光学系１１０へ向かう。
（第２の光源部２からの青色光の光路）
第２の光源部２からの青色光（青色の平行光）Ｌ１は正レンズ５０および負レンズ５１によって圧縮されて径が小さくなった平行光に変換される。つまり、正レンズ５０と負レンズ５１はアフォーカル光学系（第１のアフォーカルレンズユニット）である。青色光Ｌ１を径が小さい平行光に圧縮することで負レンズ５１以降の光学素子の径を小さくすることができる。アフォーカル光学系の構成は正レンズ５０と負レンズ５１の組み合わせに限定されるものではなく、青色光Ｌ１をより径が小さい平行光に圧縮することができれば、例えば３枚以上のレンズの集合であってもよい。正レンズ５０と負レンズ５１の間にはミラー３が設けられており、光路が９０度折り曲げられる。
第２の光源部２からの青色光（青色の平行光）Ｌ１は正レンズ５０および負レンズ５１によって圧縮されて径が小さくなった平行光に変換される。つまり、正レンズ５０と負レンズ５１はアフォーカル光学系（第１のアフォーカルレンズユニット）である。青色光Ｌ１を径が小さい平行光に圧縮することで負レンズ５１以降の光学素子の径を小さくすることができる。アフォーカル光学系の構成は正レンズ５０と負レンズ５１の組み合わせに限定されるものではなく、青色光Ｌ１をより径が小さい平行光に圧縮することができれば、例えば３枚以上のレンズの集合であってもよい。正レンズ５０と負レンズ５１の間にはミラー３が設けられており、光路が９０度折り曲げられる。
負レンズ５１からの青色光Ｌ１はマイクロレンズアレイ５２に入射する。マイクロレンズアレイ５２は入射側と出射側に複数のレンズセルがマトリックス状に配置されている光学素子である。負レンズ５１からの青色光Ｌ１はマイクロレンズアレイ５２によって複数の部分光束に分割され、コンデンサーレンズユニット（第２のコンデンサーレンズユニット）６によって蛍光体層９Ｂに重畳される。この結果、蛍光体層９Ｂ上にマイクロレンズアレイ５２の入射側のレンズセルと相似形状のスポットが形成される。
前述のようにダイクロイックミラー５は青色光を透過させる特性を有するため、マイクロレンズアレイ５２からの青色光はダイクロイックミラー５を透過してコンデンサーレンズユニット６を介して蛍光体層９Ｂへ入射する。なお、マイクロレンズアレイ５２の代わりにロッドインテグレータや例えば凹凸構造を有する光拡散素子等を用いてもよい。
また、本実施例ではコンデンサーレンズユニット６は２枚の正レンズからなるが、全体として正のパワーを有する構成であれば、コンデンサーレンズユニット６の代わりに１枚の正レンズ、あるいは複数のレンズの集合を用いてもよい。
コンデンサーレンズユニット６から蛍光体層９Ｂに入射した青色光は前述の蛍光体粒子によって黄色光Ｌ２に変換され、回転板９０Ａによって反射されてコンデンサーレンズユニット６に入射する。蛍光体層９Ｂからの黄色光Ｌ２は方向を定めずにランダムな方向に出射するが、コンデンサーレンズユニット６によって平行光となり、ダイクロイックミラー５で反射されて照明光学系１１０に導かれる。これによって光源装置１００は青色光および黄色光、つまり白色光を射出することができる。そして、拡散体層９０Ｃと蛍光体層９Ｂの両方を共通の回転板９０Ａ上に形成したので、光源装置を従来よりも大幅に小型化することが可能である。
（光学系の設定）
光学系の具体例について説明する。
光学系の具体例について説明する。
コリメータレンズユニット８の焦点距離をｆ１とし、コンデンサーレンズユニット６の焦点距離をｆ２とする。このとき、光源装置１００は、
１．２≦ｆ１／ｆ２≦１０・・・（１）
および、
２．０≦ｆ１／ｆ２≦６．０・・・（１ａ）
を満足している。本実施例ではｆ１／ｆ２＝４．０である。ただし、条件式（１）と（１ａ）の双方を満足することは必須ではなく、例えば、プロジェクタ内部に余裕があれば、ｆ１／ｆ２＝１．５である光源装置をプロジェクタに搭載してもよい。
１．２≦ｆ１／ｆ２≦１０・・・（１）
および、
２．０≦ｆ１／ｆ２≦６．０・・・（１ａ）
を満足している。本実施例ではｆ１／ｆ２＝４．０である。ただし、条件式（１）と（１ａ）の双方を満足することは必須ではなく、例えば、プロジェクタ内部に余裕があれば、ｆ１／ｆ２＝１．５である光源装置をプロジェクタに搭載してもよい。
条件式（１）および（１ａ）は焦点距離ｆ１の方が焦点距離ｆ２よりも大きい、すなわち、コリメータレンズユニット８のパワーの方がコンデンサーレンズユニット６のパワーよりも弱いことを意味する。光源装置１００が条件式（１）あるいは（１ａ）を満足することによって得られる効果について図５および図６を用いて説明する。
図５は拡散体層９０Ｃとコリメータレンズユニット８を模式的に示した図である。図５（ｂ）は図５（ａ）よりも焦点距離ｆ１が短い場合を示している。拡散体層９０Ｃから出射する光の発散角度θ９０Ｃが一定であるとした場合、焦点距離ｆ１が小さいとコリメータレンズユニット８から出射する平行光の径Ｄ１が小さくなる。逆に焦点距離ｆ１が大きいと径Ｄ１は大きくなる。
図６は蛍光体層９Ｂとコンデンサーレンズユニット６を模式的に示した図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）よりも焦点距離ｆ２が大きい場合を示している。
図５と図６を比較すれば分かるように、拡散体層９０Ｃから出射する光の発散角度θ９０Ｃは蛍光体層９Ｂから出射する光の発散角度θ９Ｂよりも小さくなりやすい。これは、拡散体層９０Ｃによる拡散はコヒーレンス（可干渉性）を有するレーザー光である青色ＬＤからの青色光を使用上問題がない程度に拡散させれば済むためである。つまり、蛍光体層９Ｂによる拡散度合いと、拡散体層９０Ｃによる拡散度合いを比較すると、蛍光体層９Ｂによる拡散度合いの方が大きい。このため、コンデンサーレンズユニット６から出射する平行光（青色光）の径Ｄ２は、コリメータレンズユニット８から出射する平行光（黄色光）の径Ｄ１よりも大きくなりやすい。径が互いに異なる青色光と黄色光を、照明光学系１１０を介して光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂに導いてしまうと、投射画像に色むらが生じてしまう。
そこで、本実施例では焦点距離ｆ１を大きくして径Ｄ１を大きくし、径Ｄ１と径Ｄ２の差を埋めることで前述の色むらの発生を抑制している。焦点距離ｆ２が大きすぎると図６（ｂ）に示すようにコンデンサーレンズユニット６が大型化してしまうため、焦点距離ｆ２は大きすぎない値としている。その結果、光源装置１００は条件式（１）および（１ａ）を満足する。
拡散体層９０Ｃにおける拡散度をΦとする。このとき、光源装置１００は、
１°≦Φ≦３０°・・・（２）
および
１°≦Φ≦１５°・・・（２ａ）
を満足している。本実施例ではΦ＝１０°である。ただし、条件式（２）と（２ａ）の双方を満足することは必須ではなく、例えば、プロジェクタ内部に余裕があれば、Φ＝２０°である光源装置をプロジェクタに搭載してもよい。拡散度Φは次に説明するように計測すればよい。拡散体層９０Ｃの表面（あるいは回転板９０Ａの表面）とコリメータレンズユニット８の最も回転ホイール９側の面の面頂点間のコリメータレンズユニット８の光軸方向における距離が半分になる位置を計測位置とする。この計測位置における拡散体層９０Ｃからの出射光の照度分布を計測し、この照度分布における半値全幅を計算する。そして、半値全幅の端部に相当する２点と、拡散体層９０Ｃの径方向における中心点の合計３点からなる角度を拡散度Φとすればよい。
１°≦Φ≦３０°・・・（２）
および
１°≦Φ≦１５°・・・（２ａ）
を満足している。本実施例ではΦ＝１０°である。ただし、条件式（２）と（２ａ）の双方を満足することは必須ではなく、例えば、プロジェクタ内部に余裕があれば、Φ＝２０°である光源装置をプロジェクタに搭載してもよい。拡散度Φは次に説明するように計測すればよい。拡散体層９０Ｃの表面（あるいは回転板９０Ａの表面）とコリメータレンズユニット８の最も回転ホイール９側の面の面頂点間のコリメータレンズユニット８の光軸方向における距離が半分になる位置を計測位置とする。この計測位置における拡散体層９０Ｃからの出射光の照度分布を計測し、この照度分布における半値全幅を計算する。そして、半値全幅の端部に相当する２点と、拡散体層９０Ｃの径方向における中心点の合計３点からなる角度を拡散度Φとすればよい。
条件式（２）および（２ａ）は拡散体層９０Ｃにおける拡散度Φが小さすぎず、かつ大きすぎないことを意味している。光源装置１００が条件式（２）あるいは（２ａ）を満足することによって得られる効果は以下の通りである。
拡散度Φが条件式（２）の下限を逸脱するほどに小さい場合、第１の光源部１が備える青色ＬＤからの光が拡散体層９０Ｃで充分に拡散されないことを意味する。コヒーレンスを有するレーザー光である青色ＬＤからの光が充分に拡散されないと、スクリーンＳ上にスペックルノイズ（明暗の斑点模様等の不要な模様）が視認しやすくなる。逆に拡散度Φが条件式（２）の上限を逸脱するほどに大きい場合、第１の光源部１が備える青色ＬＤからの光が拡散体層９０Ｃで拡散されすぎることを意味する。青色ＬＤからの光が拡散体層９０Ｃで拡散されすぎると、前述のスペックルノイズは低減されるが、拡散体層９０Ｃからの光が本実施例よりも広がることになる。その結果、拡散体層９０Ｃからの青色光の一部がコリメータレンズユニット８へ入射しないことによって損失が生じたり、コリメータレンズユニット８の径を大きくせざるを得なくなったりする。
以上説明したように、光源装置１００が条件式（２）および（２ａ）を満足するように拡散度Φを設定することで、スペックルノイズを低減し、コリメータレンズユニット８および光源装置１００の大型化を抑制しつつ、光の損失を減らすこともできる。
図３に示したように、本実施例では蛍光体層９Ｂは拡散体層９０Ｃよりも内側に位置している。その理由について説明する。図５および図６に示したように蛍光体層９Ｂから出射する光の発散角度θ９Ｂと拡散体層９０Ｃから出射する光の発散角度θ９０Ｃを比較すると、発散角度θ９Ｂの方向が大きくなりやすい。つまり、コリメータレンズユニット８の径よりもコンデンサーレンズユニット６の径の方が大きくなりやすい。そこで本実施例では、蛍光体層９Ｂを拡散体層９０Ｃよりも内側に設け、コンデンサーレンズユニット６を回転ホイール９の回転軸の近くに配置している。その結果、光源装置１００を小型にすることができる。
図２に示したように、回転ホイール９のモータＭ側にはコンデンサーレンズ８１が設けられている。本実施例とは逆に拡散体層９０Ｃが蛍光体層９Ｂよりも内側に位置している場合、コンデンサーレンズ８１が本実施例よりもモータＭに近づき、両者が干渉する可能性がある。そこで本実施例では、コンデンサーレンズ８１とモータＭの干渉を回避するために、拡散体層９０Ｃを蛍光体層９Ｂよりも外側に設けている。本実施例では蛍光体層９Ｂのコストを削減することも目的として蛍光体層９Ｂを拡散体層９０Ｃよりも内側に設けている。
（変形例）
図２に示したように第１の光源部１が有する青色ＬＤバンクの数よりも第２の光源部２が有する青色ＬＤバンクの数の方が多い。つまり、蛍光体層９Ｂに入射する光の光量は拡散体層９０Ｃに入射する光の光量よりも多い。そこで本実施例とは逆に拡散体層９０Ｃよりも熱くなりやすい蛍光体層９Ｂを拡散体層９０Ｃよりも外側に設けて、蛍光体層９Ｂを冷却しやすい構成を採用してもよい。
図２に示したように第１の光源部１が有する青色ＬＤバンクの数よりも第２の光源部２が有する青色ＬＤバンクの数の方が多い。つまり、蛍光体層９Ｂに入射する光の光量は拡散体層９０Ｃに入射する光の光量よりも多い。そこで本実施例とは逆に拡散体層９０Ｃよりも熱くなりやすい蛍光体層９Ｂを拡散体層９０Ｃよりも外側に設けて、蛍光体層９Ｂを冷却しやすい構成を採用してもよい。
回転ホイール９の代わりに図７に示す回転ホイール９０を用いてもよい。回転ホイール９０は円板状の拡散ガラス９００Ｃと、拡散ガラス９００Ｃ上に設けた金属コーティングの上に塗布された蛍光体層９Ｂを備える。このような構成の回転ホイール９０でも回転ホイール９と同様の機能を発揮することができる。
コンデンサーレンズ８１の代わりに図８に示すコンデンサーレンズ８２を用いてもよい。コンデンサーレンズ８２はいわゆるＤカット形状を有しており、モータＭ側が平坦になっている。このため、コンデンサーレンズ８２をコンデンサーレンズ８１よりもモータＭに近い位置に配置することができる。図８に示す光源装置１０１においては、コンデンサーレンズ８２からの光は拡散体層９０Ｃに対して回転ホイール９の回転軸に近づくように角度をなして入射する。
（第２実施例）
図９を用いて第２実施例の光源装置２００について説明する。光源装置１００と光源装置２００の主な違いは第３の光源部５５を新たに設けた点である。
図９を用いて第２実施例の光源装置２００について説明する。光源装置１００と光源装置２００の主な違いは第３の光源部５５を新たに設けた点である。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
本実施例における第１の光源部１からの青色光の光路について説明する。第１の光源部１からの青色光（平行光）Ｌ３がコンデンサーレンズ８１を介して拡散体層９０Ｃに入射する。拡散体層９０Ｃからの拡散光Ｌ４はコリメータレンズ８３によって平行光となり、ダイクロイックミラー（第２のダイクロイックミラー、第２の合成素子）５４に入射する。ダイクロイックミラー５４は青色光を反射してＩＲ光を透過させる特性を有する。したがって、コリメータレンズ８３からの拡散光Ｌ４はダイクロイックミラー５４で反射され、アフォーカル光学系（第２のアフォーカルレンズユニット８４）に入射する。アフォーカル光学系８４は入射した平行光の径を拡大するように構成されており、少なくとも１枚の負レンズと、少なくとも１枚の正レンズを有する。したがって、ダイクロイックミラー５４からの拡散光Ｌ４はアフォーカル光学系８４で拡大されてダイクロイックミラー（第１のダイクロイックミラー、第１の合成素子）５３に入射する。
本実施例における第１の光源部１からの青色光の光路について説明する。第１の光源部１からの青色光（平行光）Ｌ３がコンデンサーレンズ８１を介して拡散体層９０Ｃに入射する。拡散体層９０Ｃからの拡散光Ｌ４はコリメータレンズ８３によって平行光となり、ダイクロイックミラー（第２のダイクロイックミラー、第２の合成素子）５４に入射する。ダイクロイックミラー５４は青色光を反射してＩＲ光を透過させる特性を有する。したがって、コリメータレンズ８３からの拡散光Ｌ４はダイクロイックミラー５４で反射され、アフォーカル光学系（第２のアフォーカルレンズユニット８４）に入射する。アフォーカル光学系８４は入射した平行光の径を拡大するように構成されており、少なくとも１枚の負レンズと、少なくとも１枚の正レンズを有する。したがって、ダイクロイックミラー５４からの拡散光Ｌ４はアフォーカル光学系８４で拡大されてダイクロイックミラー（第１のダイクロイックミラー、第１の合成素子）５３に入射する。
ダイクロイックミラー５３の特性を図１０に示す。図１０に示すように、ダイクロイックミラー５３は第１の光源部１および第２の光源部２からの青色光の波長である４６５ｎｍ付近で高い透過率を有する。そして、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の帯域、つまり緑色光および赤色光に対しては高い反射率を有し、７５０ｎｍ以上の帯域に対して高い透過率を有する。したがって、アフォーカル光学系８４からの拡散光Ｌ４はダイクロイックミラー５３を透過して照明光学系１１０に導かれる。
（第２の光源部２からの青色光の光路）
第２の光源部２からの青色光の光路については、ダイクロイックミラー５の代わりにダイクロイックミラー５３を通る点以外は前述の第１実施例と同様であるため、説明は割愛する。
第２の光源部２からの青色光の光路については、ダイクロイックミラー５の代わりにダイクロイックミラー５３を通る点以外は前述の第１実施例と同様であるため、説明は割愛する。
（第３の光源部５５からのＩＲ光の光路）
第３の光源部５５は波長が７５０ｎｍ以上のＩＲ光（近赤外光）を射出するＬＤ等の発光素子と、この発光素子からの発散光を平行光化するためのコリメータレンズを備える。第３の光源部５５からのＩＲ光Ｌ５はダイクロイックミラー５４を透過し、アフォーカル光学系８４で拡大される。そして、アフォーカル光学系８４からのＩＲ光Ｌ５はダイクロイックミラー５３を透過して照明光学系１１０に導かれる。
第３の光源部５５は波長が７５０ｎｍ以上のＩＲ光（近赤外光）を射出するＬＤ等の発光素子と、この発光素子からの発散光を平行光化するためのコリメータレンズを備える。第３の光源部５５からのＩＲ光Ｌ５はダイクロイックミラー５４を透過し、アフォーカル光学系８４で拡大される。そして、アフォーカル光学系８４からのＩＲ光Ｌ５はダイクロイックミラー５３を透過して照明光学系１１０に導かれる。
このように、光源装置２００は白色光に加えてＩＲ光も射出することができる。
図１に示したプロジェクタに光源装置１０１を搭載する場合には、照明光学系１１０と色分離合成部１２０との間にカラーホイールを設ける。あるいは、第１の光源部１および第２の光源部２を消灯している間に第３の光源部５５を点灯できるようにする。そして、ＩＲ光を前述の光変調素子４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂのいずれかで変調して投射レンズ４２を介してスクリーンＳへ投射する。これにより、カラー画像だけではなくＩＲ画像もスクリーンＳへ投射できる。
（第３実施例）
図１１を用いて第３実施例の光源装置３００について説明する。光源装置１００と光源装置３００の主な違いは第４の光源部６０を新たに設けた点である。
図１１を用いて第３実施例の光源装置３００について説明する。光源装置１００と光源装置３００の主な違いは第４の光源部６０を新たに設けた点である。
（第１の光源部１からの青色光の光路）
第１の光源部１からの青色光の光路については前述の第１実施例と同様であるため、説明は割愛する。
第１の光源部１からの青色光の光路については前述の第１実施例と同様であるため、説明は割愛する。
（第２の光源部２および第４の光源部６０からの青色光の光路）
前述の第１および第２実施例において第２の光源部２からの青色光Ｌ１はＳ偏光であったが、本実施例においてはＰ偏光である。したがって、第２の光源部２からの青色光Ｌ１はＰＢＳ（偏光分離素子、第３の合成素子）６１を透過する。ＰＢＳ６１の特性は図１２に示すようにＰ偏光に対して高い透過率を有し、Ｓ偏光に対しては高い反射率を有する。
前述の第１および第２実施例において第２の光源部２からの青色光Ｌ１はＳ偏光であったが、本実施例においてはＰ偏光である。したがって、第２の光源部２からの青色光Ｌ１はＰＢＳ（偏光分離素子、第３の合成素子）６１を透過する。ＰＢＳ６１の特性は図１２に示すようにＰ偏光に対して高い透過率を有し、Ｓ偏光に対しては高い反射率を有する。
第４の光源部６０は第２の光源部２と同様に複数の青色ＬＤバンクを有するが、第４の光源部６０からの青色光（第３の青色光）Ｌ６はＳ偏光である。したがって、ミラー１０で反射された青色光Ｌ６はＰＢＳ６１で反射されて青色光Ｌ１と合流し、以後、前述の第１実施例における青色光Ｌ１と同様の光路を進む。
このように、本実施例は前述の第１実施例よりも多くの青色光を蛍光体層９Ｂに入射させることができるため、より明るい画像を投射することができるようになる。
なお、第４の光源部６０からの青色光の偏光方向を第２の光源部２からの青色光の偏光方向と同じにし、第４の光源部６０からＰＢＳ６１までの光路上に２分の１波長板を設けてもよい。
（変形例）
前述の各実施例における第１の光源部１と第２の光源部２は一体的に構成されていてもよい。例えば、１つの光源部からの青色光をハーフミラー（分離素子）で青色光（第１の青色光）Ｌ３と青色光（第２の青色光）Ｌ１とに分離させてもよい。
前述の各実施例における第１の光源部１と第２の光源部２は一体的に構成されていてもよい。例えば、１つの光源部からの青色光をハーフミラー（分離素子）で青色光（第１の青色光）Ｌ３と青色光（第２の青色光）Ｌ１とに分離させてもよい。
また、前述の各光源部から回転ホイール９に至るまでの光路上には各図に示されている光学素子とは異なる光学素子を設けてもよい。例えば、図１３に示すプリズムミラーＰＭを光源部の直後に設けることで、光源部からの光の幅Ｗ１を幅Ｗ２へ小さくしてもよい。プリズムミラーＰＭの代わりに各光源部からの各青色ＬＤからの光を取り込める大きさを有するレンズを用いてもよい。
１ 第１の光源部（光源部の一部）
２ 第２の光源部（光源部の一部）
９ 回転ホイール
９Ｂ 蛍光体層（波長変換素子）
９０Ｃ 拡散体層（拡散素子）
１００ 光源装置
２ 第２の光源部（光源部の一部）
９ 回転ホイール
９Ｂ 蛍光体層（波長変換素子）
９０Ｃ 拡散体層（拡散素子）
１００ 光源装置
Claims (19)
- 光変調素子を照明するための照明光学系に光を導く光源装置であって、
第１の青色光を射出するための第１の光源部と、
第２の青色光を射出するための第２の光源部と、
前記第１の青色光を拡散させる拡散素子および前記第２の青色光の少なくとも一部を黄色光に変換する波長変換素子が同心円状に設けられた回転ホイールを備え、
前記拡散素子により拡散された前記第１の青色光は前記回転ホイールを透過し、前記波長変換素子により黄色光に変換された前記第２の青色光は前記回転ホイールを反射することを特徴とする光源装置。 - 前記第１の光源部と、該第１の光源部の位置とは異なる位置に前記第２の光源部が設けられた放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 前記第１の青色光と前記第２の青色光とに分離するための分離素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 前記拡散素子からの光と前記波長変換素子からの光を合成するための第１の合成素子をさらに備え、
前記第１の合成素子は前記拡散素子からの光を透過させるとともに、前記波長変換素子からの光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。 - 前記拡散素子からの光と前記波長変換素子からの光を合成するための第１の合成素子と、
近赤外光を射出するための第３の光源部と、
前記拡散素子からの光と前記第３の光源部からの光を合成するための第２の合成素子と、をさらに備え、
前記第１の合成素子は前記拡散素子からの光と前記第３の光源部からの光を透過させるとともに、前記波長変換素子からの光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。 - 第３の青色光を射出するための第４の光源部と、
前記第２の光源部からの光と前記第４の光源部からの光を合成するための第３の合成素子と、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。 - 前記第３の合成素子は偏光分離素子であって、
前記第３の青色光の偏光方向は前記第２の青色光の偏光方向と異なることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。 - 前記第３の合成素子は偏光分離素子であって、
前記第３の青色光の偏光方向は前記第２の青色光の偏光方向と同じであって、
前記第４の光源部から前記偏光分離素子までの光路上には２分の１波長板が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。 - 前記回転ホイールは円板状の回転板を有し、
前記拡散素子および前記波長変換素子は円環状であって、
前記拡散素子および前記波長変換素子は前記回転板に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源装置。 - 前記波長変換素子は前記拡散素子よりも内側に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
- 前記拡散素子は円板状であり、
前記波長変換素子は円環状であって、
前記波長変換素子は前記拡散素子に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源装置。 - 前記第２の青色光を圧縮するための第１のアフォーカルレンズユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光源装置。
- 前記第１の青色光を拡大するための第２のアフォーカルレンズユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光源装置。
- 前記第１の青色光を前記拡散素子に導くための第１のコンデンサーレンズユニットと、
前記拡散素子からの光を平行光化するためのコリメータレンズユニットと、
前記第２の青色光を前記波長変換素子に導くための第２のコンデンサーレンズユニットと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光源装置。 - 前記コリメータレンズユニットの焦点距離をｆ１とし、前記第２のコンデンサーレンズユニットの焦点距離をｆ２とするとき、
１．２≦ｆ１／ｆ２≦１０
を満足することを特徴とする請求項１４に記載の光源装置。 - ２．０≦ｆ１／ｆ２≦６．０
をさらに満足することを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。 - 前記拡散素子における拡散度をΦとするとき、
１°≦Φ≦３０°
を満足することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光源装置。 - １°≦Φ≦１５°
をさらに満足することを特徴とする請求項１７に記載の光源装置。 - 請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光源装置と、
光変調素子と、
前記光変調素子からの光を被投射面へ導く投射レンズを保持可能なレンズ保持部と、を備えることを特徴とする画像投射装置。
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