(57)【要約】【課題】小型で高輝度の照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置は、第１の光を射出する第１光源アレイと、第２の光を射出する第２光源アレイと、光合成部と、集光光学系と、波長変換素子と、を備える。第１の光の中心軸に垂直な断面形状および第２の光の中心軸に垂直な断面形状は、ともに長軸方向と短軸方向とを有する。第１光源アレイは、前記長軸方向が、合成光の中心軸に垂直な平面上において第１方向に沿うように配置され、第２光源アレイは、前記長軸方向が、前記平面上において第１方向と直交する第２方向に沿うように配置されている。第１光源アレイおよび第２光源アレイのそれぞれにおいて、複数の発光素子の発光中心同士を結んだ複数の直線が互いになす角度は互いに等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を射出する発光素子と、前記発光素子を内部に収容する筐体と、を有する発光装置を複数備えた第１光源アレイと、
第２の光を射出する発光素子と、前記発光素子を内部に収容する筐体と、を有する発光装置を複数備えた第２光源アレイと、
前記第１の光を透過させ、前記第２の光を反射させることにより、前記第１の光と前記第２の光とが合成された合成光を生成する光合成部と、
前記合成光を所定の集光位置に集光する集光光学系と、
前記集光光学系で集光された前記合成光のうちの少なくとも一部を励起光として蛍光を生成する波長変換素子と、
を備え、
前記第１の光の中心軸に垂直な断面形状および前記第２の光の中心軸に垂直な断面形状は、ともに長軸方向と短軸方向とを有し、
前記第１光源アレイは、前記長軸方向が、前記合成光の中心軸に垂直な平面上において第１方向に沿うように配置され、
前記第２光源アレイは、前記長軸方向が、前記平面上において前記第１方向と直交する第２方向に沿うように配置され、
前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイのそれぞれにおいて、複数の前記発光素子の発光中心同士を結んだ複数の直線が互いになす角度は互いに等しいことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光合成部は偏光分離素子で構成され、
前記第１の光は、前記偏光分離素子に対するＰ偏光であり、前記第２の光は、前記偏光分離素子に対するＳ偏光であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイにおいて、一方の光源アレイは中心部に前記発光装置を備え、他方の光源アレイは中心部に前記発光装置を備えていないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイにおいて、周縁部に配置された前記発光装置に接する仮想円は、互いに等しい径を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイの前記発光装置は、ともに半導体レーザーから構成されている請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記半導体レーザーは、長方形状の発光領域を有し、前記発光領域の短辺方向に沿った前記第１の光および前記第２の光の発散角が、前記発光領域の長辺方向に沿った前記第１の光および前記第２の光の発散角よりも大きく、
前記第１光源アレイと前記第２光源アレイとは、前記第１の光および前記第２の光のそれぞれの中心軸方向から見て、前記第１光源アレイにおける前記長辺方向と前記第２光源アレイにおける前記短辺方向とが一致し、前記第１光源アレイにおける前記短辺方向と前記第２光源アレイにおける前記長辺方向とが一致するように、配置されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
前記画像光を投射する投射光学系と、
を備えたことを特徴とするプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクターの高性能化を目的として、広色域かつ高効率な光源であるレーザー光源を用いたプロジェクターが注目されている。例えば下記の特許文献１に、複数の半導体レーザー装置と、複数の半導体レーザー装置を収容する矩形状の保持部材と、を備えた光源装置が開示されている。
【０００３】
また、下記の特許文献２には、蛍光体を用いた光源装置の輝度を増大するため、励起光を生成する第１固体光源アレイと、励起光を生成する第２固体光源アレイと、第１固体光源アレイからの励起光と第２固体光源アレイからの励起光とを合成する励起光合成部と、励起光の少なくとも一部から蛍光を生成する蛍光生成部と、を備えた光源装置およびプロジェクターが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３８９５８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
照明装置の高輝度化に伴い、半導体レーザー等の光源装置の個数を増やす場合、例えば特許文献１のような複数の光源装置を同一平面上に配列すると、光源装置が大型化するという問題がある。そのため、上記の特許文献２では、光源装置を２つの光源アレイに分割し、各アレイから異なる偏光方向の光を射出させた後に偏光合成を行っている。これにより、光源装置を小型化する試みがなされている。
【０００６】
ところで、蛍光体における光の変換効率を高め、高輝度の光を得るために、蛍光体上の光密度の集中を避け、光密度を均等にする必要がある。そのためには、照度均一化手段として例えばホモジナイザーを用いる場合、ホモジナイザーの重畳性能を高めるために、複数の光ができるだけ重ならずにホモジナイザーに入射するように、２つの光源アレイのそれぞれをホモジナイザーの光軸からずらして配置する必要がある。ところが、２つの光源アレイのそれぞれをホモジナイザーの光軸からずらして配置すると、光源装置が大型化し、２つの光源アレイに分割したことによる小型化のメリットが阻害される、という問題がある。
【０００７】
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型で高輝度の照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、第１の光を射出する発光素子と、前記発光素子を内部に収容する筐体と、を有する発光装置を複数備えた第１光源アレイと、第２の光を射出する発光素子と、前記発光素子を内部に収容する筐体と、を有する発光装置を複数備えた第２光源アレイと、前記第１の光を透過させ、前記第２の光を反射させることにより、前記第１の光と前記第２の光とが合成された合成光を生成する光合成部と、前記合成光を所定の集光位置に集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記合成光のうちの少なくとも一部を励起光として蛍光を生成する波長変換素子と、を備える。前記第１の光の中心軸に垂直な断面形状および前記第２の光の中心軸に垂直な断面形状は、ともに長軸方向と短軸方向とを有する。前記第１光源アレイは、前記長軸方向が、前記合成光の中心軸に垂直な平面上において第１方向に沿うように配置され、前記第２光源アレイは、前記長軸方向が、前記平面上において前記第１方向と直交する第２方向に沿うように配置され、前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイのそれぞれにおいて、複数の前記発光素子の発光中心同士を結んだ複数の直線が互いになす角度は互いに等しい。
【０００９】
本発明の一つの態様の照明装置においては、第１の光および第２の光の断面形状における長軸方向が合成光の中心軸に垂直な平面上において直交している。そのため、第１の光と第２の光とが被照明領域において重なりにくく、光密度の集中を抑えることができる。その結果、例えば、波長変換素子における光の変換効率を高めることができ、輝度を高めることができる。また、複数の発光素子の発光中心同士を結んだ複数の直線が互いになす角度が互いに等しいため、各光源アレイが多角形もしくは円形に近い形状に配列される。これにより、第１光源アレイと第２光源アレイとで光軸をずらすことなく、上記の複数の光の配置を実現しやすい。その結果、小型で高輝度の照明装置を提供することができる。
【００１０】
本発明の一つの態様の照明装置において、前記光合成部は偏光分離素子で構成されてもよく、前記第１の光は、前記偏光分離素子に対するＰ偏光であり、前記第２の光は、前記偏光分離素子に対するＳ偏光であってもよい。
【００１１】
この構成によれば、位相差板を用いることがなく、偏光分離素子を用いて複数の第１の光と複数の第２の光とを合成することができる。
【００１２】
本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイにおいて、一方の光源アレイは中心部に前記発光装置を備え、他方の光源アレイは中心部に前記発光装置を備えていなくてもよい。
【００１３】
この構成によれば、合成光の中心軸の近傍においても第１の光と第２の光とが重なりにくく、光密度の集中をさらに抑えることができる。
【００１４】
本発明の一つの態様の照明装置の前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイにおいて、周縁部に配置された前記発光装置に接する仮想円は、互いに等しい径を有していてもよい。
【００１５】
この構成によれば、各光源アレイの占有面積を小さくすることができ、より小型の照明装置を実現することができる。
【００１６】
本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１光源アレイおよび前記第２光源アレイの前記発光装置は、ともに半導体レーザーから構成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、小型で高輝度の照明装置を実現することができる。
【００１８】
本発明の一つの態様の照明装置において、前記半導体レーザーは、長方形状の発光領域を有し、前記発光領域の短辺方向に沿った前記第１の光および前記第２の光の発散角が、前記発光領域の長辺方向に沿った前記第１の光および前記第２の光の発散角よりも大きく、前記第１光源アレイと前記第２光源アレイとは、前記第１の光および前記第２の光のそれぞれの中心軸方向から見て、前記第１光源アレイにおける前記長辺方向と前記第２光源アレイにおける前記短辺方向とが一致し、前記第１光源アレイにおける前記短辺方向と前記第２光源アレイにおける前記長辺方向とが一致するように、配置されていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、複数の第１の光と複数の第２の光とが、例えば、波長変換素子上の異なる領域に入射するため、波長変換素子上の特定の領域に過大な熱負荷が加わることがなく、波長変換素子の信頼性を高めることができる。
【００２０】
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、小型であり、高光束の画像を投射することができるプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
【図２】第１光源アレイの斜視図である。
【図３】第１光源アレイの正面図である。
【図４】第２光源アレイの正面図である。
【図５】半導体レーザーチップの斜視図である。
【図６】ホモジナイザー光学系に入射する光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
【図７】波長変換素子での光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
【図８】第２実施形態の第２光源アレイの正面図である。
【図９】ホモジナイザー光学系に入射する光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
【図１０】変形例の第１光源アレイの正面図である。
【図１１】第２光源アレイの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーを用いた光源装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００２４】
本実施形態のプロジェクター１０は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１０は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクター１０は、光源装置の発光素子として、高輝度・高出力の光が得られる半導体レーザーを用いている。
【００２５】
図１は、本実施形態のプロジェクター１０の概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１０は、照明装置７００と、色分離導光光学系２００と、赤色光用光変調装置４００Ｒと、緑色光用光変調装置４００Ｇと、青色光用光変調装置４００Ｂと、合成光学系５００と、投射光学系６００と、を備えている。赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂは、照明装置７００からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する。投射光学系６００は、画像光を投射する。
【００２６】
以下の図面において、座標軸として、第１光源アレイ７１０から光が射出される方向をＸ方向とし、照明装置７００から光が射出される方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向と垂直で、紙面の奥から手前に向かう方向をＺ方向とする。
【００２７】
照明装置７００は、第１光源アレイ７１０と、第２光源アレイ７２０と、光合成部７３０と、ホモジナイザー光学系７３５と、集光光学系７４０と、反射ミラー７４５と、波長変換素子７５０と、ピックアップ光学系７６０と、インテグレーター光学系７８０と、を備えている。照明装置７００において、反射ミラー７４５、波長変換素子７５０、ピックアップ光学系７６０、およびインテグレーター光学系７８０は、照明装置７００から射出される光ＬＷの中心軸に一致する光軸ＡＸ０上に設けられている。第１光源アレイ７１０、光合成部７３０、ホモジナイザー光学系７３５、集光光学系７４０、および反射ミラー７４５は、光軸ＡＸ０と直交する光軸ＡＸ１上に設けられている。第２光源アレイ７２０および光合成部７３０は、光軸ＡＸ１と直交する光軸ＡＸ２上に設けられている。
【００２８】
図２は、第１光源アレイ７１０の斜視図である。図２においては、図面を見やすくするため、一部の半導体レーザーの台座の図示を省略する。また、後述するように、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とは構成が同一であるため、斜視図については第１光源アレイ７１０のみを示し、各光源アレイの共通部分については第１光源アレイ７１０で代表して説明する。
図３は、第１光源アレイ７１０を光の射出方向から見た正面図である。図４は、第２光源アレイ７２０を光の射出方向から見た正面図である。
【００２９】
図２および図３に示すように、第１光源アレイ７１０は、複数の半導体レーザー７１１（発光装置）と、これら複数の半導体レーザー７１１を保持する保持部材７１２と、を備えている。半導体レーザー７１１は、第１の青色光ＬＢ１（第１の光）をＸ方向に射出する。第１の青色光ＬＢ１の波長は、例えば４５５ｎｍ±２０ｎｍである。本実施形態では、第１光源アレイ７１０は、７個の半導体レーザー７１１を備えている。したがって、第１光源アレイ７１０の全体として、７本の第１の青色光ＬＢ１を含む光が射出される。
【００３０】
半導体レーザー７１１は、ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザーで構成されている。半導体レーザー７１１は、半導体レーザーチップ７１５（発光素子）と、半導体レーザーチップ７１５を内部に収容する筐体７１６と、を備えている。筐体７１６は、台座７１３と、台座７１３の一面側を覆う缶体７１４と、から構成されている。また、図３の例では、一つの半導体レーザーチップ７１５がそれぞれ各筐体７１６の内部に収容されているが、複数の半導体レーザーチップ７１５がそれぞれ各筐体７１６の内部に収容されていてもよい。
【００３１】
保持部材７１２は、光源装置からの光の射出方向（Ｘ方向）から見た形状が円形の板材で構成されている。板材には、複数の半導体レーザー７１１の個数に対応し、缶体７１４の寸法に対応した７個の孔が設けられている。板材の材料は特に限定されないが、例えば熱伝導率が高い金属が望ましい。複数の半導体レーザー７１１の各々は、保持部材７１２の孔に缶体７１４が挿通された状態で台座７１３の一面が保持部材７１２の保持面７１２ａに当接することによって保持部材７１２に支持されている。このように、保持部材７１２は、複数の半導体レーザー７１１からの光の射出方向とは反対側に配置された保持面７１２ａを有する。
【００３２】
図３に示すように、複数の半導体レーザー７１１のうち、１個の半導体レーザー７１１ａは、第１光源アレイ７１０の中心部に位置するように保持部材７１２に配置されている。残りの６個の半導体レーザー７１１ｂは、中心の１個の半導体レーザー７１１ａを取り囲むように、保持部材７１２において中心の半導体レーザー７１１ａの周縁部に配置されている。
【００３３】
周辺の６個の半導体レーザー７１１ｂは、中心の１個の半導体レーザー７１１ａを中心として６個の半導体レーザー７１１ｂに外接する仮想円上に位置するように保持部材７１２に配置されている。本実施形態では、仮想円は保持部材７１２の輪郭をなす円と略一致する。以上の配置により、第１光源アレイ７１０において、複数の半導体レーザーチップ７１５の発光中心同士を結んだ複数の直線ｋ１〜ｋ３，ｍ１〜ｍ３，ｎ１〜ｎ３が互いになす角度は互いに等しく、全て６０°である。また、複数の半導体レーザー７１１において、隣り合う半導体レーザー７１１同士の筐体７１６は、台座７１３の部分で互いに当接している。
【００３４】
図３に示すように、第１光源アレイ７１０においては、Ｙ方向に３列の半導体レーザー７１１が配列され、３列のうちの中央の列に３個の半導体レーザー７１１がＺ方向に配列され、右側の列、左側の列のそれぞれに２個の半導体レーザー７１１がＺ方向に配列されている。
【００３５】
複数の半導体レーザー７１１は、半導体レーザーチップ７１５の向きが同じ方向を向くように配置されている。第１光源アレイ７１０において、半導体レーザー７１１は、半導体レーザーチップ７１５の長辺がＹ軸と平行になるように配置されている。この配置によれば、符号ＬＰの矢印で示すように、第１の青色光ＬＢ１として、偏光方向がＹ軸と平行な直線偏光が射出される。この場合、偏光方向がＹ軸と平行な直線偏光は、後述する偏光分離素子に対するＰ偏光である。
【００３６】
図１および図４に示すように、第２光源アレイ７２０は、複数の半導体レーザー７１１（発光装置）と、これら複数の半導体レーザー７１１を保持する保持部材７１２と、を備えている。半導体レーザー７１１は、第２の青色光ＬＢ２（第２の光）を−Ｙ方向に射出する。第２の青色光ＬＢ２の波長は、例えば４５５ｎｍ±２０ｎｍである。本実施形態では、第２光源アレイ７２０は、７個の半導体レーザー７１１を備えている。したがって、第２光源アレイ７２０の全体として、７本の第２の青色光ＬＢ２を含む光が射出される。
【００３７】
このように、第２光源アレイ７２０は、構成自体は第１光源アレイ７１０と同一であり、保持部材７１２の中心を回転軸として第１光源アレイ７１０を９０°回転させた形態で設置されている。すなわち、第２光源アレイ７２０においては、Ｚ方向に３行の半導体レーザー７１１が配列され、３行のうちの中央の行に３個の半導体レーザー７１１がＸ方向に配列され、上側の行、下側の行のそれぞれに２個の半導体レーザー７１１がＸ方向に配列されている。
【００３８】
第２光源アレイ７２０において、半導体レーザー７１１は、半導体レーザーチップ７１５の長辺がＺ軸と平行になるように配置されている。この配置によれば、符号ＬＳの矢印で示すように、第２の青色光ＬＢ２として、偏光方向がＺ軸と平行な直線偏光が射出される。この場合、偏光方向がＺ軸と平行な直線偏光は、後述する偏光分離素子に対するＳ偏光である。
【００３９】
図４に示すように、第２光源アレイ７２０は、第１光源アレイ７１０と同様に、複数の半導体レーザー７１１のうち、１個の半導体レーザー７１１ａは、第２光源アレイ７２０の中心部に位置するように保持部材７１２に配置されている。残りの６個の半導体レーザー７１１ｂは、中心の１個の半導体レーザー７１１ａを取り囲むように、保持部材７１２において中心の半導体レーザー７１１ａの周縁部に配置されている。周辺の６個の半導体レーザー７１１ｂは、中心の１個の半導体レーザー７１１ａを中心として６個の半導体レーザー７１１ｂに外接する仮想円上に位置するように保持部材７１２に配置されている。本実施形態では、仮想円は保持部材７１２の輪郭をなす円と略一致する。以上の配置により、第２光源アレイ７２０において、複数の半導体レーザーチップ７１５の発光中心同士を結んだ複数の直線ｋ１〜ｋ３，ｍ１〜ｍ３，ｎ１〜ｎ３が互いになす角度は互いに等しく、全て６０°である。また、複数の半導体レーザー７１１において、隣り合う半導体レーザー７１１同士の筐体７１６は、台座７１３の部分で互いに当接している。
【００４０】
第１光源アレイ７１０および第２光源アレイ７２０において、個々の半導体レーザー７１１の外形寸法は全て同一である。これにより、周縁部に配置された複数の半導体レーザー７１１ｂに外接する仮想円は、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とで互いに同じ径を有する。
【００４１】
図５は、半導体レーザーチップ７１５の斜視図である。
図５に示すように、半導体レーザーチップ７１５は、光を射出する発光領域７１５ａを有している。発光領域７１５ａは、射出された光ＬＢの中心軸の方向から見て、長方形状の平面形状を有しており、長辺方向Ｗ１と短辺方向Ｗ２とを有する。
【００４２】
半導体レーザーチップ７１５から射出された光は、直線偏光からなり、偏光方向が長辺方向Ｗ１と平行な方向である。また、発光領域７１５ａの短辺方向Ｗ２への光の発散角は、発光領域７１５ａの長辺方向Ｗ１への光の発散角よりも大きい。そのため、光ＬＢの中心軸ＬＢｃに垂直な断面ＢＳは、楕円形である。すなわち、第１の青色光ＬＢ１および第２の青色光ＬＢ２の中心軸に垂直な断面形状は、ともに長軸方向と短軸方向とを有する楕円形である。楕円形の長軸方向は、発光領域７１５ａの短辺方向Ｗ２である。楕円形の短軸方向は、発光領域７１５ａの長辺方向Ｗ１である。
【００４３】
図５では、第１光源アレイ７１０の半導体レーザーチップ７１５のみを示したが、図３および図４に示したように、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とは、各光源アレイ７１０，７２０から射出される光ＬＢ１，ＬＢ２のそれぞれの中心軸方向から見て、第１光源アレイ７１０における発光領域７１５ａの長辺方向Ｗ１と第２光源アレイ７２０における発光領域７１５ａの短辺方向Ｗ２とが一致し、第１光源アレイ７１０における発光領域７１５ａの短辺方向Ｗ２と第２光源アレイ７２０における発光領域７１５ａの長辺方向Ｗ１とが一致するように、配置されている。
【００４４】
すなわち、第１光源アレイ７１０は、各青色光ＬＢ１，ＬＢ２の長軸方向が、合成光の中心軸に垂直な平面上において第１方向に沿うように配置されている。第２光源アレイ７２０は、各青色光ＬＢ１，ＬＢ２の長軸方向が、前記平面上において第１方向と直交する第２方向に沿うように配置されている。
【００４５】
図１に示すように、光合成部７３０は、光軸ＡＸ０と光軸ＡＸ１のそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置された偏光分離素子７３１で構成されている。偏光分離素子７３１は、偏光分離素子７３１に対するＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる特性を有する。本実施形態の場合、光合成部７３０は、Ｐ偏光である複数の第１の青色光ＬＢ１を透過させ、Ｓ偏光である複数の第２の青色光ＬＢ２を反射させることにより、複数の第１の青色光ＬＢ１と複数の第２の青色光ＬＢ２とが合成された合成光ＬＢ３を生成する。
【００４６】
ホモジナイザー光学系７３５は、光合成部７３０と集光光学系７４０との間の合成光ＬＢ３の光路上に設けられている。ホモジナイザー光学系７３５は、第１のレンズアレイ７３６と、第２のレンズアレイ７３７と、を備えている。第１のレンズアレイ７３６は、合成光ＬＢ３を複数の部分光線束に分割するための複数のレンズを有する。複数のレンズは、ＹＺ平面内にマトリクス状に配列されている。
【００４７】
第２のレンズアレイ７３７は、第１のレンズアレイ７３６の複数のレンズに対応する複数のレンズを備えている。第２のレンズアレイ７３７は、第１のレンズアレイ７３６の各レンズの像を波長変換素子７５０の蛍光体層７５５の近傍に結像させる。複数のレンズは、ＹＺ平面内にマトリクス状に配列されている。
【００４８】
集光光学系７４０は、ホモジナイザー光学系７３５と反射ミラー７４５との間の合成光ＬＢ３の光路上に設けられている。集光光学系７４０は、ホモジナイザー光学系７３５から射出された合成光ＬＢ３を所定の集光位置、具体的には後述する波長変換素子７５０の蛍光体層７５５の近傍に集光し、略均一な強度分布、いわゆるトップハット分布を形成する。集光光学系７４０は、一つの凸レンズ７４１から構成されている。なお、集光光学系７４０は、複数のレンズから構成されていてもよい。
【００４９】
反射ミラー７４５は、合成光ＬＢ３を反射させることにより、合成光ＬＢ３の光路を９０°折り曲げる。本実施形態では、プロジェクター１０の全体の光学系を小型化するため、反射ミラー７４５を設けて光路を折り曲げているが、その必要がなければ、必ずしも反射ミラー７４５を設けなくてもよい。
【００５０】
波長変換素子７５０は、集光光学系７４０から射出された青色の合成光ＬＢ３の一部を緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとを含む黄色の蛍光ＬＹに変換する。波長変換素子７５０は、蛍光体層７５５と、蛍光体層７５５を支持する基板７５２と、を有する。基板７５２は、ガラス等の光透過性を有する材料で構成されている。本実施形態の波長変換素子７５０は、透過型の波長変換素子である。
【００５１】
蛍光体層７５５は、例えば波長４５５ｎｍの青色光を励起光として吸収する蛍光体を含む。励起された蛍光体は、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する黄色の蛍光ＬＹを発する。蛍光体層７５５は、例えば無機材料からなる母剤と、母剤に分散された発光中心となる賦活剤と、を備えている。蛍光体層７５５は、例えばＣｅを賦活剤とした（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体から構成されている。また、励起光として吸収されなかった青色光ＬＢは、蛍光ＬＹとともに波長変換素子７５０から射出される。したがって、波長変換素子７５０からは、青色光ＬＢと黄色の蛍光ＬＹからなる白色の光ＬＷが射出される。
【００５２】
ピックアップ光学系７６０は、蛍光体層７５５から射出された光を略平行化し、後段のインテグレーター光学系７８０に向けて射出する。ピックアップ光学系７６０は、一つの凸レンズ７６１から構成されている。なお、ピックアップ光学系７６０は、複数のレンズから構成されていてもよい。
【００５３】
インテグレーター光学系７８０は、第１のレンズアレイ７８１と、第２のレンズアレイ７８２と、重畳レンズ７８３と、を備えている。インテグレーター光学系７８０は、波長変換素子から射出された光ＬＷの照度分布を赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域において均一化する。
【００５４】
第１のレンズアレイ７８１は、波長変換素子から射出された光ＬＷを複数の部分光線束に分割するための複数のレンズ７８６を有する。複数のレンズ７８６は、光軸ＡＸ０と直交する面内にマトリクス状に配列されている。
【００５５】
第２のレンズアレイ７８２は、第１のレンズアレイ７８１の複数のレンズ７８６に対応する複数のレンズ７８７を備えている。第２のレンズアレイ７８２は、後段の重畳レンズ７８３とともに、第１のレンズアレイ７８１の各レンズ７８６の像を赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。複数のレンズ７８７は、光軸ＡＸ０に直交する面内にマトリクス状に配列されている。
【００５６】
重畳レンズ７８３は、第１のレンズアレイ７８１からの各部分光線束を集光して赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域もしくはその近傍で互いに重畳させる。
【００５７】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２４０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２１０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２５０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、照明装置７００から射出された白色の光ＬＷを赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢに分離し、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢをそれぞれ対応する赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂに導く。
【００５８】
色分離導光光学系２００と、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂがそれぞれ配置されている。
【００５９】
ダイクロイックミラー２４０は、青色光ＬＢを反射させ、赤色光ＬＲおよび緑色光ＬＧを透過させる。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光ＬＧを反射させ、青色光ＬＢを透過させる。反射ミラー２１０および反射ミラー２３０は、赤色光ＬＲを反射させる。反射ミラー２５０は、青色光ＬＢを反射させる。
【００６０】
赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、および青色光用光変調装置４００Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調して画像を形成する液晶パネルから構成されている。
【００６１】
図示を省略したが、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂと、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置されている。赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂと合成光学系５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置されている。
【００６２】
合成光学系５００は、赤色光用光変調装置４００Ｒ、緑色光用光変調装置４００Ｇ、青色光用光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成する。合成光学系５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなしたクロスダイクロイックプリズムからなり、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に誘電体多層膜が設けられている。
【００６３】
合成光学系５００から射出された画像光は、投射光学系６００によってスクリーンＳＣＲ上に拡大投射される。
【００６４】
本実施形態の照明装置７００において、上述したように、光合成部７３０から射出された合成光ＬＢ３は、第１光源アレイ７１０から射出された複数の第１の青色光ＬＢ１と、第２光源アレイ７２０から射出された複数の第２の青色光ＬＢ２と、が合成された光である。ここで、図３および図４に示したように、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とが保持部材７１２の中心を回転軸として互いに９０°回転させた位置関係にあるため、合成光ＬＢ３において、各光源アレイ７１０，７２０の周辺の半導体レーザー７１１から射出された第１の青色光ＬＢ１と第２の青色光ＬＢ２とが重ならない。
【００６５】
本発明者は、本実施形態の照明装置７００について、ホモジナイザー光学系７３５の第１のレンズアレイ７３６の入射面での合成光ＬＢ３の強度分布、および波長変換素子７５０上での光の照度分布のシミュレーションを行った。
図６は、ホモジナイザー光学系７３５に入射する光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
【００６６】
図６に示すように、光合成部７３０と第１のレンズアレイ７３６との間の光軸ＡＸ１に垂直な仮想平面において、合成光ＬＢ３を構成する複数の第１の青色光ＬＢ１の強度分布と複数の第２の青色光ＬＢ２の強度分布とは略重ならない。詳細には、各光源アレイ７１０，７２０の中心部の１個の半導体レーザー７１１ａから射出された第１の青色光ＬＢ１ａと第２の青色光ＬＢ２ａとは強度分布が重なるが、各光源アレイ７１０，７２０の周辺の６個の半導体レーザー７１１ｂから射出された第１の青色光ＬＢ１ｂと第２の青色光ＬＢ２ｂとは強度分布が重ならない。
【００６７】
これにより、合成光ＬＢ３を構成する複数の青色光ＬＢ１（ＬＢ１ａ，ＬＢ１ｂ），ＬＢ２（ＬＢ２ａ，ＬＢ２ｂ）は、第１のレンズアレイ７３６のより多くのレンズにわたって入射することになる。そのため、第１のレンズアレイ７３６による複数の部分光線束が蛍光体層７５５上で重畳される際に、蛍光体層７５５での光の照度分布がより均一化される。すなわち、複数の青色光ＬＢ１（ＬＢ１ａ，ＬＢ１ｂ），ＬＢ２（ＬＢ２ａ，ＬＢ２ｂ）がホモジナイザー光学系７３５に入射する時点での光束分布が重ならないため、ホモジナイザー光学系７３５の重畳性能が上がり、蛍光体層７５５（被照明領域）での照度均一性を高めることができる。
【００６８】
図７は、蛍光体層７５５上での光の照度分布を示すシミュレーション結果である。
図７に示すように、正方形の蛍光体層７５５の広い領域にわたって照度の高い領域が広がっている。このように、本発明者は、本実施形態の第１光源アレイ７１０および第２光源アレイ７２０を備えた照明装置７００によって、蛍光体層７５５での光の照度分布が十分に均一化されることを確認した。
【００６９】
本実施形態の照明装置７００においては、上述したように、蛍光体層７５５上での照度分布を均一化することにより、光密度の集中を抑えることができる。その結果、波長変換素子７５０における励起光の変換効率を高めることができ、輝度を高めることができる。また、複数の半導体レーザー７１１の発光中心同士を結んだ複数の直線ｋ１〜ｋ３，ｍ１〜ｍ３，ｎ１〜ｎ３が互いになす角度が互いに等しいため、各光源アレイ７１０，７２０における複数の半導体レーザー７１１がともに仮想円の内側に配列される。さらに、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とで仮想円は互いに同じ径を有し、一方の光源アレイ７１０，７２０を９０°回転させるだけで、蛍光体層７５５上での光密度の集中を抑えることができる。以上により、蛍光体層７５５の発光効率が向上するため、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とで光軸をずらす必要がなく、小型で高輝度の照明装置７００を提供することができる。
【００７０】
また、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とは、複数の半導体レーザー７１１を含む構成が同一であり、設置の向きを９０°回転させるだけで済む。したがって、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とで仕様の異なる光源アレイを準備する必要がなく、装置構成を簡略化することができる。
【００７１】
従来、２つの光源アレイから射出された偏光方向の異なる光を合成する場合、一方の光源アレイからの光の光路上に位相差板を配置し、一方の光源アレイからの光の偏光方向を他方の光源アレイからの光の偏光方向と異ならせる手法が用いられてきた。光源として半導体レーザーを用いた場合、半導体レーザーの輝度が高いため、水晶からなる高価な位相差板を用いる必要があり、照明装置のコストを抑制しにくい、という問題があった。その点、本実施形態の照明装置７００においては、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０との設置の向きを変えるだけで互いの光の偏光方向を変えることができるため、位相差板が不要である。そのため、照明装置７００のコストを抑制できる。
【００７２】
また、本実施形態の照明装置７００においては、複数の半導体レーザー７１１の発光中心同士を結んだ複数の直線ｋ１〜ｋ３，ｍ１〜ｍ３，ｎ１〜ｎ３が互いになす角度が互いに等しいため、各光源アレイ７１０，７２０の占有面積を小さくすることができる。また、複数の半導体レーザー７１１は、筐体７１６同士が互いに当接するように配置されている。これにより、より小型の照明装置７００を実現することができる。
【００７３】
本実施形態のプロジェクター１０は、上記の照明装置７００を備えているため、サイズが小型であり、高光束の画像を投射することができる。
【００７４】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図８および図９を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、第２光源アレイの構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび照明装置の全体の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図８は、本実施形態の第２光源アレイの正面図である。
図８において、第１実施形態で用いた図４と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７５】
図８に示すように、第２光源アレイ７２２は、複数の半導体レーザー７１１（発光装置）と、これら複数の半導体レーザー７１１を保持する保持部材７１２と、を備えている。本実施形態では、第２光源アレイ７２２は、６個の半導体レーザー７１１ｂを備えている。したがって、第２光源アレイ７２２の全体として、６本の第２の青色光を含む光が射出される。
【００７６】
第２光源アレイ７２２においては、Ｚ方向に３行の半導体レーザー７１１が配列され、３行のうちの中央の行に２個の半導体レーザー７１１がＸ方向に間隔をおいて配列され、上側の行、下側の行のそれぞれに２個の半導体レーザー７１１がＸ方向に互いに当接して配列されている。言い換えると、本実施形態の第２光源アレイ７２２は、第１実施形態の第２光源アレイ７２０から、第２光源アレイ７２０の中心部に配置された１個の半導体レーザー７１１ａを取り除いた構成を有する。照明装置のその他の構成は、第１実施形態と同一である。
【００７７】
本発明者は、本実施形態の照明装置についても、ホモジナイザー光学系７３５における第１のレンズアレイ７３６の入射面での合成光の強度分布のシミュレーションを行った。
図９は、ホモジナイザー光学系７３５に入射する光の強度分布を示すシミュレーション結果である。
【００７８】
図９に示すように、光合成部７３０と第１のレンズアレイ７３６との間の光軸ＡＸ１に垂直な仮想平面において、合成光ＬＷ３を構成する複数の第１の青色光ＬＢ１の強度分布と複数の第２の青色光ＬＢ２の強度分布とは全く重ならない。
【００７９】
すなわち、第１実施形態の場合、第１光源アレイ７１０と第２光源アレイ７２０とは互いに９０°回転させた位置関係にあるが、中心部の半導体レーザー７１１ａの位置は変わらないため、合成光ＬＷ３の中心部では第１の青色光ＬＢ１ａと第２の青色光ＬＢ２ａとは重なっていた。これに対して、本実施形態の場合、第２光源アレイ７２２の中心部に半導体レーザー７１１ａが配置されていないため、合成光ＬＷ３の中心部で第１の青色光ＬＢ１と第２の青色光ＬＢ２とが重なることがない。
【００８０】
これにより、合成光ＬＷ３を構成する複数の青色光ＬＢ１，ＬＢ２の強度分布は、第１実施形態よりも均等になる。そのため、蛍光体層７５５での光の照度分布がさらに均一化される。
【００８１】
本実施形態においても、小型で高輝度の照明装置を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
なお、本実施形態においては、中心部に半導体レーザー７１１ａが配置されていない構成を、第２光源アレイ７２２に適用したが、第１光源アレイ７１０に適用してもよい。
【００８３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、第１光源アレイおよび第２光源アレイが７個の半導体レーザーを備えた照明装置を例示したが、各光源アレイの半導体レーザーの個数はこれに限定されず、例えば下記の変形例の光源アレイを備えていてもよい。
【００８４】
図１０は、変形例の第１光源アレイの正面図であり、図１１は、第２光源アレイの正面図である。
図１０に示すように、第１光源アレイ７１８は、１９個の半導体レーザー７１１と、保持部材７１２と、を備えている。第１実施形態の第１光源アレイ７１０においては、６個の半導体レーザー７１１ｂが中心部の半導体レーザー７１１ａの周りを１重に取り囲むように配置されていた。これに対して、本変形例の第１光源アレイ７１８は、６個の半導体レーザー７１１ｂが中心部の半導体レーザー７１１ａの周りを取り囲み、１２個の半導体レーザー７１１ｂがさらにその外側を取り囲むように配置されている。
【００８５】
図１１に示すように、第２光源アレイ７２８は、保持部材７１２の中心を回転軸として第１光源アレイ７１８を９０°回転させた形態で設置されている。
【００８６】
なお、本変形例においても、第２実施形態と同様、第１光源アレイ７１８、第２光源アレイ７２８のいずれか一方は、中心部の半導体レーザー７１１ａを取り除いた構成を有していてもよい。
【００８７】
上記実施形態では、黄色の蛍光と波長変換素子で波長変換されなかった青色光とを含む白色光が波長変換素子から射出される照明装置の例を挙げた。この構成に代えて、波長変換素子に入射させた青色光を全て黄色の蛍光に変換して射出し、緑色光と赤色光とを生成する一方、その経路とは別に青色光を射出する半導体レーザーを備えた照明装置が用いられてもよい。この場合、プロジェクターは、蛍光を緑色光と赤色光とに分離して緑色光用光変調装置と赤色光用光変調装置とに導く一方、半導体レーザーから射出された青色光を拡散板で拡散させた後、青色光用光変調装置に導く構成を有していればよい。
【００８８】
また、上記実施形態で例示した照明装置、およびプロジェクターの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等については、適宜変更が可能である。
【００８９】
上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、一つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスが用いられてもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、本発明に係る照明装置をプロジェクターに応用する例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置を自動車用ヘッドライトなどの照明器具にも適用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０…プロジェクター、４００Ｂ…青色光用光変調装置、４００Ｇ…緑色光用光変調装置、４００Ｒ…赤色光用光変調装置、６００…投射光学系、７００…照明装置、７１０，７１８…第１光源アレイ、７１１…半導体レーザー（発光装置）、７１２…保持部材、７１５…半導体レーザーチップ（発光素子）、７１５ａ…発光領域、７１６…筐体、７２０，７２２，７２８…第２光源アレイ、７３０…光合成部、７３１…偏光分離素子、７４０…集光光学系、７５０…波長変換素子。
【図１】
2019061077.tif 000003
【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】
2019061077.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019061077.tif 000011
【図１０】
2019061077.tif 000012
【図１１】
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