(57)【要約】【課題】集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系を構成する光学素子の熱的な損傷を低減させることができる光源光学系、それを備える光源装置およびプロジェクタ装置を提供する。【解決手段】集光光学系３０は、光源光学系であり、光源２０から出射される光を集光して略平行光線を形成する。集光光学系３０は、光源２０側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群３１と、負の屈折力を有する第２レンズ群３２とを有する。第１レンズ群３１は、凸レンズである第１レンズ１１および第２レンズ１２を含み、第１レンズ１１および第２レンズ１２は、光源２０と反対側に凸面を向けて配置される。第２レンズ群３２は、凹レンズである第３レンズ１３を含み、第３レンズ１３は、光源２０側に凹面を向けて配置される。【選択図】図１
2015132666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射される光を集光して略平行光線を形成する集光光学系を備え、
前記集光光学系は、前記光源側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群とを有し、
前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する１つまたは複数の正レンズで構成され、前記正レンズは、前記光源と反対側に凸面を向けて配置され、
前記第２レンズ群は、負の屈折力を有する１つまたは複数の負レンズで構成され、前記負レンズは、前記光源側に凹面を向けて配置されることを特徴とする光源光学系。
【請求項２】
前記集光光学系を挟んで前記光源と反対側に、前記集光光学系から与えられる光を収束させて、光学素子に導く伝達光学系を備える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】
光を出射する光源と、
請求項１または２に記載の光源光学系とを備えることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光源装置と、
前記光源装置から与えられる光を用いて、映像情報が表す映像に対応する光像を形成する像形成部と、
前記像形成部によって形成される画像を被投写体に投写する投写部とを備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源光学系、光源光学系を備える光源装置、および光源装置を備えるプロジェクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタ装置などに用いられる光源装置は、光源と、光源から出射される光を予め定める方向に導く光源光学系とを備える。放電ランプに代えて、発光ダイオードおよび半導体レーザ素子などの固体発光素子を光源として用いたプロジェクタ装置の開発が進められている。
【０００３】
固体発光素子は、放電ランプと比較すると、消費電力が小さく、寿命が長いという特長を有する。その反面、固体発光素子を光源として用いた場合、放電ランプを光源として用いた場合に比べて、光源単体では照度および輝度が小さい。したがって、固体発光素子は、高輝度プロジェクタ装置用の光源としては、まだ多くの課題を抱えている。
【０００４】
また、発光ダイオードは、特に緑色の色光の明るさレベルが、他の色の色光に比べて低いので、発光ダイオードだけで三原色を構成しようとすると、数千ルーメン級以上の高輝度プロジェクタ装置を実現することが難しい。
【０００５】
また、半導体レーザ素子に関しても、既に量産レベルにある赤色の色光を発する半導体レーザ素子および青色の色光を発する半導体レーザ素子とは異なり、緑色の色光を発する半導体レーザ素子は、まだ実用レベルの出力に達していない。緑色の色光を発する光源としては、現状では高価な第二高調波発生（Second Harmonic Generation；略称：ＳＨＧ）レーザ素子などに頼らざるを得ない。
【０００６】
以上のように発光ダイオードおよび半導体レーザ素子などの固体発光素子では、緑色の色光を発する光源を安価に実現することは困難である。このことは、固体発光素子が、プロジェクタ装置用の光源として広く普及する妨げとなっている。
【０００７】
緑色の色光を発する光源として、半導体レーザ素子から出射される出射光を励起光とする蛍光体発光を用いた固体光源が提案されている。蛍光体発光を用いた固体光源（以下「蛍光体光源」という場合がある）の多くは、青色の色光を発する半導体レーザ素子を集積して、これらの出射光を蛍光体に導き、蛍光体から出射される緑色の蛍光を集光して利用するものである。
【０００８】
面発光の半導体レーザ素子、発光ダイオードおよび蛍光体光源などの固体光源は、ランバーシアン配光と呼ばれる完全拡散にほぼ等しい配光分布で光を出射する。このような光源から、可能な限り多くの光を受け取って、光源から出射される光の利用効率を高めるためには、光源光学系のうち、光源から出射される光を集光する集光光学系の受光角を大きくすることが必要である。具体的には、受光角が比較的大きい、すなわちＦナンバーが比較的小さい光学素子で集光光学系を構成して、構成した集光光学系を光源の発光面に可能な限り近接させることが有効である（たとえば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２５２６５１号公報（第７−８頁、第５図）
【特許文献２】特表２００９−５４５８９４号公報（第６−７頁、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、面発光レーザ素子、発光ダイオードおよび蛍光体光源などの固体光源の配光分布は、ランバーシアン配光と呼ばれる完全拡散にほぼ等しい分布であるので、固体光源を光源として用いる場合には、集光光学系を構成する光学素子、たとえばレンズを固体光源に近づけるほど、集光効率を向上させることができる。理想的なランバーシアン配光の場合、レンズの取込角を半角で７０°から８０°にできれば、集光光学系に取込まれる光のエネルギーを１０％も増やすことが可能である。
【００１１】
しかし、光源の発光面と集光光学系とを過度に近づけると、集光光学系を構成する光学素子のうち、光源の発光面に最も近い光学素子に集中する光束エネルギーの密度が過大になることがある。また、光源の発光面と光学素子との間隔が過度に狭くなって、十分な冷却性能が得られないことがある。これらによって、光学素子の表面のコーティング、または光学素子の材料そのものに熱的な損傷が与えられ、光学素子の熱的な損傷が生じることがある。
【００１２】
このような不具合を回避するために、たとえば、光源の発光面と集光光学系との距離（以下「ワーキングディスタンス」という場合がある）を大きくしようとすると、単純には集光光学系の焦点距離を長くする必要がある。集光光学系の焦点距離を長くすると、倍率が大きくなるので、集光光学系全体の集光効率が犠牲になる。
【００１３】
また、小さなワーキングディスタンスを維持しようとすると、たとえば、光源の発光面に最も近い光学素子の材料を耐熱性が比較的高いものに変更することが必要になる。また、光学素子の表面の反射防止コートを、レーザ光に対する耐性が比較的高い仕様に変更することが必要になる。このことは、部品のコストの上昇を招く。
【００１４】
本発明の目的は、集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系を構成する光学素子の熱的な損傷を低減させることができる光源光学系、それを備える光源装置およびプロジェクタ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光源光学系は、光源から出射される光を集光して略平行光線を形成する集光光学系を備え、前記集光光学系は、前記光源側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群とを有し、前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する１つまたは複数の正レンズで構成され、前記正レンズは、前記光源と反対側に凸面を向けて配置され、前記第２レンズ群は、負の屈折力を有する１つまたは複数の負レンズで構成され、前記負レンズは、前記光源側に凹面を向けて配置されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光源装置は、光を出射する光源と、本発明の光源光学系とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明のプロジェクタ装置は、本発明の光源装置と、前記光源装置から与えられる光を用いて、映像情報が表す映像に対応する光像を形成する像形成部と前記像形成部によって形成される画像を被投写体に投写する投写部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の光源光学系によれば、集光光学系は、光源側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群とを有する。第１レンズ群を構成する正レンズは、光源と反対側に凸面を向けて配置される。第２レンズ群を構成する負レンズは、光源側に凹面を向けて配置される。
【００１９】
このように構成することによって、集光光学系の受光角と焦点距離とを、予め定める値に維持したまま、光源の発光面と、集光光学系の最も焦点側のレンズの光学面との距離を大きくすることができる。これによって、集光光学系の集光効率を維持したまま、光源の発光面と、第１レンズ群を構成する正レンズのうち最も光源に近いレンズの入射面との間隔が過度に狭くなることを防ぎ、最も光源に近いレンズに入射する光のエネルギーの密度を下げることができる。したがって、集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系を構成する光学素子であるレンズの熱的な損傷を低減させることができる。
【００２０】
本発明の光源装置によれば、前述のような本発明の光源光学系を備えて光源装置が構成される。本発明の光源光学系は、前述のように、集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系を構成する光学素子であるレンズの熱的な損傷を低減させることができる。したがって、他の集光光学系を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい光を与えることができる光源装置を実現することができる。
【００２１】
本発明のプロジェクタ装置によれば、前述のような本発明の光源装置と像形成部と投写部とを備えてプロジェクタ装置が構成される。本発明の光源装置は、集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系を構成する光学素子であるレンズの熱的な損傷を低減させることができる。したがって、本発明の光源装置以外の他の光源装置を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい映像を表示することができるプロジェクタ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態である光源装置１の構成を示す側面図である。
【図２】レトロフォーカス型光学系４０におけるレンズの作用を説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である光源装置２の構成を示す側面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態である光源装置４の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態であるプロジェクタ装置１０の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態である光源装置１の構成を示す側面図である。光源装置１は、光源２０および集光光学系３０を備えて構成される。本実施の形態では、集光光学系３０によって、光源装置１の光源光学系が構成される。集光光学系３０は、光源２０から出射された光を集光して略平行化し、略平行光線を形成する。ここで、「略平行光線」とは、平行光線だけでなく、平行光線にほぼ等しい光線を含む。図１では、集光光学系３０の光軸３３を一点鎖線で示している。集光光学系３０は、光源２０側から順に、第１レンズ群３１および第２レンズ群３２を有する。
【００２４】
第１レンズ群３１は、第１レンズ１１および第２レンズ１２を備える。第２レンズ群３２は、第３レンズ１３を備える。本実施の形態では、第１レンズ群３１は、第１レンズ１１および第２レンズ１２で構成され、第２レンズ群３２は、第３レンズ１３で構成される。ここで、「レンズ群」は、複数のレンズで構成される場合だけでなく、１つのレンズで構成される場合を含む。
【００２５】
第１レンズ群３１および第２レンズ群３２によって、集光光学系３０のレンズ系が構成される。ここで、「レンズ系」とは、光学系のうち、レンズで構成される部分をいう。本実施の形態では、集光光学系３０は、第１レンズ群３１および第２レンズ群３２のみで構成されるので、集光光学系３０自体がレンズ系となる。たとえば、光学系がレンズとレンズ以外の光学素子とを含む場合には、光学系からレンズ以外の光学素子を除いた構成がレンズ系となる。
【００２６】
光源２０は、発光面２０ａから光を出射する面光源である。光源２０は、たとえば、面発光の半導体レーザ素子、発光ダイオード、または半導体レーザ素子から出射される出射光を励起光とする蛍光体発光を用いた蛍光体光源などの固体光源によって実現される。光源２０は、発光面２０ａの中心が、集光光学系３０の焦点位置に配置されるように設けられる。図１では、光源２０の発光面２０ａの中心から最も大きな発散角で出射する光線３４を実線で示している。
【００２７】
第１レンズ群３１を構成する第１レンズ１１および第２レンズ１２は、正の屈折力を有する正レンズ、具体的には凸レンズによって実現される。第１レンズ１１および第２レンズ１２は、光源２０と反対側に凸面を向けて配置される。第２レンズ群３２を構成する第３レンズ１３は、負の屈折力を有する負レンズ、たとえば凹レンズによって実現される。第３レンズ１３は、光源２０側に凹面を向けて配置される。
【００２８】
光源２０の発光面２０ａから出射される発散光は、凸レンズである第１レンズ１１と、同じく凸レンズである第２レンズ１２とを通過して徐々に収束され、凹レンズである第３レンズ１３によって略平行化される。
【００２９】
このように、第１レンズ群３１は、凸レンズで構成される凸レンズ系であり、正のパワー、すなわち正の屈折力を有する。第２レンズ群３２は、凹レンズで構成される凹レンズ系であり、負のパワー、すなわち負の屈折力を有する。
【００３０】
以上の第１レンズ群３１と第２レンズ群３２とで構成される集光光学系３０のレンズ構成は、レトロフォーカス型と呼ばれる。レトロフォーカス型のレンズ構成を有する光学系（以下「レトロフォーカス型光学系」という場合がある）は、単一のレンズで構成される光学系に比べて、レンズの最終面と像面との距離を長くすることができるという特徴を有する。集光光学系３０をレトロフォーカス型のレンズ構成にすることによって、集光光学系３０を単一のレンズで構成する場合に比べて、レンズの最終面である第３レンズ１３の出射面と像面との距離を長くすることができる。
【００３１】
図２は、レトロフォーカス型光学系４０におけるレンズの作用を説明するための図である。図２（ａ）は、レトロフォーカス型光学系４０の構成の一例を示す側面図である。図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０は、凹レンズ４１および凸レンズ４２を備える。凹レンズ４１および凸レンズ４２によって、レトロフォーカス型光学系４０のレンズ系が構成される。
【００３２】
図２（ａ）では、無限遠から入射する光線４４が、レトロフォーカス型光学系４０を構成する２枚のレンズである凹レンズ４１および凸レンズ４２によって収束する場合を示している。凹レンズ４１および凸レンズ４２は、一点鎖線で示される光軸４３上に配置される。
【００３３】
図２（ａ）における光線４４の向きは、凹レンズ４１から凸レンズ４２に向かう向きであり、図１における光線３４の向き、すなわち凸レンズ１１，１２から凹レンズ４１に向かう向きとは反対になっているが、図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０のレンズ系の機能は、図１に示す集光光学系３０のレンズ系の機能と同一である。
【００３４】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０のレンズ系と同じ焦点距離を有するレンズ系を１枚の凸レンズ４６で構成した光学系（以下「単一レンズ光学系」という場合がある）４５の構成を示す側面図である。図２（ｂ）では、無限遠から入射する光線４４が、単一レンズ光学系４５を構成する１枚のレンズである凸レンズ４６によって収束する場合を示している。
【００３５】
図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０において、無限遠から入射する光線４４は、実線の矢印で示されるように、平行光線として凹レンズ４１に入射した後、屈折して発散光線となり、凸レンズ４２に入射する。凸レンズ４２から出射した光線４４は、再び収束光線となり、光軸４３と交わる。図２（ａ）では、凹レンズ４１を屈折せずに透過した光線４４を参照符号「４４ａ」および破線で示し、凸レンズ４２から出射した光線４４を参照符号「４４ｂ」で示す。凸レンズ４２から出射した光線４４ｂと光軸４３との交点が、焦点Ｆ’である。
【００３６】
また、凹レンズ４１に入射する平行光線４４ａと凸レンズ４２から出射した収束光線４４ｂとの交点Ｑ’から光軸４３に下した垂線の足が、光軸４３と交わる点を、主点Ｈ’という。主点Ｈ’と焦点Ｆ’との距離ｆ’を、レトロフォーカス型光学系４０を構成するレンズ系の焦点距離（以下「合成焦点距離」という場合がある）という。
【００３７】
凸レンズ４２の出射面４２ａの頂点Ｐ’から焦点Ｆ’までの距離ｓ’は、バックフォーカスと呼ばれる。このバックフォーカスｓ’が合成焦点距離ｆ’よりも長くなる点が、レトロフォーカス型光学系４０の特徴である。
【００３８】
これに対し、図２（ｂ）に示す単一レンズ光学系４５のように、１枚の凸レンズ４６で光学系を構成すると、主点Ｈ’が凸レンズ４６の中に存在することになり、バックフォーカスｓ’が合成焦点距離ｆ’よりも短くなる。
【００３９】
このことから、単一レンズ光学系４５で合焦しようとすると、凸レンズ４６を、より一層、焦点Ｆ’に近づけなければならないことが分かる。言い換えると、図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０の構成によれば、合成焦点距離ｆ’を維持したまま、長いバックフォーカスｓ’を得ることが可能となる。
【００４０】
また、図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０の最も焦点Ｆ’寄りのレンズ（以下「最終レンズ」という場合がある）である凸レンズ４２と、図２（ｂ）に示す単一レンズ光学系４５の最終レンズである凸レンズ４６とを単レンズとして比べると、以下のことが分かる。バックフォーカスｓ’の比がレンズの大きさの比にほぼ等しくなっており、レトロフォーカス型光学系４０の凸レンズ４２が、単一レンズ光学系４５の凸レンズ４６よりも大きくなっている。
【００４１】
したがって、たとえば、レトロフォーカス型のレンズ構成を採用して元の２倍のバックフォーカスｓ’を確保しようとすると、最終レンズは、元のほぼ２倍の大きさにしなければならないことになる。
【００４２】
その反面、図２（ａ）に示すレトロフォーカス型光学系４０と図２（ｂ）に示す単一レンズ光学系４５とにおいて、無限遠からの光線４４の光軸４３からの高さが変わらないことから、レトロフォーカス型のレンズ構成を採用しても、集光光学系と組み合わせる他の光学系の大きさに与える影響はほとんどないことが分かる。
【００４３】
以上のことから明らかなように、前述の図１に示す本実施の形態の光源装置１では、集光光学系３０の受光角と焦点距離とを、予め定める値に維持したまま、集光光学系３０のバックフォーカスを長くすることができる。これによって、光源２０の発光面２０ａと第１レンズ１１の入射面１１ａとの間隔ｄ１が過度に狭くなることを防ぎ、第１レンズ１１に入射する光のエネルギーの密度を下げることができる。
【００４４】
したがって、集光効率を犠牲にすることなく、第１レンズ１１などの集光光学系３０を構成する光学素子の熱的な損傷を低減させることができる。また、光源２０の発光面２０ａと第１レンズ１１との間の通風性を高めることができるので、第１レンズ１１などの光学素子の損傷を回避するために、より積極的な対策を講じることができる。たとえば、不図示の冷却手段を設けて、第１レンズ１１の表面の温度を下げることによって、第１レンズ１１などの光学素子の熱的な損傷を回避することができる。
【００４５】
以上のように本実施の形態によれば、集光光学系３０は、光源２０側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群３１と、負の屈折力を有する第２レンズ群３２とを有する。第１レンズ群３１を構成する第１レンズ１１および第２レンズ１２は、光源２０と反対側に凸面を向けて配置される。第２レンズ群３２を構成する第３レンズ１３は、光源２０側に凹面を向けて配置される。
【００４６】
このように構成することによって、集光光学系３０の受光角と焦点距離とを、予め定める値に維持したまま、集光光学系３０のバックフォーカス、すなわち光源２０の発光面２０ａと、集光光学系３０の最も焦点側のレンズである第３レンズ１３の光学面４２ａとの距離を大きくすることができる。これによって、集光光学系３０の集光効率を維持したまま、光源２０の発光面２０ａと第１レンズ１１の入射面１１ａとの間隔ｄ１が過度に狭くなることを防ぎ、第１レンズ１１に入射する光のエネルギーの密度を下げることができる。したがって、集光光学系３０の集光効率を犠牲にすることなく、集光効率を比較的高く維持して、第１レンズ１１の熱的な損傷を低減させることができる。
【００４７】
また、本実施の形態では、以上のように光学素子の熱的な損傷を回避するために、光源の発光面に最も近い光学素子である第１レンズ１１の材料を耐熱性が比較的高いものに変更する必要がない。また、たとえば光源２０が半導体レーザ素子で構成される場合に、光学素子の表面の反射防止コートを、レーザ光に対する耐性が比較的高い仕様に変更する必要がない。これによって、光学素子のコストを比較的低く抑えることができる。したがって、前述のように集光光学系３０の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系３０を構成する第１レンズ１１などの光学素子の熱的な損傷を低減させることができる集光光学系３０を、比較的安価に実現することができる。
【００４８】
このような集光光学系３０を備えて光源装置１が構成される。集光光学系３０では、集光光学系の集光効率を犠牲にすることなく、比較的高く維持することができるので、光源２から出射される光の利用効率を上げて、光量を増加させることができる。また、集光光学系３０を構成する第１レンズ１１などの光学素子の熱的な損傷を低減させることができるので、信頼性を向上させることができる。したがって、集光光学系３０以外の他の集光光学系を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい光を与えることができる光源装置１を実現することができる。
【００４９】
また、前述のように、集光光学系３０は、比較的安価に実現することができるので、このように集光光学系３０以外の他の集光光学系を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい光を与えることができる光源装置１を、比較的安価に実現することができる。
【００５０】
以上に述べた本実施の形態では、前述の図１に示すように、第１レンズ群３１は２枚の凸レンズ１１，１２で構成され、第２レンズ群３２は１枚の凹レンズ１３で構成されているが、第１レンズ群３１および第２レンズ群３２を構成するレンズの枚数は、これに限られない。たとえば、より多くのレンズを組み合わせて第１レンズ群３１および第２レンズ群３２を構成してもよい。
【００５１】
また、第１レンズ群３１を構成する正レンズ、および第２レンズ群３２を構成する負レンズとしては、非球面レンズを用いてもよい。たとえば、第１レンズ群３１を構成する正レンズ、および第２レンズ群３２を構成する負レンズの一方、または両方として非球面レンズを用いることによって、第１レンズ群３１および第２レンズ群３２を構成するレンズの枚数を軽減することができる。
【００５２】
＜第２の実施の形態＞
図３は、本発明の第２の実施の形態である光源装置２の構成を示す側面図である。本実施の形態の光源装置２は、第１の実施の形態の光源装置１と構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符号を付して、説明を省略する。
【００５３】
前述の図１に示すように、第１の実施の形態における集光光学系３０は、第２レンズ群３２を構成する第３レンズ１３を通過した後の光線３４が略平行光線となるように構成される。これによって、たとえば、集光光学系３０の次段の光学系として、第３レンズ１３を通過した後の略平行光線の中に、その略平行光線を整形するための他の光学系を配置する場合に、他の光学系には負担をかけないように集光光学系３０の設計を行うことができる。換言すれば、集光光学系３０と他の光学系とを独立して設計することができるので、集光光学系３０および他の光学系の設計の自由度を上げることができる。
【００５４】
図３に示す本実施の形態の光源装置２は、集光光学系３０の次段に他の光学系を追加した構成の一例である。本実施の形態の光源装置２は、光源２１、光源光学系３およびライトパイプ６０を備えて構成される。光源２１は、ランバーシアン配光を示す面光源である。ここで、「ランバーシアン配光」とは、完全拡散にほぼ等しい配光分布をいう。
【００５５】
光源光学系３は、第１の実施の形態と同様の集光光学系３０と、他の光学系、具体的には収束光学系５０と、ライトパイプ６０とを備える。収束光学系５０は、集光光学系３０を挟んで光源２１と反対側に設けられる。収束光学系５０は、集光光学系３０から与えられる光を収束させてライトパイプ６０に導く伝達光学系として機能する。
【００５６】
収束光学系５０は、第４レンズ５１および第５レンズ５２を備える。第４レンズ５１は、凸レンズによって実現される。第５レンズ５２は、フィールドレンズによって実現される。
【００５７】
光源２１の発光面２１ａは、光源光学系３の焦点位置に配置されているので、第３レンズ１３を通過した光は略平行光線となる。本実施の形態では、収束光学系５０を構成する第４レンズ５１および第５レンズ５２によって、第３レンズ１３を通過した略平行光線を収束し、ライトパイプ６０に導くことができる。
【００５８】
したがって、第１の実施の形態と同様の集光光学系３０と、第４レンズ５１および第５レンズ５２で構成される収束光学系５０との組み合わせによって、光源光学系３の全体の倍率を決定することができるので、拡大系および縮小系のいずれの光源光学系３も実現することができる。
【００５９】
第５レンズ５２を構成するフィールドレンズは、光源２１の発光面２１ａから出射された光が集光されて形成されるスポット像（以下「集光スポット像」という場合がある）の像面の近傍に配置される。フィールドレンズは、主に、集光スポット像の周辺の光の進行方向を変える機能を有する光学素子である。
【００６０】
ライトパイプ６０は、不均一な空間光強度を有する光源を均一にする光学素子である。ライトパイプ６０の出射端面に均一な面光源が形成される。ライトパイプ６０は、たとえばプロジェクタ装置に用いられ、ライトバルブを均一に照明するために、ライトパイプ６０の出射端面に面光源を形成する。ライトパイプ６０としては、たとえば、中空のライトトンネル、または中実のロッドインテグレータが用いられる。
【００６１】
本実施の形態における光源光学系３は、光源２１の発光面２１ａから出射された光を集光して集光スポット像を形成する結像光学系として構成される。集光スポット像の像面の近傍に、ライトパイプ６０の入射端面６０ａが配置される。ライトパイプ６０は、その入射端面６０ａが、集光スポット像の像面におけるサイズよりも大きいサイズを有するように構成される。
【００６２】
このように集光スポット像の像面におけるサイズよりも大きいサイズの入射端面６０ａを有するライトパイプ６０を配置することによって、光の利用効率が比較的高い光源光学系３を実現することができる。
【００６３】
以上のように本実施の形態によれば、集光光学系３０と収束光学系５０とを独立して設計することができるので、集光光学系３０および収束光学系５０の設計の自由度を上げることができる。これによって、レトロフォーカス型のレンズ構成とした集光光学系３０に、収束光学系５０を自由に組み合わせて、光源光学系３の全体の倍率を決定することができる。したがって、集光光学系３０の集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系３０を構成する第１〜第３レンズ１１〜１３の熱的な損傷を低減させることができる光源光学系３として、拡大系および縮小系のいずれの光源光学系３も実現することができる。
【００６４】
＜第３の実施の形態＞
図４は、本発明の第３の実施の形態である光源装置４の構成を示す平面図である。本実施の形態の光源装置４は、３つの光源２３，２４，２５と、３つの集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと、第１リレーレンズ１４、第２リレーレンズ１５、フィールドレンズ１６、ライトパイプ６１、第１ダイクロイックミラー７１、折り曲げミラー７２および第２ダイクロイックミラー７３とを備える。
【００６５】
各集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂは、前述の図１に示す第１の実施の形態における光源光学系である集光光学系３０と同一の構成を有する。したがって、本実施の形態における各集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて、第１の実施の形態における集光光学系３０を構成する第１レンズ１１、第２レンズ１２、第３レンズ１３、第１レンズ群３１および第２レンズ群３２と同一の構成については、同一の参照符号に、各集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂに対応する添字「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」を付して示し、共通する説明を省略する。
【００６６】
本実施の形態では、３つの集光光学系３０を組み合わせて、異なる３つの光源２３，２４，２５からの光を合成して、最終的にひとつのライトパイプ６１へ導く合成光学系が構成されている。
【００６７】
以下の説明では、３つの光源２３，２４，２５を、順に、第１光源２３、第２光源２４、第３光源２５という。第１光源２３、第２光源２４および第３光源２５は、発光波長が異なる。本実施の形態では、第１光源２３は、赤色の色光を発する光源であり、第２光源２４は、緑色の色光を発する光源であり、第３光源２５は、青色の色光を発する光源である。
【００６８】
これらの３つの光源２３，２４，２５からの発散光は、それぞれ、３枚のレンズで構成される集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂで略平行化される。これは、第１の実施の形態における集光光学系３０と同様である。以下の説明では、３つの集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを、順に、第１集光光学系３０Ｒ、第２集光光学系３０Ｇ、第３集光光学系３０Ｂという。
【００６９】
第１集光光学系３０Ｒは、赤色の色光を発する第１光源２３に対応して設けられ、第１光源２３から出射された赤色の色光を集光して、略平行光線を生成する。第２集光光学系３０Ｇは、緑色の色光を発する第２光源３４に対応して設けられ、第２光源２３から出射された緑色の色光を集光して、略平行光線を生成する。第３集光光学系３０Ｂは、青色の色光を発する第３光源３５に対応して設けられ、第３光源２５から出射された青色の色光を集光して、略平行光線を生成する。
【００７０】
第１集光光学系３０Ｒは、正のパワーを有する第１レンズ群３１Ｒと、負のパワーを有する第２レンズ群３２Ｒとから成るレトロフォーカス型の構成である。第１レンズ群３１Ｒは、第１レンズ１１Ｒおよび第２レンズ１２Ｒで構成される。第２レンズ群３２Ｒは、第３レンズ１３Ｒで構成される。
【００７１】
同様に、第２集光光学系３０Ｇは、第１レンズ１１Ｇおよび第２レンズ１２Ｇで構成される第１レンズ群３１Ｇと、第３レンズ１３Ｇで構成される第２レンズ群３２Ｇとから成るレトロフォーカス型の構成である。また、第３集光光学系３０Ｂは、第１レンズ１１Ｂおよび第２レンズ１２Ｂで構成される第１レンズ群３１Ｂと、第３レンズ１３Ｂで構成される第２レンズ群３２Ｂとから成るレトロフォーカス型の構成である。
【００７２】
第１光源２３から出射された光は、第１集光光学系３０Ｒによって略平行光線になった後、第１ダイクロイックミラー７１に入射する。同様に、第２光源２４から出射された光は、第２集光光学系３０Ｇによって略平行光線になった後、第１ダイクロイックミラー７１に入射する。
【００７３】
第１ダイクロイックミラー７１によって、赤色の色光である第１光源２３からの略平行光線と、緑色の色光である第２光源２４からの略平行光線とが合成される。合成された略平行光線は、第１集光光学系３０Ｒおよび第２集光光学系３０Ｇに共通して設けられる第１リレーレンズ１４によって収束され、第２ダイクロイックミラー７３に入射する。
【００７４】
第３光源３５から出射された光は、第３集光光学系３０Ｂによって略平行光線になった後、折り曲げミラー７２で光路が曲げられ、第２リレーレンズ１５で収束された後、第２ダイクロイックミラー７３に入射する。
【００７５】
第２ダイクロイックミラー７３によって、第１ダイクロイックミラー７１で合成された赤色および緑色の略平行光線と、第３光源２５からの青色の略平行光線とが合成される。合成された３色の色光からなる集光光束は、さらにフィールドレンズ１６を経てライトパイプ６１に導かれる。
【００７６】
以上のように、複数の集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと、第１ダイクロイックミラー７１および第２ダイクロイックミラー７３などのダイクロイックミラーとを備える合成光学系で構成することによって、発光波長が異なる複数の光源２３，２４，２５を備える光源装置４を簡単に構成することができる。
【００７７】
本実施の形態では、理解を容易にするために、発光波長が異なる３つの光源２３，２４，２５からの光を、同一の構成の集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂで集光する構成としたが、光利用効率の向上のためには、波長別に結像光学系を設計して最適化を行い、これらを合成する光学系を構成することが望ましい。
【００７８】
また、本実施の形態のように複数の光源２３，２４，２５を備える光源装置４では、光を合成するために、内部の光源光学系が必然的に折り曲げられることになる。これによって、光源装置４の大型化を抑えて、集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂをレトロフォーカス型の構成とすることができる。
【００７９】
また、集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂをレトロフォーカス型の構成とすることによって、焦点距離に対するバックフォーカスの比を大きくすることができるので、光源に対向してレンズを精度良く配置するための構造部品への精度の要求を緩和することが可能となる。これによって、実装設計のコストを抑制することができる。
【００８０】
＜第４の実施の形態＞
図５は、本発明の第４の実施の形態であるプロジェクタ装置１０の構成を示す平面図である。プロジェクタ装置１０は、前述の図４に示す第３の実施の形態の光源装置４と、ライトバルブ８０、投写用リレーレンズ８１、投写用折り曲げミラー８２および投写レンズ８３とを備えて構成される。ライトバルブ８０は像形成部として機能し、投写レンズ８３は投写部として機能し、スクリーン９０は被投写体として機能する。
【００８１】
投写用リレーレンズ８１は、光源装置１０からの光をライトバルブ８０に導く。投写用折り曲げミラー８２は、投写用リレーレンズ８１とライトバルブ８０との間の光路の途中に配置され、投写用リレーレンズ８１からの光の光路を折り曲げ、投写用リレーレンズ８１からの光をライトバルブ８０に導く。
【００８２】
ライトバルブ８０は、投写用リレーレンズ８１および投写用折り曲げミラー８２によって導かれた光に、映像情報を重畳して変調し、変調光を生成する。ライトバルブ８０によって映像情報が重畳された変調光は、ライトバルブ５０に対向して配置された投写レンズ８３によって拡大して投写される。これによって、拡大された映像がスクリーン９０上に表示される。
【００８３】
このように、光源装置４は、ライトバルブ８０、投写用リレーレンズ８１、投写用折り曲げミラー８２および投写レンズ８３で構成されるプロジェクタ光学系と容易に組み合わせることができる。光源装置４をプロジェクタ光学系と組み合わせることによって、比較的出力が大きい半導体レーザ素子などで実現される光源２３，２４，２５からの熱によって、第１〜第３レンズ１１，１２，１３などの光学素子が損傷することを防ぐことができる。したがって、光源装置４以外の他の光源装置を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい映像を表示することができるプロジェクタ装置１０を実現することができる。
【００８４】
以上のように本実施の形態によれば、光源装置４を備えてプロジェクタ装置１０を構成することによって、集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの集光効率を犠牲にすることなく、集光光学系３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを構成する第１レンズ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂなどの光学素子の熱的な損傷を低減させることができる。したがって、光源装置４以外の他の光源装置を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい映像を表示することができるプロジェクタ装置１０を実現することができる。
【００８５】
また、前述のように、集光光学系３０，３０Ｇ，３０Ｂは、比較的安価に実現することができるので、このように集光光学系３０以外の他の集光光学系を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい光を与えることができる光源装置４を、比較的安価に実現することができる。したがって、前述のように光源装置４以外の他の光源装置を備える場合に比べて、信頼性が高く、明るい映像を表示することができるプロジェクタ装置１０を、比較的安価に実現することができる。
【００８６】
以上に述べた本実施の形態では、光源装置４をプロジェクタ装置１０に適用した場合について説明したが、プロジェクタ装置１０への適用に限る必要はなく、光源装置４の利点を生かせるものであれば、様々な装置に適用することができ、プロジェクタ装置１０に適用した場合と同様に実施可能である。
【００８７】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１，２，４  光源装置、３  光源光学系、１０  プロジェクタ装置、１１  第１レンズ、１２  第２レンズ、１３  第３レンズ、１４  第１リレーレンズ、１５  第２リレーレンズ、１６  フィールドレンズ、２０，２１，２３，２４，２５  光源、２０ａ，２１ａ  発光面、３０，３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ  集光光学系、３１  第１レンズ群、３２  第２レンズ群、３３，４３  光軸、４０  レトロフォーカス型光学系、４１  凹レンズ、４２  凸レンズ、５０  収束光学系、５１  第４レンズ、５２  第５レンズ、６０，６１  ライトパイプ、７１  第１ダイクロイックミラー、７２  折り曲げミラー、７３  第２ダイクロイックミラー、８０  ライトバルブ、８１  投写用リレーレンズ、８２  投写用折り曲げミラー、８３  投写レンズ。
【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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