(57)【要約】【課題】  本発明は、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】  光源光学系が、マイクロレンズアレイ６３と、集光レンズユニット８と、ダイクロイック面７１とを備える。そして、励起光路のＦナンバーと、蛍光体上に形成される光源スポットの１辺の長さとが所定の関係になっている。【選択図】  図１
2019140117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を波長変換素子に導く光源光学系であって、
複数の第１のレンズ面を備える第１のレンズ面アレイと、
複数の第２のレンズ面を備え、前記第１のレンズ面アレイからの光束を受光する第２のレンズ面アレイと、
前記第２のレンズ面アレイからの光束を前記波長変換素子に導くとともに、正のパワーを有する集光光学系と、
前記第２のレンズ面アレイからの光束を、前記集光光学系を介して前記波長変換素子に導く導光面と、を備え、
前記集光光学系の焦点距離を前記第２のレンズ面アレイから前記導光面に導かれる光束の光束径で除した値を励起光路のＦナンバーＦＬＤとし、前記波長変換素子上に形成される光源スポットの１辺の長さをｄｐｈｏｓとするとき、
【数１】
2019140117.tif 000019
を満足することを特徴とする光源光学系。
【請求項２】
前記集光光学系の焦点距離を前記集光光学系から前記導光面に導かれる光束の光束径で除した値を蛍光光路のＦナンバーとするとき、
前記励起光路のＦナンバーは前記蛍光光路のＦナンバーよりも大きい、
ことを特徴とする請求項１に記載の光源光学系。
【請求項３】
前記蛍光光路のＦナンバーをＦｐｈｏｓとし、前記励起光路のＦナンバーをＦＬＤとするとき、
【数２】
2019140117.tif 000020
を満足することを特徴とする請求項２に記載の光源光学系。
【請求項４】
前記第２のレンズ面の数をＮとし、前記第２のレンズ面の焦点距離をｆＬＡとし、前記第２のレンズ面の面積をＳＬＡとするとき、
【数３】
2019140117.tif 000021
を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源光学系。
【請求項５】
前記導光面と、前記波長変換素子からの光束を波長に依らずに透過させる透過面とを有する導光素子をさらに備え、
前記導光面は、前記光源からの光束を反射して前記波長変換素子に導くとともに、前記波長変換素子からの光束のうち前記光源からの光束とは波長が異なる光束を前記光源とは異なる方向に透過させるダイクロイック面である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源光学系。
【請求項６】
前記導光面と、前記波長変換素子からの光束を波長に依らずに反射する反射面とを有する導光素子をさらに備え、
前記導光面は、前記光源からの光束を透過させて前記波長変換素子に導くとともに、前記波長変換素子からの光束のうち前記光源からの光束とは波長が異なる光束を反射して前記光源とは異なる方向に導くダイクロイック面である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源光学系。
【請求項７】
前記導光面の法線と平行で前記集光光学系の光軸を含む断面での前記集光光学系の光軸と直交する方向において、前記導光面の幅は前記集光光学系の幅よりも狭い、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源光学系。
【請求項８】
【数４】
2019140117.tif 000022
をさらに満足する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源光学系。
【請求項９】
前記光源と、
前記光源からの光束の進行方向に設けられた正レンズと、
前記波長変換素子と、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源光学系と、
光変調素子と、
前記光源光学系からの光束を用いて前記光変調素子を照明する照明光学系と、
前記光源光学系からの光束を前記光変調素子に導くとともに、前記光変調素子からの光束を投射光学系に導く色分離合成系と、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、光源光学系およびこれを用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力レーザーダイオード（以後、ＬＤ）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光源光として用いるプロジェクターが開発されている。このようなプロジェクターではＬＤの個数を増やしたり、出力を上げたりすることによりプロジェクターとしての明るさを上げることが可能である。
【０００３】
しかしながら、明るさを上げるために蛍光体への入射光の強度を高めると、蛍光体面上に形成される光源スポットの光密度が高くなる。その結果、輝度飽和現象によって光変換効率が下がるといった問題が生じ、ＬＤの出力上昇に比例した明るさを得ることができない。
【０００４】
このような問題を解決する技術として特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１は、複数のＬＤからの光束を圧縮する光学系の後に２枚のフライアイレンズを設ける構成を開示している。このような構成によって蛍光体上に形成される光源スポットの光密度を均一にして光密度が極端に高くなる領域が出来てしまうことを抑制し、前述の光変換効率の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１１８１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年は、蛍光体の光変換効率の低下のさらなる抑制が求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系およびこれを用いた投射型表示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】
光源からの光束を波長変換素子に導く光源光学系であって、
複数の第１のレンズ面を備える第１のレンズ面アレイと、
複数の第２のレンズ面を備え、前記第１のレンズ面アレイからの光束を受光する第２のレンズ面アレイと、
前記第２のレンズ面アレイからの光束を前記波長変換素子に導くとともに、正のパワーを有する集光光学系と、
前記第２のレンズ面アレイからの光束を、前記集光光学系を介して前記波長変換素子に導く導光面と、を備え、
前記集光光学系の焦点距離を前記第２のレンズ面アレイから前記導光面に導かれる光束の光束径で除した値を励起光路のＦナンバーＦＬＤとし、前記波長変換素子上に形成される光源スポットの１辺の長さをｄｐｈｏｓとするとき、
【数１】
2019140117.tif 000003
を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例で示す光源装置の構成説明図
【図２】ダイクロイックミラーの構成説明図
【図３】レンズアレイによるレーザー光束の均一化を示す図
【図４】光束径の定義を示す図
【図５】本発明の第１実施例で用いるレンズアレイと光源像の関係説明図
【図６】アフォーカル系を通ることによる角度ばらつきの変化を示す図
【図７】励起光路と蛍光光路のＦナンバーの関係を示す図
【図８】本発明の第２実施例で示す光源装置の構成説明図
【図９】本発明の各実施例で示す光源装置を搭載可能なプロジェクターの構成説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、本発明は後述の実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
〔第１実施例〕
（光源光学系および光源装置の構成）
図１は、本発明の第１実施例としての光源装置の構成を示す構成図である。図１において後述の集光レンズユニット８の光軸と平行な方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向および後述のダイクロイックミラー７の法線に平行な面がＸＺ断面になるような方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＺ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。つまり、図１は、図面内に図示されている座標軸にあるようにＸＺ断面の図になっている。
【００１４】
本実施例で示す光源装置は、光源１とコリメータレンズ２と蛍光体９と光源光学系とを備えている。ここでいう光源光学系は、マイクロレンズアレイ６３、ダイクロイックミラー７（導光素子）、集光レンズユニット８（集光光学系）と、導光光学系のことをいう。導光光学系とは、ひとつひとつが異なる曲率半径及び頂点座標を有する放物面からなる複数のミラーからなる放物ミラーアレイ３と、平面ミラー４と、凹レンズ５のことをいう。
【００１５】
（光源１から照明光学系までの光路）
光源１は青色光を発するＬＤである。光源１から射出された光束は発散光束であり、光源１からの光束の進行方向には光源１と同数のコリメータレンズ２が設けられている。コリメータレンズ２は光源１からの発散光束を平行光束にする正レンズである。
【００１６】
コリメータレンズ２を射出した後の複数の光束はＺ軸方向に向けて進行したのち放物ミラーアレイ３によって互いの距離を縮めながら平面ミラー４へ向かう。平面ミラー４によって反射された光束は凹レンズ５に入射する。凹レンズ５は、その焦点位置を放物ミラーアレイ３の焦点と共有しているため、凹レンズ５は平行光束として光束を射出する。
【００１７】
凹レンズ５を射出した平行光束は、マイクロレンズアレイ６３の面のうち凹レンズ５側の面である第１のレンズ面アレイ６１に入射し、複数の光束に分割されて第２のレンズ面アレイ６２に入射する。つまり、第２のレンズ面アレイ６２は第１のレンズ面アレイ６１からの光束を受光する位置に設けられている。
【００１８】
第２のレンズ面アレイ６２を射出した分割光束は、ダイクロイックミラー７により反射されて集光レンズユニット８に向かう。ダイクロイックミラー７は第２のレンズ面アレイ６２からの光束を反射する必要最小限の大きさになっており、その表面には光源１からの青色光は反射するが、後述の蛍光光の波長は透過する特性の誘電体多層膜（ダイクロイック膜）がコーティングされている。
【００１９】
（ダイクロイックミラー７の構成）
ダイクロイックミラー７の詳細な構成は図２に示すとおりである。図１に示したダイクロイックミラー７は図２（ａ）に示す構成になっている。具体的には、光源１からの青色光を反射して緑色光および赤色光を含む蛍光光を透過させる導光面であるダイクロイック面７１のｙ軸方向左右に、波長に依らずに光を透過させる透過面７２が設けられた構成になっている。
【００２０】
なお、ダイクロイックミラー７は図２（ａ）に示す構成に限定されず、例えば図２（ｂ）に示すように、ダイクロイック面７１の周囲に透過面７２が設けられている構成などであってもよい。さらに、ダイクロイック面７１の少なくとも一辺が透過面７２のある一辺と重なっている構成であってもよく、透過面７２は透明な基板上の面であっても、反射防止コーティングが施された面であってもよい。
【００２１】
また、ダイクロイック面７１の法線が、ダイクロイック面７１の法線と平行で集光レンズユニット８の光軸を含む断面に含まれない場合、この断面にダイクロイック面７１を垂直に投影した面で後述の幅Ｄｄを定義すればよい。
【００２２】
ダイクロイックミラー７で反射された分割光束は正のパワーを有する集光レンズユニット８によって蛍光体９上に集光および重畳される。その結果、蛍光体９上に光源スポットが形成される。蛍光体９上に形成される光源スポットは、第１のレンズ面アレイ６１の各レンズセル（レンズ面）と共役であるため、矩形で均一な分布になっている。
【００２３】
（蛍光体９の光変換効率の低下を抑制する構成）
ここで、図３を用いてマイクロレンズアレイ６３を設けることで蛍光体９の光変換効率の低下を抑制することが可能な理由について説明する。
【００２４】
図３は、図１に示した第１レンズ面アレイ６１、第２レンズ面アレイ６２、集光レンズユニット８、蛍光体９の光学的関係を簡略化して示した図である。第１のレンズ面アレイ６１は６１’、第２のレンズ面アレイ６２は６２’、集光レンズユニット８は８’、蛍光体９は９’にそれぞれ対応している。
【００２５】
蛍光体９’は第２のレンズ面アレイ６２’と集光レンズユニット８’によって第１のレンズアレイ６１’の各レンズセルと略共役の位置に配置されており、第１のレンズ面アレイ６１’と蛍光体９’面は結像関係にある。したがって、蛍光体９’上には第１のレンズ面アレイ６１’の各レンズセル上に形成されている光分布に対応した光源像が形成される。また、その像の大きさはレンズセルのピッチ（レンズセルの幅）と結像系の倍率によって決まる。さらに、各レンズセル上に形成されている光源像は集光レンズユニット８‘を介して蛍光体９’上で重畳するように配置されている。
【００２６】
図３左側に示すように第１のレンズ面アレイ６１’に入射する光束が不均一な輝度分布を持っていたとしても、上記理由から各レンズセル上に形成される光分布はレンズセル数だけ平均化される。このため、図３右側に示すように蛍光体９’面上では均一な分布の光源像を形成することができる。
【００２７】
説明を図１に戻すと、凹レンズ５によって平行光化された光束は第１のレンズ面アレイ６１に入射した時点では、各光源１からの光束が間隔をあけて並んだ離散的間な光分布である。しかしながら、上記の経路により分割および重畳されることによって、蛍光体９上で第１のレンズ面アレイ６１の各レンズセル形状と相似形で均一な光分布の光源像を形成する。このため、蛍光体９上において光源１からの光束が１点へ集中することを抑制し、輝度飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる。
【００２８】
（小型化を実現する構成）
蛍光体９に入射した光源１からの青色光は、赤色光および緑色光のスペクトルを主とする蛍光光（変換光）に変換される。蛍光体９は、高反射率のアルミ基板上に蛍光体層を塗布して形成されており、青色光から蛍光変換された蛍光光はアルミ基板で集光レンズユニット８へ向かって反射される。また、一部の青色光は蛍光変換されることなく同じ波長のままアルミ基板で反射される。
【００２９】
こうして赤色光および緑色光を含む蛍光光と非変換の青色光で構成される白色光束が蛍光体９から射出され、集光レンズユニット８によって集光および平行光化され不図示の照明光学系に向かう。
【００３０】
このとき、集光レンズユニット８からの白色光束の光束径に対して、ダイクロイックミラー７の幅、より詳細にはダイクロイック面７１の幅が充分に大きい場合を考える。この場合、ダイクロイック面７１を通る白色光束のうち青色光はダイクロイック面７１で反射されて光源１側に戻ってしまい、照明光学系へ向かうことができない。
【００３１】
つまり、ダイクロイック面７１の幅が大きいほど青色光を減損することになってしまう。このような青色光の減損に対する解決手段として特許文献１に記載のように、励起光を発する光源１とは別に青色光源を備えた構成が考えられるが、この構成では装置全体が大型化してしまう。そこで、本実施例においては減損される青色光を極力減じるために、ダイクロイックミラー７の面積をできるだけ小さくすることを考えた。
【００３２】
具体的には、本実施例においてはダイクロイック面７１の幅Ｄｄと集光レンズユニット８の幅Ｄｃを次の条件を満たすように設定している。すなわち、ダイクロイックミラー７の法線と平行で集光レンズユニット８の光軸を含む断面（ＸＺ断面）での集光レンズユニット８の光軸と直交する方向（Ｚ軸方向）において、ダイクロイック面７１の幅Ｄｄは集光レンズユニット８の幅Ｄｃよりも狭い。
【００３３】
このような構成では、集光レンズユニット８からの白色光束のうちダイクロイック面７１を通る光束に含まれる青色光は光源１側に戻ってしまうが、ダイクロイックミラー７を通らない光束はそのまま照明光学系に導かれる。つまり、励起光用の光源とは別に青色光源とその周辺の光学系を設けなくても白色光束を照明光学系に導くことが可能となり、小型な光源光学系を実現することができる。
【００３４】
なお、ダイクロイックミラー７が図２（ａ）に示した構成である場合には、ダイクロイックミラー７のＺ軸方向の幅をＤｄと定義すればよい。一方、図２（ｂ）に示した構成のように、ＸＺ断面にダイクロイック面７１以外にも透過面７２が存在する場合には、ダイクロイック面７１のＺ軸方向の幅をＤｄとしてもよい。
【００３５】
（光束径の定義）
幅Ｄｄを幅Ｄｃよりも狭くすることは、光束径を用いてマイクロレンズアレイ６３から射出する励起光の光束径ＤＬＤを集光レンズユニット８からの白色光束の光束径Ｄｐｈｏｓよりも小さくすることと言い換えることができる。ここでいう光束径の定義について図４を用いて説明する。
【００３６】
図４（ａ）は第２のレンズ面アレイ６２上に形成される励起光の光源像の輝度断面図を示している。前述のとおり、第２のレンズアレイ６２面上には第１のレンズアレイ６１面で分割された光束が集光され、集光点ではＬＤの発光点の像が形成される。
【００３７】
したがって、図４（ａ）に示す輝度断面図は、第１のレンズ面アレイ６１のレンズセルピッチに対応した数の輝度ピークが並んだ離散的な分布となっている。この場合、マイクロレンズアレイ６３からの励起光の光束径ＤＬＤは、輝度断面の包絡線Ｅにおける半値半幅、すなわち最大輝度Ｉの１／２の輝度が得られる幅とする。
【００３８】
一方、図４（ｂ）には集光レンズユニット８からの白色光束の光分布の輝度断面図を示す。蛍光体９からの蛍光光は全方位に発光する一方、蛍光体９の表面から面発光をするので完全拡散面光源ととらえることもできる。したがって、蛍光光束の輝度断面は光軸近傍で一番輝度が強く、集光レンズユニット８による蛍光光の取り込み角度の余弦に対応して光軸から離れるに従って輝度が弱くなっているが、集光レンズの有効径で決まる取り込み角の限界点で輝度が０になっている。この場合、蛍光光の光束径つまり集光レンズユニット８からの白色光束の光束径Ｄｐｈｏｓは輝度が０になる位置の幅とする。
【００３９】
以上より、本実施例の構成によって蛍光体の光変換効率の低下を抑制することができる。さらに、光源装置の小型化も達成することができる。
【００４０】
（励起光の光束径を小さくすることによる課題）
ここで、前述のダイクロイックミラー７が大きいことによる青色光の減損を抑制するために、ダイクロイックミラー７の面積を更に小さくすることを考える。ダイクロイックミラーの面積を更に小さくする場合には第２のレンズ面アレイ６２から射出される励起光の光束径を更に小さくする必要がある。しかしながら、励起光の光束径を小さくすると次のような課題が生じる。以下、図５および図６を用いてその課題について説明する。
【００４１】
図５は本実施例における第１および第２のレンズ面アレイ６１、６２を拡大して図示したものである。図５（ａ）のように第１のレンズ面アレイ６１によって分割された平行光束は、第１のレンズ面アレイ６１の各レンズセルによってそれぞれ対応した第２のレンズ面アレイ６２の各レンズセルに集光する。この結果、第２のレンズ面アレイ６２の各レンズセルには、光源１の光源像が形成される。
【００４２】
仮に、この光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなると、対応したレンズセルに対して隣接したレンズセルに光束の一部が入射してしまう。このような成分は蛍光体９上で所定の光源スポットの位置に対して隣接した位置に結像されてしまい、後段に配置される照明光学系中の光学素子でけられてしまって有効に利用されない光、つまり損失となる。その結果、光利用効率を落とすことになる。
【００４３】
一方、図５（ｂ）には前述のようにダイクロイックミラー７の面積を小さくするために、励起光の光束径をより小さくした場合を示す。図５（ｂ）では第２のレンズ面アレイ６２の各レンズセルに形成される光源像がレンズセルの大きさを超えてしまい、上記のような対応するレンズセルに対して隣接したレンズセルに光束が入射することによって光利用効率がより低下してしまう。これは第１のレンズ面アレイ６１に入射する励起光の光束径を小さくすることで、励起光束の平行光束としての角度ばらつきが大きくなっているためである。
【００４４】
（励起光の光束径の角度ばらつき）
図６を用いてその原理を説明する。図６は光源１から凹レンズ５までの各光学素子の光学的関係を簡略化して示した図である。１’は光源１、２’および３’は正のパワーを持つ素子でそれぞれコリメータレンズ２と放物ミラーアレイ３の各ミラーに対応している。５’は負のパワーを持つ素子で凹レンズ５を示している。
【００４５】
前述のように放物ミラーアレイ３と凹レンズ５はその焦点を共有しており、所謂アフォーカル系を形成している。従って、両者に対応する素子３’と５’もアフォーカル系Ａを形成する。光源１’を射出した光はコリメータレンズ２’によって平行光化され、アフォーカル系Ａに入射し、所定の倍率で光束が圧縮される。
【００４６】
このとき、光源１’の発光点が無限に小さければコリメートレンズ２’によって完全な平行光になるが、ＬＤの発光点は有限の大きさを持っているので、その大きさに対応した角度ばらつきθ１を有する平行光束となる。なお、角度ばらつきθ１はコリメータレンズ２’の焦点距離ｆｃｏｌｉと発光点の大きさＬを用いてθ＝ａｔａｎ（Ｌ／ｆｃｏｌｉ）で表わされる。
【００４７】
このようにアフォーカル系Ａに入射する平行光束は発光点の有限の大きさに対応した角度ばらつきθ１を有するが、平行光がアフォーカル系Ａに入射して光束径が変化する際に角度ばらつきがθ２へ変化する。今、アフォーカル系Ａの入射前後の平行光束の径をそれぞれ、Ｄ１、Ｄ２とすると、角倍率の関係より以下の式が成り立つ。
【００４８】
【数２】
2019140117.tif 000004
【００４９】
ここでγは角倍率である。前述の第１のレンズ面アレイ６１に入射する励起光の光束径をより小さくすることは、アフォーカル系Ａから射出する光束径Ｄ２をより小さくすることに等しい。光束径Ｄ２を小さくすると角倍率γが大きくなり、これにしたがい左辺の項の数値が大きくなるのでθ２が大きくなる。
【００５０】
したがって、アフォーカル系から出射する光束の径を小さくすると角度バラツキθ２が大きくなり、その後段では第１のレンズ面アレイ６１へ入射する平行光束の角度ばらつきθ２も大きくなる。すると、図５（ｂ）に示したように第２のレンズ面アレイ６２上の光源像の大きさが大きくなる。つまり、青色光の減損を抑制する目的でダイクロイックミラー７の面積を小さくして励起光の光束径を小さくしすぎると、第２のレンズ面アレイ６２に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。
【００５１】
ここで、蛍光体９上に形成される光源スポットを小さくする場合を考える。これは、蛍光体９と結像関係にある第１のレンズ面アレイ６１のレンズセルのピッチを小さくすることを意味する。第１のレンズ面アレイ６１のレンズセルのピッチを小さくするのに合わせて第２のレンズ面アレイ６２のレンズセルのピッチも小さくすると、レンズセルの大きさに対する光源像の大きさが相対的に大きくなる。その結果、上記と同様に光利用効率が低下してしまうため好ましくない。
【００５２】
（より好ましい形態）
このような損失を抑制しつつ本実施例の構成をとるためには、励起光路の光束径と蛍光体９上の光源スポットの大きさが下記の条件であることが望ましい。なお、下記の説明では集光レンズユニット８の焦点距離ｆｃを光束径で除した値をＦナンバーとし、光束径をＦナンバーで代用して説明しているが、その理由は次のとおりである。
【００５３】
本実施例における集光レンズユニット８の焦点距離はｆｃ＝１５ｍｍであるが、集光レンズユニット８の焦点距離は設計自由度がある。このため、照明光学系中の各光学素子の有効径が大きい場合はその分焦点距離を比例倍して、取り込み角度を維持したまま蛍光光の光束径を大きくしてもよい。この場合、集光レンズの焦点距離に比例して励起光の光束径も変化してしまうが、各光束径を集光レンズの焦点距離で除することにより、光束径を一般化できるので計算上都合が良い。
【００５４】
本実施例における集光レンズユニット８からの白色光束の光束径をＤｐｈｏｓ＝３０ｍｍとすると、ｆｃ＝１５ｍｍであるためにＦナンバーは、
【００５５】
【数３】
2019140117.tif 000005
【００５６】
である。一方、マイクロレンズアレイ６３からの励起光の光束径をＤＬＤ＝１５ｍｍするとＦナンバーは、
【００５７】
【数４】
2019140117.tif 000006
【００５８】
である。
【００５９】
つまり、本実施例においては、図７（ａ）に示すように蛍光光が集光レンズユニット８によって集光される光路である蛍光光路のＦナンバーに対して、励起光が蛍光体９に集光される光路である励起光路のＦナンバーは大きい。
【００６０】
仮に、蛍光光路のＦナンバーと励起光路のＦナンバーがほぼ等しい場合を考える。この場合は図７（ｂ）に示すように、集光レンズユニット８からの非変換光の全てあるいはほとんどがダイクロイックミラー７によって反射されて照明光学系に導かれずに損失が増大するため好ましくない。したがって、図７（ａ）に示す関係であることが好ましい。
【００６１】
より好ましくは、条件式（２）で定義される蛍光光路のＦナンバーをＦｐｈｏｓとし、条件式（３）で定義される蛍光光路のＦナンバーをＦＬＤとするとき、光源光学系は、
【００６２】
【数５】
2019140117.tif 000007
【００６３】
を満足するとよい。
【００６４】
条件式（４）の下限値を逸脱することは励起光路のＦナンバーＦＬＤを大きくする、つまり励起光の光束径ＤＬＤを小さくすることを意味する。励起光の光束径ＤＬＤを小さくしすぎると、前述の通り第２のレンズ面アレイ６２に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。
【００６５】
一方、条件式（４）の上限値を逸脱することは、蛍光光路のＦナンバーＦｐｈｏｓと励起光路のＦナンバーＦＬＤが近くなること意味し、この場合は図７（ｂ）に示したように損失が増大するために好ましくない。
【００６６】
また、本実施例においては８個のＬＤをユニット化したものを計４ユニット、つまり計３２個のＬＤを光源として用いており、蛍光体９上に形成される光源スポットは１辺約１．０〜１．５ｍｍの略正方形形状である。これは、前述の通り蛍光体９上の光源スポットの光密度が高くなると、輝度飽和現象によって光変換効率が下がる、あるいは蛍光体９がより早く劣化してしまうためである。
【００６７】
仮に蛍光体９上の光源像を小さくする、つまりレンズアレイのピッチをさらに小さくすると、レンズセルに形成される光源像の大きさは変わらずに、対応するレンズセルの外形が相対的に小さくなるので前述の光利用効率の低下が生じるために好ましくない。
【００６８】
上記の関係を考慮して励起光路のＦナンバーをＦＬＤ、光源スポットの１辺の長さをｄｐｈｏｓとすると、光源光学系は下記の条件式を満足することが好ましい。
【００６９】
【数６】
2019140117.tif 000008
【００７０】
上記の条件式（５）は、本実施例のように励起光路のＦナンバーＦＬＤが１．０の場合には光源スポットの面積が１．０ｍｍ２よりも大きい方が好ましいことを意味している。これは、前述の通り蛍光体９上の光源スポットの光密度の増大によって光変換効率の低下といった問題が生じるためである。
【００７１】
さらに条件式（５）は、光源スポットの面積が１．０ｍｍ２よりも大きい場合には、励起光路のＦナンバーＦＬＤを大きくする、つまり励起光の光束径ＤＬＤを小さくすることを意味する。これにより、ダイクロイックミラー７の面積を小さくして集光レンズユニット８からの非変換光をより多く照明光学系に導くことが可能となる。
【００７２】
ただし、励起光の光束径ＤＬＤを小さくしすぎる、つまり励起光路のＦナンバーＦＬＤを大きくしすぎると、条件式（５）の下限値を逸脱してしまう。励起光の光束径ＤＬＤを小さくしすぎると前述の通り第２のレンズ面アレイ６２に形成される光源像の大きさがレンズセルのピッチよりも大きくなって光利用効率が低下するため好ましくない。
【００７３】
ただし、光源スポットの面積が大きすぎると点光源としての性能が低下してしまう。さらに励起光路のＦナンバーＦＬＤが小さすぎる、つまり励起光の光束径ＤＬＤが大きすぎるとダイクロイックミラー７が大型化してしまい、集光レンズユニット８からの非変換光を照明光学系に導くことが困難になってしまう。このため、光源光学系は、
【００７４】
【数７】
2019140117.tif 000009
【００７５】
を満足するとより好ましい。
【００７６】
（条件式の変形）
ここで条件式（５）の右辺をさらに単純化させる。光源スポットの面積はレンズセルのセルピッチｄＬＡ、レンズセルの焦点距離ｆＬＡ及び集光レンズユニット８の焦点距離ｆ−ｃを用いて表わすことができ、条件式（５）の右辺は下記のように変換できる。
【００７７】
【数８】
2019140117.tif 000010
【００７８】
ここで、式（６）の右辺の励起光の光束径ＤＬＤ、レンズセルのピッチｄＬＡの二乗の項を式（７）のように励起光束の断面積ＳＬＤ、レンズセルの面積ＳＬＡとして置き換える。
【００７９】
【数９】
2019140117.tif 000011
【００８０】
さらに、励起光束の断面積ＳＬＡはレンズセルの総セル数Ｎとレンズセルの面積ＳＬＡを用いて式（８）のように書き直すことができる。
【００８１】
【数１０】
2019140117.tif 000012
【００８２】
最終的に条件式（５）を下記の条件式（９）に示すようにレンズセルのパラメータのみに単純化できる。
【００８３】
【数１１】
2019140117.tif 000013
【００８４】
本実施例では、条件式（５）あるいは（９）を満たすことで光源スポットの大きさと励起光のＦナンバーＦＬＤ、つまり励起光の光束径ＤＬＤとを適切な関係に設定している。これにより、蛍光体９上の光源スポットの光密度による影響を抑制しつつ、ダイクロイックミラー７の大型化を抑制することで、集光レンズユニット８からの非変換光をより多く照明光学系に導くことが可能となる。さらに、励起光の光束径ＤＬＤを小さくしすぎることによって第２レンズ面アレイ６３上の光源像が大きくなって光利用効率が低下することを抑制することが可能となる。
【００８５】
もちろん、前述の条件式（５）と同様に光源光学系は、
【００８６】
【数１２】
2019140117.tif 000014
【００８７】
を満足するとより好ましい。
【００８８】
（ＬＤの個数が少ない場合）
前述の通り本実施例では計３２個のＬＤを用いているが、もちろんＬＤはもっと少なくても良い。８個のＬＤをユニット化したものを１ユニットのみ、つまりＬＤを計８個用いる場合には、式（７）および（８）中のＳＬＤの項を１／４に減じることができるので条件式（９）の下限値を以下のように緩和できる。
【００８９】
【数１３】
2019140117.tif 000015
【００９０】
つまり、ＬＤの個数をより多くして明るくする場合は式（９）を満たすことが望ましいが、ＬＤの個数が少ない場合には少なくとも式（１０）を満たせばよい。これによってレンズセルの大きさに対して光源像が大きくなることによる損失の発生を抑制しつつ、波長変換素子の光変換効率の低下を抑制することが可能な光源光学系を実現することが可能となる。さらに波長変換素子の光変換効率の低下を抑制しつつ、より小型な光源光学系も実現することが可能となる。
【００９１】
さらに、前述の条件式（５ａ）と同様に光源スポットが大きくなることによる影響を抑制するために、
【００９２】
【数１４】
2019140117.tif 000016
【００９３】
を満足すると好ましく、さらに、
【００９４】
【数１５】
2019140117.tif 000017
【００９５】
を満足するとより好ましい。もちろん、条件式（５ａ）と同様に、条件式（１０）の上限値を４．０としてもよい。
【００９６】
なお、本発明の数値実施例は下記の通りである。
【００９７】
【表１】
2019140117.tif 000018
【００９８】
〔第２実施例〕
図８は本発明の第２実施例としての光源装置の構成を示す図である。前述の第１実施例と本実施例との違いは、ダイクロイックミラー７の構成と、ダイクロイックミラー７に対する集光レンズユニット８および蛍光体９の位置関係である。
【００９９】
前述の第１実施例におけるダイクロイックミラー７は、光源１からの励起光を反射して蛍光体９からの蛍光光を透過させる特性のダイクロイック面７１と、波長によらずに光を透過させる透過面７２とを備えた構成だった。
【０１００】
一方、本実施例におけるダイクロイックミラー７は、光源１からの励起光を透過させて蛍光体９からの蛍光光を反射する特性のダイクロイック面７３と、波長によらずに光を反射する反射面７４を備えた構成である。このような構成のダイクロイックミラー７を用いる場合には、光源１からの光束を進む方向にダイクロイックミラー７、集光レンズユニット８、蛍光体９が並んでいる必要がある。
【０１０１】
このような構成であっても、励起光用の光源とは別に青色光を設けなくても白色光束を照明光学系に導くことが可能となり、小型な光源光学系を実現することができる。さらに、マイクロレンズアレイ６３によって蛍光体９の光変換効率の低下を抑制することができる。
【０１０２】
〔第３実施例〕
図９は第１実施例で示した光源光学系および光源装置を搭載したプロジェクター（投射型表示装置）の構成を示す図である。
【０１０３】
１００は第１実施例で示した光源装置である。もちろん、第２実施例で示した光源装置を図９中の光源装置１００として用いても良い。
【０１０４】
２００は光源装置１００からの光束を用いて後述の液晶パネル２０（光変調素子）を照明する照明光学系である。照明光学系２００は、第３のフライアイレンズ１３ａ、第４のフライアイレンズ１３ｂ、偏光変換素子１４、コンデンサーレンズ１５を備えている。
【０１０５】
光源装置１００からの光束は第３のフライアイレンズ１３ａによって複数の光束に分割して第４のフライアイレンズ１３ｂと偏光変換素子１４との間に光源像を形成する。偏光変換素子１４は入射した光束の偏光方向を所定の方向に揃えるように構成されており、偏光変換素子１４からの光束はコンデンサーレンズ１５によって色分離合成部３００に導かれる。
【０１０６】
色分離合成部３００は、偏光板１６、ダイクロイックミラー１７、波長選択性位相差板１８、赤色用液晶パネル２０ｒ、緑色用液晶パネル２０ｇ、青色用液晶パネル２０ｂを備えており、各液晶パネル２０ｒ、２０ｇ、２０ｂをまとめて液晶パネル２０とする。さらに、赤色用λ／４板１９ｒ、緑色用λ／４板１９ｇ、青色用λ／４板１９ｂ、第１の偏光ビームスプリッター２１ａ、第２の偏光ビームスプリッター２１ｂ、合成プリズム２２を備えている。赤色用λ／４板１９ｒ、緑色用λ／４板１９ｇ、青色用λ／４板１９ｂをまとめてλ／４板１９とする。また、色分離合成部３００のうち液晶パネル２０を除く部分を色分離合成系とする。
【０１０７】
偏光板１６は偏光変換素子１４によって整えられた偏光方向の光のみを透過する偏光板であり、ダイクロイックミラー１７によって偏光板１６からの光のうち青色光および赤色光は第２の偏光ビームスプリッター２１ｂの方向に導かれる。一方、緑色光は第１の偏光ビームスプリッター２１ａの方向に導かれる。
【０１０８】
第１の偏光ビームスプリッター２１ａおよび第２の偏光ビームスプリッター２１ｂは偏光方向に応じてダイクロイックミラー１７からの光を液晶パネル２０に導くとともに、液晶パネル２０からの光を合成プリズム２２へ導くように構成されている。また、λ／４板１９は、液晶パネル２０での反射による往復においてλ／２の位相差を与えることで、検光効果を高める作用を有する。
【０１０９】
合成プリズム２２は、第２の偏光ビームスプリッター２１ａからの青色光および赤色光と、第２の偏光ビームスプリッター２１ｂからの緑色光を合成して投射光学系２３へ導く。
【０１１０】
このような構成により、図８に示すプロジェクターはカラー画像をスクリーン等の被投射面に投射することが可能となる。
【０１１１】
なお、光源装置１００、照明光学系２００、色分離合成部３００、投射光学系２３の互いの位置関係は図８に示す関係でなくてもよい。具体的には、図８においては集光レンズユニット８の光軸、コンデンサーレンズ１５の光軸、液晶パネル２０の面法線、投射レンズ２３の光軸の全てが同一の面内に存在している。しかしながら、必ずしも各軸は同一の面内に存在している必要はなく、ミラーなどを用いて軸によって存在する面が異なるように適宜変更してもよい。
【０１１２】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１１３】
（他の実施形態）
前述の各実施例においては、マイクロレンズアレイ６３の凹レンズ５側の面が第１のレンズ面アレイ６１であり、ダイクロイックミラー７側の面が第２のレンズ面アレイ６２である構成を例示した。このような構成は、両レンズ面アレイの相対的なズレを抑制することができるために好ましい。
【０１１４】
しかしながら、本発明は上記の構成に限定されず、マイクロレンズアレイ６３の代わりに、凹レンズ５側から順に第１のレンズ面アレイ６１を備える第１のフライアイレンズと、第２のレンズ面アレイ６２を備える第２のフライアイレンズを設けても良い。この場合は硝子成型時の体積を減じることができるので、成型時間を短縮できる。
【０１１５】
また、前述の各実施例においては詳細に述べていないが、光源１とコリメータレンズ２は別々の保持部材に保持されていても、同一の保持部材に保持されていてもよい。例えば、８個の光源１と８枚のコリメータレンズ２が一体となったＬＤバンクを用いても良い。
【０１１６】
また、前述の各実施例で示した平面ミラー４の代わりにプリズムを用いて放物面ミラーアレイ３からの光束を凹レンズ５に導いても良い。
【０１１７】
また、前述の各実施例では第１のレンズ面アレイ６１によって第２のレンズ面アレイ６２上に光源像が形成される構成を例示したが、光源像が第２のレンズ面アレイ６２の近傍に形成されればよい。言い換えれば、光源像は第２のレンズ面アレイ６２と蛍光体９との間あるいは、第２のレンズ面アレイ６２とダイクロイックミラー７との間に形成されればよい。
【０１１８】
また、前述の各実施例においては高反射率のアルミ基板上に蛍光体層を塗布した蛍光体９の構成を例示したが、より具体的には円形のアルミ基板上に周方向に連続して蛍光体層を塗布したホイールをモーターによって回転させる構成であってもよい。このような構成によって蛍光体層上の光源１からのレーザー光が集光する位置が変わり、蛍光体層の劣化を抑制することが可能となる。
【０１１９】
また、前述の各実施例では、導光面としてダイクロイック面７１を設けた構成を例示したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。複数の光源１からの光束を所定の偏光方向に揃え、ダイクロイック面７１の代わりに導光面として偏光分離面を設けた構成等であってもよい。蛍光体９からの光束は偏光方向が乱れた状態で出射するため、偏光分離面では光源１からの光束と波長が同じ光束も照明光学系に導くことが可能となる。
【符号の説明】
【０１２０】
１  光源
８  集光レンズユニット（集光光学系）
９  蛍光体（波長変換素子）
６１  第１のレンズ面アレイ
６２  第２のレンズ面アレイ
７１  ダイクロイック面（導光面）
【図１】
2019140117.tif 000023
【図２】
2019140117.tif 000024
【図３】
2019140117.tif 000025
【図４】
2019140117.tif 000026
【図５】
2019140117.tif 000027
【図６】
2019140117.tif 000028
【図７】
2019140117.tif 000029
【図８】
2019140117.tif 000030
【図９】
2019140117.tif 000031