(57)【要約】【課題】ホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の光源装置を提供する。【解決手段】第１の光を発生する光源（１）と、第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体（５）と、第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体（７）と、第１の光を分離して第１の蛍光体および第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した第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、分光光学素子は、第１の領域（３ａ）および第２の領域（３ｂ）を有し、第１の領域は、第１の光を透過および反射し、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
2020052341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を発生する光源と、
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、
前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、
前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第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の領域および第２の領域を有し、
前記第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、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の蛍光体および前記第２の蛍光体に入射した前記第１の光が蛍光変換されず前記第１の光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、前記分光光学素子の有効面積に対する前記第１の領域の面積比をＤ、前記第１の光に対する反射率をＲとするとき、
2020052341.tif 000019
なる条件式を満足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】
第１の光を発生する光源と、
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、
前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、
前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第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の領域および第２の領域を有し、
第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、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４】
前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に入射した前記第１の光が蛍光変換されずに前記第１の光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、前記分光光学素子の有効面積に対する前記第１の領域の面積比をＤ、前記第１の光に対する反射率をＲとするとき、
2020052341.tif 000020
なる条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第２の蛍光体に入射する前記第１の光の拡散性は、前記第１の蛍光体に入射する前記第１の光の拡散性と異なることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第２の蛍光体に入射する前記第１の光の前記拡散性は、前記第１の蛍光体に入射する前記第１の光の前記拡散性よりも小さい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の蛍光体および前記第２の蛍光体の少なくとも一方からの光の波長帯域の幅は１００ｎｍ以下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の蛍光体および前記第２の蛍光体の少なくとも一方は、量子ドット蛍光体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】
請求項１乃至９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において、円板の円周方向に沿って連続して形成された単一の蛍光体を備えたプロジェクタが開示されている。しかし、３板式のプロジェクタでは、単一の蛍光体を用いるため、白色光の明るさとホワイトバランスとの両立が難しい。
【０００３】
特許文献２には、１つの円板上に、径の異なる２つの円周上に緑色用と赤色用のそれぞれの蛍光体を連続して形成し、各蛍光体から出射した異なる色光をダイクロイックミラーで合成するプロジェクタが開示されている。特許文献３には、２種類以上の蛍光体をそれぞれ分割して配置し、半導体レーザからの励起光を各色の蛍光体に入射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】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０８１６４４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３７６０８号公報
【特許文献３】特開２０１５−１３５４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示されたプロジェクタでは、単一の円板に２種類の蛍光体を形成しているため、励起光の全量が１つの円板に入射して円板の熱負荷が大きくなり、蛍光体を十分に冷却できない可能性がある。その結果、蛍光体の発光効率が低下し、投射画像の明るさが低下する。また、特許文献３に開示されたプロジェクタでは、蛍光体が各色に分割されているため、特許文献２のプロジェクタと比較して、蛍光体への熱負荷を緩和することができる。しかしながら、特許文献３に開示されたプロジェクタでは、特に励起光を青色蛍光体に入射し発生した青色光を用いるため、青色光に関して蛍光変換時の損失が発生する。
【０００６】
一般的に、光利用効率の観点では、励起光の一部を直接青色光として利用することが好ましい。例えば、励起光源から発生した青色光の一部を、ダイクロミラー等の光学素子を介して蛍光光と合成する構成を採用すると、青色光を合成するための光学系が必要となり、光源装置が大型化する。また、各蛍光体からの未変換の励起光成分はそのまま捨てられてしまうため、光利用効率の観点で好ましくない。
【０００７】
そこで本発明は、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の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】
【０００８】
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の光を発生する第１の蛍光体と、前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第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の領域および第２の領域を有し、前記第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、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
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の光を発生する第１の蛍光体と、前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第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の領域および第２の領域を有し、第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、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、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。
【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、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の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正面図である。
【図３】第１の実施形態における第１の領域および第２の領域の分光特性図である。
【図４】第１の実施形態における第１の領域の反射率と第１の光の損失との関係を示す図である。
【図５】第２の実施形態における光源装置の構成図である。
【図６】第２の実施形態における分光光学素子の正面図である。
【図７】第２の実施形態における第１の領域および第２の領域の分光特性図である。
【図８】第２の実施形態における分光光学素子の反射率と第１の光の損失との関係を示す図である。
【図９】第３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、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、第１の蛍光体（緑色蛍光体）５、集光レンズ６、第２の蛍光体（赤色蛍光体）７、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。
【００１５】
光源１は、第１の光（青色光）を発生する。第１の蛍光体５は、第１の光によって励起され第２の光（緑色光）を発生する。第２の蛍光体７は、第１の光によって励起され第３の光（赤色光）を発生する。分光光学素子３は、第１の光を（所定の割合で）分離して第１の蛍光体５および第２の蛍光体７にそれぞれ導き、且つ発生した第２の光と第３の光とを合成する。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、光源１から順に各構成要素について詳述する。
【００１６】
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。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。光源１と第２の蛍光体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。
【００１７】
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の正面図である。図２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および第２の領域３ｂのそれぞれには、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が蒸着されている。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。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（すなわち拡散性が小さい）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。
【００１８】
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。
【００１９】
次に、図３を参照して、分光光学素子３の第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの分光特性（分光透過率）を説明する。図３は第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの分光透過率であり、図３（ａ）は第１の領域３ａの分光透過率、図３（ｂ）は第２の領域３ｂ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。
【００２０】
ここで、第１の領域３ａの特に波長４４０〜４９０ｎｍの青色光帯域の光の透過率に注目すると、この帯域の光の５割は反射し、残りの５割は透過する特性になっている。従って、分光光学素子３に入射した光のうち５割は反射して第１の蛍光体５に向かって進行し、残りの５割は透過して第２の蛍光体７に向かって進行する。第１の領域３ａは、他の帯域の光に関して、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を透過し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を反射する分光特性を有する。すなわち第１の領域３ａは、第１の光（青色光）を（所定の割合で）透過および反射し（青色光についてハーフミラーとなっており）、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、青色光帯域の光を透過し、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を透過し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を反射する分光特性を有する。すなわち第２の領域３ｂ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。
【００２１】
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７のそれぞれに向かって進行した光は、集光レンズ４または集光レンズ６を介して、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７にそれぞれ集光される。第１の蛍光体５に入射した光は、第１の蛍光体５により吸収され、波長５５０ｎｍの緑色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第１の蛍光体５に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。同様に、第２の蛍光体７に入射した光は、第２の蛍光体７により吸収され、波長６２０ｎｍの赤色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第２の蛍光体７に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。
【００２２】
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７によりそれぞれ反射された緑色光および赤色光の蛍光光成分は、集光レンズ４、６により集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子３に向かう。図３に示されるように、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂはともに緑色光成分を透過し、赤色光成分を反射する分光特性を有する。このため、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７でそれぞれ発生した緑色光および赤色光は、同一光路に合成された後、後段の照明光学系に入射する。
【００２３】
次に、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７のそれぞれ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。第１の蛍光体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、第１の蛍光体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、第１の蛍光体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。第１の蛍光体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。第１の蛍光体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、第１の蛍光体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。
【００２４】
前述のように、分光光学素子３の第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。また、分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する青色光成分もそのうち５割が透過するため、後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。
【００２５】
次に、第２の蛍光体７に入射して反射する青色光成分について説明する。第２の蛍光体７には、硫酸バリウム等の拡散体が混合されていない。第２の蛍光体７に入射して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する。このとき、反射した青色光のほとんどは分光光学素子３の第１の領域３ａに入射するため、このうちの５割は反射して後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。前述のように、分光光学素子３の第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、仮に、第２の蛍光体７に第１の蛍光体５と同じように拡散体を混合し、未変換の青色光が入射時よりも広い角度成分をもって反射すると、その大部分は第２の領域３ｂに入射する。この場合、これらの光は光源側に戻り、その多くは損失となってしまう。そこで本実施形態では、第２の蛍光体７に拡散体を混合しないことで、第２の蛍光体７の拡散性を第１の蛍光体５の拡散性よりも小さくする（指向性を高める、すなわち光束径を小さくする）。これにより、第２の蛍光体７に導かれた青色光の一部を有効活用することができる。
【００２６】
本実施形態によれば、光源装置１００の全体として第１の蛍光体５から発生した緑色光と、第２の蛍光体７から発生した赤色光と、各蛍光体からの未変換の青色光とを、前述の構成により積極的に活用して取り出すことができる。これにより、赤、緑、青の３原色の足し合わせから白色光を取り出すことができる。２種類の蛍光体（第１の蛍光体５および第２の蛍光体７）の足し合わせであるため、青色光の入射光量のバランスを適切調整することで容易に白色光のホワイトバランスを調整することが可能である。また本実施形態によれば、未変換の青色光を有効活用することで光利用効率を高めるだけでなく、青色光を形成するための専用の青色光源や光路を用いる必要が無いため、光源装置の小型化を実現することができる。
【００２７】
次に、分光光学素子３の第１の領域３ａの面積と青色光に対する反射率について、より好ましい条件について説明する。第１の蛍光体５および第２の蛍光体７に入射した青色光が蛍光変換されず青色光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、分光光学素子３の有効面積に対する第１の領域３ａの面積比をＤ、第１の光（青色光）に対する反射率をＲとする。
【００２８】
光源１から分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する光を１とするとき、第１の蛍光体５に向かう成分はＲと表現できる。第１の蛍光体５に入射した光のうち、未変換の光の割合はα１である。このため、青色光として再び分光光学素子３に入射する成分は、以下の式（１）のように表すことができる。
【００２９】
【数１】
2020052341.tif 000003
【００３０】
このうち第１の蛍光体５から反射した光は、蛍光光と同様に全方位に拡散する。このため、第１の蛍光体５から反射した光は、分光光学素子３に入射する際、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの両方に入射する。このうち第１の領域３ａに入射した青色光は、第１の領域３ａの面積比Ｄと反射率Ｒとに応じて光源側に反射して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（２）のように表すことができる。
【００３１】
【数２】
2020052341.tif 000004
【００３２】
同様に、第２の蛍光体７に入射して未変換のまま反射した際の損失を導出する。光源１から分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する光を１とするとき、第２の蛍光体７に向かう成分は（１−Ｒ）と表現できる。第２の蛍光体７に入射した光のうち、未変換の光の割合はα２である。このため、青色光として再び分光光学素子３に入射する成分は、以下の式（３）のように表される。
【００３３】
【数３】
2020052341.tif 000005
【００３４】
第２の蛍光体７から反射した光は、第１の蛍光体５と第２の蛍光体７の拡散性が互いに異なる（より具体的には、第２の蛍光体７の拡散性が第１の蛍光体５の拡散性よりも小さい）ため、分光光学素子３に対しては第１の領域３ａに限定して入射する。第１の領域３ａに入射した青色光は、第１の領域３ａの反射率Ｒに応じて光源側に透過して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（４）のように表される。
【００３５】
【数４】
2020052341.tif 000006
【００３６】
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７からそれぞれ反射した未変換の青色光のうち損失となる成分は、式（２）および式（４）より、以下の式（５）のように表すことができる。
【００３７】
【数５】
2020052341.tif 000007
【００３８】
ここで、ほぼ全ての青色光が第１の蛍光体５に入射した際の青色光全体の損失は、Ｒ＝１を式（５）に代入して、以下の式（６）のように表わすことができる。
【００３９】
【数６】
2020052341.tif 000008
【００４０】
損失が式（６）を下回る、すなわち本実施形態のように２種類の蛍光体を配置してそれぞれの蛍光体に青色光を分配する際に、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能な好ましい条件は、以下の条件式（７）を満足することである。
【００４１】
【数７】
2020052341.tif 000009
【００４２】
式（７）を整理すると、以下の式（８）が得られる。
【００４３】
【数８】
2020052341.tif 000010
【００４４】
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７に対して未変換光として反射される青色光の割合は、使用する蛍光体の種類や混合する拡散材の割合、さらには蛍光体層の厚みなどによって様々に変化する可能性がある。このため本実施形態では、α１、α２の条件に応じて条件式（８）を満足するように、分光光学素子３の第１の領域３ａの反射率Ｒおよび面積比Ｄを設定する。これにより、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能であり、光利用効率上より好ましい構成とすることができる。
【００４５】
図４は、分光光学素子３の第１の領域３ａの反射率Ｒと第１の色光の損失（第１の蛍光体５および第２の蛍光体７の未変換青色光）との関係を示す図であり、条件式（８）に応じた第１の領域３ａの好ましい反射率条件の例を示している。図４において、横軸は第１の領域３ａの反射率、縦軸は第１の光の損失をそれぞれ示している。また図４において、第１の領域３ａの面積比Ｄが２０％、３０％、４０％、５０％の場合をそれぞれ示している。また図４において、α１、α２ともに０．２、すなわち各蛍光体に入射した青色光のうち２０％の光が未変換光として反射する場合の条件で計算を行っている。
【００４６】
本実施形態の条件である第１の領域３ａの面積比Ｄが３０％の破線に注目する。反射率Ｒが１のとき、すなわち本実施形態を適用せず１種類の蛍光体のみに対して青色光を投入した際の損失である０．０６を基準として考えると、反射率Ｒが１〜０．５３程度の間が損失をさらに低減できる範囲とすることができる。本実施形態では反射率Ｒを５０％としているが、より好ましくは反射率Ｒを条件式（８）に応じて前述の範囲に設定すると、装置全体の損失を低減でき光利用効率を改善することができる。また、反射率Ｒを０．７〜０．８の間にすると、損失を０．０４５程度とこの条件下で最も損失を少なくすることができる。
【００４７】
第１の領域３ａの面積比Ｄは、光源装置１００に必要とされる光出力に応じて青色レーザーダイオードの個数などが増えると必要な反射面の面積が変わるため、設計ごとに変化することが想定される。この場合にも、適切に第１の領域３ａの反射率Ｒを設定して青色光を第１の蛍光体５と第２の蛍光体７とに振り分ける配分を決定することで、青色光の未変換光の損失を低減でき、装置全体の光利用効率を改善することができる。
【００４８】
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。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、図５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５は、光源装置１００ａの構成図である。光源装置１００ａは、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、第１の蛍光体（緑色蛍光体）１０、集光レンズ６、第２の蛍光体（赤色蛍光体）９、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。
【００５０】
光源１は、第１の光（青色光）を発生する。第１の蛍光体１０は、第１の光によって励起され第２の光（緑色光）を発生する。第２の蛍光体９は、第１の光によって励起され第３の光（赤色光）を発生する。分光光学素子１１は、第１の光を（所定の割合で）分離して第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９にそれぞれ導き、且つ発生した第２の光と第３の光とを合成する。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、光源１から順に各構成要素について詳述する。
【００５１】
本実施形態は、分光光学素子１１を挟んで第１の蛍光体１０が光源１と対向する位置に配置され、第２の蛍光体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。なお、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。
【００５２】
光源１から出射した波長４５５ｎｍの青色光は、分光光学素子１１に向かって進行する。図６は分光光学素子１１の正面図である。図６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および第２の領域１１ｂのそれぞれには、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が蒸着されている。第１の領域１１ａは、分光光学素子１１の全体に対して約３０％程度の面積比で一部の狭い範囲にのみ形成されている。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（すなわち拡散性が小さい）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。
【００５３】
次に、図７を参照して、分光光学素子１１の第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの分光特性（分光透過率）を説明する。図７は第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの分光透過率であり、図７（ａ）は第１の領域１１ａの分光透過率、図７（ｂ）は第２の領域１１ｂの分光透過率をそれぞれ示す。図７（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。
【００５４】
ここで、第１の領域１１ａの特に波長４４０〜４９０ｎｍの青色光帯域の光の透過率に注目すると、この帯域の光の５割は反射し、残りの５割は透過する特性になっている。従って、分光光学素子１１に入射した光のうち５割は反射して第２の蛍光体９に向かって進行し、残りの５割は透過して第１の蛍光体１０に向かって進行する。第１の領域１１ａは、他の帯域の光に関して、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を反射し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を透過する分光特性を有する。すなわち第１の領域１１ａは、第１の光（青色光）を（所定の割合で）透過および反射し（青色光についてハーフミラーとなっており）、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、青色光帯域の光を反射し、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を反射し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を透過する分光特性を有する。すなわち第２の領域１１ｂは、第１の光を反射し、第２の光を反射し、第３の光を透過する分光特性を有する。
【００５５】
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９のそれぞれに向かって進行した光は、集光レンズ６または集光レンズ４を介して、第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９にそれぞれ集光される。第１の蛍光体１０に入射した光は、第１の蛍光体１０により吸収され、波長５５０ｎｍの緑色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第１の蛍光体１０に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。同様に、第２の蛍光体９に入射した光は、第２の蛍光体９により吸収され、波長６２０ｎｍの赤色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第２の蛍光体９に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。
【００５６】
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９によりそれぞれ反射された緑色光および赤色光の蛍光光成分は、集光レンズ６、４により集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子１１に向かう。図７に示されるように、第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂはともに緑色光成分を反射し、赤色光成分を透過する分光特性を有する。このため、第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９でそれぞれ発生した緑色光および赤色光は、同一光路に合成された後、後段の照明光学系に入射する。
【００５７】
第１の実施形態と同様に、第１の蛍光体１０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。従って、第１の蛍光体１０に入射して未変換のまま反射する青色光は、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。第１の蛍光体１０から反射した未変換の青色光は、集光レンズ６により集光された後に平行光束化され、分光光学素子１１に入射する。第１の蛍光体１０への光入射時において、分光光学素子１１の第１の領域１１ａを経由して、第１の蛍光体１０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１１の第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの両方に入射する。
【００５８】
前述のように、分光光学素子１１の第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。また、分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する青色光成分もそのうち５割が反射するため、後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。
【００５９】
次に、第２の蛍光体９に入射して反射する青色光成分について説明する。第１の実施形態と同様に、第２の蛍光体９には、硫酸バリウム等の拡散体が混合されていない。第２の蛍光体９に入射して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する。このとき、反射した青色光のほとんどは分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射するため、このうちの５割は透過して後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。前述のように、分光光学素子１１の第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、仮に、第２の蛍光体９に第１の蛍光体１０と同じように拡散体を混合し、未変換の青色光が入射時よりも広い角度成分をもって反射すると、その大部分は第２の領域１１ｂに入射する。この場合、これらの光は光源側に戻り、その多くは損失となってしまう。そこで本実施形態では、第２の蛍光体９に拡散体を混合しないことで、第２の蛍光体９の拡散性を第１の蛍光体１０の拡散性よりも小さくする（指向性を高める、すなわち光束径を小さくする）。これにより、第２の蛍光体９に導かれた青色光の一部を有効活用することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、光源装置１００ａの全体として第１の蛍光体１０から発生した緑色光と、第２の蛍光体９から発生した赤色光と、各蛍光体からの未変換の青色光とを、前述の構成により積極的に活用して取り出すことができる。これにより、赤、緑、青の３原色の足し合わせから白色光を取り出すことができる。２種類の蛍光体（第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９）の足し合わせであるため、青色光の入射光量のバランスを適切調整することで容易に白色光のホワイトバランスを調整することが可能である。また本実施形態によれば、未変換の青色光を有効活用することで光利用効率を高めるだけでなく、青色光を形成するための専用の青色光源や光路を用いる必要が無いため、光源装置の小型化を実現することができる。
【００６１】
次に、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの面積と青色光に対する反射率について、より好ましい条件について説明する。第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９に入射した青色光が蛍光変換されず青色光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、分光光学素子１１の有効面積に対する第１の領域１１ａの面積比をＤ、第１の光（青色光）に対する反射率をＲとする。
【００６２】
光源１から分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する光を１とするとき、第１の蛍光体１０に向かう成分は（１−Ｒ）と表現できる。第１の蛍光体１０に入射した光のうち、未変換の光の割合はα１である。このため、青色光として再び分光光学素子１１に入射する成分は、以下の式（９）のように表すことができる。
【００６３】
【数９】
2020052341.tif 000011
【００６４】
このうち第１の蛍光体１０から反射した光は、蛍光光と同様に全方位に拡散する。このため、第１の蛍光体１０から反射した光は、分光光学素子１１に入射する際、第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの両方に入射する。このうち第１の領域１１ａに入射した青色光は、第１の領域１１ａの面積比Ｄと反射率Ｒとに応じて光源側に透過して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（１０）のように表すことができる。
【００６５】
【数１０】
2020052341.tif 000012
【００６６】
同様に、第２の蛍光体９に入射して未変換のまま反射した際の損失を導出する。光源１から分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する光を１とするとき、第２の蛍光体９に向かう成分はＲと表現できる。第２の蛍光体９に入射した光のうち、未変換の光の割合はα２である。このため、青色光として再び分光光学素子１１に入射する成分は、以下の式（１１）のように表される。
【００６７】
【数１１】
2020052341.tif 000013
【００６８】
第２の蛍光体９から反射した光は、第１の蛍光体１０と第２の蛍光体９の拡散性が互いに異なる（より具体的には、第２の蛍光体９の拡散性は第１の蛍光体１０の拡散性よりも小さい）ため、分光光学素子１１に対しては第１の領域１１ａに限定して入射する。第１の領域１１ａに入射した青色光は、第１の領域１１ａの反射率Ｒに応じて光源側に反射して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（１２）のように表される。
【００６９】
【数１２】
2020052341.tif 000014
【００７０】
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９からそれぞれ反射した未変換の青色光のうち損失となる成分は、式（１０）および式（１２）より、以下の式（１３）のように表すことができる。
【００７１】
【数１３】
2020052341.tif 000015
【００７２】
ここで、ほぼ全ての青色光が第１の蛍光体１０に入射した際の青色光全体の損失は、Ｒ＝０を式（１３）に代入して、以下の式（１４）のように表わすことができる。
【００７３】
【数１４】
2020052341.tif 000016
【００７４】
損失が式（１４）を下回る、すなわち本実施形態のように２種類の蛍光体を配置してそれぞれの蛍光体に青色光を分配する際に、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能な好ましい条件は、以下の条件式（１５）を満足することである。
【００７５】
【数１５】
2020052341.tif 000017
【００７６】
条件式（１５）を整理すると、以下の条件式（１６）が得られる。
【００７７】
【数１６】
2020052341.tif 000018
【００７８】
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９に対して未変換光として反射される青色光の割合は、使用する蛍光体の種類や混合する拡散材の割合、さらには蛍光体層の厚みなどによって様々に変化する可能性がある。このため本実施形態では、α１、α２の条件に応じて条件式（１５）を満足するように、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの反射率Ｒおよび面積比Ｄを設定する。これにより、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能であり、光利用効率上より好ましい構成とすることができる。
【００７９】
図８は、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの反射率Ｒと第１の色光の損失（第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９の未変換青色光）との関係を示す図であり、条件式（１５）に応じた第１の領域１１ａの好ましい反射率条件の例を示している。図８において、横軸は第１の領域１１ａの反射率、縦軸は第１の光の損失をそれぞれ示している。また図８において、第１の領域１１ａの面積比Ｄが２０％、３０％、４０％、５０％の場合をそれぞれ示している。また図８において、α１、α２ともに０．２、すなわち各蛍光体に入射した青色光のうち２０％の光が未変換光として反射する場合の条件で計算を行っている。
【００８０】
本実施形態の条件である第１の領域１１ａの面積比Ｄが３０％の破線に注目する。反射率Ｒが０のとき、すなわち本実施形態を適用せず１種類の蛍光体のみに対して青色光を投入した際の損失である０．０６を基準として考えると、反射率Ｒが０〜０．４７程度の間が損失をさらに低減できる範囲とすることができる。本実施形態では反射率Ｒを５０％としているが、より好ましくは反射率Ｒを条件式（１５）に応じて前述の範囲に設定すると、装置全体の損失を低減でき光利用効率を改善することができる。また、反射率Ｒを０．２〜０．３の間にすると、損失を０．０４５程度とこの条件下で最も損失を少なくすることができる。
【００８１】
第１の領域１１ａの面積比Ｄは、光源装置１００ａに必要とされる光出力に応じて青色レーザーダイオードの個数などが増えると必要な反射面の面積が変わるため、設計ごとに変化することが想定される。この場合にも、適切に第１の領域１１ａの反射率Ｒを設定して青色光を第１の蛍光体１０と第２の蛍光体９とに振り分ける配分を決定することで、青色光の未変換光の損失を低減でき、装置全体の光利用効率を改善することができる。
【００８２】
（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図９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９において、１００は光源装置（光源装置１００に代えて、光源装置１００ａ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。
【００８３】
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。
【００８４】
各実施形態において、２種類の蛍光体（例えば、緑色蛍光体および赤色蛍光体）を用いて、未変換の励起光を青光として利用する。このため各実施形態によれば、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の光源装置および画像投射装置を提供することができる。
【００８５】
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。
【００８６】
各実施形態において、例えば、第１の蛍光体および第２の蛍光体の少なくとも一方は、量子ドット蛍光体であってもよい。量子ドット蛍光体は、通常の蛍光体に比べて耐熱性が低いため、各実施形態のように発光色ごとに蛍光体を分割する構成が冷却の観点で有効である。また、分光光学素子で各蛍光体からの光（色光）を合成する際に通常の蛍光体からの広帯域なスペクトルをもつ蛍光光を合成すると、蛍光スペクトル同士の重なる帯域で必ず損失が発生する。ただし、量子ドット蛍光体はより狭いスペクトルを有するため、このような損失を防ぐことができ、光利用効率の観点で好ましい。量子ドット蛍光体は、例えば１００ｎｍ以下の光の波長帯域の幅を有する。
【符号の説明】
【００８７】
１  光源
３、１１  分光光学素子
５、９  第１の蛍光体
７、１０  第２の蛍光体
１００、１００ａ  光源装置
【図１】
2020052341.tif 000021
【図２】
2020052341.tif 000022
【図３】
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【図４】
2020052341.tif 000024
【図５】
2020052341.tif 000025
【図６】
2020052341.tif 000026
【図７】
2020052341.tif 000027
【図８】
2020052341.tif 000028
【図９】
2020052341.tif 000029