特開 2023-42947 光源装置、投射型表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023042947

(43)【公開日】2023-03-28

(54)【発明の名称】光源装置、投射型表示装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20230320BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20230320BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20230320BHJP

   F21V 7/28 20180101ALI20230320BHJP

   F21V 7/30 20180101ALI20230320BHJP

   F21V 9/08 20180101ALI20230320BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20230320BHJP

   F21V 3/00 20150101ALI20230320BHJP

   F21V 3/02 20060101ALI20230320BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20230320BHJP

   F21Y 113/13 20160101ALN20230320BHJP

【ＦＩ】

G03B21/14 A

G03B21/00 D

F21S2/00 311

F21V7/28 240

F21V7/30

F21V7/28 250

F21V9/08

F21V5/04 400

F21V3/00 320

F21V3/02 500

F21Y115:30

F21Y113:13

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021150382

(22)【出願日】2021-09-15

(71)【出願人】

【識別番号】516257981

【氏名又は名称】株式会社ライトショー・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山影 明広

(72)【発明者】

【氏名】梅 雨非

【テーマコード（参考）】

2K203

【Ｆターム（参考）】

2K203FA44

2K203FA45

2K203FA54

2K203GA36

2K203GA40

2K203HA03

2K203HA14

2K203HA25

2K203HA30

2K203HA67

2K203HA68

2K203HA74

2K203HA92

2K203HB22

2K203MA04

2K203MA06

2K203MA32

(57)【要約】

【課題】半導体レーザが発する青色光を励起光として蛍光体に照射して得られる蛍光と、半導体レーザが発する青色光の一部とを出力する光源装置においては、過度に装置が大型化しないことが求められていた。
【解決手段】所定の波長域の光を出力するレーザ光源と、所定の波長域の光を反射し、蛍光を透過させる特性を備えレーザ光源の光軸上に配置された第１ダイクロイックミラー及び第２ダイクロイックミラーと、第１集光光学系と、蛍光を発する蛍光領域と反射領域とを備えた蛍光ホイールと、蛍光を反射する特性を備えた第４ダイクロイックミラーと、所定の波長域の光を反射させ蛍光を透過させる特性を備え、反射させた所定の波長域の光の光軸が、第４ダイクロイックミラーにより反射された蛍光の光軸と重なるように配置された第３ダイクロイックミラーと、第２集光光学系と、カラーフィルターと拡散部を備えた色選択ホイールと、を備える光源装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長域の光を出力する第１レーザ光源と、
前記第１波長域の光を反射し、蛍光を透過させる特性を備え、前記第１レーザ光源の光軸上に配置された第１ダイクロイックミラーと、
第１集光光学系と、
前記第１波長域の光が照射されると前記蛍光を発する蛍光領域と、前記第１波長域の光を反射する反射領域と、を備えた回転可能な蛍光ホイールと、
前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第２ダイクロイックミラーと、
前記第１波長域の光を反射させる特性を備え、反射させた前記第１波長域の光の光軸が、前記第１集光光学系の光軸と平行になるように配置された反射素子と、
前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第３ダイクロイックミラーと、
第２集光光学系と、
前記蛍光を反射させる特性を備え、反射させた前記蛍光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置された第４ダイクロイックミラーと、
前記蛍光ホイールと同期して回転可能で、カラーフィルターと拡散部を備えた色選択ホイールと、を備え、
前記第１ダイクロイックミラーは、前記第１レーザ光源が発した前記第１波長域の光を前記第１集光光学系の一部分に向けて反射させるように配置され、
前記第１ダイクロイックミラーにより反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分により前記蛍光ホイールの前記蛍光領域または前記反射領域に集光され、
前記蛍光領域が発した前記蛍光の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分により集光され、前記第１ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、
前記蛍光領域が発した前記蛍光の他の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、
前記第４ダイクロイックミラーに入射した前記蛍光の一部および前記蛍光の他の一部は、前記第３ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、
前記反射領域で反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーに反射されて前記反射素子に入射し、
前記反射素子に入射した前記第１波長域の光は、反射されて前記第３ダイクロイックミラーに入射し、前記第３ダイクロイックミラーにより反射されて前記第２集光光学系に入射し、
前記第２集光光学系に入射した前記蛍光および前記第１波長域の光は、前記第２集光光学系により前記色選択ホイールに向けて集光され、
前記色選択ホイールは、前記蛍光を前記カラーフィルターによりフィルタリングし、前記第１波長域の光を前記拡散部により拡散させて、出力する、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項2】

第１波長域の光を出力する第１レーザ光源と、
第２波長域の光を出力する第２レーザ光源と
前記第１波長域の光を反射し、蛍光を透過させる特性を備え、前記第１レーザ光源の光軸上に配置された第１ダイクロイックミラーと、
第１集光光学系と、
前記第１波長域の光が照射されると前記蛍光を発する蛍光領域と、前記第１波長域の光を反射する反射領域と、を備えた回転可能な蛍光ホイールと、
前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第２ダイクロイックミラーと、
前記第１波長域の光を反射させる特性を備え、反射させた前記第１波長域の光の光軸が、前記第１集光光学系の光軸と平行になるように配置された反射素子と、
前記第１波長域の光を反射させ、前記第２波長域の光と前記蛍光を透過する特性を備えた第３ダイクロイックミラーと、
第２集光光学系と、
前記第２波長域の光を透過させるとともに前記蛍光を反射させる特性を備え、反射させた前記蛍光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置された第４ダイクロイックミラーと、
前記蛍光ホイールと同期して回転可能で、カラーフィルターと拡散部を備えた色選択ホイールと、を備え、
前記第２レーザ光源は、出力する前記第２波長域の光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置され、前記第２レーザ光源から出力された前記第２波長域の光は、前記第４ダイクロイックミラーと前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、
前記第１ダイクロイックミラーは、前記第１レーザ光源が発した前記第１波長域の光を前記第１集光光学系の一部分に向けて反射させるように配置され、
前記第１ダイクロイックミラーにより反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分により前記蛍光ホイールの前記蛍光領域または前記反射領域に集光され、
前記蛍光領域が発した前記蛍光の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分により集光され、前記第１ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、
前記蛍光領域が発した前記蛍光の他の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、
前記第４ダイクロイックミラーに入射した前記蛍光の一部および前記蛍光の他の一部は、前記第３ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、
前記反射領域で反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーに反射されて前記反射素子に入射し、
前記反射素子に入射した前記第１波長域の光は、反射されて前記第３ダイクロイックミラーに入射し、前記第３ダイクロイックミラーにより反射されて前記第２集光光学系に入射し、
前記第２集光光学系に入射した前記蛍光および前記第１波長域の光および前記第２波長域の光は、前記第２集光光学系により前記色選択ホイールに向けて集光され、
前記色選択ホイールは、前記蛍光を前記カラーフィルターによりフィルタリングし、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光を前記拡散部により拡散させて、出力する、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の光源装置において、
前記第１ダイクロイックミラーおよび前記第２ダイクロイックミラーは、前記第１集光光学系の光軸と平行な側面を有する、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第２ダイクロイックミラーと前記反射素子の間に、前記第１波長域の光を拡散させる拡散板を備える、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項5】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第２ダイクロイックミラーと前記反射素子の間に凹レンズを、前記反射素子と前記第３ダイクロイックミラーの間に凸レンズを備える、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項6】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第２ダイクロイックミラーと前記反射素子の間にトップハット素子を、前記反射素子と前記第３ダイクロイックミラーの間に凸レンズを備える、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項7】

請求項４乃至６のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第４ダイクロイックミラーと前記第３ダイクロイックミラーの間に凸レンズを備える、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第２ダイクロイックミラーと前記第３ダイクロイックミラーが一体化されている、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置において、
前記第１レーザ光源と前記第１ダイクロイックミラーの間に、前記第１レーザ光源から出力された前記第１波長域の光の光束径を縮小するコリメート光学系を備える、
ことを特徴とする光源装置。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれか１項に記載した光源装置と、
光変調素子と、投射レンズと、を備える、
ことを特徴とする投射型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源装置、および光源装置を備えた投射型表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、投射型表示装置用の光源として、半導体レーザ（レーザダイオード、あるいはＬＤ）が発する青色光（Ｂ光）を励起光として蛍光体に照射し、蛍光体から得られる黄色光（Ｙ光）、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）等を、半導体レーザが発する青色光（Ｂ光）の一部とともに出力する光源装置が知られている。

【0003】

特許文献１には、ホイールの周部分に沿って緑色発光の蛍光体、赤色発光の蛍光体、および透過窓を設けておき、ホイールを回転させながら周部分に青色光を照射する光源装置が開示されている。この光源装置は、ホイールの蛍光体で発光する緑色および赤色の蛍光と、ホイールの透過窓を透過した青色光を、同一の方向に射出させる光学系を採用している。具体的には、透過窓を透過した青色光を２枚の反射ミラーを用いてダイクロイックミラーに導き、ダイクロイックミラーにて青色光の光路と蛍光の光路を合流させている。この光源装置では、青色光と蛍光を異なる光路でダイクロイックミラーに導くため、大きな光路空間を確保する必要があり、装置の小型化が困難であった。更には、反射ミラー等の光学部品点数が増加してしまうという問題があった。

【0004】

特許文献２には、ホイールの周部分に沿って緑発光の蛍光体、赤発光の蛍光体、および鏡面部を設けておき、ホイールを回転させながら青色レーザ光源（ＬＤアレイ）から青色光をホイールの周部分に照射する光源装置が開示されている。この光源装置では、青色レーザ光源（ＬＤアレイ）とホイールとの間に、青色の波長帯域に偏光特性を有するダイクロイックミラーと１／４波長板を配置している。この装置では、レーザ光源の持つ偏光特性を利用して、鏡面部で反射した青色光の光路と蛍光の光路が同一になるように構成されている。このため、特許文献１に開示された光源装置と比較すれば、小型化が可能である。

【0005】

特許文献３には、励起光を兼ねる青色光がレーザ光源から集光素子に向かう光軸と、集光レンズの光軸とが非共軸となる構成を採用した光源装置が開示されている。この光源装置では、励起光を兼ねる青色光は、ミラーで反射された後、集光レンズの下半分を透過してホイールを照射する。ホイールの反射面で反射した青色光は、集光レンズの上半分を透過して導光装置に導かれる。特許文献２のような１／４波長板を用いなくとも、特許文献１の光源装置よりも装置を小型化することができる。

【0006】

特許文献４には、特許文献３と同様に、励起光を兼ねる青色光がレーザ光源から集光素子に向かう光軸と、集光素子の光軸とが非共軸となる構成を採用した光源装置が開示されている。この光源装置では、反射特性の異なる２つの領域を備えた分色素子を、レーザ光源と蛍光ホイールの間に配置している。青色光と蛍光とを時分割で出力する構成の光学系であるが、励起光を兼ねる青色光の光路と蛍光の光路がほぼ同じような経路となるため、特許文献１に開示された光源装置と比べれば、小型化が可能である。

【0007】

特許文献５には、特許文献３と同様に、励起光を兼ねる青色光がレーザ光源から集光レンズに向かう光軸と、集光レンズの光軸とが非共軸となる構成を採用した光源装置が開示されている。この光源装置では、ミラー２０ａを透過してからホイールの反射面で反射した青色光は、ミラー２０ａを再度透過した後、３つのミラーで反射されて光路が２７０度変更され、青色光の光軸が蛍光の光軸と一致するように重ね合わされる。特許文献２のような１／４波長板を用いないですむ構成ではあるが、３つのミラーを用いて青色光の光路を２７０度変更させる空間を必要とするため、特許文献３や特許文献４に記載された装置に比べれば小型化できる効果は小さい。

【0008】

特許文献６には、特許文献３と同様に、励起光を兼ねる青色光がレーザ光源から集光レンズに向かう光軸と、集光レンズの光軸とが非共軸となる構成を採用した光源装置が開示されている。この光源装置では、蛍光は２つのミラーで反射されて光路が１８０度変更され、蛍光の光軸と青色光の光軸とが一致するように重ね合わされる。特許文献２のような１／４波長板を用いないですむ構成ではあるが、２つのミラーを用いて蛍光の光路を１８０度変更させる空間を必要とするため、特許文献４に記載された装置に比べれば小型化できる効果は小さい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１０－２５６４５７号公報

【特許文献2】特開２０１２－１０８４８６号公報

【特許文献3】特開２０１４－７５２２１号公報

【特許文献4】特開２０１９－６１２３７号公報

【特許文献5】国際公開第２０１９／１０９４４９号

【特許文献6】米国特許出願公開第２０１５／０２６７８８０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

前述したように、特許文献２に記載された光源装置は、特許文献１に記載された光源装置に比べて小型化が可能であるが、プロジェクタの照明光源として用いた場合に、投射画像のホワイトバランスの劣化が生じる可能性があった。レーザ光源から出射したＰ偏光の青色光は、ダイクロイックミラーを通過した後、蛍光ホイールで反射されてダイクロイックミラーに戻ってくるまでの過程において、Ｐ偏光からＳ偏光へと偏光変換されるが、この偏光変換が精度よく実施されない場合には、ダイクロイックミラーから反射光として取り出せない偏光成分が存在することになり、青色光の光損失が発生し、投射画像のホワイトバランスが劣化してしまう。

【0011】

また、蛍光ホイールの手前に配置される集光レンズにおいて偏光の乱れが生じて円偏光から楕円偏光に遷移してしまう成分があると、ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光として反射する光量が減ってホワイトバランスの低下を招いてしまう。楕円偏光の発生を抑制するため、集光レンズに石英ガラスなどの熱膨張係数の小さい材料を使用する方法があるが、こうした材料は高価格なので、コスト面で不利になる。また、熱膨張係数の小さい光学材料の種類は限定されるので、光学材料選択の幅が狭くなり、光学設計上の自由度が小さくなるという問題もある。

【0012】

この点、特許文献３～特許文献６に記載された光源装置では、青色光の取り出しに関しては、光源の偏光特性を利用していないので、特許文献２に記載の光源装置において発生し得る問題は起きないが、別の問題が発生し得る。

【0013】

特許文献３に記載された光源装置は、構成が簡素で小型化されてはいるが、出力光の光路断面における分布をみると、蛍光は集光レンズの光軸に対して対称性よく分布するのに対して、表示に用いる青色光は集光レンズの片側半分のみに分布する。このため、導光装置（ライトトンネル）に入射した後の両者の指向性が異なったものとなり、光変調パネルを照明する際に、画面内で色むらを発生させてしまう。また、集光レンズの光軸近傍に位置するダイクロイックミラーの端部で、出力光の一部が失われたり光路が乱されたりする問題も生じ得る。

【0014】

特許文献４に記載された光源装置では、蛍光ホイールにて反射した青色光を、分色素子により２つの光束に分離させた上で、集光素子に入射させる構成になっている。しかし、青色光の２つの光束は蛍光と同軸ではないため、両者の強度分布を同等にすることは難しく、色むらが発生する要因となっていた。

【0015】

また、分色素子は、生産性やコストの面で簡単に製造することが困難であった。例えば、分色部と分光（光分割）部を隣接して貼り合わせるようにして分色素子を製作する場合には、極めて高精度に貼り合わせないと光損失を招くが、通常の張り合わせ技術でこの精度を達成するのは現実的には困難であった。また、貼り合わせでなく、一体型で形成する場合には、透過および反射特性の異なる分色部と分光部の２つの領域を低コストで製作するのが現実的には困難であった。

【0016】

特許文献５に記載された光源装置では、ホイールの反射面で反射した青色光は３つのミラーで反射されて光路が２７０度変更され、青色光の光軸が蛍光の光軸と一致するように重ね合わされるため、色むらの発生は抑制されるが、３つのミラーを用いた光路空間が必要なため、装置の小型化は十分ではない。

【0017】

特許文献６に記載された光源装置では、蛍光は２つのミラーで反射されて光路が１８０度変更され、蛍光の光軸と青色光の光軸とが一致するように重ね合わされるため、色むらの発生は抑制されるが、２つのミラーを用いた光路空間が必要なため、装置の小型化は十分ではない。

【0018】

そこで、半導体レーザが発する青色光を励起光として蛍光体に照射して得られる蛍光と、半導体レーザが発する青色光のうち励起光として用いない一部と、を照明光として出力する光源装置においては、過度に装置が大型化することがない光源装置が求められていた。それとともに、石英ガラス製等の高価な集光レンズを用いなくとも、色バランスの面内均一性に優れ、光利用効率が高い光源装置が求められていた。また、係る光源装置を備え、ホワイトバランスが良好な高輝度の投射画像が得られるプロジェクタ装置が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明の第一の態様は、第１波長域の光を出力する第１レーザ光源と、前記第１波長域の光を反射し、蛍光を透過させる特性を備え、前記第１レーザ光源の光軸上に配置された第１ダイクロイックミラーと、第１集光光学系と、前記第１波長域の光が照射されると前記蛍光を発する蛍光領域と、前記第１波長域の光を反射する反射領域と、を備えた回転可能な蛍光ホイールと、前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第２ダイクロイックミラーと、前記第１波長域の光を反射させる特性を備え、反射させた前記第１波長域の光の光軸が、前記第１集光光学系の光軸と平行になるように配置された反射素子と、前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第３ダイクロイックミラーと、第２集光光学系と、前記蛍光を反射させる特性を備え、反射させた前記蛍光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置された第４ダイクロイックミラーと、前記蛍光ホイールと同期して回転可能で、カラーフィルターと拡散部を備えた色選択ホイールと、を備え、前記第１ダイクロイックミラーは、前記第１レーザ光源が発した前記第１波長域の光を前記第１集光光学系の一部分に向けて反射させるように配置され、前記第１ダイクロイックミラーにより反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分により前記蛍光ホイールの前記蛍光領域または前記反射領域に集光され、前記蛍光領域が発した前記蛍光の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分により集光され、前記第１ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、前記蛍光領域が発した前記蛍光の他の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、前記第４ダイクロイックミラーに入射した前記蛍光の一部および前記蛍光の他の一部は、前記第３ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、前記反射領域で反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーに反射されて前記反射素子に入射し、前記反射素子に入射した前記第１波長域の光は、反射されて前記第３ダイクロイックミラーに入射し、前記第３ダイクロイックミラーにより反射されて前記第２集光光学系に入射し、前記第２集光光学系に入射した前記蛍光および前記第１波長域の光は、前記第２集光光学系により前記色選択ホイールに向けて集光され、前記色選択ホイールは、前記蛍光を前記カラーフィルターによりフィルタリングし、前記第１波長域の光を前記拡散部により拡散させて、出力する、ことを特徴とする光源装置である。

【0020】

本発明の第二の態様は、第１波長域の光を出力する第１レーザ光源と、第２波長域の光を出力する第２レーザ光源と前記第１波長域の光を反射し、蛍光を透過させる特性を備え、前記第１レーザ光源の光軸上に配置された第１ダイクロイックミラーと、第１集光光学系と、前記第１波長域の光が照射されると前記蛍光を発する蛍光領域と、前記第１波長域の光を反射する反射領域と、を備えた回転可能な蛍光ホイールと、前記第１波長域の光を反射させ、前記蛍光を透過する特性を備えた第２ダイクロイックミラーと、前記第１波長域の光を反射させる特性を備え、反射させた前記第１波長域の光の光軸が、前記第１集光光学系の光軸と平行になるように配置された反射素子と、前記第１波長域の光を反射させ、前記第２波長域の光と前記蛍光を透過する特性を備えた第３ダイクロイックミラーと、第２集光光学系と、前記第２波長域の光を透過させるとともに前記蛍光を反射させる特性を備え、反射させた前記蛍光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置された第４ダイクロイックミラーと、前記蛍光ホイールと同期して回転可能で、カラーフィルターと拡散部を備えた色選択ホイールと、を備え、前記第２レーザ光源は、出力する前記第２波長域の光の光軸が、前記第２集光光学系の光軸と一致するように配置され、前記第２レーザ光源から出力された前記第２波長域の光は、前記第４ダイクロイックミラーと前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、前記第１ダイクロイックミラーは、前記第１レーザ光源が発した前記第１波長域の光を前記第１集光光学系の一部分に向けて反射させるように配置され、前記第１ダイクロイックミラーにより反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分により前記蛍光ホイールの前記蛍光領域または前記反射領域に集光され、前記蛍光領域が発した前記蛍光の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分により集光され、前記第１ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、前記蛍光領域が発した前記蛍光の他の一部は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーを透過して前記第４ダイクロイックミラーに入射し、前記第４ダイクロイックミラーに入射した前記蛍光の一部および前記蛍光の他の一部は、前記第３ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記第３ダイクロイックミラーを透過して前記第２集光光学系に入射し、前記反射領域で反射された前記第１波長域の光は、前記第１集光光学系の前記一部分とは異なる部分により集光され、前記第２ダイクロイックミラーに反射されて前記反射素子に入射し、前記反射素子に入射した前記第１波長域の光は、反射されて前記第３ダイクロイックミラーに入射し、前記第３ダイクロイックミラーにより反射されて前記第２集光光学系に入射し、前記第２集光光学系に入射した前記蛍光および前記第１波長域の光および前記第２波長域の光は、前記第２集光光学系により前記色選択ホイールに向けて集光され、前記色選択ホイールは、前記蛍光を前記カラーフィルターによりフィルタリングし、前記第１波長域の光と前記第２波長域の光を前記拡散部により拡散させて、出力する、ことを特徴とする光源装置である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、半導体レーザが発する青色光を励起光として蛍光体に照射して得られる蛍光と、半導体レーザが発する青色光のうち励起光として用いない一部と、を照明光として出力する光源装置において、装置が過度に大型化するのを防止することが出来る。それとともに、石英ガラス製等の高価な集光レンズを用いなくとも、色バランスの面内均一性に優れ、光利用効率が高い光源装置を実現できる。さらに、係る光源装置を備え、ホワイトバランスが良好な高輝度の投射画像が得られるプロジェクタ装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】（ａ）実施形態１に係る光源装置１００の光学系の概略構成を示す図である。（ｂ）レーザ光源１０１Ｂにおける青色半導体レーザとコリメートレンズの配置を示す図である。

【図2】（ａ）実施形態１における青色光の進行経路を説明するための図である。（ｂ）実施形態１において蛍光体が発する蛍光の進行経路を説明するための図である。

【図3】（ａ）実施形態１で用いる蛍光ホイール１２０ａの正面図である。（ｂ）実施形態１で用いる色選択ホイール１３０ａの正面図である。

【図4】（ａ）実施形態１においてレーザ光源１０１Ｂから出力される光の発光スペクトルを示す図である。（ｂ）蛍光体の発光特性を示す図である。

【図5】（ａ）実施形態におけるダイクロイックミラー２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの光学特性を示す図である。（ｂ）実施形態におけるダイクロイックミラー２０２ａの光学特性を示す図である。

【図6】（ａ）実施形態において第１集光レンズ系１０５内を光線が通過する範囲を示す図である。（ｂ）実施形態において第２集光レンズ系１０９内を光線が通過する範囲を示す図である。

【図7】（ａ）実施形態において青色光束が色選択ホイール１３０ａを経由してライトトンネル１４０に入射して伝播する状態を示す図である。（ｂ）実施形態において蛍光が色選択ホイール１３０ａを経由してライトトンネル１４０に入射して伝播する状態を示す図である。

【図8】（ａ）実施形態において色選択ホイール１３０ａの拡散部に付与する拡散機能と光利用率の関係を示す図である。（ｂ）拡散部により拡散された青色光の強度分布を示す図である。

【図9】（ａ）実施形態で用いる第１ダイクロイックミラー２０１ａ、第２ダイクロイックミラー２０１ｂの端部の形態の一例を示す模式図である。（ｂ）実施形態で用いる第１ダイクロイックミラー２０１ａ、第２ダイクロイックミラー２０１ｂの端部の望ましい形態の一例を示す模式図である。

【図10】実施形態２に係る光源装置２００の光学系の概略構成を示す図である。

【図11】（ａ）実施形態３に係る光源装置３００の光学系の概略構成を示す図である。（ｂ）実施形態３におけるレーザ光源１０１Ｂの構成を説明するための図である。

【図12】実施形態４に係る光源装置４００の光学系の概略構成を示す図である。

【図13】（ａ）実施形態５に係る光源装置５００の光学系の概略構成を示す図である。（ｂ）拡散板１１５を用いた場合の青色光束Ｂｏｕｔのビームプロファイル（ガウシアン分布）を示す図。（ｃ）トップハット素子１１６を用いた場合の青色光束Ｂｏｕｔのビームプロファイルを示す図。

【図14】実施形態６に係る光源装置６００の光学系の概略構成を示す図である。

【図15】（ａ）実施形態７に係る光源装置７００の光学系の概略構成を示す図である。（ｂ）レーザ光源１０１Ｂにおける青色半導体レーザとコリメートレンズの配置を示す図である。（ｃ）レーザ光源１０１Ｒにおける赤色半導体レーザとコリメートレンズの配置を示す図である。

【図16】（ａ）実施形態６で用いる蛍光ホイール１２０ｂの正面図である。（ｂ）実施形態６で用いる色選択ホイール１３０ｂの正面図である。

【図17】実施形態６におけるダイクロイックミラー２０２ｂの光学特性を示す図である。

【図18】実施形態８に係る投射型表示装置１０００の光学系の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図面を参照して、本発明の実施形態にかかる光源装置および投射型表示装置について説明してゆく。尚、以下に示す実施形態は例示であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更して実施をすることができる。
尚、以下の実施形態の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の参照番号を付して示す要素は、同様の機能を有するものとする。

【0024】

また、以下の説明において、例えばＸプラス方向と記す場合には、図示の座標系におけるＸ軸矢印が指すのと同じ方向を指し、Ｘマイナス方向と記す場合には、図示の座標系におけるＸ軸矢印が指すのと１８０度反対の方向を指すものとする。また、単にＸ方向と記す場合には、図示のＸ軸矢印が指す向きとの異同は関係なく、Ｘ軸と平行な方向であることを指すものとする。Ｘ以外の方向についても、同様とする。

【0025】

［実施形態１］
図１（ａ）は、実施形態１に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。

【0026】

（光源装置の構成）
光源装置１００は、レーザ光源１０１Ｂと、コリメートレンズ系５０４と、第１ダイクロイックミラー２０１ａと、第２ダイクロイックミラー２０１ｂと、第３ダイクロイックミラー２０１ｃと、第４ダイクロイックミラー２０２ａと、凸レンズ１０５Ａと凸レンズ１０５Ｂとで構成される第１集光レンズ系１０５（第１集光光学系）と、第２集光レンズ系１０９（第２集光光学系）と、拡散板１１５と、反射素子２１２と、回転可能な蛍光ホイール１２０ａと、回転可能な色選択ホイール１３０ａと、ライトトンネル１４０と、を備える。

【0027】

レーザ光源１０１Ｂは、例えば中心波長が４５５ｎｍ付近で発振する青色半導体レーザ１０２が用いられている。図４（ａ）に、レーザ光源１０１Ｂから出力される光の発光スペクトルを例示する。尚、レーザ光源１０１Ｂとして、中心波長が４５５ｎｍ以外の半導体レーザを用いることも可能である。

【0028】

個々の青色半導体レーザ１０２には、コリメートレンズ１０３が設けられている。一般に、半導体レーザが発する光ビームには、所定の角度の拡がりがあるが、コリメートレンズ１０３を設けることで、光ビームの拡がりを抑制し、レーザ光源１０１Ｂから略平行の光ビームを取出すことが可能になる。なお、コリメートレンズ１０３は、青色半導体レーザ１０２を実装するパッケージと一体型でも良く、また、別体としても良い。別体とする場合には、複数の青色半導体レーザ１０２の直後にレンズアレイを独立に配置して光源モジュールを構成すればよい。

【0029】

図１（ｂ）に示されるように、レーザ光源１０１Ｂでは、青色半導体レーザ１０２とコリメートレンズ１０３の対が、ＸＹ面内でアレイ状に配置されており、青色の光束をＺプラス方向に出射する。図１（ｂ）では、４×４のアレイを例示しているが、対の配置方法はこの例に限られるわけではなく、縦横に配列する対の数は適宜変更することが出来る。

【0030】

レーザ光源１０１Ｂが発する光束は、コリメートレンズ系５０４（コリメート光学系）により、光束径がＤ１になるように調整される。コリメートレンズ系５０４は、図では凸レンズ５０２と凹レンズ５０３の各１枚を組み合わせて構成されているが、別の構成にすることもできる。レーザ光源１０１Ｂの出力光は、蛍光体を励起するための励起光、および表示に用いる青色光（Ｂ）として用いられる。使用する青色半導体レーザ１０２の配列数に応じて励起光の光束径は適宜設定されるが、それに応じてコリメートレンズ系を構成するレンズの数や材質、形状などの光学緒元や、配置間隔等が適宜設計される。

【0031】

図１（ａ）においては、コリメートレンズ系５０４の光軸を光軸ＯＸ１として示している。コリメートレンズ系５０４の光軸ＯＸ１は、レーザ光源１０１Ｂが発する光束全体の断面に対して、垂直かつ中心を通るように設定されている。尚、図１１（ａ）および図１１（ａ）を参照して後述するように、径がＤ１で略平行な光束をレーザ光源１０１Ｂが出力可能であれば、必ずしもコリメートレンズ系５０４を設ける必要はない。その場合には、レーザ光源１０１Ｂが発する光束全体の断面に対して垂直かつ中心を通る軸を光軸ＯＸ１として定義する。

【0032】

光軸ＯＸ１上には、第１ダイクロイックミラー２０１ａが光軸ＯＸ１に対して４５度傾けられて配置されている。図５（ａ）に、第１ダイクロイックミラー２０１ａの光学特性を実線で示す。参考のために、同図には波長が４４５ｎｍ近傍の青色光（Ｂ光）が点線で示されているが、第１ダイクロイックミラー２０１ａは、青色光（Ｂ光）は反射し、緑色光（Ｇ光）や赤色光（Ｒ光）、あるいはこれらの光を含む黄色光（Ｙ光）の光については透過する光学特性を有している。係る特性の第１ダイクロイックミラー２０１ａは、例えば、透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着することにより形成することが可能である。

【0033】

第１ダイクロイックミラー２０１ａにより、レーザ光源１０１Ｂの出力光は反射されるが、その光路上には、凸レンズ１０５Ａと凸レンズ１０５Ｂで構成した第１集光レンズ系１０５（第１集光光学系）が設けられている。第１集光レンズ系１０５は、レーザ光源１０１Ｂの出力光を、蛍光ホイール１２０ａ上に集光させることができる。図１の例では、２枚の凸レンズ１０５Ａ、凸レンズ１０５Ｂで第１集光レンズ系１０５を構成したが、第１集光レンズ系１０５の構成はこの例に限られるわけではなく、１つまたは３つ以上のレンズで構成してもよい。また、レンズの形状、材質なども適宜に選択可能である。すなわち、球面以外でも非球面や自由曲面などのレンズを用いることもできる。ＢＫ７などの安価な光学材料を用いれば、光源装置を低価格で提供することができる。

【0034】

本実施形態では、光軸ＯＸ１と、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２は、互いに直交している。そして、レーザ光源１０１Ｂの出力光が、第１ダイクロイックミラー２０１ａにより反射された後に蛍光ホイール１２０ａに向かう際には、第１集光レンズ系１０５を構成する凸レンズ１０５Ａ、凸レンズ１０５Ｂの左半分（Ｚ方向マイナス側の半分）の領域内を通過するように各光学要素は配置されている。すなわち、第１ダイクロイックミラー２０１ａにより反射された青色光は、第１集光レンズ系１０５の一部分により集光される。

【0035】

第１集光レンズ系１０５の集光位置には、蛍光ホイール１２０ａが配置されている。図３（ａ）に、蛍光ホイール１２０ａの正面図を示す。蛍光ホイール１２０ａは、円板状のガラス板や金属板を基体とするが、その円周付近の表面には蛍光領域ＰＨと反射領域ＲＬが設けられている。蛍光領域ＰＨには、蛍光体が被覆されており、励起光（レーザ光源１０１Ｂの出力光）が照射されると、蛍光体の種類に応じて赤色（Ｒ色）や緑色（Ｇ色）や黄色（Ｙ色）の蛍光を発する。反射領域ＲＬは、レーザ光源１０１Ｂの出力光を反射するための領域であり、蛍光体は塗布されていない。反射領域ＲＬは、青色レーザ光を高い効率で反射するように鏡面加工しておくのが望ましい。

【0036】

蛍光ホイール１２０ａの基材には熱伝導率が高い金属が好適に用いられ、空冷効率を向上させるため基材に凹凸部や空孔が設けられる場合もある。蛍光ホイール１２０ａは、モータに連結されており、モータが回転軸Ｃ１を中心に回転することで、蛍光ホイール１２０ａ上に集光された青色光は、順次に反射領域ＲＬと蛍光領域ＰＨとを照射することになる。図３（ａ）の例では、蛍光領域ＰＨには、Ｇ用蛍光体、Ｒ用蛍光体、Ｙ用蛍光体が塗分けられているが、この３色の蛍光体で塗り分けなければならないわけではなく、光源装置１００の仕様に応じて適宜に材料や塗分け方法を変更することが出来る。

【0037】

図４（ｂ）に、蛍光体の発光スペクトルを例示する。点線３１はＧ用蛍光体の発光スペクトルを、一点鎖線３２はＹ用蛍光体の発光スペクトルを、実線３３はＲ用蛍光体の発光スペクトルを、それぞれ示している。各グラフには、励起光である青色光の波長に対応する位置にもピークが存在するが、これは蛍光体の発光によるものではなく、青色光の一部が励起には用いられずに蛍光体により散乱されたことを示すものである。尚、図４（ｂ）は例示であり、実施形態で用いられる蛍光体は、この発光特性の材料に限られるわけではない。

【0038】

図１（ａ）に戻り、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２に沿って見て、第１ダイクロイックミラー２０１ａおよび第２ダイクロイックミラー２０１ｂの先には、第４ダイクロイックミラー２０２ａが配置されている。第４ダイクロイックミラー２０２ａの反射面は、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２に対して４５度傾けられて配置されている。

【0039】

図５（ｂ）に、第４ダイクロイックミラー２０２ａの光学特性を実線で示す。参考のために、図には波長が４４５ｎｍ近傍の青色光（Ｂ光）が点線で示されている。第４ダイクロイックミラー２０２ａは、緑色光（Ｇ光）や赤色光（Ｒ光）、あるいはこれらの光を含む黄色光（Ｙ光）の光を反射する光学特性を有している。すなわち、第４ダイクロイックミラー２０２ａは、蛍光ホイール１２０ａが発する蛍光を反射する光学特性を有する。係る特性の第４ダイクロイックミラー２０２ａは、例えば、透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着することにより形成することが可能である。

【0040】

図１（ａ）に戻り、第１集光レンズ系１０５を間に挟んで蛍光ホイール１２０ａの反対側には、第２ダイクロイックミラー２０１ｂが光軸ＯＸ２に対して４５度傾けられて配置されている。第２ダイクロイックミラー２０１ｂは、第１ダイクロイックミラー２０１ａと同様に、図５（ａ）に実線で示した光学特性を有する。すなわち、第２ダイクロイックミラー２０１ｂは、青色光（Ｂ光）は反射し、緑色光（Ｇ光）や赤色光（Ｒ光）、あるいはこれらの光を含む黄色光（Ｙ光）の光については透過する光学特性を有している。係る特性の第１ダイクロイックミラー２０１ａは、例えば、透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着することにより形成することが可能である。

【0041】

第２ダイクロイックミラー２０１ｂにより反射される青色光（Ｂ光）の光路上には、第２ダイクロイックミラー２０１ｂと平行に反射素子２１２が配置されている。言い換えれば、コリメートレンズ系５０４の光軸ＯＸ１に沿って見て、第２ダイクロイックミラー２０１ｂよりもさらに先方には、第２ダイクロイックミラー２０１ｂと平行に反射素子２１２が配置されている。

【0042】

反射素子２１２は、青色（Ｂ色）の光を反射するミラーである。反射素子２１２は、青色（Ｂ色）の光に対して９５％以上の反射率を有することが好ましく、例えばガラス基板などに誘電体多層膜を形成して作成することができる。あるいは、ＡＬ蒸着などを用いてミラー基板に反射膜を形成してもよい。反射素子２１２は、反射した青色光の光束の中心（光軸）が、後述する第４ダイクロイックミラー２０２ａにより反射された蛍光の光束の中心（光軸）と、第３ダイクロイックミラー２０１ｃ上で重なるように設置されている。

【0043】

第３ダイクロイックミラー２０１ｃは、第１ダイクロイックミラー２０１ａや第２ダイクロイックミラー２０１ｂと同様に、図５（ａ）に実線で示した光学特性を有する。すなわち、第３ダイクロイックミラー２０１ｃは、青色光（Ｂ光）は反射し、緑色光（Ｇ光）や赤色光（Ｒ光）、あるいはこれらの光を含む黄色光（Ｙ光）の光については透過する光学特性を有している。係る特性の第３ダイクロイックミラー２０１ｃは、例えば、透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着することにより形成することが可能である

【0044】

反射素子２１１により反射された青色（Ｂ色）の光は、第３ダイクロイックミラー２０１ｃにより反射されてＺプラス方向に進むが、その進路上には第２集光レンズ系１０９（第２集光光学系）が設けられている。第２集光レンズ系１０９は、その光軸ＯＸ３が、青色（Ｂ色）の光束の中心軸および蛍光の光束の中心軸と一致するように配置されている。第２集光レンズ系１０９は、後述する表示装置の投射レンズ１８０（図１９）のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定されており、青色（Ｂ色）および蛍光をライトトンネル１４０の入射口に向けて集光する。第２集光レンズ系１０９は、図では模式的に単一の凸レンズとして表されているが、実際には単レンズに限られるわけではなく、複数のレンズを組合わせて構成してもよい。

【0045】

第２集光レンズ系１０９とのライトトンネル１４０の間には、色選択ホイール１３０ａが配置されている。色選択ホイール１３０ａはモータに連結されており、モータが回転軸Ｃ２を中心に回転することにより回転する。色選択ホイール１３０ａと蛍光ホイール１２０ａとが同期して回転するように、各々のモータは制御される。
図３（ｂ）に、色選択ホイール１３０ａの正面図を示す。色選択ホイール１３０ａには、フィルター部と拡散部が設けられている。

【0046】

フィルター部には、蛍光から不要なスペクトル成分を除外するための光学フィルターが設けられており、例えばＲ用フィルター部には、蛍光ホイール１２０ａのＲ用蛍光体領域が発する蛍光から不要なスペクトル成分を除去して、赤色の色純度を高める光学フィルターが設けられている。同様に、Ｇ用フィルター部には、蛍光ホイール１２０ａのＧ用蛍光体領域が発する蛍光から不要なスペクトル成分を除去して、緑色の色純度を高めるための光学フィルターが、Ｙ用フィルター部には、蛍光ホイール１２０ａのＹ用蛍光体領域が発する蛍光から不要なスペクトル成分を除去して、黄色の色純度を高めるための光学フィルターが設けられている。尚、フィルター部は、透過する蛍光を拡散させる作用を有するものではない。
また、Ｂ用拡散部には、青色光の光束を適宜に拡散させるための拡散面が設けられている。拡散部の作用効果については、後に詳述する。

【0047】

（光源装置の動作）
上述した構成を有する光源装置１００の動作について説明する。
（青色光の出力動作）
まず、レーザ光源１０１Ｂから青色光（Ｂ色光）が出力され、青色光（Ｂ色光）が蛍光ホイール１２０ａの反射領域ＲＬを照射するタイミングにおける装置動作について説明する。

【0048】

図２（ａ）は、レーザ光源１０１Ｂから出力される青色光（Ｂ色光）の進行経路を説明するための図である。図２（ａ）は、レーザ光源１０１Ｂから蛍光ホイール１２０ａの反射領域ＲＬを照射するタイミングで出力された青色光（Ｂ色光）が、映像表示に用いる青色光（Ｂ色光）成分としてライトトンネル１４０に入力される状態を示している。尚、後に図２（ｂ）を参照して説明するように、レーザ光源１０１Ｂから蛍光ホイール１２０ａの蛍光領域ＰＨを照射するタイミングで出力された青色光（Ｂ色光）は、蛍光体を励起する励起光として機能する。

【0049】

まず、レーザ光源１０１Ｂにおいては、各々の青色半導体レーザ１０２から出力された青色のレーザビームが、コリメートレンズ１０３により略平行にコリメートされる。レーザビーム同士は互いに間隔を空けて平行に進行するので、厳密には空間的に離散したレーザビーム群ともいえるが、各々の青色半導体レーザ１０２は極めて近接して配置されているので、レーザビーム群をまとめて１つの光束と見なして取り扱っても差し支えない。すなわち、レーザ光源１０１Ｂは、１つの青色光束を発する光源と見なすことができる。

【0050】

この青色光束は、コリメートレンズ系５０４により光束径がＤ１に調整され、光軸ＯＸ１に沿って進む。コリメートレンズ系５０４を通過した青色光束は、第１ダイクロイックミラー２０１ａに入射するが、第１ダイクロイックミラー２０１ａは、前述したように図５（ａ）に示した特性を有するため、青色光束は反射されて第１集光レンズ系１０５に向けて光路が９０度曲げられる。

【0051】

第１ダイクロイックミラー２０１ａにて反射された青色光束（Ｂ色光）をＢｉｎとすると、青色光束Ｂｉｎは、第１集光レンズ系１０５（凸レンズ１０５ａ、凸レンズ１０５ｂ）による集光作用を受けて、蛍光ホイール１２０ａ上の反射領域ＲＬに集光される。

【0052】

本実施形態では、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２と、青色光束Ｂｉｎの光軸を非共軸、すなわち光軸どうしがオフセットした構成としている。蛍光ホイール１２０ａの反射領域ＲＬにて反射される青色光を、映像表示に用いる青色光（Ｂ色光）としてロスなく取り出せるようにするためである。尚、反射領域ＲＬは、反射面に対する法線が集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２と平行になるように形成されている

【0053】

図６（ａ）に、第１集光レンズ系１０５内を光線が通過する範囲を示す。図２（ａ）および図６（ａ）に示されるように、蛍光ホイール１２０ａに向かって進行する青色光束Ｂｉｎは、第１集光レンズ系１０５の左半分の領域、つまり集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２よりＺマイナス方向側の領域（集光レンズの一部分）を通過して行く。

【0054】

一方、蛍光ホイール１２０ａの反射領域ＲＬにて反射された青色光束（Ｂ色光）をＢｏｕｔとすると、青色光束Ｂｏｕｔは青色光束Ｂｉｎと同じ経路上を逆行して第１集光レンズ系１０５の左半分の領域を通過するわけではない。青色光束Ｂｏｕｔは、図２（ａ）および図６（ａ）に示すように、第１集光レンズ系１０５の右半分の領域、つまり第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２よりＺプラス方向側の領域（青色光束Ｂｉｎが通過する一部分とは異なる部分）を通過して行く。

【0055】

青色光束Ｂｏｕｔは、第１集光レンズ系１０５により青色光束Ｂｉｎと同様の光束径Ｄ１に復元された後、Ｘプラス方向に進み第２ダイクロイックミラー２０１ｂに入射する。第２ダイクロイックミラー２０１ｂは、前述したように図５（ａ）に示した光学特性を有するため、青色光束Ｂｏｕｔは反射されて、反射素子２１１に向かう。

【0056】

青色光束Ｂｏｕｔは、反射素子２１１に到達する前に、拡散板１１５を通過するが、拡散板１１５を通過した青色光束Ｂｏｕｔは、平行光束ではなく、先に進むにしたがって径が拡大する光束となる。すなわち、その先で反射素子２１２および第３ダイクロイックミラー２０１ｃにて反射されて第２集光レンズ系１０９に向かって進む際に、青色光の光束径が拡大してゆくように構成されている。

【0057】

前述したように、反射素子２１２は青色の光を反射する光学特性を備えたミラーであり、第４ダイクロイックミラー２０２ａと平行になるように配置され、かつ反射した青色光束の中心（光軸）が、第４ダイクロイックミラー２０２ａにより反射された蛍光の光束の中心（光軸）と、第３ダイクロイックミラー２０１ｃ上で重なるような位置に設けられている。

【0058】

反射素子２１２により反射された青色光束は、第３ダイクロイックミラー２０１ｃにて反射されてＺプラス方向に進むが、その進路上には第２集光レンズ系１０９（第２集光光学系）が設けられている。第２集光レンズ系１０９は、その光軸ＯＸ３が、青色光束の中心と一致するように配置されている。

【0059】

図６（ｂ）は、第２集光レンズ系１０９に光束が入射する部分を示す模式図である。青色光束Ｂｏｕｔの光束径はＤ２であり、光束の中心軸は第２集光レンズ系１０９の光軸ＯＸ３と一致している。青色光束Ｂｏｕｔは、拡散板１１５により径が拡大されているので、Ｄ２＞Ｄ１が成立する。すなわち、第２集光レンズ系１０９内を通過する際には、第１集光レンズ系１０５を透過した時点よりも、青色光束の径と蛍光光束の径の差異が小さくなっている。

【0060】

第２集光レンズ系１０９は、後述する表示装置の投射レンズ１８０（図１７）のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定されている。光束径がＤ２であった青色光束Ｂｏｕｔは、第２集光レンズ系１０９により、ライトトンネル１４０の入射口に向けて集光される。

【0061】

蛍光ホイール１２０ａの蛍光領域ＰＨが発する蛍光の光路については後述するが、図６（ｂ）に示すように、第２集光レンズ系１０９に入射する青色光束Ｂｏｕｔは、点線で示す蛍光の光束と同軸ではあるが、光束径を比較すると、青色光束Ｂｏｕｔは蛍光よりも径が小さい。蛍光ホイール１２０ａの蛍光領域ＰＨが発する蛍光はランバート発光であり、蛍光領域ＰＨからは、反射領域ＲＬで反射された青色光よりも大きな角度範囲で蛍光が出射するためである。

【0062】

このままでは、第２集光レンズ系１０９に入射する際の光束径の違いにより、青色光束Ｂｏｕｔがライトトンネル１４０の入射口に入射する際の入射角度分布（集束角）と、第２集光レンズ系１０９により集光された蛍光がライトトンネル１４０の入射口に入射する際の入射角度分布（集束角）には、差異が生じ得る。入射角度分布（集束角）に差異が生じると、ライトトンネル１４０の出口から出射する際に、青色光と蛍光の出射角度分布（広がり）に差異が生じ、投射型表示装置の照明光として利用する際に、表示画面内で色むらを発生させる原因となり得る。

【0063】

そこで、本発明では、蛍光ホイール１２０ａとライトトンネル１４０の入射口の間に、青色光束Ｂｏｕｔを拡散させるが蛍光は拡散させない光学手段を設け、ライトトンネル１４０の入射口に入射する際の入射角度分布（集束角度）の違いを低減し、色むらの発生を抑制している。実施形態１では、その機能を、第２集光レンズ系１０９とライトトンネル１４０の入射口の間に配置された色選択ホイール１３０ａに付与している。

【0064】

図７（ａ）は、青色光束が色選択ホイール１３０ａを経由してライトトンネル１４０に入射して伝播する状態を示し、図７（ｂ）は、蛍光が色選択ホイール１３０ａを経由してライトトンネル１４０に入射して伝播する状態を示している。これらの図から明らかなように、第２集光レンズ系１０９により集光された青色光が色選択ホイール１３０ａに向かう際の集束角αｉｎ（青）は、第２集光レンズ系１０９により集光された蛍光が色選択ホイール１３０ａに向かう際の集束角αｉｎ（蛍光）よりも小さい。しかし、図３（ｂ）を参照して説明したように、本実施形態の色選択ホイール１３０ａには、青色光が透過する部分には光束を適宜に拡散させる拡散部が設けられ、蛍光が透過する部分には不要なスペクトル成分を除外するようにフィルタリングするが拡散作用は有さないカラーフィルター部が設けられている。このため、青色光束は、図７（ａ）に示すように拡散部により拡散されてライトトンネル１４０に入射する一方で、蛍光は、図７（ｂ）に示すように拡散作用を受けずにライトトンネル１４０に入射する。その結果、集束角αｉｎ（青）と集束角αｉｎ（蛍光）の差異に比べて、ライトトンネル１４０から青色光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（青）と蛍光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（蛍光）の差異を、小さくすることができる。

【0065】

図８（ａ）に、拡散部に付与する拡散機能と光利用率の関係を示す。拡散部により拡散された青色光の強度分布は、図８（ｂ）に示すようにガウシアン分布になるが、拡散機能を大きく設定し過ぎると、制御設定角１／ｅ２の外側の光がライトトンネル１４０に有効に入射されずに光損失が大きくなるため、図８（ａ）に示したように光利用率は低下する。そこで、拡散部の拡散機能は、表示画面内の色むらの抑制効果と、青色光の光利用率確保のバランスを考慮して適宜に設定される。

【0066】

（螢光の出力動作）
次に、光源装置１００が蛍光を出力する際の動作について説明する。すなわち、レーザ光源１０１Ｂから青色光（Ｂ色光）が出力され、青色光（Ｂ色光）が蛍光ホイール１２０ａの蛍光領域ＰＨを照射するタイミングにおける装置動作について説明する。

【0067】

図２（ｂ）は、蛍光ホイール１２０ａから出力される蛍光の進行経路を説明するための図であり、蛍光領域ＰＨにて発光した蛍光が、映像表示に用いる照明光としてライトトンネル１４０に入力される状態を示している。蛍光領域ＰＨのうち、Ｇ用蛍光体領域、Ｙ用蛍光体領域、Ｒ用蛍光体領域のいずれが発光するタイミングであるかにより蛍光のスペクトルは異なるが、図２（ｂ）に点線で示された光路は各色共通である。尚、励起光としての青色光がレーザ光源１０１Ｂから蛍光ホイール１２０ａに到達するまでのふるまいは、青色光の出力動作の説明中で図２（ａ）を参照して述べた内容と同様であるので、ここでは説明を省略する。図２（ｂ）では、青色光の経路は図示を省略している。

【0068】

図２（ｂ）では、蛍光領域ＰＨから発せられた蛍光の光路を模式的に点線で示しているが、蛍光はランバート発光であるため、蛍光領域ＰＨから大きな角度範囲で第１集光レンズ系１０５の全体に向けて出射する。すなわち、図６（ａ）に点線で示すように、蛍光は第１集光レンズ系１０５のほぼ全域を通過する。第１集光レンズ系１０５により集光された蛍光はＸプラス方向に進む平行な光束となるが、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２よりも左側（Ｚマイナス方向側）部分を通過した光束は、第１ダイクロイックミラー２０１ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２０１ａは、図５（ａ）に示すように、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、黄色（Ｙ）のいずれの色の光も透過させる光学特性を備えているため、蛍光はこれを透過して第４ダイクロイックミラー２０２ａに入射する。

【0069】

一方、蛍光の中で、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２よりも右側（Ｚマプラス方向側）部分を通過した光束は、第２ダイクロイックミラー２０１ｂに入射する。第２ダイクロイックミラー２０１ｂは、図５（ａ）に示すように、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、黄色（Ｙ）のいずれの色の光も透過させる光学特性を備えているため、蛍光はこれを透過して第４ダイクロイックミラー２０２ａに入射する。

【0070】

第４ダイクロイックミラー２０２ａは、図５（ｂ）に示すように、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、黄色（Ｙ）のいずれの色の螢光も反射させる光学特性を備えているため、蛍光は進行方向を９０度曲げられて第３ダイクロイックミラー２０１ｃに向けてＺプラス方向に進む。第３ダイクロイックミラー２０１ｃは、図５（ａ）に示すように、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、黄色（Ｙ）のいずれの色の螢光も透過させる光学特性を備えているため、蛍光はこれを透過して第２集光レンズ系１０９に入射する。

【0071】

図６（ｂ）に示すように、第２集光レンズ系１０９に入射する蛍光は、青色光束Ｂｏｕｔと同軸（同心）だが、青色光束Ｂｏｕｔよりも光束径が大きい。第２集光レンズ系１０９は、前述したように表示装置の投射レンズ１８０のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定されており、蛍光はライトトンネル１４０の入射口に向けて集光される。

【0072】

図７（ｂ）は、蛍光が色選択ホイール１３０ａを経由してライトトンネル１４０に入射して伝播する状態を示している。本実施形態の色選択ホイール１３０ａには、蛍光が透過する部分には不要なスペクトル成分を除外するが拡散作用は有さないフィルター部が設けられている。このため、蛍光は拡散作用を受けずにライトトンネル１４０に入射する。すでに説明したように、本実施形態では、ライトトンネル１４０から青色光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（青）と蛍光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（蛍光）の差異が低減されているため、投射型表示装置の照明光として用いる際の面内色むらを抑制することができる。

【0073】

ここで、補足説明として、光軸ＯＸ２を挟んで対称に配置した第１ダイクロイックミラー２０１ａと第２ダイクロイックミラー２０１ｂについて述べる。図９（ａ）は端部形状の一例を示す模式図で、図９（ｂ）は、より好ましい端部形状の一例を示す模式図である。

【0074】

図９（ａ）に示す例では、第１ダイクロイックミラー２０１ａと第２ダイクロイックミラー２０１ｂは、側面ＳＡが主面（光学面）に対してほぼ垂直に形成された板状の部材である。一般に、こうした板材の側面に主面と同様の均質な光学面を形成するのは困難であるため、側面ＳＡには光学処理が施されていない。図９（ａ）に示すように、第１集光レンズ系１０５側の主面（光学面）から第１ダイクロイックミラー２０１ａ内に入射した蛍光のうち大部分は、第４ダイクロイックミラー２０２ａ側の主面（光学面）を抜けてＸプラス方向に進むことができる。しかし、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２の近傍にて第１ダイクロイックミラー２０１ａに入射した蛍光は、光学処理が施されていない側面ＳＡに到達する。蛍光は、光学処理が施されていない側面ＳＡを通り抜けてＸプラス方向に進むことができず、照明光としては利用できない損失が発生する。第２ダイクロイックミラー２０１ｂについても同様の事が言える。

【0075】

そこで、図９（ｂ）に示す例では、第１ダイクロイックミラー２０１ｂと第２ダイクロイックミラー２０１ｂの側面ＳＢの形状（向き）を工夫して側面ＳＢに到達する蛍光を少なくし、蛍光の損失を抑制するようにしている。すなわち、第１ダイクロイックミラー２０１ｂの側面ＳＢと第２ダイクロイックミラー２０１ｂの側面ＳＢが、第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２と平行になるような構成とし、光軸ＯＸ２に沿って互いに当接するようにした。具体的には、第１集光レンズ系１０５側の主面（光学面）と側面ＳＢの成す角を鋭角（例えば４５度）とし、第４ダイクロイックミラー２０２ａ側の主面（光学面）と側面ＳＢの成す角を鈍角（例えば１３５度）とした。図９（ｂ）に示す例によれば、第１ダイクロイックミラーおよび第２ダイクロイックミラーの側面における損失が抑制されるため、蛍光の利用効率と色バランスの面内均一性を、さらに高めることができる。

【0076】

以上説明したように、本実施形態によれば、半導体レーザが発する青色光を励起光として蛍光体に照射して得られる蛍光と、半導体レーザが発する青色光のうち励起光として用いない一部と、を照明光として出力する光源装置において、第１ダイクロイックミラー２０１ａと第２ダイクロイックミラー２０１ｂを第１集光レンズ系１０５の光軸ＯＸ２を挟んで対称に配置した。そして、励起光として用いない青色光と蛍光を、別の光路で第２集光レンズ系１０９に導く構成とすることで、装置が過度に大型化するのを防止することが出来た。本実施形態は、１／４波長板等を用いた偏光制御を行わないため、石英ガラス製等の高価な集光レンズを用いなくとも、色バランスの面内均一性が優れ、光利用効率が高い光源装置を実現することができる。

【0077】

［実施形態２］
図１０は、実施形態２に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態２の光源装置２００は、実施形態１の光源装置１００の一部を変形したものであるが、実施形態１と説明が共通する事項については、記載を簡略化ないし省略する。

【0078】

（光源装置の構成）
本実施形態の光源装置２００は、実施形態１と同様に、レーザ光源１０１Ｂと、コリメートレンズ系５０４と、第１ダイクロイックミラー２０１ａと、第４ダイクロイックミラー２０２ａと、凸レンズ１０５Ａと凸レンズ１０５Ｂとで構成される第１集光レンズ系１０５（第１集光光学系）と、第２集光レンズ系１０９（第２集光光学系）と、拡散板１１５と、反射素子２１２と、回転可能な蛍光ホイール１２０ａと、回転可能な色選択ホイール１３０ａと、ライトトンネル１４０と、を備える。

【0079】

実施形態１では、上記の構成要素の他に、同一の光学特性を有する第２ダイクロイックミラー２０１ｂと第３ダイクロイックミラー２０１ｃが別体で設置されていたが、本実施形態ではダイクロイックミラー２０１ｄとしてこれらが一体化されている。すなわち、本実施形態のダイクロイックミラー２０１ｄは、図５（ａ）に示した光学特性を有する。
光源装置２００の動作については、実施形態１と同様であるので、説明を省略する。

【0080】

本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を奏するとともに、部品点数を削減することが出来る。第２ダイクロイックミラー２０１ｂと第３ダイクロイックミラー２０１ｃを別体にすると、両者の製造上の特性ばらつきや、両者の相対位置決め誤差の影響を受ける可能性があるが、本実施形態では一体化されているため、そうした懸念はない。

【0081】

［実施形態３］
図１１（ａ）は、実施形態３に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態３の光源装置３００は、実施形態２の光源装置２００と共通する部分が存在しているが、共通する部分については説明を簡略化ないし省略する。

【0082】

（光源装置の構成）
実施形態２では、レーザ光源１０１Ｂとして、青色半導体レーザ１０２を例えば４×４のアレイ状に配列したものを用い、レーザ光源１０１Ｂから径が大きな青色光束を出力した。そして、コリメートレンズ系５０４（コリメート光学系）を用いて、光束径がＤ１の平行光束になるように調整した。

【0083】

これに対して、本実施形態では、光束径がＤ１の平行光束を出力するようにレーザ光源１０１Ｂのサイズを構成した。図１１（ｂ）に、本実施形態のレーザ光源１０１Ｂの構成を示す。尚、光束径がＤ１の平行光束を出力できれば、青色半導体レーザ１０２は必ずしも図示のような２×２のアレイ配置でなくてもよい。

【0084】

このようなレーザ光源１０１Ｂを用いることにより、コリメートレンズ系５０４（コリメート光学系）を不要とし、レーザ光源１０１Ｂの位置を第１ダイクロイックミラー側（Ｚプラス方向側）に近接させた。
本実施形態によれば、実施形態２と同様の効果を奏するとともに、部品点数を削減することが出来る。さらに、光源装置をＺ方向に見てコンパクトにすることが可能となる。

【0085】

［実施形態４］
図１２は、実施形態４に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態４の光源装置４００は、実施形態２の光源装置２００と共通する部分が存在しているが、共通する部分については説明を簡略化ないし省略する。

【0086】

（光源装置の構成）
実施形態２の光源装置２００は、拡散板１１５を備え、拡散板１１５を通過した青色光束Ｂｏｕｔが、平行光束ではなく、先に進むにしたがって径が拡大するようにした。すなわち、その先で反射素子２１２および第３ダイクロイックミラー２０１ｃにて反射されて第２集光レンズ系１０９に向かう青色光束の径が、拡大してゆくように構成した。

【0087】

これに対して、本実施形態では拡散板１１５は用いずに、反射素子２１２を挟んでその前後に凹レンズ１１０と凸レンズ１１１を設けた。凹レンズ１１０と凸レンズ１１１により、径がＤ１であった平行な青色光束Ｂｏｕｔは、第２集光レンズ系１０９に入射する際に径がＤ２になるように光学的に補正される。（ただし、Ｄ２＞Ｄ１）。青色光束Ｂｏｕｔが、凸レンズ１１１を出射した時点で径がＤ２の平行光束になるように、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１を構成してもよい。また、凹レンズ１１０と凸レンズ１１１は、それぞれ１枚で構成することができるが、場合によっては一方若しくは両方を複数枚のレンズで構成してもよい。

【0088】

本実施形態によれば、実施形態２と同様の効果を奏するとともに、拡散板１１５の代わりに凹レンズ１１０と凸レンズ１１１を用いるため、第２集光レンズ系１０９に入射する青色光束Ｂｏｕｔを、より大きく拡大したり、高精度に径を補正することが出来る。

【0089】

［実施形態５］
図１３（ａ）は、実施形態５に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態５の光源装置５００は、実施形態２の光源装置２００と共通する部分が存在しているが、共通する部分については説明を簡略化ないし省略する。

【0090】

（光源装置の構成）
実施形態２の光源装置２００は、拡散板１１５を備え、拡散板１１５を通過した青色光束Ｂｏｕｔが、平行光束ではなく、先に進むにしたがって径が拡大するようにした。すなわち、その先で反射素子２１２および第３ダイクロイックミラー２０１ｃにて反射されて第２集光レンズ系１０９に向かう青色光束の径が、拡大してゆくように構成した。

【0091】

これに対して、本実施形態では拡散板１１５は用いずに、反射素子２１２を挟んでその前後にトップハット素子１１６と凸レンズ１１１を設けた。トップハット素子１１６と凸レンズ１１１により、径がＤ１であった平行な青色光束Ｂｏｕｔは、第２集光レンズ系１０９に入射する際に径がＤ２になるように光学的に補正される。（ただし、Ｄ２＞Ｄ１）。

【0092】

さらに、トップハット素子１１６は、青色光束Ｂｏｕｔがライトトンネル１４０に入射する際の入射口におけるビームプロファイルを補正する機能を有する。実施形態２のように拡散板１１５を用いた場合には、ライトトンネル１４０の入射口において青色光束Ｂｏｕｔのビームプロファイルは、図１３（ｂ）に示すように、裾野が長いガウシアン分布であった。そのため、裾野の一部は、ライトトンネル１４０の入射口の外縁よりもはみ出してライトトンネル１４０に入射できず、青色光の損失が生じていた。ガウシアン分布のままスポット径を縮小し、裾野全域までライトトンネル１４０に入射させようとすると、表示画面の周辺部での強度が小さくなり、画面内で輝度むらや色むらが顕在化する可能性があった。

【0093】

本実施形態ではトップハット素子１１６を用いるため、ライトトンネル１４０の入射口における青色光束Ｂｏｕｔのビームプロファイルを、図１３（ｃ）に示すように、トップが平坦な形に補正することが可能となる。トップハット素子１１６は、例えばＸＹ平面内にマイクロレンズを２次元アレイ状に配置した素子構成により実現できるが、前記のようにビームプロファイルを補正できるものであれば、それ以外の構成の素子であってもよい。

【0094】

本実施形態によれば、実施形態２と同様の効果を奏するとともに、拡散板１１５の代わりにトップハット素子１１６と凸レンズ１１１を用いるため、第２集光レンズ系１０９に入射する青色光束Ｂｏｕｔを、より大きく拡大したり、高精度に径を補正することが出来る。さらに、青色光の利用効率を高め、表示画面内の輝度むらや色むらを抑制する効果がある。

【0095】

［実施形態６］
図１４は、実施形態６に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態６の光源装置６００は、実施形態４の光源装置４００と共通する部分が存在しているが、共通する部分については説明を簡略化ないし省略する。

【0096】

（光源装置の構成）
本実施形態の光源装置６００は、第４ダイクロイックミラー２０２ａとダイクロイックミラー２０１ｄの間に集光レンズ１０８を備えている。この点が、実施形態４の光源装置４００と異なる。

【0097】

集光レンズ１０８は、第１ダイクロイックミラー２０１ａまたは第２ダイクロイックミラー２０１ｂを透過して第４ダイクロイックミラー２０２ａに向かう蛍光には作用（干渉）しないが、第４ダイクロイックミラー２０２ａで反射されてダイクロイックミラー２０１ｄに向かう蛍光に対しては集光作用を及ぼすように設置されている。

【0098】

集光レンズ１０８で蛍光を集光させることにより、第２集光レンズ系１０９に入射する際の蛍光の光束径（図６（ｂ）の点線）を小さくすることが可能となる。このため、図６（ｂ）に示した第２集光レンズ系１０９により集光された蛍光が色選択ホイール１３０ａに向かう際の集束角αｉｎ（蛍光）、およびライトトンネル１４０から蛍光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（蛍光）を小さくすることが出来る。すなわち、ライトトンネル１４０から青色光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（青）と蛍光が出射する際の広がり角αｏｕｔ（蛍光）の差異を小さくすることができ、表示画面内の輝度むらや色むらをさらに低減し得る。

【0099】

また、集光レンズ１０８で集光された蛍光の光束径は小さくなるため、実施形態４の光源装置４００に比べて、ダイクロイックミラー２０１ｄと第２集光レンズ系１０９を小型化することが可能となる。

【0100】

［実施形態７］
図１５（ａ）は、実施形態７に係る光源装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。
実施形態７の光源装置７００は、実施形態５の光源装置５００と共通する部分が存在しているが、共通する部分については説明を簡略化ないし省略する。

【0101】

（光源装置の構成）
本実施形態の光源装置７００は、実施形態５と同様に、青色光を発するレーザ光源１０１Ｂと、凸レンズ５０２と凹レンズ５０３とで構成されるコリメートレンズ系５０４と、第１ダイクロイックミラー２０１ａと、ダイクロイックミラー２０１ｄと、凸レンズ１０５Ａと凸レンズ１０５Ｂとで構成される第１集光レンズ系１０５（第１集光光学系）と、第２集光レンズ系１０９（第２集光光学系）と、トップハット素子１１６と、反射素子２１２と、凸レンズ１１１と、ライトトンネル１４０と、を備える。

【0102】

本実施形態の光源装置７００は、青色光を発するレーザ光源１０１Ｂ（第１波長域の光を出力する第１レーザ光源）については、図１５（ｂ）に示すように実施形態５と同様の構成のものを用いている。レーザ光源１０１Ｂが発する青色光を、蛍光体を励起するための励起光および表示用の青色照明光として用いる点では、本実施形態は実施形態５と共通している

【0103】

一方、本実施形態は赤色光を発するレーザ光源１０１Ｒ（第２波長域の光を出力する第２レーザ光源）を備え、蛍光体が発する赤色の蛍光ではなく、レーザ光源１０１Ｒが発する赤色レーザ光（Ｒ）を表示用の赤色照明光として用いる点で、実施形態５の光源装置５００と異なっている。レーザ光源１０１Ｒが出力する色純度の高い赤色光は、蛍光体を励起するのには用いられずに、専ら表示用として用いられる。このため、光源装置７００の光学系は、レーザ光源１０１Ｂが発する青色光と、蛍光体が発する蛍光と、レーザ光源１０１Ｒが発する赤色光を、同軸で取り出すことができるように構成されている。

【0104】

レーザ光源１０１Ｒは、中心波長が例えば６３５ｎｍ付近で発振する赤色半導体レーザ１０２Ｒを備えている。個々の赤色半導体レーザ１０２Ｒには、コリメートレンズ１０３が設けられている。一般に、半導体レーザが発する光ビームには、所定の角度の拡がりがあるが、コリメートレンズ１０３を設けることで、光ビームの拡がりを抑制し、レーザ光源１０１Ｒから略平行の光ビームを取出すことが可能になる。なお、コリメートレンズ１０３は、赤色半導体レーザ１０２Ｒを実装するパッケージと一体型でも良く、また、別体としても良い。別体とする場合には、複数の赤色半導体レーザ１０２Ｒの直後にレンズアレイなどを独立に配置して光源モジュールを構成すればよい。

【0105】

図１５（ｃ）に示されるように、レーザ光源１０１Ｒでは、赤色半導体レーザ１０２Ｒとコリメートレンズ１０３の対が、ＹＺ面内でアレイ状に配置されており、赤色の光束をＺプラス方向に出射する。出力する光束の径をＤ２とするため（図６（ｂ）参照）に、図１５（ｃ）に示すように、赤色半導体レーザ１０２Ｒとコリメートレンズ１０３の対を２×２のアレイに配置しているが、対の配置方法はこの例に限られるわけではなく、適宜変更することが出来る。

【0106】

図１５（ａ）に戻り、本実施形態では、実施形態５で回転可能な蛍光ホイール１２０ａが設置されていたのと同じ位置に、回転可能な蛍光ホイール１２０ｂが設けられている。また、実施形態５で回転可能な色選択ホイール１３０ａが設置されていたのと同じ位置に、回転可能な色選択ホイール１３０ｂが設けられている。

【0107】

図１６（ａ）に、本実施形態で用いる蛍光ホイール１２０ｂの正面図を示す。図示のように、蛍光ホイール１２０ｂは、図３（ａ）に示した実施形態５の蛍光ホイール１２０ａとは構成が異なっている。本実施形態の蛍光ホイール１２０ｂでは、周方向に沿って見て概ね９時から４時までの範囲にはＧ用蛍光体が被覆された蛍光領域ＰＨが、４時から６時までの範囲にはレーザ光源１０１Ｂの出力光を反射するための反射領域ＲＬが、６時から概ね９時に範囲には光学的に機能を持たない無機能領域ＮＦが、円周に沿って設けられている。蛍光ホイール１２０ｂを回転軸Ｃ１を中心に回転することで、蛍光ホイール１２０ｂ上に集光された青色光は、順次に反射領域ＲＬと蛍光領域ＰＨとを照射することになる。

【0108】

ここで、説明の便宜のため、第１集光レンズ系１０５の集光位置に、図１６（ａ）に示された蛍光ホイール１２０ｂの１時から４時の領域が位置するタイミングをＧ出力タイミング、４時から６時の領域が位置するタイミングをＢ出力タイミング、６時から概ね９時の領域が位置するタイミングをＲ出力タイミング、概ね９時から１時の領域が位置するタイミングをＹ出力タイミングと呼ぶこととする。Ｇ出力タイミングは光源装置７００が緑色光を出力するタイミング、Ｂ出力タイミングは光源装置７００が青色光を出力するタイミング、Ｒ出力タイミングは光源装置７００が赤色光を出力するタイミング、Ｙ出力タイミングは光源装置７００が黄色光を出力するタイミング、に相当する。

【0109】

本実施形態では、レーザ光源１０１Ｂは、Ｇ出力タイミング、Ｂ出力タイミング、Ｙ出力タイミングでは点灯して青色光を出力するが、Ｒ出力タイミングでは消灯するように制御される。Ｇ出力タイミングおよびＹ出力タイミングでレーザ光源１０１Ｂから出力された青色光はＧ用蛍光体を励起するための励起光として機能し、Ｂ出力タイミングで出力された青色光は映像表示に用いる青色光（Ｂ色光）として機能する。

【0110】

また、レーザ光源１０１Ｒは、Ｒ出力タイミング、Ｙ出力タイミングでは点灯して赤色光を出力するが、Ｂ出力タイミングとＧ出力タイミングでは消灯するように制御される。Ｒ出力タイミングで出力された赤色光は映像表示に用いる赤色光（Ｒ色光）として機能し、Ｙ出力タイミングで出力された赤色光は緑色の蛍光と重畳されて映像表示に用いる黄色光（Ｙ色光）として機能する。

【0111】

図１６（ｂ）に、色選択ホイール１３０ｂの正面図を示す。本実施形態の色選択ホイール１３０ｂは、実施形態５で用いた色選択ホイール１３０ａとは構成が異なっている。本実施形態の色選択ホイール１３０ｂには、Ｇ出力タイミングに対応する領域にはＧ用フィルターが、Ｂ出力タイミングに対応する領域にはＢ用拡散部が、Ｒ出力タイミングに対応する領域にはＲ用拡散部が、Ｙ出力タイミングに対応する領域にはＹ用フィルターが、それぞれ設けられている。色選択ホイール１３０ｂは、モータに連結されており、モータが回転軸Ｃ２を中心に回転するが、色選択ホイール１３０ｂは蛍光ホイール１２０ｂと同期して回転するように制御される。

【0112】

図１５（ａ）に戻り、本実施形態では、実施形態５で第４ダイクロイックミラー２０２ａが設けられていたのと同じ位置に、ダイクロイックミラー２０２ｂが設けられている。図１７に、ダイクロイックミラー２０２ｂの光学特性を実線で示す。同図には参考のために、レーザ光源１０１Ｂの青色光（波長が４４５ｎｍ近傍）と、レーザ光源１０１Ｒの赤色光（波長が６３５ｎｍ近傍）が点線で示されている。ダイクロイックミラー２０２ｂは、赤色光（Ｒ光）は透過し、緑色光（Ｇ光）は反射する光学特性を有している。係る特性のダイクロイックミラー２０２ｂは、例えば、透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着することにより形成することが可能である。

【0113】

本実施形態では、Ｂ出力タイミングでレーザ光源１０１Ｂから出力された青色光がのふるまいは、実施形態５と同様である。また、Ｇ出力タイミングおよびＹ出力タイミングでレーザ光源１０１Ｂから出力された青色光が、励起光として蛍光体を照射するふるまいは、実施形態５と同様である。また、ダイクロイックミラー２０２ｂが蛍光体が発する緑色光（Ｇ光）を反射する光学特性を有しているので、Ｇ出力タイミングおよびＹ出力タイミングでＧ用蛍光体から出力される緑色光のふるまいは、実施形態５と同様である。

【0114】

次に、レーザ光源１０１Ｒから出力される赤光レーザ光のふるまいについて説明する。レーザ光源１０１Ｒは、Ｒ出力タイミングおよびＹ出力タイミングにおいて赤色レーザ光を出力するように制御される。

【0115】

レーザ光源１０１Ｒから出力された赤色レーザ光は、Ｚプラス方向に進み、ダイクロイックミラー２０２ｂに入射するが、ダイクロイックミラー２０２ｂは図１７に示す光学特性を備えているため、赤色光は透過してＺプラス方向に進み、ダイクロイックミラー２０１ｄに入射する。ダイクロイックミラー２０１ｄは図５（ａ）に示す光学特性を備えているため、赤色光は透過して第２集光レンズ系１０９に入射する。第２集光レンズ系１０９に入射する赤色光の光束が、第２集光レンズ系１０９に入射する青色光の光束および緑色蛍光の光束と同軸になるように、各光学要素は配置されている。

【0116】

Ｒ出力タイミングにて第２集光レンズ系１０９に入射した赤色光は、色選択ホイール１３０ｂのＲ用拡散部を経由してライトトンネル１４０の入射口に向けて集光される。また、Ｙ出力タイミングにて第２集光レンズ系１０９に入射した赤色光は、同じくＹ出力タイミングにて第２集光レンズ系１０９に入射した緑色光と重畳されて黄色光となり、色選択ホイール１３０ｂのＹ用フィルターを経由してライトトンネル１４０の入射口に向けて集光される。

【0117】

本実施形態では、赤色のレーザ光源の出力光を表示用の照明光として用いるため、実施形態５と同様の効果を得られることに加え、赤色光の色純度の向上と色バランスの画面内均一性を、さらに高めることができる。

【0118】

［実施形態８］
図１８は、実施形態８に係る投射型表示装置の光学系の概略構成を示す図である。説明の便宜のため、同図では、光学要素を設置するための機械的機構や、筐体、電気的配線などは省略されている。投射型表示装置１０００は、光源装置２００、照明レンズ１５０、プリズム１７１、プリズム１７２、光変調デバイス１６０（光変調素子）、投射レンズ１８０、および投映スクリーン１９０を備えている。

【0119】

光源装置２００は、前述した実施形態２に係る光源装置であり、青色光（Ｂ色光）、緑色光（Ｇ色光）、赤色光（Ｒ色光）、黄色光（Ｙ色光）を、画像の表示レートに合わせて時分割して出射する。

【0120】

照明レンズ１５０は、光源装置２００のライトトンネル１４０から出力された光を、光変調デバイス１６０を照明するのに適した光束に整形するレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。

【0121】

プリズム１７１とプリズム１７２は、合わせてＴＩＲプリズム（内部全反射プリズム）を構成している。ＴＩＲプリズムは、照明光を内部全反射させて、光変調デバイス１６０に所定の角度で入射させ、光変調デバイス１６０で変調された反射光を投射レンズ１８０に向けて透過させる。

【0122】

光変調デバイス１６０は、例えばマイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤが用いられる。各表示画素に対応するマイクロミラーは、映像信号の輝度レベルに応じて、パルス幅変調により反射方向が変更されるように駆動される。ただし、反射型液晶デバイスのような、別種の反射型光変調デバイスを用いることも可能である。

【0123】

光変調デバイス１６０は、光源装置２００からの照明光の色の切り替えに同期させて、マイクロミラーデバイスを映像信号の各色成分の輝度レベルに応じて駆動して、映像光をプリズム１７１に向けて所定角度で反射する。映像光は、プリズム１７１およびプリズム１７２を透過して、投射レンズ１８０に導かれ、カラー映像として投射される。投射レンズ１８０は、単数もしくは複数のレンズで構成され、自動焦点調節機能やズーム機能を備えることもできる。

【0124】

投映スクリーン１９０は、リヤプロジェクション型の表示装置を構成する場合に用いられる。また、フロントプロジェクション型の場合にも設置されることが多いが、ユーザが任意の壁面などに投射する場合には、必ずしも設置する必要はない。

【0125】

本実施形態によれば、高効率で色バランスの画面内均一性が優れた小型な光源装置を用いてプロジェクタを構成することにより、小型で、光利用率が高く、色バランスに優れた投射型表示装置を提供することができる。

【0126】

［その他の実施形態］
本発明の実施は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせが可能である。
例えば、実施形態１で説明したように、ダイクロイックミラーの側面を第１集光レンズ系の光軸ＯＸ２と平行にすることにより側面で発生する蛍光の損失を抑制する方法は、任意のダイクロイックミラーに適用することが出来る。

【0127】

また、実施形態２以降では、実施形態１における第２ダイクロイックミラー２０１ｂと第３ダイクロイックミラー２０１ｃを一体化させてダイクロイックミラー２０１ｄとしたが、実施形態１のように別体のダイクロイックミラーを併設してもよい。
また、任意の実施形態で用いられていた拡散板、凸レンズ、凹レンズ、トップハット素子、等の光学素子については、他の実施形態に追加する、組合わせて用いる、削除する、配置位置を変更する、等の適宜の変更をすることが可能である。

【0128】

また、拡散板、凸レンズ、凹レンズ、トップハット素子、等の光学素子を用いずに、色選択ホイールの拡散機能だけでライトトンネル１４０の入射口に入射するレーザ光の入射角度分布（集束角度）を制御してもよい。

【0129】

また、実施形態８では、実施形態２の光源装置２００を用いて投射型表示装置を構成したが、他の実施形態の光源装置を用いて投射型表示装置を構成してもよいことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0130】

１００・・・光源装置／１０１Ｂ、１０１Ｒ・・・レーザ光源／１０２・・・青色半導体レーザ／１０２Ｒ・・・赤色半導体レーザ／１０３・・・コリメートレンズ／１０５・・・第１集光レンズ系／１０５Ａ、１０５Ｂ・・・凸レンズ／１０８・・・集光レンズ／１０９・・・第２集光レンズ系／１１０・・・凹レンズ／１１１・・・凸レンズ／１１５・・・拡散板／１１６・・・トップハット素子／１２０ａ、１２０ｂ・・・蛍光ホイール／１３０ａ、１３０ｂ・・・色選択ホイール／１４０・・・ライトトンネル／１５０・・・照明レンズ／１６０・・・光変調デバイス／１７１・・・プリズム／１７２・・・プリズム／１８０・・・投射レンズ／１９０・・・投映スクリーン／２００・・・光源装置／２０１ａ・・・第１ダイクロイックミラー／２０１ｂ・・・第２ダイクロイックミラー／２０１ｃ・・・第３ダイクロイックミラー／２０１ｄ・・・ダイクロイックミラー／２０２ａ・・・第４ダイクロイックミラー／２０２ｂ・・・ダイクロイックミラー／２１２・・・反射素子／３００・・・光源装置／４００・・・光源装置／５００・・・光源装置／５０２・・・凸レンズ／５０３・・・凹レンズ／５０４・・・コリメート光学系／６００・・・光源装置／７００・・・光源装置／１０００・・・投射型表示装置／ＰＨ・・・蛍光領域／ＲＬ・・・反射領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】