(57)【要約】【課題】小型かつ簡易な構成で、色再現性に優れた光源装置を提供する。【解決手段】第１の光を発生する第１の光源（１）と、第１の光によって励起され第２の光を発生する蛍光体（５）と、第３の光を発生する第２の光源（７）と、第１の光を反射して蛍光体（５）に導き、蛍光体（５）で吸収されずに反射された第１の光と、第２の光と、第３の光とを合成する分光光学素子（３）とを有する光源装置（１００）であって、分光光学素子（３）は、第１の領域と第２の領域とを有し、第１の領域は、第１の光を反射し、第２の光を透過し、第３の光を反射する分光特性を有し、第２の領域は、第１の光を透過し、第２の光を透過し、第３の光を反射する分光特性を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を発生する第１の光源と、
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する蛍光体と、
第３の光を発生する第２の光源と、
前記第１の光を反射して前記蛍光体に導き、前記蛍光体で吸収されずに反射された前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とを合成する分光光学素子と、を有する光源装置であって、
前記分光光学素子は、第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有し、
前記第２の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記第１の光源と前記第２の光源は、前記分光光学素子を挟んで対向する位置に配置されており、
前記分光光学素子は、
透光性平板と、
前記第１の領域において、前記透光性平板の第１の光源側の面に形成された第１の色分離膜と、
前記第１の領域および前記第２の領域の両方において、前記透光性平板の第２の光源側の面の形成された第２の色分離膜と、を有し、
前記第１の色分離膜と前記第２の色分離膜は、互いに異なる分光特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記第１の色分離膜は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を透過する分光特性を有し、
前記第２の色分離膜は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有することを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
第１の光を発生する第１の光源と、
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する蛍光体と、
第３の光を発生する第２の光源と、
前記第１の光を反射して前記蛍光体に導き、前記蛍光体で吸収されずに反射された前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とを合成する分光光学素子と、を有する光源装置であって、
前記分光光学素子は、第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有し、
前記第２の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有することを特徴とする光源装置。
【請求項５】
前記第１の光源と前記蛍光体は、前記分光光学素子を挟んで対向する位置に配置されており、
前記分光光学素子は、
透光性平板と、
前記第１の領域および前記第２の領域の両方において、前記透光性平板の第１の光源側の面に形成された第３の色分離膜と、
前記第２の領域において、前記透光性平板の蛍光体側の面の形成された第４の色分離膜と、を有し、
前記第３の色分離膜と前記第４の色分離膜は、互いに異なる分光特性を有することを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第３の色分離膜は、前記第１の光を透過し、前記第３の光を透過する分光特性を有し、
前記第４の色分離膜は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有することを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第２の領域は、前記第１の領域を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第１の光源と前記分光光学素子との間に第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイを更に有し、
前記第１のレンズアレイのレンズセルは、前記第２の光源の発光面と相似形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第１のレンズアレイは、前記蛍光体と共役であることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第１のレンズアレイの前記レンズセルの第１の方向の幅をＸ１、第２の方向の幅をＹ１、前記第２の光源の前記発光面の前記第１の方向の幅をＸ２、前記第２の方向幅をＹ２とするとき、
０．８≦（Ｙ１／Ｘ１）×（Ｘ２／Ｙ２）≦１．２
なる条件式を満足することを特徴とする請求項８または９に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記第２の光源は、発光ダイオード光源であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第２の光源は、レーザー光源であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記第３の光の主波長は、６００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の赤色波長であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記第３の光の主波長は、６８０ｎｍ以上の赤外波長であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光源装置と、
光変調素子と、
前記光源装置から出射した光束を前記光変調素子に照明する照明光学系と、を有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置およびそれを用いた画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力レーザーダイオードから発する光束を励起光として蛍光体に照射し、波長変換された蛍光光を用いる画像投射装置（プロジェクタ）が開発されている。特許文献１には、３板式のプロジェクタであって、単一の蛍光体が円板の円周方向に沿って連続して形成された蛍光体を用いるプロジェクタが開示されている。特許文献２および特許文献３には、青色光を発生する励起光源、赤色光を発生する赤色光源、および、蛍光体を有し、蛍光光と赤色光とを合成するプロジェクタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０８１６４４号公報
【特許文献２】特許第５９２８３８３号公報
【特許文献３】特許第５９７９４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に開示されたプロジェクタは、青色光成分に対するダイクロイックミラーの分光特性の偏光依存性を利用する。しかし、蛍光体から反射した未変換の青色光のうちＰ偏光成分は、ダイクロイックミラーを透過して再び青色光源に戻るため、光利用効率の低下および青色光の量の不足が生じる。また、ダイクロイックミラーに所望の偏光依存性を付与するため、誘電体多層膜の製造が難しい。また、ダイクロイックミラーを蛍光光と赤色光とを合成した光束中に配置し、このダイクロイックミラーを介して青色光を合成する必要があるため、プロジェクタが大型化する。
【０００５】
特許文献３に開示されたプロジェクタでは、特許文献２と同様にダイクロイックミラーに青色光成分の偏光依存性を持たせているが、位相差板等の必要部品が増加する。また、特許文献２の構成と同様に、ダイクロイックミラーに所望の偏光依存性を付与する必要がある。このように、明るさとホワイトバランスとの両立を図るために励起光源と蛍光体と赤色光源とを備えたプロジェクタでは、白色光を形成するための青色光成分を取り出すことが難しく、その結果、良好な色再現性を達成することが困難である。また、良好な色再現性を小型かつ簡易な構成で達成することが望まれる。
【０００６】
そこで本発明は、従来より小型かつ簡易な構成で、色再現性に優れた光源装置および画像投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光源装置は、第１の光を発生する第１の光源と、前記第１の光によって励起され第２の光を発生する蛍光体と、第３の光を発生する第２の光源と、前記第１の光を反射して前記蛍光体に導き、前記蛍光体で吸収されずに反射された前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とを合成する分光光学素子と、を有する光源装置であって、前記分光光学素子は、第１の領域と第２の領域とを有し、前記第１の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有し、前記第２の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有する。
【０００８】
本発明の他の側面としての光源装置は、第１の光を発生する第１の光源と、前記第１の光によって励起され第２の光を発生する蛍光体と、第３の光を発生する第２の光源と、前記第１の光を反射して前記蛍光体に導き、前記蛍光体で吸収されずに反射された前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光とを合成する分光光学素子とを有する光源装置であって、前記分光光学素子は、第１の領域と第２の領域とを有し、前記第１の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有し、前記第２の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての画像投射装置は、前記光源装置と、画像表示素子と、前記光源装置から出射した光束を前記画像表示素子に照明する照明光学系とを有する。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来より小型かつ簡易な構成で、色再現性に優れた光源装置および画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における光源装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態における分光光学素子の構成図である。
【図３】第１の実施形態における分光光学素子の分光特性図である。
【図４】第１の実施形態における蛍光体から反射される光の分光分布図である。
【図５】第１の実施形態における光源装置から出射する白色光の分光分布図である。
【図６】第２の実施形態における光源装置の構成図である。
【図７】第２の実施形態における分光光学素子の構成図である。
【図８】第２の実施形態における分光光学素子の分光特性図である。
【図９】第３の実施形態における光源装置の構成図である。
【図１０】第３の実施形態におけるレンズアレイによる蛍光体上のスポット形成の説明図である。
【図１１】第４の実施形態におけるプロジェクタの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態における光源装置について説明する。図１は、光源装置１００の構成図である。光源装置１００は、第１の光源（励起光源）１、コリメータレンズ２、分光光学素子（光路合成素子）３、集光レンズ４、蛍光体５、集光レンズ６、第２の光源（赤色光源）７、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。フライアイレンズ８は、第１のフライアイレンズ８ａおよび第２のフライアイレンズ８ｂを有する。以下、第１の光源１から順に各構成要素について詳述する。
【００１５】
第１の光源１は、４５５ｎｍの波長の光を発生する青色レーザーダイオード（青色励起光源）である。第１の光源１から出射した光束は、発散光束であり、直後に配置されたコリメータレンズ２によって平行光束となり、分光光学素子３に向かって進行する。第１の光源１と第２の光源７は、分光光学素子３を挟んで対向する位置に配置されている。
【００１６】
ここで、図２を参照して、分光光学素子３の構成について説明する。図２は分光光学素子３の構成図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図２（ｂ）に示されるように、分光光学素子３は、透光性平板３１、透光性平板３１の第１の光源側の面に形成された第１の色分離膜３２、および、透光性平板３１の第２の光源側の面の形成された第２の色分離膜３３を有する。第１の色分離膜３２と第２の色分離膜３３は、互いに異なる分光特性（透過率特性、反射率特性）を有する誘電体多層膜である。
【００１７】
図２（ａ）に示されるように、分光光学素子３は、第１の領域（第１の部分領域）３ａおよび第２の領域（第２の部分領域）３ｂを有する。第１の領域３ａは、正面から見た場合、第１の色分離膜３２が形成されている領域に相当する領域、すなわち第１の色分離膜３２と第２の色分離膜３３とが重なっている領域である。第２の領域３ｂは、正面から見た場合、第２の色分離膜３３のみが形成されている領域（第１の色分離膜３２が形成されていない領域）に相当する領域、すなわち第１の色分離膜３２と第２の色分離膜３３とが重なっていない領域である。図２（ａ）に示されるように、第１の領域３ａは分光光学素子３の中央部に設けられ、第２の領域３ｂは分光光学素子３の外周部において第１の領域３ａを囲むように設けられている。なお、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂはそれぞれ矩形状（正方形状）であるが、これに限定されるものではなく、第２の領域３ｂが第１の領域３ａを囲むように配置されていれば、長方形状や円形状等、他の形状であってもよい。
【００１８】
第１の領域３ａと第２の領域３ｂはそれぞれ、光が入射した際の分光特性（透過率特性、反射率特性）が異なる。第１の領域３ａは、分光光学素子３の全体に対して約１０〜２０％程度の面積比で一部の狭い範囲にのみ形成されている。第１の光源１から出射した光は、指向性が高くかつ光束径が小さいため、分光光学素子３のうち特に第１の領域３ａのみに入射するように配置されている。
【００１９】
前述のように、第１の光源１が配置されている側の面と、その面とは反対の第２の光源７が配置されている側の面とのそれぞれにおいて、蒸着されている誘電体多層膜の範囲および分光特性が異なっている。第１の光源１側の面に設けられた第１の色分離膜（誘電体多層膜）３２は、分光光学素子３を正面から見た場合（図２（ａ）の正面図において）、第１の領域３ａに対応する領域のみに形成されている。また、第１の光源１側の面における他の領域には、反射防止膜が形成されている。一方、第２の光源７が配置されている側に形成された第２の色分離膜（誘電体多層膜）３３は、光学有効範囲の全体にわたって形成されている。
【００２０】
次に、図３を参照して、誘電体多層膜（第１の色分離膜３２、第２の色分離膜３３）の分光特性（分光透過率）を説明する。図３は誘電体多層膜の分光透過率であり、図３（ａ）は第１の色分離膜３２の分光透過率、図３（ｂ）は第２の色分離膜３３の分光透過率をそれぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。
【００２１】
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、第１の色分離膜３２は、４４０〜４８０ｎｍの範囲の青色帯域波長の光に対して反射する特性を有する。従って、分光光学素子３に入射した第１の光源１からの青色光は、反射して蛍光体５に向かって進行する。一方、第１の色分離膜３２は、４９０ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の緑色帯域波長の光に対して透過する特性を有する。また第１の色分離膜３２は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の赤色帯域波長の光に対して、意図的に特性を不問としている。一般に、誘電体多層膜の製造難易度は、その分光特性について制約を加える波長帯域が増えるほど増大する。図３（ａ）の第１の色分離膜３２に対しては、その制約を青帯域と緑帯域のみとして赤帯域は不問とすることで、製造難易度を下げている。
【００２２】
次に、図３（ｂ）に示される第２の色分離膜３３は、４４０〜４８０ｎｍの範囲の青色帯域波長の光、および、４９０ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の緑色帯域波長の光に対して透過する特性を有する。また第２の色分離膜３３は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の赤色帯域波長の光に対して、反射する特性を有する。従って、第１の領域３ａに赤色光が入射した場合、分光光学素子３は、図３（ａ）の特性を有する第１の色分離膜３２と図３（ｂ）の特性を有する第２の色分離膜３３との掛け算の特性を有することになるため、赤色帯域の光に対して全体では反射する特性を有する。
【００２３】
すなわち本実施形態では、分光光学素子３の一方の面と他方の面とにそれぞれ異なる領域および特性を有する誘電体多層膜（第１の色分離膜３２、第２の色分離膜３３）を形成する。これにより、第１の領域３ａの分光特性は第１の光（青色光）を反射し、第２の光（緑色光）を透過し、第３の光（赤色光）を反射する分光特性を有する。一方、第２の領域３ｂは、第１の光（青色光）を透過し、第２の光（緑色光）を透過し、第３の光（赤色光）を反射する分光特性を有する。
【００２４】
分光光学素子３の特に第１の領域３ａに入射して反射することにより蛍光体５に進行した青色光は、集光レンズ４を介して蛍光体５に集光される。蛍光体５に入射した青色光は吸収され、４８０〜６５０ｎｍまでの範囲の幅広い分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。
【００２５】
次に、図４を参照して、蛍光体５により反射される蛍光光および未変換の青色光の分光分布について説明する。図４は、蛍光体５から反射される蛍光光の分光分布図である。図４において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は任意単位（ａ．ｕ．）をそれぞれ示す。
【００２６】
蛍光体５としては、特に５３０ｎｍ付近に発光ピークを有する緑色光が強い蛍光体が選定されており、比視感度が高い波長成分が多く、また蛍光体５自体の発光効率も高い。従って、光源装置１００としての明るさをより明るくすることができる。また、一部の励起光は、第１の光源１の波長である４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。
【００２７】
蛍光体５により反射された蛍光光成分は、集光レンズ４で集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子３に向かう。このとき、蛍光光は、全方位に等方的に発生するため、集光レンズ４で平行光束化された際の光束径は、青色光を蛍光体５に入射した際の青色光の光束径よりも大きくなる。従って、第１の光源１から分光光学素子３に青色光を入射した場合、青色光は第１の領域３ａのみに入射するが、蛍光体５から発生した蛍光光は第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの両方に入射する。
【００２８】
図３より、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂはともに波長４９０〜５９０ｎｍの緑色光成分を透過する分光特性を有する。このため、蛍光体５から発生した蛍光光のうち、波長４９０〜５９０ｎｍの緑色光は分光光学素子３を透過し、後段の照明光学系に入射する。一方、蛍光光のうち波長５９０ｎｍより長波長側の光は分光光学素子３では第１の光源１側に反射するため、取り込むことができない。
【００２９】
次に、蛍光体５から未変換のままで反射される青色光成分の振る舞いについて詳述する。蛍光体５には蛍光体の粉体ともに硫酸バリウムなどの拡散体が混合され、これらがシリコン系のバインダーによって封止されている。一般に、蛍光光は全方位に等方的に発生する一方、蛍光体に入射し未変換のまま反射する青色光成分は入射時の指向性が一部保たれたまま反射される。本実施形態では、蛍光体５に拡散体を混合して形成することで、未変換の青色光も蛍光光とほぼ同じ等方的な配向分布になるようにしている。これにより、蛍光体５に入射して未変換のまま反射する青色光も、蛍光光と同様に入射時よりも広い範囲の角度成分をもって反射する。蛍光体５から反射した未変換の青色光は、集光レンズ４により集光された後に平行光束化され、分光光学素子３に入射する。蛍光体５への光入射時において、分光光学素子３の第１の領域３ａを経由して、蛍光体５に反射する経路を通る。一方、反射時には、入射時よりも広い角度成分をもって反射するため、分光光学素子３の第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの両方に入射する。
【００３０】
前述のように、第１の領域３ａは、青色光を反射する特性を有する。このため、第１の領域３ａに入射した青色光は、反射して再び第１の光源１に戻る。一方、第２の領域３ｂは、青色光帯域では透過する分光特性を有する。このため、分光光学素子３に入射した未変換の青色光成分のうち、第２の領域３ｂに入射する成分は、その略全量が透過し、緑色光成分の蛍光光とともに後段の照明光学系に向かって取り出すことができる。好ましくは、第１の領域３ａの大きさを、分光光学素子３の光学有効面積全体の１０〜２０％程度の面積比と必要最小限の大きさとする。これにより、後段の照明光学系に向けて十分な青色光を取り出すことができる。
【００３１】
次に、第２の光源７から発生する赤色光成分の光路について説明する。本実施形態では、第２の光源（赤色光源）７は、正方形の発光面形状を有するＬＥＤ（発光ダイオード光源）である。第２の光源（赤色ＬＥＤ光源）７から発生した波長６００〜７００ｎｍ程度の赤色光は、比較的広い角度範囲で発散光束として発光面から射出するが、集光レンズ６により集光され平行光束化される。平行光束化された赤色光は、分光光学素子３に進行する。
【００３２】
前述のように、分光光学素子３は、波長６００〜７００ｎｍの赤色光成分の光を反射する特性を有する。このため、第２の光源７から発生した赤色光は、分光光学素子３により、蛍光光や未変換の青色光と同一光路に合成された後、照明光学系に入射する。
【００３３】
図５は、最終的に本実施形態の光源装置１００から出射する白色光の分光分布図である。図５において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は任意単位（ａ．ｕ．）をそれぞれ示す。
【００３４】
前述のように、蛍光光のうち５９０ｎｍよりも長波長側の赤色光成分は、分光光学素子３において第１の光源１側に反射するため、取り込むことはできない。一方、蛍光体５として、蛍光光の発光スペクトルとして緑色光成分が強い蛍光体が選定されているため、元々の蛍光光の赤色成分が少ない。また、第２の光源７として十分な出力を得られる赤色光源が選定されている。このため本実施形態によれば、明るさとホワイトバランスとを両立した光源装置１００を実現することができる。また、分光光学素子３を第１の領域３ａと第２の領域３ｂとに分けて、第１の領域３ａと第２の領域３ｂとの分光特性を互いに異ならせている。これにより、部品点数を増加させることなく、簡易な構成で十分な青色光を取り出すことができる。このため、小型でホワイトバランスと光利用効率に優れた光源装置１００を実現することが可能となる。
【００３５】
特に分光光学素子３において、偏光の依存性を考慮した偏光分離特性を付与する必要が無いことに加え、本実施形態においては、分光光学素子３の両側に必要な波長分離機能を分散させることで、分光光学素子３の製膜の製造難易度を下げている。これにより、より簡易な構成で本実施形態の目的を達成することができる。なお図１では、照明光学系としてフライアイレンズ８のみが示されているが、この後段にはコンデンサレンズ、画像表示素子（光変調素子）、および、投射光学系等が省略されている。本実施形態の光源装置１００と、不図示の画像表示素子等とにより、小型でホワイトバランスと光利用効率に優れた画像投射装置（プロジェクタ）を実現することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態における光源装置について説明する。図６は、光源装置１００ａの構成図である。光源装置１００ａは、第１の光源（励起光源）１、コリメータレンズ２、分光光学素子（光路合成素子）１１、集光レンズ４、蛍光体１０、集光レンズ６、第２の光源（赤色光源）９、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。フライアイレンズ８は、第１のフライアイレンズ８ａおよび第２のフライアイレンズ８ｂを有する。以下、第１の光源１から順に各構成要素について詳述する。
【００３７】
本実施形態は、分光光学素子１１を挟んで蛍光体１０が第１の光源１と対向する位置に配置され、第２の光源（赤色光源）９がフライアイレンズ８と対向する位置に配置されている点で、第１の実施形態とは異なる。これに伴い、分光光学素子１１の構成も分光光学素子３とは異なる。本実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、それらの説明は省略する。
【００３８】
第１の光源１から出射した青色光は、直後に配置されたコリメータレンズ２によって平行光束となり、分光光学素子１１に向かって進行する。前述のように、第１の光源１と蛍光体１０は、分光光学素子１１を挟んで対向する位置に配置されている。
【００３９】
ここで、図７を参照して、分光光学素子１１の構成について説明する。図７は分光光学素子１１の構成図であり、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図７（ｂ）に示されるように、分光光学素子１１は、透光性平板１１１、透光性平板１１１の第１の光源側の面に形成された第３の色分離膜１１２、および、透光性平板１１１の蛍光体側の面の形成された第４の色分離膜１１３を有する。第３の色分離膜１１２と第４の色分離膜１１３は、互いに異なる分光特性（透過率特性、反射率特性）を有する誘電体多層膜である。
【００４０】
図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、分光光学素子１１は、第１の領域（第１の部分領域）１１ａおよび第２の領域（第２の部分領域）１１ｂを有する。第１の領域１１ａは、正面から見た場合、第３の色分離膜１１２のみが形成されている領域に相当する領域、すなわち第４の色分離膜１１３が形成されていない領域である。第２の領域１１ｂは、正面から見た場合、第３の色分離膜１１２および第４の色分離膜１１３の両方が形成されている領域に相当する領域、すなわち第３の色分離膜１１２と第４の色分離膜１１３とが重なっている領域である。図７（ａ）に示されるように、第１の領域１１ａは分光光学素子１１の中央部に設けられ、第２の領域１１ｂは分光光学素子１１の外周部において第１の領域１１ａを囲むように設けられている。
【００４１】
第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂはそれぞれ、光が入射した際の分光特性（透過率特性、反射率特性）が異なる。第１の領域１１ａは、分光光学素子１１の全体に対して約１０〜２０％程度の面積比で一部の狭い範囲にのみ形成されている。第１の光源１から出射した光は、指向性が高くかつ光束径が小さいため、分光光学素子１１のうち特に第１の領域１１ａのみに入射するように配置されている。
【００４２】
前述のように、第１の光源１が配置されている側の面と、その面とは反対の蛍光体１０が配置されている側の面とのそれぞれにおいて、蒸着されている誘電体多層膜の範囲および分光特性が異なっている。第１の光源１側の面に設けられた第３の色分離膜（誘電体多層膜）１１２は、分光光学素子１１を正面から見た場合（図７（ａ）の正面図において）、分光光学素子１１の光学有効範囲の全体にわたって形成されている。一方、蛍光体１０が配置されている側に形成された第４の色分離膜（誘電体多層膜）１１３は、第２の領域１１ｂに対応する領域のみに形成されている。また、第１の光源１側の面における他の領域（すなわち第１の領域１１ａ）には、反射防止膜が形成されている。
【００４３】
次に、図８を参照して、誘電体多層膜（第３の色分離膜１１２、第４の色分離膜１１３）の分光特性（分光透過率）を説明する。図８は誘電体多層膜の分光透過率であり、図８（ａ）は第３の色分離膜１１２の分光透過率、図８（ｂ）は第４の色分離膜１１３の分光透過率をそれぞれ示す。図８（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。
【００４４】
図８（ａ）に示されるように、第３の色分離膜１１２は、波長４４０〜４８０ｎｍの青色帯域の光と、波長６００〜７００ｎｍの赤色帯域の光に対して透過する特性を有する。従って、第１の光源１から分光光学素子１１に入射した青色光は、透過して蛍光体５に向かって進行する。一方、第３の色分離膜１１２は、他の波長４９０〜５９０ｎｍの緑色帯域の光に対しては、意図的に特性を不問として、分光特性に制約を加える波長帯域を減じることで誘電体多層膜の製造難易度を下げている。
【００４５】
図８（ｂ）に示されるように、第４の色分離膜１１３は、波長４４０〜４８０ｎｍの青色帯域の光と、波長４９０〜５９０ｎｍの緑色帯域の光に対して反射する特性を有する。また第４の色分離膜１１３は、波長６００〜７００ｎｍの赤色帯域の光に対して透過する特性を有する。従って、第１の領域１１ａに緑色光が入射した際、図８（ａ）に示される第３の色分離膜１１２と図８（ｂ）に示される第４の色分離膜１１３との掛け算の特性を有することになるため、緑色帯域の光に対して全体では反射する特性を示す。
【００４６】
すなわち本実施形態では、分光光学素子１１の一方の面と他方の面とにそれぞれ異なる領域および特性を有する誘電体多層膜（第３の色分離膜１１２、第４の色分離膜１１３）を形成する。これにより、第１の領域１１ａの分光特性は第１の光（青色光）を透過し、第２の光（緑色光）を反射し、第３の光（赤色光）を透過する分光特性を有する。一方、第２の領域１１ｂは、第１の光（青色光）を反射し、第２の光（緑色光）を反射し、第３の光（赤色光）を透過する分光特性を有する。
【００４７】
分光光学素子１１の特に第１の領域１１ａに入射して反射することにより蛍光体１０に進行した光は、集光レンズ６を介して蛍光体１０に集光される。蛍光体１０に入射した光は吸収され、４８０〜６５０ｎｍまでの範囲の幅広い分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。このときの分光分布は、第１の実施形態と同様であるため、図４を参照して説明する。
【００４８】
蛍光体１０により反射された蛍光光成分は、集光レンズ６で集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子１１に向かう。このとき、蛍光光は、全方位に等方的に発生するため、集光レンズ６で平行光束化された際の光束径は、青色光を蛍光体１０に入射した際の青色光の光束径よりも大きくなる。
【００４９】
また、第１の実施形態と同様に、蛍光体１０には硫酸バリウムなどの拡散体が混合されており、これにより、未変換の青色光も蛍光光と同じ等方的な配向分布となって反射される。従って、第１の光源１から分光光学素子１１に青色光を入射したとき、第１の領域１１ａのみに光が入射するが、蛍光体１０から発生した蛍光光および未変換の青色光は第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの両方に入射する。
【００５０】
図８より、第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂはともに波長４９０〜５９０ｎｍの緑色光成分を透過する分光特性を有する。このため、蛍光体１０から発生した蛍光光のうち、波長４９０〜５９０ｎｍの緑色光は分光光学素子１１を透過し、後段の照明光学系に入射する。一方、蛍光光のうち波長５９０ｎｍより長波長側の光は分光光学素子１１では第１の光源１側に反射するため、取り込むことができない。
【００５１】
第１の領域１１ａは、青色光を反射する特性を有する。このため、第１の領域１１ａに入射した青色光は、透過して再び第１の光源１に戻る。一方、第２の領域１１ｂは、青色光帯域では反射する分光特性を有する。このため、分光光学素子１１に入射した未変換の青色光成分のうち、第２の領域１１ｂに入射する成分は、その略全量が反射し、緑色光成分の蛍光光とともに後段の照明光学系に向かって取り出すことができる。好ましくは、第１の領域１１ａの大きさを、分光光学素子１１の光学有効面積全体の１０〜２０％程度の面積比と必要最小限の大きさとする。これにより、後段の照明光学系に向けて十分な青色光を取り出すことができる。
【００５２】
次に、第２の光源９から発生する赤色光成分の光路について説明する。本実施形態では、第２の光源（赤色光源）９は、正方形の発光面形状を有するＬＥＤ（発光ダイオード光源）である。第２の光源（赤色ＬＥＤ光源）９から発生した波長６００〜７００ｎｍ程度の赤色光は、比較的広い角度範囲で発散光束として発光面から射出するが、集光レンズ４により集光され平行光束化される。平行光束化された赤色光は、分光光学素子１１に進行する。
【００５３】
前述のように、分光光学素子１１は、波長６００〜７００ｎｍの赤色光成分の光を透過する特性を有する。このため、第２の光源９から発生した赤色光は、分光光学素子１１により、蛍光光や未変換の青色光と同一光路に合成された後、照明光学系に入射する。
【００５４】
第１の実施形態と同様に、分光光学素子１１によって蛍光光のうち５９０ｎｍより長波長側の赤色光成分は、分光光学素子１１において第１の光源１側に透過するため、取り込むことはできない。一方、蛍光体１０として、蛍光光の発光スペクトルとして緑色光成分が強い蛍光体が選定されているため、蛍光光の赤色成分が少ない。また、第２の光源９として十分な出力を得られる赤色光源が選定されている。このため本実施形態によれば、明るさとホワイトバランスとを両立した光源装置１００ａを実現することができる。また、分光光学素子１１を第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとに分けて、第１の領域１１ａと第２の領域１１ｂとの分光特性を互いに異ならせている。これにより、部品点数を増加させることなく、簡易な構成で十分な青色光を取り出すことができる。このため、小型でホワイトバランスと光利用効率に優れた光源装置１００ａを実現することが可能となる。
【００５５】
本実施形態では、第１の実施形態と異なり、蛍光体１０を第１の光源１に対向する位置に配置している。このような構成により、第１の光源１と第２の光源９とをより近くに配置することができる。このため、直接発光する光源の冷却系統を共通化し、光源装置の全体の小型化が可能となる。このような構成でも、必要に応じて分光光学素子１１の構成を変更することで、光源の配置を考慮しつつ本発明を適用することができる。本実施形態によれば、赤色などの蛍光体に不足する波長帯域の光を発生する専用光源を追加して色再現性を向上させながら、部品点数を増加することなく簡易な構成で青色光を同時に取り出すことが可能な白色光源を実現することが可能である。
【００５６】
（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態における光源装置について説明する。図９は、光源装置１００ｂの構成図である。光源装置１００ｂは、第１の光源１と分光光学素子３との間に一対のレンズアレイ１２（レンズアレイ１２ａ、１２ｂ）を有する点で、第１の実施形態にて説明した光源装置１００とは異なる。本実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、それらの説明は省略する。
【００５７】
第１の光源１から出射した青色光は、直後に配置されたコリメータレンズ２によって平行光束となり、レンズアレイ（第１のレンズアレイ）１２ａに入射する。平行光束は、レンズアレイ１２ａに入射して分割光束にされた後、レンズアレイ（第２のレンズアレイ）１２ｂに入射する。レンズアレイ１２ｂから出射した分割光束は、分光光学素子３の第１の領域３ａに入射し、反射されて集光レンズ４に向かう。集光レンズ４は、分割光束を集光・重畳して蛍光体５上に均一かつレンズアレイ１２ａのレンズセルと相似形状のレーザー光源スポットを形成する。以下、図１０を参照して、その原理を説明する。
【００５８】
図１０は、レンズアレイによる蛍光体上のスポット形成の説明図であり、光源装置１００ｂのレンズアレイ１２ａ、１２ｂ、集光レンズ４、および、蛍光体５の光学的関係を簡略化して示している。図１０において、１２ａ’はレンズアレイ１２ａ、１２ｂ’はレンズアレイ１２ｂ、４’は集光レンズ４、および、５’は蛍光体５に対応している。
【００５９】
蛍光体５’は、レンズアレイ１２ｂ’および集光レンズ４’に関して、レンズアレイ１２ａ’の各レンズセルと略共役の位置に配置されている。すなわち、第１のレンズアレイ面と蛍光体面とは結像関係にある。従って、蛍光体５’上には、レンズアレイ１２ａ’の各レンズセル上に形成されている光分布に対応する像が形成される。また、その像の大きさは、レンズセルのピッチと結像系の倍率とにより決定される。また、各レンズセル上に形成されている光分布の像は、集光レンズ４’を介して蛍光体５’上で重なり合うように配置されている。ここで、レンズアレイ１２’に入射する光束が不均一な輝度分布を有する場合でも、前述の理由により、各レンズセル上に形成されている光分布がレンズセル数だけ平均化されるため、最終的に均一な分布を形成することができる。
【００６０】
本実施形態のレンズアレイ１２ａのレンズセルは正方形形状を有し、蛍光体５上に形成されるレーザー光源のスポットも、この理由により、略正方形形状を有する。従って、蛍光体５上の蛍光光および未変換光からなる発光スポットも正方形形状であり、第２の光源（赤色光源）７であるＬＥＤ光源の発光面形状である正方形と略相似形状となっている。
【００６１】
異なる光（色光）を発生する光源の発光スポットの形状が異なると、後段の照明光学系における光利用効率が色ごとに異なるため、色バランスや色ムラが劣化する。一方、本実施形態では、レンズアレイ１２を第１の光源１と分光光学素子３との間に挿入している。これにより、蛍光体５上の蛍光光と未変換の青色光とからなる発光スポットの形状を、別光路に配置される第２の光源（赤色光源）７の発光面形状に合わせた相似形状に設定することができ、色バランスや色ムラが適正化される。
【００６２】
このように本実施形態において、レンズアレイ（第１のレンズアレイ）１２ａのレンズセルは、第２の光源７の発光面と相似形状（略掃除形状を含む）である。またレンズアレイ１２ａは、蛍光体５と共役である。好ましくは、レンズアレイ１２ａのレンズセルの第１の方向（Ｘ方向）の幅をＸ１、第２の方向（Ｙ方向）の幅をＹ１、第２の光源７の発光面の第１の方向の幅をＸ２、第２の方向幅をＹ２とするとき、以下の条件式（１）を満足する。
【００６３】
０．８≦（Ｙ１／Ｘ１）×（Ｘ２／Ｙ２）≦１．２  …  （１）
（第４の実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態におけるプロジェクタ（画像投射装置）１０００の構成図である。プロジェクタ１０００の光変調素子として、反射型液晶パネルが用いられている。図１１において、１００は光源装置（光源装置１００に代えて、光源装置１００ａまたは光源装置１００ｂでもよい）、２００は照明光学系、３００は色分離合成光学系、および、４００は投射光学系である。光源装置１００は、照明光学系２００に向けて光を出射する。照明光学系２００は、光源装置１００からの光を照明する。色分離合成光学系３００は、照明光学系２００からの照明光に対して色分離および色合成を行う。投射光学系４００は、色分離合成光学系３００からの合成光を投射する。
【００６４】
色分離合成光学系３００において、３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の光変調素子（赤用、緑用、青用の反射型液晶パネル）を備えた反射型液晶パネルユニットである。３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の波長板を備えた波長板ユニットである。なお本実施形態において、反射型液晶パネルユニット３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂのそれぞれに含まれる光変調素子は反射型液晶パネルであるが、これに限定されるものではない。例えば、光変調素子として透過型液晶パネルを用いてもよい。反射型液晶パネルの数に関わらず、単板式や３板式などのいずれのプロジェクタにも適用可能である。
【００６５】
各実施形態は、赤色等の蛍光体に不足する波長帯域の光を発生する専用光源を追加して色再現性を向上させながら、部品点数を増加することなく簡易な構成で青色光も同時に取り出すことが可能な白色光源を実現する実現できる。このため各実施形態によれば、従来より小型かつ簡易な構成で、色再現性に優れた光源装置および画像投射装置を提供することができる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００６７】
例えば、第２の光源（赤色光源）として、ＬＥＤ光源に代えてレーザーダイオード光源を採用してもよい。レーザーダイオード光源は、ＬＥＤ光源に比べて高出力化が比較的容易であり、白色光の色バランスを維持しつつ励起光源の出力を上げて蛍光体の発光量を増大させて光源出力を大きくすることができる。また、第２の光源として、６００ｎｍ以上６７０ｎｍ以下の赤色波長（赤色光）を主波長とする赤色光源に代えて、６８０ｎｍ以上の赤外波長（赤外光）を主波長とする光源（赤外光源）を採用してもよい。このとき、分光光学素子の第１の領域において青反射し、第２の領域において可視光は全て透過する。元々、蛍光体はその発光メカニズムから赤色よりもさらに赤外光成分が少ない。従って、赤外光源からの赤外光を本発明の分光光学素子で合成することにより、白色光の中の赤外光成分を増強することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  第１の光源
３、１１  分光光学素子
５、９    蛍光体
７、１０  第２の光源
１００、１００ａ、１００ｂ  光源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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