(57)【要約】【課題】従来の光源では、励起光と蛍光のうちの一方を透過させ、他方を反射させるような平板型の光路変更素子（ダイクロイックミラー）が用いられていたが、ダイクロイックミラーの場所によって蛍光の入射角が異なっていた。このため、場所によって入力光に対する透過／反射特性が異なり、出力光に色むらが生じていた。投射型表示装置の光源としては、色むらの改善が求められていた。【解決手段】曲面ダイクロイックミラー１０５を用いることにより、場所による入射角の違いを低減する。曲面ダイクロイックミラー１０５は、集光レンズ１０６の光軸を通って凹面に入射する主光線を、８０度以上で１２０度以下の角度βで反射させる。曲面形状は、楕円面またはトロイダル面または非球面の一部である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射型表示装置用の光源装置であって、
蛍光体と、
前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、
曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、
前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、
前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏する、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記集光レンズの光軸を通って凹面に入射する光を、８０度以上で１２０度以下の角度で反射させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記励起光または前記蛍光が前記曲面ダイクロイックミラーに入射する際の入射角のばらつきが、前記励起光または前記蛍光の光束半角の１／２以下である、
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】
前記曲面は、楕円面またはトロイダル面または非球面の一部である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記蛍光を凹面で反射する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記励起光を凹面で反射する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記曲面ダイクロイックミラーは、透明で板厚が一定の曲面基板に誘電体多層膜が形成された曲面ダイクロイックミラーである、
ことを特徴とする請求項１乃至６のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記蛍光体は、回転軸を中心に回転可能な回転体の少なくとも一部を被覆している、
ことを特徴とする請求項１乃至７のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちの何れか１項に記載の光源装置と、
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、半導体レーザと蛍光体とダイクロイックミラーとを備えた光源装置と、当該光源装置を用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高い発光効率で短波長の光を出力する半導体レーザが開発されている。かかる半導体レーザの出力光で蛍光体を励起し、波長変換された光を投射型表示装置の光源として用いることが行われている。
【０００３】
蛍光体を一定の場所に固定して励起光を照射してもよいが、蛍光体の同一点を励起光が常に照射し続けると局所的に温度が上昇し、発光効率が低下する場合や、更には材料劣化が生じる可能性がある。このため、回転する円板の主面上に蛍光体を設けておき、蛍光体の同一点を励起光が定常的には照射しないように構成する光源が多く用いられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、励起光源の出力光を集光レンズを使って集光して回転する蛍光板に照射し、蛍光板が発する蛍光を光変調素子に導く投射型表示装置が記載されている。
【０００５】
特許文献１をはじめとする多くの投射型表示装置では、励起光を蛍光板に導くとともに、蛍光板が発する蛍光を光変調素子に導くため、励起光と蛍光のうちの一方を透過させ、他方を反射させるような光路変更素子が配置される。具体的には、励起光源と蛍光板の間に、平板状のダイクロイックミラーが配置されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−７８４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された装置をはじめとする多くの光源装置では、蛍光体が発する蛍光は発散光であるため、集光レンズを通しても、なお発散しながらダイクロイックミラーに到達していた。このため、ダイクロイックミラーの場所によって蛍光の入射角が異なっていた。
【０００８】
図１２は、これを説明する図であり、投射型表示装置用の光源装置には、モータ１で回転する回転板２の主面上に、蛍光体３が設けられている。そして、蛍光体３に対して励起光源ユニット４が設けられており、励起光源ユニット４には蛍光体３を励起可能な波長の励起光Ｅｘを発するレーザ光源と、励起光Ｅｘを整形するための光学レンズ群が含まれている。励起光源ユニット４と蛍光体３の間には、ダイクロイックミラー５と、集光レンズ６が配置されている。集光レンズ６は、励起光Ｅｘを集光して蛍光体３に照射するとともに、蛍光体３が発する蛍光ＰＬを集光してダイクロイックミラー５に伝達するレンズである。
【０００９】
ダイクロイックミラー５は、励起光源ユニット４からの励起光Ｅｘを蛍光体３の方向に透過するが、蛍光体３からの蛍光ＰＬを反射するミラーであり、透明な平板ガラスの上に誘電体多層膜を形成したものである。
【００１０】
かかる光源においては、ダイクロイックミラー５を透過してくる整形された励起光Ｅｘを、蛍光体３に集光することができるように集光レンズ６は配置されている。しかし、蛍光体３が発する蛍光ＰＬは、広角度の発散光として出射するため、励起光Ｅｘの経路上を逆進するばかりではなく、励起光よりも広角の光束として集光レンズ６を経由してダイクロイックミラー５に向かう。すなわち、蛍光体３が発する蛍光の中には、励起光の光路よりも外側の光路をとって集光レンズ６内を通過して、ダイクロイックミラー５に向かう成分もある。
【００１１】
ここで、図１２および図１３を用いて、ダイクロイックミラー５に入射する蛍光の入射角について検討する。蛍光ＰＬのうち、集光レンズの光軸を通るものを主光線ＰＬ０、回転板２の回転中心に最も近い側を通る蛍光をＰＬ１、回転中心から最も遠い側を通る蛍光をＰＬ２とし、主光線ＰＬ０、ＰＬ１、ＰＬ２がそれぞれダイクロイックミラー５に入射する入射角を、α０、α１、α２とする。尚、入射角とは、ダイクロイックミラー５のミラー面に立てた法線と入射する蛍光とがなす角である。また、集光レンズ６を通過した後、ダイクロイックミラー５に向かう蛍光の角度、すなわち蛍光ＰＬ１と蛍光ＰＬ２がなす角を２×θ（つまり集光半角はθ）とする。
【００１２】
主光線ＰＬ０の入射角α０＝４５度となるようにダイクロイックミラー５の向きを設定し、集光レンズ６の開口数ＮＡ＝０．１７４とすれば、図１３に示すように、α１＝３５度、α２＝５５度となる。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θは１０度に相当する。）
【００１３】
このように、蛍光ＰＬ１と蛍光ＰＬ２では、ダイクロイックミラー５への入射角に２０度もの差が生じている。ダイクロイックミラー５の表面に形成されている誘電体多層膜への入射角が異なると、蛍光にとっては多層膜内の光路長が異なることになり、蛍光に対する透過／反射特性に差異が生ずる。そのため、ダイクロイックミラー５によって反射される蛍光に不均一が生じ、画像表示装置にとって問題になる光源の色むらが発生していた。
【００１４】
上記の例に限らず、投射型表示装置の照明に用いる光がダイクロイックミラーに入射する角度が場所によって異なると、透過／反射特性が不均一になり、色むらを発生させることになる。
かかる色むらを抑制するため、所謂ウェッジフィルタを設けることも考えられるが、大幅なコスト増加要因となってしまう。
【００１５】
そこで、投射型表示装置の照明に用いるための発散する照明光をダイクロイックミラーに入射させた時に、透過／反射特性の均一性が確保され、色むらの発生が低減された光源装置を安価に実現することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、投射型表示装置用の光源装置であって、蛍光体と、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏することを特徴とする光源装置である。
また、本発明は、上記光源装置と、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である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ダイクロイックミラーに入射する照明光の場所による入射角度の違いを、従来よりも格段に低減した光源装置を提供することができる。すなわち、入射角度の違いによるダイクロイックミラーの透過／反射特性の不均一を大幅に低減できるため、色むらの少ない良質な照明光を出力できる光源を提供することが可能である。あわせて、かかる光源装置を備えた高画質の投射型表示装置を、低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第一の実施形態の光源装置を備えた投射型表示装置の構成を示す図。
【図２】（ａ）第一の実施形態の回転体の平面図。（ｂ）第二の実施形態の回転体の平面図。
【図３】（ａ）第一の実施形態の蛍光体の発光スペクトル。（ｂ）第一の実施形態の励起光のスペクトル。
【図４】（ａ）入射角３５度における第一の実施形態のダイクロイックミラーの特性。（ｂ）入射角４５度における第一の実施形態のダイクロイックミラーの特性。（ｃ）入射角５５度における第一の実施形態のダイクロイックミラーの特性。
【図５】第二の実施形態の光源装置を備えた投射型表示装置の構成を示す図。
【図６】第三の実施形態の光源装置。
【図７】第四の実施形態の光源装置。
【図８】第五の実施形態の光源装置。
【図９】（ａ）入射角３５度における第五の実施形態のダイクロイックミラーの特性。（ｂ）入射角４５度における第五の実施形態のダイクロイックミラーの特性。（ｃ）入射角５５度における第五の実施形態のダイクロイックミラーの特性。
【図１０】第六の実施形態の光源装置。
【図１１】（ａ）他の実施形態の曲面であるトロイダル面を示す斜視図。（ｂ）トロイダル面のＹＺ断面を示す図。（ｃ）トロイダル面のＸＹ断面を示す図。
【図１２】従来の光源装置の構成を示す図。
【図１３】従来のダイクロイックミラーへの入射角の差を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
［第一の実施形態］
図１を参照し、本発明の第一の実施形態である光源装置を備えた投射型表示装置について説明する。最初に光源装置について説明し、その後に投射型表示装置全体について説明する。
【００２１】
（光源装置）
図１において、１０１はモータ、１０２は回転体、１０３は蛍光体、１０４は励起光源ユニット、１０５は曲面ダイクロイックミラー、１０６は集光レンズ、１０７は１／４波長板、１０８は励起光源側レンズである。
【００２２】
本装置では、モータ１０１により回転可能な回転体１０２の主面上に蛍光体１０３が設けられている。図２（ａ）に、回転体１０２を集光レンズ１０６側から見た平面図を示すが、回転体１０２の主面上には、発光波長特性が異なる赤色蛍光体１０３Ｒと緑色蛍光体１０３Ｇが、回転体１０２の回転軸ＲＡを中心としたリング領域の一部に被覆されている。そして、蛍光の取出し効率を高めるように、蛍光体が設けられているリング領域の下地には、回転体１０２の方向に放射された蛍光を集光レンズ側に反射するための反射面が設けられている。
【００２３】
図３（ａ）に、赤色蛍光体１０３Ｒと緑色蛍光体１０３Ｇに励起光を照射した際の発光スペクトルの例を示す。点線で示す３１が緑色蛍光体１０３Ｇの発光スペクトル、実線で示す３２が赤色蛍光体１０３Ｒの発光スペクトルである。尚、波長４４５ｎｍ付近に見られるピークは、蛍光体の発光ではなく、励起光の一部が蛍光体に吸収されずに反射されたものである。尚、用いる蛍光体は、この発光特性の例に限るものではない。たとえば、赤色発光、緑色発光の蛍光体に代えて、黄色発光や白色発光の蛍光体を設けてもよい。
【００２４】
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、回転体１０２のリング領域の一部には蛍光体が塗布されずに、励起光を反射するための反射部２００が設けられている。反射部２００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。
【００２５】
このような回転体１０２を回転させることにより、励起光Ｅｘは、赤色蛍光体１０３Ｒか、緑色蛍光体１０３Ｇか、反射部２００かのいずれかを照射する。回転体１０２の基材は、蛍光体の過熱を防ぐため、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凹凸部や空孔が設けられる場合もある。
【００２６】
励起光源ユニット１０４は、青色レーザ光源と、励起光（青色光）を整形するための光学レンズ群を有している。図３（ｂ）にＥｘとして示すのは、蛍光体を励起するのに好適であるとともに、投射型表示装置の照明光としても利用可能な青色光のスペクトルの一例である。
【００２７】
励起光源ユニット１０４には、アレイ状に配置された複数の青色レーザ光源と、青色レーザ光源の各々に対応して配置された複数のコリメートレンズが一体化されたモジュールを用いるのが好適である。各モジュールには、例えば青色レーザ光源が２×４にマトリクス配列された発光素子アレイが含まれている。ただし、１つのモジュールに含まれるマトリクス配列の規模は、この例に限られるものではない。より大規模なマトリクス配列でもよいし、縦横が同数のマトリクス配列であってもよい。青色レーザ光源は、例えば波長４４５ｎｍの光を発する半導体レーザである。各レーザ光源から出力される光は、レンズの作用により、ほぼ平行な光線として励起光源ユニット１０４から出射する。
【００２８】
励起光源ユニット１０４と回転体１０２の間には、励起光源側レンズ１０８、曲面ダイクロイックミラー１０５、１／４波長板１０７、集光レンズ１０６が配置されている。
【００２９】
励起光源側レンズ１０８は、励起光源ユニット１０４から出射されるコリメートされたＰ偏光の青色光を、後述する楕円面の焦点Ｆ１に向けて集束させながら、曲面ダイクロイックミラー１０５方向に伝達する。
【００３０】
曲面ダイクロイックミラー１０５は、励起光源ユニット１０４が出射した励起光Ｅｘは蛍光体１０３に向けて透過させるが、赤色蛍光体１０３Ｒおよび緑色蛍光体１０３Ｇが発する蛍光は凹面で反射する。また、回転体１０２の反射部２００で反射される励起光（青色光）は、反射の前後で１／４波長板１０７を２回透過してＳ偏光に変換され、曲面ダイクロイックミラー１０５に入射するが、その凹面で反射される。
【００３１】
曲面ダイクロイックミラー１０５は、透過する光に対しては、集束や発散のパワーを及ぼすことがないが、凹面で反射する光に対しては集束させるパワーを有する。尚、集束や発散のパワーを及ぼすことがないとは、曲面ダイクロイックミラー１０５の製造上の誤差による光路の乱れを除き、実質的に集束や発散の作用を及ぼさないという意味である。
【００３２】
曲面ダイクロイックミラー１０５は、製造上の誤差は別として、板厚が一定で透明な曲面基板に誘電体多層膜を積層することで形成されている。誘電体多層膜は、曲面基板の凹面側の表面に積層してもよいし、凸面側の表面に積層してもよい。製造上の誤差は別として、誘電体多層膜の厚みが曲面内で均一になるように積層されているとよい。
【００３３】
曲面ダイクロイックミラー１０５の透過／反射特性を、図４に示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、入射角が３５度、４５度、５５度の各場合における透過／反射特性の波長依存性を示すグラフである。尚、入射角とは、曲面ダイクロイックミラー１０５のミラー面に立てた法線と入射する光とがなす角である。グラフの横軸は入射光の波長を、縦軸は透過率を示しており、透過率が低いほど反射率が高いといえる。図中で、実線Ｐで示すのはＰ偏光、点線Ｓで示すのはＳ偏光の特性を表すグラフである。また、参考のため、Ｐ偏光の励起光のスペクトルをＥｘとして示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、入射角度が３５度から５５度まで大きくなると、Ｐ偏光およびＳ偏光の透過／反射特性が短波長側にシフトすることがわかる。この透過／反射特性の入射角度依存性を参照しながら、実施形態の光源装置について更に詳しく説明する。
【００３４】
励起光源ユニット１０４から出射したＰ偏光の励起光Ｅｘは、曲面ダイクロイックミラー１０５の凸面側に入射するが、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の実線Ｐから明らかなように、透過率が高い波長域であるため、ほとんどロスなく曲面ダイクロイックミラー１０５を透過する。
そして、１／４波長板１０７を経由した後、集光レンズ１０６によって回転体１０２の上面に集光される。
【００３５】
励起光Ｅｘが集光される位置に、緑色蛍光体１０３Ｇが存在するような回転タイミングにおいては、図３（ａ）の発光特性３１のスペクトルの緑色の蛍光が発せられる。同様に、赤色蛍光体１０３Ｒが存在するような回転タイミングにおいては、図３（ａ）の発光特性３２のスペクトルの赤色の蛍光が発せられる。また、反射部２００が存在するような回転タイミングにおいては、励起光Ｅｘ（青色光）は反射される。
【００３６】
緑色蛍光、赤色蛍光、反射された青色光は、集光レンズ１０６によって集光され、曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面側に入射する。尚、反射部２００で反射された青色光は、再び１／４波長板１０７を経由することでＳ偏光に変換されて曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面側に入射する。
【００３７】
曲面ダイクロイックミラー１０５において、集光レンズ１０６の光軸を通る主光線が入射する点をＣ、回転体１０２の回転中心に最も近い側を通る光線が入射する点をＬ、回転中心から最も遠い側を通る光線が入射する点をＵとし、それぞれの光線が曲面ダイクロイックミラー１０５に入射する入射角を、α０、α１、α２とする。尚、入射角とは、曲面ダイクロイックミラー１０５のミラー面に立てた法線と入射する光とがなす角である。また、集光レンズ１０６を通過した後に曲面ダイクロイックミラー１０５に向かう光束の広がり角度を２×θとする。（つまり集光半角はθである。）
【００３８】
点Ｃにおける主光線の入射角α０＝４５度となるように曲面ダイクロイックミラー１０５の形状と向きを設定し、集光レンズ１０６の開口数は、ＮＡ＝０．１７４とする。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θは１０度に相当する。）
主光線の反射角βは、２×α０＝９０度となるが、この方向（主光線の反射方向）には、後述する投射型表示装置の照明光学系が配置されている。
【００３９】
第一の実施形態では、曲面ダイクロイックミラー１０５の光学面の形状として、Ｆ１とＦ２を焦点とする楕円面の一部を用いている。たとえば、短軸（２×ｂ）と長軸（２×ａ）の比率が、７０．７：１００  である楕円面の一部を用い、点Ｃにおいて主光線と楕円の短軸が交わるように曲面ダイクロイックミラー１０５を配置する。一例として、ａ＝６４．２ｍｍ，ｂ＝４５．４ｍｍ，扁平率＝７０．７％の楕円面を用いることができる。広がり角度が２×θである光束の軌跡を辿ると、楕円の一方の焦点Ｆ１に収束するような配置関係とする。Ｆ１から点Ｃにいたる距離Ａと、Ｆ２から点Ｃにいたる距離Ｂは、それぞれ楕円の長軸の半分であるａと等しくなるように設定している（Ａ＝Ｂ）。
【００４０】
かかる形状と配置を採用することにより、曲面ダイクロイックミラー１０５の各点に入射する蛍光あるいは反射励起光の入射角の差を低減することができる。具体的には、α０＝４５．０度、α１＝４４．１度、α２＝４４．１度であり、α０、α１、α２の角度差は、僅か０．９度に抑制され得る。先に述べた従来の平板型ダイクロイックミラーの例では、同様の開口数の集光レンズであれば入射角の角度差は２０度にもなったため、入射位置によって図４（ａ）や図４（ｃ）の透過／反射特性に従うことになり、反射光に色むらが生じていた。しかし、本実施例では、入射位置による入射角の違いは格段に低減されているため、緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光については入射位置によらず、概ね図４（ｂ）の透過／反射特性に従うと考えればよい。そのため、色むらの発生を大幅に低減することができる。
【００４１】
図３（ａ）の緑色蛍光体の発光特性３１と図４（ｂ）の透過／反射特性を対比させれば明らかなように、曲面ダイクロイックミラー１０５に入射する緑色蛍光のうちＳ偏光成分はほとんど全てが、Ｐ偏光成分は波長が約４９０ｎｍ以上の大部分が反射する。また、赤色蛍光については、Ｓ偏光成分もＰ偏光成分もほとんど全てが反射する。また、Ｓ偏光に変換された青色光は、ほとんど全てが反射する。すなわち、高い効率で投射型表示装置の照明光として利用できる。
【００４２】
楕円面で反射された緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光は、凹面で反射されたことにより焦点Ｆ２に向けて集束してゆく。本実施形態では、この反射光束の収束角は、集光レンズ１０６側の反射前の収束角２×θ  と等しい。
【００４３】
本実施形態の曲面ダイクロイックミラーは、Ｐ偏光の励起光の光路と緑色蛍光の光路とを分離するとともに、緑色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるといえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路と赤色蛍光の光路とを分離するとともに、赤色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路とＳ偏光青色光の光路とを分離するとともに、Ｓ偏光青色光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光に対して曲面ダイクロイックミラーが集光作用を有することは、後段のリレーレンズ１１０の構成を簡素化する上で有利である。
【００４４】
尚、第一の実施形態の光源装置では、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いたが、光源装置に求められる仕様に応じて、上記以外の色を用いてもよい。蛍光体の色の組み合わせに応じて、適宜曲面ダイクロイックミラーの透過／反射特性を変更すれば、さまざまな仕様の光源装置を実現することが可能である。
【００４５】
（投射型表示装置）
図１の投射型表示装置は、上記説明の光源装置を照明光源として用いており、さらに、リレーレンズ１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０、照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、を備えている。さらに、投影スクリーン１９０を備える場合もある。
【００４６】
リレーレンズ１１０は、光源装置が発する光を、投射レンズ１８０のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定してライトトンネル１４０の入射口に集光するためのレンズである。リレーレンズは、必ずしも１枚のレンズで構成しなければならないわけではない。また、ＮＡが十分である場合には、設けなくともよい。
【００４７】
色選択ホイール１２０は、回転軸Ａｃを中心に回転可能な板状回転体で、Ｒ、Ｇの各色フィルターと、青色光を透過させるための扇状の切り欠き（光透過部）が設けられている。各色のカラーフィルターは、不要な波長域の光をカットして、表示光の色純度を高めるために設けられている。ただし、青色光は色純度が高いレーザ光であり、フィルターを設ける必要がないため、切り欠き部としているのである。
【００４８】
蛍光体が付与された回転体１０２と色選択ホイール１２０とは、同期して回転しており、前者の赤色蛍光体が発光している時にはＲフィルターが、緑色蛍光体が発光している時にはＧフィルターが、青色の励起光が反射している時には光透過部が光路上に位置するように回転タイミングが調整されている。尚、蛍光体の発光色純度が十分に高い場合には、色選択ホイールを設けなくてもよい場合があり得る。
【００４９】
照明レンズ１５０は、ライトトンネル１４０で伝播された光を、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。
【００５０】
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。
【００５１】
光変調デバイス１６０は、映像信号に基づき入射光を変調する素子で、マイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤを用いている。ただし、反射型液晶デバイスのような、他の反射型光変調デバイスを用いることも可能である。
投射レンズ１８０は、光変調デバイス１６０により変調された光を、映像として投射するためのレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。
【００５２】
投影スクリーン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、必ずしも備える必要はない。
【００５３】
次に投射型表示装置の全体動作について説明する。
光源装置から出射した色むらが抑制された照明光は、リレーレンズ１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０と照明レンズ１５０を経由して、ＴＩＲプリズムのプリズムに入射する。プリズム１７１の全反射面で反射された光は、光変調デバイス１６０に所定角度で入射する。
【００５４】
光変調デバイス１６０は、アレイ状に設けられたマイクロミラーデバイスを有し、照明光の色の切り替えに同期させて、映像の各色成分信号に応じてマイクロミラーデバイスを駆動して、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、投影スクリーン１９０に投射される。
【００５５】
本実施形態の投射型表示装置は、色むらが低減された良質な光源装置を用いて光変調素子を照明することができるため、色むらの少ない高い画質の映像表示を行うことが可能である。
【００５６】
［第二の実施形態］
第一の実施形態では、画像表示用の青色光については、励起光を回転体１０２の反射部２００で反射させ、１／４波長板１０７を介してＳ偏光に変換して曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面で反射させていた。これに対して、第二の実施形態では、画像表示用の青色光については１／４波長板を用いて偏光変換することはせずに、回転体の一部に励起光を透過させる透過部を設けておき、透過した青色光をミラーと集光レンズを介して、曲面ダイクロイックミラーの凸面側に導き、曲面ダイクロイックミラーを透過させて、投射型表示装置の投射光学系に入射させる。
【００５７】
図５を参照し、第二の実施形態である光源装置および投射型表示装置について説明する。図５において、モータ１０１、励起光源ユニット１０４、曲面ダイクロイックミラー１０５、集光レンズ１０６、励起光源側レンズ１０８、リレーレンズ１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０、照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、投影スクリーン１９０については、第一の実施形態と同様の構成であるので、詳しい説明を省略する。
【００５８】
第二の実施形態の回転体５０２は、第一の実施形態の回転体１０２と同様に主面上に蛍光体５０３を有しているが、構成が一部異なる。図２（ｂ）に、本実施形態の回転体５０２を集光レンズ１０６側から見た平面図を示す。回転体５０２の主面上には、発光波長特性が異なる赤色蛍光体５０３Ｒと緑色蛍光体５０３Ｇが、回転体５０２の回転軸ＲＡを中心としたリング領域の一部に形成されており、蛍光の取出し効率を高めるように、蛍光体が設けられている領域の下地には反射面が設けられている。第一の実施形態では、回転体のリング領域の一部には、蛍光体が塗布されずに励起光を反射するための反射部２００が設けられていたが、第二の実施形態では、励起光を透過するための透過部５００が設けられている。透過部５００は、この部分に透光性の材料を用いる構成にしてもよいし、回転体に切り欠きや開口を設ける構造にしてもよい。
【００５９】
本実施形態では、画像表示用の青色光を出力するため、透過部５００を照射する回転タイミングにおいて、励起光はＰ偏光のまま透過部５００を透過し、発散光として回転体の裏側に抜けるが、集光レンズ５０１で集光される。そして、ミラー５０４、ミラー５０５、ミラー５０７で反射され、曲面ダイクロイックミラー１０５の凸面側に導かれる。この青色光はＰ偏光であるので、曲面ダイクロイックミラー１０５を透過し、照明光学系のリレーレンズ１１０に向かう。
【００６０】
曲面ダイクロイックミラー１０５を透過してライトトンネル１４０に向かう青色光の主光線は、曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面で反射されてライトトンネル１４０に向かう蛍光の主光線と一致するようにミラー５０４、ミラー５０５、ミラー５０７は配置されている。
【００６１】
また、曲面ダイクロイックミラー１０５を透過してライトトンネル１４０に向かう青色光と、曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面で反射されてライトトンネル１４０に向かう蛍光が同じ集束性を持つように、集光レンズ５０１、集光レンズ５０６、集光レンズ５０８の特性が調整されている。すなわち、蛍光に対しては集光レンズ１０６及び曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面ミラーが集束パワーを及ぼすが、これと整合するよう集光レンズ５０１、集光レンズ５０６、集光レンズ５０８の特性が調整されている。その際には、凸面側から透過する青色光に対しては、曲面ダイクロイックミラー１０５は集束パワーを及ぼさないことに留意する。
【００６２】
本実施形態の投射型表示装置においても、色むらが低減された良質な光源装置を用いて光変調素子を照明することができるため、色むらの少ない高い画質の映像表示を行うことが可能である。
【００６３】
［第三の実施形態］
第一の実施形態の変形例として、図６に第三の実施形態を示す。第三の実施形態も第一の実施形態と同様に、モータ１０１、回転体１０２、蛍光体１０３、励起光源ユニット１０４、集光レンズ１０６、１／４波長板１０７、励起光源側レンズ１０８、リレーレンズ１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０を備えている。また、図６では図示が省略されているが、図１に示した照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、投影スクリーン１９０も、同様に備えている。これらの個別の構成要素は、特に説明がない限り、第一の実施形態と同様の構成であるものとする。
【００６４】
第三の実施形態においても、集光レンズ１０６の開口数は、ＮＡ＝０．１７４である。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θ＝１０度に相当する。）
第一の実施形態では主光線の入射角α０を４５度とし、主光線の反射角βは２×α０＝９０度としていたが、第三の実施形態では主光線の入射角α０を５０度とし、主光線の反射角βは２×α０＝１００度としている。
【００６５】
第三の実施形態の曲面ダイクロイックミラー６０５の形状は、第一の実施形態の曲面ダイクロイックミラー１０５の形状と異なる。第三の実施形態では、曲面ダイクロイックミラー６０５の光学面の形状として、Ｆ１とＦ２を焦点とする楕円面の一部を用いているが、短軸（２×ｂ）と長軸（２×ａ）の比率（扁平率）が、６４．３：１００  になる楕円面の一部であり、点Ｃにおいて主光線と楕円の短軸が交わるように曲面ダイクロイックミラー６０５は配置されている。広がり角度が２×θである光束の軌跡を辿ると、楕円の一方の焦点Ｆ１に収束する。Ｆ１から点Ｃにいたる距離Ａと、Ｆ２から点Ｃにいたる距離Ｂは、それぞれ楕円の長軸の半分であるａと等しくなるように設定している（Ａ＝Ｂ）。
【００６６】
かかる形状と配置を採用することにより、曲面ダイクロイックミラー６０５の各点に入射する蛍光あるいは反射励起光の入射角の差を抑制することができる。具体的には、α０＝５０．０度、α１＝４９．０度、α２＝４９．０度であり、α０、α１、α２の差は、僅か１．０度に抑制され得る。先に述べた従来の平板型ダイクロイックミラーの例では、同様の開口数の集光レンズであれば入射角の角度差は２０度にもなったため、入射位置によって図４（ａ）や図４（ｃ）の透過／反射特性に従うことになり、反射光に色むらが生じていた。しかし、本実施例では、入射位置による入射角の違いは格段に低減されているため、緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光について入射位置によらず、概ね図４（ｂ）と図４（ｃ）の中間の５０度付近の透過／反射特性に従うと考えればよい。そのため、色むらの発生を大幅に低減することができる。
【００６７】
図３（ａ）の緑色蛍光体の発光特性３１と図４の透過／反射特性を対比させれば明らかなように、曲面ダイクロイックミラー６０５に入射する緑色蛍光のうちＳ偏光成分はほとんど全てが、Ｐ偏光成分は波長４９０ｎｍ以上の大部分が反射する。また、赤色蛍光については、Ｓ偏光成分もＰ偏光成分もほとんど全てが反射する。また、Ｓ偏光に変換された青色光は、ほとんど全てが反射する。
楕円面で反射された緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光は、凹面で反射されたことにより焦点Ｆ２に向けて集束してゆく。
【００６８】
すなわち、本実施形態の曲面ダイクロイックミラーは、Ｐ偏光の励起光の光路と緑色蛍光の光路とを分離するとともに、緑色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるといえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路と赤色蛍光の光路とを分離するとともに、赤色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路とＳ偏光青色光の光路とを分離するとともに、Ｓ偏光青色光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光に対して曲面ダイクロイックミラーが集光作用を有することは、後段のリレーレンズ１１０の構成を簡素化する上で有利である。
【００６９】
尚、本実施形態の光源装置では、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いたが、光源装置に求められるスペックに応じて、上記以外の色を用いてもよい。蛍光体の色の組み合わせに応じて、適宜曲面ダイクロイックミラーの透過／反射特性を変更すれば、さまざまなスペックの光源装置を実現することが可能である。
【００７０】
［第四の実施形態］
第一の実施形態の変形例として、図７に第四の実施形態を示す。第四の実施形態も第一の実施形態と同様に、モータ１０１、回転体１０２、蛍光体１０３、励起光源ユニット１０４、集光レンズ１０６、１／４波長板１０７、励起光源側レンズ１０８、リレーレンズ１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０を備えている。また、図７では図示が省略されているが、図１に示した照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、投影スクリーン１９０も、同様に備えている。これらの個別の構成要素は、特に説明がない限り第一の実施形態と同様の構成であるものとする。
【００７１】
第四の実施形態においても、集光レンズ１０６の開口数は、ＮＡ＝０．１７４である。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θ＝１０度に相当する。）
第一の実施形態では主光線の入射角α０を４５度とし、主光線の反射角βは２×α０＝９０度としていたが、第四の実施形態では主光線の入射角α０を４４度とし、主光線の反射角βは２×α０＝９８度としている。
【００７２】
第四の実施形態の曲面ダイクロイックミラー７０５の形状は、第三の実施形態の曲面ダイクロイックミラー６０５と同様に、Ｆ１，Ｆ２を焦点とし、短軸（２×ｂ）と長軸（２×ａ）の比率（扁平率）が、６４．３：１００  になる楕円面の一部を用いている。ただし、第三の実施形態が楕円面のうち短軸と交差する部分周辺の曲面を用いていたのに対し、第四の実施形態では短軸から離れ、短軸方向の曲率半径がより小さな部分の楕円面を用いている。したがって、第四の実施形態では、集光レンズ１０６の主光線と曲面ダイクロイックミラー６０５とが交差する点Ｃは、楕円の短軸からは離れた位置になっている。
【００７３】
広がり角度が２×θである光束の軌跡を辿ると、楕円の一方の焦点Ｆ１に収束する。Ｆ１から点Ｃにいたる距離Ａと、Ｆ２から点Ｃにいたる距離Ｂは、Ｂ／Ａ＝１．５になるように設定している。すなわち、楕円面のうちで、第一の実施形態よりも短軸方向の曲率半径がより小さな領域を用いている。この場合には、曲面ダイクロイックミラー７０５と色選択ホイール１２０の距離を大きくすることができるため、製品のレイアウト制限等の理由で距離Ｂを広げたい場合に好適な構成として用いることができる。
【００７４】
かかる形状と配置を採用することにより、曲面ダイクロイックミラー７０５の各点に入射する蛍光あるいは反射励起光の入射角の差を低減することができる。具体的には、α０＝４９．１度、α１＝４７．１度、α２＝５０．０度であり、α０、α１、α２の差は、僅か２．９度に抑制され得る。先に述べた従来の平板型ダイクロイックミラーの例では、同様の開口数の集光レンズであれば入射角の角度差は２０度にもなったため、入射位置によって図４（ａ）や図４（ｃ）の透過／反射特性に従うことになり、反射光に色むらが生じていた。しかし、本実施例では、入射位置による入射角の違いは格段に低減されているため、緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光について入射位置によらず、概ね図４（ｂ）と図４（ｃ）の中間の４９度の透過／反射特性に従うと考えればよい。そのため、色むらの発生を大幅に低減することができる。
【００７５】
図３（ａ）の緑色蛍光体の発光特性３１と図４（ｂ）の透過／反射特性を対比させれば明らかなように、曲面ダイクロイックミラー７０５に入射する緑色蛍光のうちＳ偏光成分はほとんど全てが、Ｐ偏光成分は波長４９０ｎｍ以上の大部分が反射する。また、赤色蛍光については、Ｓ偏光成分もＰ偏光成分もほとんど全てが反射する。また、Ｓ偏光に変換された青色光は、ほとんど全てが反射する。
楕円面で反射された緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光は、凹面で反射されたことにより焦点Ｆ２に向けて集束してゆく。
【００７６】
すなわち、本実施形態の曲面ダイクロイックミラーは、Ｐ偏光の励起光の光路と緑色蛍光の光路とを分離するとともに、緑色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるといえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路と赤色蛍光の光路とを分離するとともに、赤色蛍光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。また、Ｐ偏光の励起光の光路とＳ偏光青色光の光路とを分離するとともに、Ｓ偏光青色光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるともいえる。緑色蛍光、赤色蛍光、Ｓ偏光青色光に対して曲面ダイクロイックミラーが集光作用を有することは、後段のリレーレンズ１１０の構成を簡素化する上で有利である。
【００７７】
尚、本実施形態の光源装置では、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いたが、光源装置に求められるスペックに応じて、上記以外の色を用いてもよい。蛍光体の色の組み合わせに応じて、適宜曲面ダイクロイックミラーの透過／反射特性を変更すれば、さまざまなスペックの光源装置を実現することが可能である。
【００７８】
［第五の実施形態］
図８に、第五の実施形態を示す。第一の実施形態〜第四の実施形態では、回転体からの蛍光を曲面ダイクロイックミラーの凹面で反射させて集光しながらリレーレンズの方向に導いたが、第五の実施形態では、励起光を曲面ダイクロイックミラーの凹面で反射させて集光しながら回転体に向けて導く。
【００７９】
第五の実施形態も第一の実施形態と同様に、モータ１０１、回転体１０２、蛍光体１０３、励起光源ユニット１０４、集光レンズ１０６、１／４波長板１０７、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０を備えている。また、図８では図示が省略されているが、図１に示した照明レンズ１５０、光変調デバイス１６０、プリズム１７１、プリズム１７２、投射レンズ１８０、投影スクリーン１９０も、同様に備えている。これらの個別の構成要素は、特に説明がない限り第一の実施形態と同様の構成であるものとする。
第五の実施形態においても、回転体１０２は図２（ａ）に示したように、赤色蛍光体
と緑色蛍光体および反射部を有している。また、集光レンズ１０６の開口数は、ＮＡ＝０．１７４である。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θ＝１０度に相当する。）
【００８０】
本実施形態では、励起光源ユニット１０４としてＳ偏光の青色光源を用い、励起光源ユニット１０４と曲面ダイクロイックミラー８０５の間に２枚の励起光源側レンズ８０８と８０９を設け、励起光をこの２枚のレンズの間で一旦集光して交差させ、発散光として曲面ダイクロイックミラー８０５の凹面に入射させる。
【００８１】
本実施形態の曲面ダイクロイックミラー８０５の透過／反射特性を、図９に示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、入射角が３５度、４５度、５５度の各場合における透過／反射特性の波長依存性を示すグラフである。尚、入射角とは、曲面ダイクロイックミラー８０５のミラー面に立てた法線と入射する光とがなす角である。グラフの横軸は入射光の波長を、縦軸は透過率を示しており、透過率が低いほど反射率が高いといえる。図中で、実線Ｐで示すのはＰ偏光、点線Ｓで示すのはＳ偏光の特性グラフである。また、参考のため、Ｓ偏光の励起光のスペクトルをＥｘとして示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、入射角度が３５度から５５度まで大きくなると、特にＰ偏光の透過／反射特性が、短波長側にシフトすることがわかる。この透過／反射特性の入射角度依存性を参照しながら、実施形態について更に詳しく説明する。
【００８２】
励起光源ユニット１０４から出射したＳ偏光の励起光Ｅｘは、曲面ダイクロイックミラー８０５の凹面に入射するが、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の点線Ｓから明らかなように、反射率が高い波長域であるため、ほとんどロスなく回転体の方向に反射される。
そして、１／４波長板１０７を経由した後、集光レンズ１０６によって回転体１０２の上面に集光される。
【００８３】
励起光Ｅｘの集光点に緑色蛍光体１０３Ｇが位置するような回転タイミングにおいては、図３（ａ）の発光特性３１のスペクトルの緑色蛍光が発せられる。同様に、赤色蛍光体１０３Ｒが位置するような回転タイミングにおいては、図３（ａ）の発光特性３２のスペクトルの赤色蛍光が発せられる。また、反射部２００が位置するような回転タイミングにおいては、励起光Ｅｘ（青色光）は反射され、再び１／４波長板１０７を経由することでＰ偏光に変換される。
緑色蛍光、赤色蛍光、反射された励起光は、集光レンズ１０６によって集光され、曲面ダイクロイックミラー１０５の凹面側に入射する。
【００８４】
集光レンズ１０６の光軸を通る主光線が入射する点をＣ、回転体１０２の回転中心に最も近い側を通る光線が入射する点をＬ、回転中心から最も遠い側を通る光線が入射する点をＵとし、それぞれの光線が曲面ダイクロイックミラー８０５に入射する入射角を、α０、α１、α２とする。尚、入射角とは、曲面ダイクロイックミラー８０５のミラー面に立てた法線と入射する蛍光とがなす角である。また、集光レンズ１０６を通過した後、曲面ダイクロイックミラー８０５に向かう光束の広がり角度を２×θ（つまり集光半角はθ）とする。
【００８５】
点Ｃにおける主光線の入射角α０＝４５度となるように曲面ダイクロイックミラー８０５の向きを設定し、集光レンズ１０６の開口数ＮＡ＝０．１７４とする。（ＮＡ＝ｓｉｎθなので、集光半角θ＝１０度に相当する。）
励起光の主光線の反射角βは、２×α０＝９０度となる。集光レンズ１０６の光軸上を進む緑色蛍光、赤色蛍光、反射された励起光は、点Ｃを透過して直進するが、この方向に投射型表示装置の照明光学系が配置されている。
【００８６】
本実施形態では、曲面ダイクロイックミラー８０５の光学面の形状として、Ｆ１とＦ２を焦点とする楕円面の一部を用いている。具体的には、短軸（２×ｂ）と長軸（２×ａ）の比率（扁平率）が、７０．７：１００  になる楕円面の一部であり、点Ｃにおいて主光線と楕円の短軸が交わるように曲面ダイクロイックミラー８０５は配置されている。広がり角度が２×θである光束の軌跡を辿ると、楕円の一方の焦点Ｆ１に集束する。また、励起光の光束の軌跡を辿ると、楕円の他方の焦点Ｆ２に集束する。
かかる形状と配置を採用することにより、曲面ダイクロイックミラー８０５の各点に入射する励起光、蛍光あるいは反射励起光の入射角を揃えることができる。
【００８７】
本実施形態の曲面ダイクロイックミラー８０５は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように、入射角度が３５度から５５度まで大きくなると、特にＰ偏光の透過／反射特性が、短波長側にシフトする。したがって、回転体１０２の反射部２００で反射され、１／４波長板１０７によりＰ偏光に変換された照明用の青色光の入射角が、ダイクロイックミラー上の各点で大きく異なると、透過率が場所によって異なるため、青色照明光に照度むらが発生してしまう。
【００８８】
しかしながら、本実施形態では、楕円面を有する曲面ダイクロイックミラー８０５を用いて各点の入射角差が低減されているため、均一性の高い照明光を出射することが可能である。
【００８９】
すなわち、本実施形態の曲面ダイクロイックミラー８０５は、Ｓ偏光の励起光と、緑色蛍光、赤色蛍光、Ｐ偏光青色光の光路を分離するとともに、Ｓ偏光の励起光に対しては集光作用を発揮する集光型分離素子であるといえる。尚、緑色蛍光、赤色蛍光、Ｐ偏光青色光は発散光として出力されるため、後段のリレーレンズ８１０のパワーは第一の実施形態よりも強くなるように設定するとよい。
【００９０】
尚、第五の実施形態の光源装置では、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いたが、光源装置に求められるスペックに応じて、上記以外の色を用いてもよい。蛍光体の色の組み合わせに応じて、適宜曲面ダイクロイックミラーの透過／反射特性を変更すれば、さまざまなスペックの光源装置を実現することが可能である。
【００９１】
［第六の実施形態］
図１０に、第五の実施形態の変形例として、第六の実施形態を示す。
第五の実施形態からの変更点は、主光線の励起光の主光線の反射角βが１００度になるように楕円面形状を変更した事と、励起光源側のレンズ構成を凸レンズ９０８と凹レンズ９０９の組に変更したことである。
【００９２】
本実施形態においても、楕円面を有する曲面ダイクロイックミラー１００５を用いて各点の入射角差が低減されているため、均一性の高い照明光を出射することが可能である。
【００９３】
［その他の実施形態１］
本発明の投射型表示装置用の光源装置においては、曲面ダイクロイックミラーとして用いる楕円ミラーの形状や配置は、ここまでの説明で例示した形状のものには限られない。集光レンズの開口数ＮＡ＝０．１７４、θ＝１０°としたとき、楕円ミラーの形状や配置を変更した場合の入射角α１、α０、α２、及びそれらの入射角差を、表１に示す。
【００９４】
【表１】
2018189686.tif 000003
【００９５】
ここで、扁平率は楕円の長軸ａと短軸ｂの比率、βは主光線の反射角度、Ｂ／Ａは楕円形状のうちミラー面として用いる領域を規定するパラメータである。尚、Ａは、楕円の２つの焦点のうち集光レンズ１０６側の焦点Ｆ１と、集光レンズ１０６の光軸がミラー面と交わる点Ｃとの距離である。また、Ｂは楕円の２つの焦点のうちリレーレンズ１１０側の焦点Ｆ２と、リレーレンズ１１０の光軸がミラー面と交わる点Ｃとの距離である。
この表において、入射角差は最大で４．９度であり、光束半角θの１／２以下である。また、この表の例示を含め、主光線の反射角度βは、８０度以上で１２０度以下が好適である。また、入射角差を特に低減したい場合には、Ｂ／Ａは、０．７５以上で２．０以下とするのがよいが、さらに望ましくは０．７５以上で１．５以下とするのがよい。また、凹面に入射する光束のＮＡ＝ｓｉｎθ  は、０．１以上で０．５以下の範囲となるよう設定するのが望ましい。
【００９６】
尚、集光レンズの開口数は、例示したＮＡ＝０．１７４にしなければならないわけではなく、適宜変更し得るが、曲面ダイクロイックミラーへの入射角度の差が光束半角θの１／２以下となるように設定するのがよい。
【００９７】
［その他の実施形態２］
本発明の投射型表示装置用の光源装置においては、曲面ダイクロイックミラーの曲面形状は、厳密な楕円面でなくともよく、例えばトロイダル面で近似してもよい。図１１（ａ）に、トロイダル面を例示するが、ＹＸ平面内の半径Ｒｙｘの弧を、ＹＺ面内の半径Ｒｙｚの弧に沿って移動させたときに構成される面形状を、曲面ダイクロイックミラーの曲面形状として採用してもよい。（Ｒｙｘ＜Ｒｙｚ）
半径Ｒｙｚの弧を決定するには、図１１（ｂ）に示すように、基本となる楕円面上の３点Ｌ，Ｃ，Ｕの３点の座標を用いて、円に近似して半径を求めればよい。また、図１１（ｃ）に示すように、トロイダル面をＸＹ面で切った時に見える弧の半径Ｒｙｘは、基本となる楕円面の短軸ｂと長さを等しくすればよい。
【００９８】
かかるトロイダル面を用いたとしても、従来の平板型のダイクロイックミラーと比較すれば大幅に入射角の差を低減できるため、色むらの低減された光源装置と、それを用いた投射型表示装置を提供することが可能である。
また、厳密には楕円面あるいはトロイダル面に該当しなくても、実質的にそれらに近似する非球面を採用することも可能である。
【００９９】
［その他の実施形態３］
本発明の投射型表示装置用の光源装置においては、蛍光体の材料や形状や配置は、これまでの説明で例示した形状のものには限られない。赤色発光、緑色発光、黄色発光、白色発光以外の蛍光体を設けてもよい。
また、回転体の主面上のリング領域に設けるものには限られない。回転体の斜面や側面に設けるものであってもよい。
また、回転する基体上ではなく、他の運動をする基体上に設けてもよく、たとえば直線上を往復運動する基体上に設けてもよい。要は、励起光が定位置を照射することによる蛍光体の劣化を抑制できるようにすればよい。
定位置を照射し続けたとしても十分に冷却できるような冷却機構を設けた場合や、定位置を照射し続けたとしても劣化が少ない蛍光体材料を用いる場合には、基体は固定されていてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１・・・モータ／２・・・回転板／３・・・蛍光体／４・・・励起光源ユニット／５・・・ダイクロイックミラー／６・・・集光レンズ／３１・・・緑色蛍光体の発光スペクトル／３２・・・赤色蛍光体の発光スペクトル／１０１・・・モータ／１０２・・・回転体／１０３・・・蛍光体／１０４・・・励起光源ユニット／１０５・・・曲面ダイクロイックミラー／１０６・・・集光レンズ／１０７・・・４分の１波長板／１０８・・・励起光源側レンズ／１１０・・・リレーレンズ／１２０・・・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・・・投影スクリーン／２００・・・反射部／５００・・・透過部／５０１・・・集光レンズ／５０２・・・回転体／５０３・・・蛍光体／５０４・・・ミラー／５０５・・・ミラー／５０６・・・集光レンズ／５０７・・・ミラー／５０８・・・集光レンズ／６０５・・・曲面ダイクロイックミラー／７０５・・・曲面ダイクロイックミラー／８０５・・・曲面ダイクロイックミラー／８０８・・・励起光源側レンズ／８０９・・・励起光源側レンズ／８１０・・・リレーレンズ／９０８・・・励起光源側レンズ／９０９・・・励起光源側レンズ／１００５・・・曲面ダイクロイックミラー／Ｅｘ・・・励起光／ＲＡ・・・回転体の回転軸
【図１】
2018189686.tif 000004
【図２】
2018189686.tif 000005
【図３】
2018189686.tif 000006
【図４】
2018189686.tif 000007
【図５】
2018189686.tif 000008
【図６】
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【図７】
2018189686.tif 000010
【図８】
2018189686.tif 000011
【図９】
2018189686.tif 000012
【図１０】
2018189686.tif 000013
【図１１】
2018189686.tif 000014
【図１２】
2018189686.tif 000015
【図１３】
2018189686.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月14日(2018.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射型表示装置用の光源装置であって、
蛍光体と、
前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、
曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、
前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、
前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、
前記励起光または前記蛍光が前記曲面ダイクロイックミラーに入射する際の入射角のばらつきが、前記励起光または前記蛍光の光束半角の１／２以下である、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
投射型表示装置用の光源装置であって、
蛍光体と、
前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、
曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、
前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、
前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、
前記曲面は、楕円面またはトロイダル面または非球面の一部である、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項３】
投射型表示装置用の光源装置であって、
蛍光体と、
前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、
曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、
前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、
前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記蛍光を凹面で反射する、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項４】
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記励起光を凹面で反射する、
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５】
前記曲面ダイクロイックミラーは、前記集光レンズの光軸を通って凹面に入射する光を、８０度以上で１２０度以下の角度で反射させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記曲面ダイクロイックミラーは、透明で板厚が一定の曲面基板に誘電体多層膜が形成された曲面ダイクロイックミラーである、
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記蛍光体は、回転軸を中心に回転可能な回転体の少なくとも一部を被覆している、
ことを特徴とする請求項１乃至６のうちの何れか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちの何れか１項に記載の光源装置と、
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明は、投射型表示装置用の光源装置であって、蛍光体と、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、前記励起光または前記蛍光が前記曲面ダイクロイックミラーに入射する際の入射角のばらつきが、前記励起光または前記蛍光の光束半角の１／２以下である、ことを特徴とする光源装置である。
また、本発明は、投射型表示装置用の光源装置であって、蛍光体と、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、前記曲面は、楕円面またはトロイダル面または非球面の一部である、ことを特徴とする光源装置である。
また、本発明は、投射型表示装置用の光源装置であって、蛍光体と、前記蛍光体を励起するための励起光を出力する励起光源と、曲面を有し、前記曲面において、前記励起光源からの励起光と前記蛍光体からの蛍光のうち一方を透過し他方を反射する曲面ダイクロイックミラーと、前記曲面ダイクロイックミラーと前記蛍光体の間に配置された集光レンズと、を有し、前記曲面ダイクロイックミラーは、透過する光に対しては実質的に集光も発散もさせないが、反射する光に対しては集光作用を奏し、前記曲面ダイクロイックミラーは、前記蛍光を凹面で反射する、ことを特徴とする光源装置である。
また、本発明は、上記光源装置と、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である。