(57)【要約】【課題】光源から光特性変換素子に照射された光のうち光源側に戻る光を少なくする。【解決手段】光源装置１は、光源３０３側から順に、第１の偏光方向を有する第１の偏光光を透過し、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光光を反射する偏光層４０１と、位相差層４０２と、入射光とは特性が異なる特性変換光を生成する光特性変換素子４０４とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源側から順に、
第１の偏光方向を有する第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光光を反射する偏光層と、
位相差層と、
入射光とは特性が異なる特性変換光を生成する光特性変換素子とを有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記位相差層が、
前記偏光層から出射した前記第１の偏光光のうち、前記偏光層側から前記光特性偏光素子側に向かって透過し、さらに前記光特性変換素子から再入射して前記位相差層に向かって透過した光が前記第２の偏光方向を有する第２の偏光光となるように、形成されてい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】
前記入射光及び前記特性変換光は共に可視光領域内の波長を有する光であることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記光特性変換素子は、前記入射光とは波長が異なる前記特性変換光としての波長変換光を生成する波長変換素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記波長変換素子は、蛍光体であ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】
前記蛍光体は、単結晶蛍光体であ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】
前記光源と前記波長変換素子との間に、前記光源からの光を透過して前記波長変換光を反射するダイクロイック層が設けられていることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記光特性変換素子から出射した光を拡散させる拡散層が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の光源装置と、
光を変調する光変調素子と、
前記光源装置からの光を前記光変調素子に導き、該光変調素子からの光を用いて画像を投射する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、画像投射装置（以下、プロジェクタという）等に使用される光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタの光源装置として、レーザー光源と蛍光体等の光特性変換素子とを含むものが用いられる。特許文献１には、青色のレーザー光を励起光として蛍光体に照射し、蛍光体によって該励起光の一部の波長が変換されて黄色の蛍光光が生成されることで、青色光と黄色光とが合成された白色光を出射する光源装置が開示されている。そして、この光源装置では、蛍光光の利用効率を向上させるために、励起光を透過して蛍光光を反射するダイクロイック膜を用いて、レーザー光源側に向かう蛍光光を本来の出射方向に導く構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３７７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような光源装置において、さらなる光利用効率を向上させたり、出射光の色を安定させたりするためには、蛍光体にて蛍光光に変換されずにレーザー光源側に戻る励起光を少なくする必要がある。
【０００５】
本発明は、光源から光特性変換素子に照射された光のうち光源側に戻る光を少なくすることができるようにした光源装置およびこれを用いたプロジェクタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光源装置は、光源側から順に、第１の偏光方向を有する第１の偏光光を透過し、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光光を反射する偏光層と、位相差層と、入射光とは特性が異なる特性変換光を生成する光特性変換素子とを有することを特徴とする。
【０００７】
なお、上記光源装置を用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光源から光特性変換素子に照射された光のうち光源側に戻る光を少なくすることができ、光利用効率を向上させたり、出射光の色を安定させたりすることができる。そして、この光源装置を画像投射装置に用いることで、明るさや色が安定した画像を投射することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１である光源装置を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図２】実施例１の光源装置の構成を示す断面図。
【図３】実施例１の光源装置における蛍光体部を示す図。
【図４】実施例１における励起光と蛍光光が再帰するメカニズムを示す図。
【図５】本発明の実施例２の光源装置における蛍光体部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の実施例１である光源装置１の構成を示している。光源装置１は、光源部３０１と蛍光体ユニット３０２とにより構成されている。光源部３０１には、一対一で設けられたレーザーダイオード（ＬＤ）３０３とコリメートレンズ３０４とが複数組、アレイ状に配置されている。本実施例では、ＬＤ３０３は青色レーザー光（以下、単に青色光という）３０５を射出する。
【００１２】
蛍光体ユニット３０２は、複数のＬＤ３０３に対して一対一で設けられた複数の蛍光部３０６と、１つの蛍光部３０６に対して一組ずつ設けられた集光レンズ３０７およびコリメートレンズ３０８とにより構成されている。複数の集光レンズ３０７と複数のコリメートレンズ３０８はそれぞれ、一体の光学部材にアレイ状に形成されている。蛍光部３０６は集光レンズ３０７とコリメートレンズ３０８との間に配置されている。
【００１３】
光源部３０１からの青色光３０５は、集光レンズ３０７により集光されて蛍光部３０６に入射する。蛍光部３０６に入射した青色光３０５の一部は、蛍光部３０６内の蛍光体（光特性変換素子としての波長変換素子であり、これについては後述する）によって波長変換されて蛍光光である黄色光３０９として蛍光部３０６から出射する。また、蛍光部３０６に入射した青色光３０５のうち蛍光体によって波長変換されなかった非変換光は、青色光のまま蛍光部３０６から出射する。蛍光部３０６から出射した青色光３０５と黄色光３０９の合成光である白色光は、コリメートレンズ３０８によりコリメートされて蛍光体ユニット３０２（つまりは光源装置１）から出射する。光源装置１から出射した白色光は、後述するプロジェクタの照明光学系に入射して照明光として用いられる。
【００１４】
図２は、図１に示した蛍光部３０６の詳細な構成を示している。以下の説明において、光源部３０１側を光源側といい、蛍光体ユニット３０２から光が出射する側を出射側という。蛍光部３０６は、光源側から出射側に順に配置された反射型偏光膜（偏光層）４０１、１／４波長膜（位相差層）４０２、ダイクロイック膜（ダイクロイック層）４０３および蛍光体４０４により構成されている。つまり、光源装置１では、光源部３０１、反射型偏光膜４０１、１／４波長膜４０２、ダイクロイック膜４０３および蛍光体４０４がこの順で配置されている。
【００１５】
ここで、蛍光体４０４は、入射光である励起光とは波長が異なる波長変換光（特性変換光）である蛍光光を生成するが、後述する励起光の再帰効率を向上させるためには、蛍光体４０４は単結晶蛍光体であることが望ましい。励起光は単結晶蛍光体を通過する際に、偏光状態（偏光方向）の無秩序な乱れを生じることなく偏光状態を保存するため、上述したプロジェクタの照明光学系に含まれる偏光変換素子での偏光変換効率の向上に有効である。なお、励起光と波長変換光（特性変換光）は共に可視光領域内（約４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下）の波長の光を含んでいる。
【００１６】
集光レンズ３０７を通って蛍光体４０４に入射した励起光である青色光３０５の一部は、緑〜赤帯域のスペクトルを持つ蛍光光、すなわち前述した黄色光３０９に変換される。蛍光光である黄色光３０９は、図中に破線矢印で示すように、蛍光体４０４の内部から全方位に放出される。また、前述したように励起光のうち蛍光光に変換されなかった非変換光であって出射側に向かう青色光（図中に実線で示す）は、出射側に向かう黄色光３０９と合成されて白色光４０５となってコリメートレンズ３０８から出射する。
【００１７】
図３には、蛍光部３０６内において光源側に向かう光の挙動を示している。ダイクロイック膜４０３は、青色光を透過して、黄色光を反射する機能を有する。反射型偏光膜４０１は、第１の偏光方向５０１を有する第１の偏光光（直線偏光）を透過し、第１の偏光方向５０１とは異なる（例えば直交する）第２の偏光方向５０５を有する第２の偏光光（直線偏光）を反射する機能を有する。また、１／４波長膜４０２は、第１の偏光光が１回通過することでこれを円偏光に変換し、さらにこの円偏光が１回通過することでこれを第２の偏光光に変換する機能を有する。つまり、１／４波長膜４０２は、第１の偏光光を２回の通過により第２の偏光光に変換する。すなわち１／４波長膜４０２は、反射型偏光膜４０１から出射した第１の偏光光のうち、偏光膜４０１側から蛍光体４０４側に向かって透過し、さらに蛍光体４０４から再入射して１／４波長膜４０２に向かって透過した光が第２の偏光光となるように形成されている。
【００１８】
黄色光３０９のうち光源側に向かう成分（戻り光成分）５０２は、ダイクロイック膜４０３にて反射されて再帰光成分５０３として出射側に進み、照明光として利用される。これにより、蛍光光の利用効率を向上させることができる。
【００１９】
また、ＬＤ３０３は、第１の偏光方向５０１の直線偏光光としての青色光３０５を発する。蛍光部３０６に入射して１／４波長膜４０２を通過することで円偏光に変換された青色光３０５の一部は、ダイクロイック膜４０３と蛍光体４０４との界面や蛍光体４０４とコリメートレンズ３０８との界面等でフレネル反射を起こす。これにより、青色光３０５の一部が光源側に向かう戻り光成分５０４ａ，５０４ｂとなる。
【００２０】
ダイクロイック膜４０３と蛍光体４０４との界面からの戻り光成分５０４ａは、１／４波長膜４０２を再度通過して反射型偏光膜４０１まで戻る。円偏光である戻り光成分５０４ａが１／４波長膜４０２を再度通過することで、該戻り光成分５０４ａは第２の偏光光に変換されるため、反射型偏光膜４０１で反射される。
【００２１】
一方、蛍光体４０４とコリメートレンズ３０８との界面からの戻り光成分５０４ｂは、ダイクロイック膜４０３および１／４波長膜４０２を再度通過して反射型偏光膜４０１まで戻る。円偏光である戻り光成分５０４ｂが１／４波長膜４０２を再度通過することで、該戻り光成分５０４ｂも第２の偏光光に変換されるため、反射型偏光膜４０１で反射される。
【００２２】
こうして反射型偏光膜４０１で反射された戻り光成分５０４ａ，５０４ｂは、再帰光成分５０６となって出射側に進み、１／４波長膜４０２およびダイクロイック膜４０３を透過して蛍光体４０４に戻り、励起光や青色照明光として利用される。これにより、励起光の再帰効率を向上させることができ、つまりは光源部３０１からの励起光の利用効率を向上させることができる。
【００２３】
なお、蛍光光の再帰用途に用いられるダイクロイック膜４０３は、図３に示したように蛍光体４０４の直前に配置する必要はなく、１／４波長膜４０２より光源側であってもよいし、反射型偏光膜４０１より光源側であってもよい。つまり、光源部３０１と蛍光体４０４との間であればよい。
【００２４】
本実施例により、光源部３０１からの青色光３０５を蛍光体４０４の励起光として用いた光源装置１において、光源側への戻り光成分を低減して光利用効率を高めることができる。
【００２５】
集光レンズ３０７と、コリメートレンズ３０８の焦点距離に関して説明する。本実施例では、光利用効率を高めるために、反射型偏光膜やダイクロイック膜といった角度特性を有する光学素子を用いている。このため、集光レンズ３０７やコリメートレンズ３０８の焦点距離としては長いものを選択することにより、偏光膜、１／４波長膜およびダイクロイック膜への入射光束が膜に対して垂直となるため、より光利用効率を高めることができる。
【００２６】
好ましい焦点距離ｆの例としては、蛍光体４０４の厚みをｄとするとき、
０．５＜ｆ／ｄ
なる条件を満足することが好ましい。より好ましくは、
０．５＜ｆ／ｄ＜１００
なる条件を満足するとよい。ただし、焦点距離ｆは上記範囲に限定されるものではなく、これ以外にも、蛍光体４０４、光源の明るさ、サイズの制約等の要素も加味して総合的に決めることが望ましい。
【実施例２】
【００２７】
図４には、本発明の実施例２である光源装置における蛍光部３０６′の構成を示している。実施例１で述べたように、励起光の再帰効率を向上させるためには、蛍光体４０４として、入射する光の偏光状態を保存する単結晶蛍光体を用いることが望ましい。ただし、単結晶蛍光体を用いると、ＬＤからのレーザー光のコヒーレンスも乱さずに保存するため、プロジェクタにおいて画像を投射をする際にスペックル等の画質劣化を防止する対策をする必要がある。また、光源装置の生産工程において蛍光部３０６を単独で検査する際には、コヒーレント光であるレーザー光が外部に漏れ得る状態となるため、そのようなコヒーレント光の漏れを防止する設備や対策も必要となる。
【００２８】
そこで、本実施例では、実施例１（図３）で説明した蛍光部３０６における蛍光体４０４よりも出射側に拡散膜（拡散層）６０１が配置されている。他の構成は、実施例１と同じであり、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付している。
【００２９】
拡散膜６０１は、蛍光体４０４から出射した光（黄色光３０９および青色光３０５）を拡散させる。これにより、光源装置単独でコヒーレンスが抑えられた光を生成することができる。
【００３０】
なお、実施例１，２では、光特性変換素子として蛍光体を用いる場合について説明したが、他の光特性変換素子を用いてもよい。例えば、散乱板でもよい。
【実施例３】
【００３１】
図５には、上述した各実施例の光源装置１を用いた画像投射装置（以下、プロジェクタという）の構成を示す。プロジェクタにおいて、光源装置１から発せられた白色光１０２（点線で示す赤色光１０２ｒ、緑色光１０２ｇおよび青色光１０２ｂ）は以下に説明するプロジェクタ用光学系に入射する。まず、赤色、緑色および青色光１０２ｒ，１０２ｇ，青色光１０２ｂは偏光変換素子１０３に入射し、ここで一様な偏光方向を有する直線偏光としての赤色、緑色および青色照明光（点線で示す）１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂに変換される。
【００３２】
これら照明光１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂはダイクロイックミラー１０５により赤色照明光１０４ｒおよび青色照明光１０４ｂと緑色照明光１０４ｇとに分離される。緑色照明光１０４ｇは、偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１０８および位相補償板１１２を透過して光変調素子１１１ｇに到達する。赤色および青色照明光１０４ｒ，１０４ｂは、偏光板１０６を透過して色選択性位相板１０７に入射する。色選択性位相板１０７は、赤色照明光１０４ｒの偏光方向をそのまま維持しつつ青色照明光１０４ｂの偏光方向を９０°回転させる。色選択性位相板１０７から出射した赤色照明光１０４ｒは、ＰＢＳ１０９および位相補償板１１２ｒを透過して光変調素子１１１ｒに到達する。色選択性位相板１０７から出射した青色照明光１０４ｂは、ＰＢＳ１０９で反射して位相補償板１１２ｂを透過して光変調素子１１１ｂに到達する。各光変調素子は、反射型液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスにより構成される。光変調素子として、透過型液晶パネルを用いることも可能である。
【００３３】
光変調素子１１１ｇ，１１１ｒ，１１１ｂは入射した緑色、赤色および青色照明光１０４ｇ，１０４ｒ，１０４ｂを画像変調して緑色、赤色および青色画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒに変換する。これら画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒは、ＰＢＳ１０８，１０９および合成プリズム１１８を介して合成され、投射レンズ１２０によりスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、投射画像としてのカラー画像が表示される。
【００３４】
本実施例によれば、光利用効率が高い光源装置１を用いることにより、色や明るさが安定した画像を投射可能なプロジェクタを実現することができる。
【００３５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源装置
３０３  ＬＤ
４０１  反射型偏光膜
４０２  １／４波長膜
４０４  蛍光体
【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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