(57)【要約】【課題】  半導体レーザーの発光点とコリメータレンズとの位置誤差（取付誤差）により、蛍光体面におけるスポットの光密度が大きく変動してしまい、光源装置の性能が大きくばらついてしまう可能性があった。【解決手段】  蛍光体と、光源からの光束を前記蛍光体に照射する導光光学系と、を備え、蛍光体から発した光束を射出する光源装置であって、導光光学系は非球面レンズを有しており、この非球面レンズは、非球面の頂点と非球面の有効領域の端とを通る球面の形状と非球面の形状との差の、光軸からの距離に対する２階微分値の符号が、光軸から有効領域の端までの間に２回以上変化するように、構成されている。【選択図】  図１
2015146275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光体と、光源からの光束を前記蛍光体に照射する導光光学系と、を備え、前記蛍光体から発した光束を射出する光源装置であって、
前記導光光学系は非球面を含む非球面レンズを有しており、
前記光軸に関して対称で前記非球面の頂点と前記非球面の有効領域の端とを通る球面の形状と前記非球面の形状との差の、前記光軸からの距離に対する２階微分値の符号が、前記光軸から前記有効領域の端までの間に２回以上変化するように、前記非球面レンズが構成されている、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記非球面レンズの光軸を通り、互いに垂直な２つの断面のうち、前記光源から光束が放射される角度幅が広い断面を第１断面、前記角度幅が狭い断面を第２断面とするとき、
前記非球面は、前記第１断面における形状が非球面であり、前記第２断面における形状が球面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記非球面レンズは、前記光源から発する光束を平行光束に変換するためのコリメータレンズである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
固体光源から発した光束を平行光束に変換するためのコリメータレンズを備えた光源装置であって、
前記コリメータレンズは非球面を含む非球面レンズであり、
前記光軸に関して対称で前記非球面の頂点と前記非球面の有効領域の端とを通る球面の形状と前記非球面の形状との差の、前記光軸からの距離に対する２階微分値の符号が、前記光軸から前記有効領域の端までの間に２回以上変化するように、前記非球面レンズが構成されている、
ことを特徴とする光源装置。
【請求項５】
前記非球面レンズの光軸を通り、互いに垂直な２つの断面のうち、前記光源から光束が放射される角度幅が広い断面を第１断面、前記角度幅が狭い断面を第２断面とするとき、
前記非球面は、前記第１断面における形状が非球面であり、前記第２断面における形状が球面である、
ことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
光変調素子と、請求項１乃至５いずれか１項に記載の光源装置と、前記光源装置からの光で前記光変調素子を照明する照明光学系と、を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記照明光学系が、前記光源装置からの光束を直線偏光光束に変換するための偏光変換素子を有しており、
前記非球面レンズの光軸を通り、互いに垂直な２つの断面のうち、前記光源から光束が放射される角度幅が広い断面を第１断面、前記角度幅が狭い断面を第２断面とするとき、前記偏光変換素子に含まれる複数の細長い偏光分離素子の長手方向が、前記第１断面と平行である、
ことを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置およびこれを用いた画像表示装置、プロジェクター等に関する発明である。特に半導体レーザーなどの固体光源を光源として用いた光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力レーザーダイオードから発する光束を励起光として蛍光体に照射し、蛍光体において励起光とは異なる波長の光に変換された蛍光光を光源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においては、蛍光体においてかなり高輝度の励起光が照射されることとなる。
【０００３】
一般的に、蛍光体は無機材料であり、蛍光体自体は耐熱特性、耐光特性は高い。しかしながら、蛍光体を金属板などに固定するために有機材料のバインダーを使用する必要があるため、そのバインダーが高輝度の光や温度上昇によって劣化し、結果として蛍光体の光変換効率を低下させてしまう場合があった。
【０００４】
下記の特許文献１は、蛍光体面上のレーザー光束を収束させる際に、光密度を落とすことにより、上記の劣化を防ぐ技術を開示している。具体的には、レーザーダイオードの直後に配置するコリメータレンズをアナモフィックレンズにすることによって、２つの断面におけるピント位置をずらし、蛍光体面上のスポットをぼかしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１７３６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような光学系においてレーザーダイオードとコリメータレンズの位置関係は必然的に非常に敏感度が高くなる。レンズの取り付け誤差やさらにはレーザーダイオードの発光点も誤差を持っているため蛍光体面の集光スポットは変動する。図８は、この特許文献１の技術を採用したコリメータレンズを用いて蛍光体面上にスポットを形成した例である。この図８から、発光点が０．１ｍｍずれるだけで大きくスポットのサイズや密度が変化してしまうのがわかる。つまり、わずかな取付誤差によって、輝度が大きく落ちてしまったり、逆に蛍光体面上の光密度がかなり高くなってしまったりすることとなる。
【０００７】
本発明では、わずかな取付誤差により、輝度低下や光束の過度の密集を避けることが可能な光源装置及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題の解決の為に、本発明の光源装置は、蛍光体と、光源からの光束を前記蛍光体に照射する導光光学系と、を備え、前記蛍光体から発した光束を射出する光源装置であって、前記導光光学系は非球面を含む非球面レンズを有しており、前記光軸に関して対称で前記非球面の頂点と前記非球面の有効領域の端とを通る球面の形状と前記非球面の形状との差の、前記光軸からの距離に対する２階微分値の符号が、前記光軸から前記有効領域の端までの間に２回以上変化するように、前記非球面レンズが構成されている、ことを特徴としている。
【０００９】
また、別側面の光源装置は、固体光源から発した光束を平行光束に変換するためのコリメータレンズを備えた光源装置であって、前記コリメータレンズは非球面を含む非球面レンズであり、前記光軸に関して対称で前記非球面の頂点と前記非球面の有効領域の端とを通る球面の形状と前記非球面の形状との差の、前記光軸からの距離に対する２階微分値の符号が、前記光軸から前記有効領域の端までの間に２回以上変化するように、前記非球面レンズが構成されている、ことを特徴としている。
【００１０】
更に、本願発明の画像表示装置は、光変調素子と、前述の光源装置と、前記光源装置からの光で前記光変調素子を照明する照明光学系と、を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、わずかな取付誤差により、輝度低下や光束の過度の密集を避けることが可能な光源装置及び画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例で示す光源装置の構成説明図
【図２】本発明の実施例で用いる光源光および蛍光光のスペクトル特性図
【図３】本発明の実施例で用いる光路変換素子の分光反射特性図
【図４】本発明の実施例の全系における横収差図
【図５】本発明の実施例で用いるコリメータレンズの断面形状と参照Ｒを説明した図
【図６】本発明の実施例で用いるコリメータレンズの参照Ｒとの差分の２次微分値を示した図
【図７】本発明のコリメータレンズにおいて光源発光点がずれた時の蛍光体面スポット変化
【図８】一般的なコリメータレンズにおいて光源発光点がずれた時の蛍光体面スポット変化
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の光源装置、画像表示装置の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本実施例の光源装置は、図１に示す通りである。１は、４４８ｎｍの青色光を発するレーザーダイオードであり、このレーザーダイオード１の発光スペクトルは図２（ａ）に示す通りである。そして、蛍光体６は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系を主材料とした蛍光材料であり、前述の青色光を励起光として緑色光及び赤色光を含む蛍光光（波長変換された光）を発する。この蛍光光の波長スペクトルは図２（ｂ）に示す通りである。また、この蛍光体６は、ミラー或いは金属等に固定されているため、蛍光体に入射した光束は蛍光体に入射した後、蛍光体、ミラー、金属のいずれかの作用によって、後述する集光光学系５の方向に射出される。
【００１５】
前述のレーザーダイオード（光源）１から発した光束はコリメータレンズ２によって（略）平行光束に変換された上で、この平行光束は導光光学系３〜５によって蛍光体６に照射される。この導光光学系は、コリメータレンズ２からの平行光束の光束径を小さくする（光束幅を狭める）圧縮光学系３、ダイクロイックミラー（光路変換素子）４、ダイクロイックミラー４を透過した光束を蛍光体６上に集光する集光光学系５を有している。この集光光学系５は、３枚の正レンズで構成されており（複数枚の正レンズ、或いは複数枚の正レンズと１枚以上の負レンズで構成しても良い）、蛍光体６上に光束を集光すると共に、蛍光体６からの発散光束を略平行光束に変換してダイクロイックミラー４に入射させる。
【００１６】
ここでダイクロイックミラー４は、図３に示すように、前述のレーザーダイオード１から発する波長４４８ｎｍの光を含む４６５ｎｍ以下の波長の光（青色光）を透過し、それより波長が長い光（緑色光、赤色光）を反射する特性を持っている。従って、レーザーダイオードからコリメータレンズ２、圧縮光学系３を介した光束は波長が４４８ｎｍのままであるためダイクロイックミラー４を透過して蛍光体６に導かれる。そして、波長４４８ｎｍの青色光を励起光として発せられた蛍光光（緑色光、青色光）、つまり蛍光体６で波長を変換された光、はダイクロイックミラー４で反射されて、図１の下方に向って射出される。この図１の下方（下流）には、液晶パネル、ミラーデバイス等の光変調素子や、この光源装置から射出された光束をこれらの光変調素子に導く照明光学系や、光変調素子から出射した光束をスクリーン等に投影する投影光学系などが配置されている。
【００１７】
このような構成の下で、本発明においては、蛍光体６の耐久性や蛍光変換効率の観点からレーザー光束の蛍光体面におけるスポットの光密度が、局所的に高くなることなく且つ僅かな製造・取り付け誤差やレーザーの発光点位置誤差などに影響されずに安定していることが重要である。
【００１８】
図４は、本実施例によるコリメータレンズを使用した際の蛍光体面上における横収差図である。瞳全体に高次のうねりが発生している。
【００１９】
図５は、本実施例の非球面レンズの断面形状を示した図であり、実線のＡＳＰＨは本実施例のコリメータレンズの非球面形状を表しており、破線のｒｅｆＲはコリメータレンズ頂点と有効径端（有効領域の端）を結ぶ球面（以下、参照球面Ｒ（ｒｅｆＲ））を示している。ここでの断面は、非球面レンズの光軸（両断面が非球面の場合はいずれか一方の光軸）を通る所定の断面である。
【００２０】
図６は、図５で示した非球面ＡＳＰＨと参照球面ｒｅｆＲとの差分を計算し、この差分を光軸からの距離（光軸に対する位置）で２次微分（２階微分）したものである。２次微分値の正負が有効径の範囲内（有効領域内）で３回入れ替わっており、この効果で図４のようなうねり状の収差が得られている。
【００２１】
図７は、このコリメータレンズ２を使用したときの効果を示す図である。レーザーダイオード１とコリメータレンズ２との間に、０．１ｍｍの相対誤差が発生してもスポットの形状はほとんど変化せず、その輝度も図８の変化に比べるとかなり変化が小さいことが分かる。すなわち、本実施例によれば、取付誤差等の誤差要因により蛍光体面上のスポットの変化は微小であり、耐久性や明るさといったばらつきを大幅に抑えることができる、という効果が得られる。
【００２２】
本実施例の光源装置についてまとめると下記の通りとなる。まず、蛍光体と、光源からの光束を前記蛍光体に照射する導光光学系と、を備え、蛍光体から発した光束を射出する光源装置である。その上で、導光光学系は非球面レンズ（実施例ではコリメータレンズ３）を有している。その上で、この非球面レンズの非球面は、非球面レンズの光軸に関して（後述する第１断面において）対称で、この非球面レンズの非球面成分（非球面量）を光軸からの距離で２階微分した値が、光軸から有効領域の端に至るまでの間に２回以上（実施例では３回）符号が変化する形状となっている。つまり、非球面の頂点と非球面の有効領域の端とを通る球面と、非球面との形状の差が、光軸からの距離に対する２階微分値の符号が光軸から有効領域の端までの間に２回以上変化する、形状となっている。
【００２３】
ここで、有効領域とは、当該レンズに照射された光の強度（単位面積当たりの光量）が、最大値の５％以上（或いは３％以上）である領域とし、有効領域の端とは、有効領域の中で光軸から最も離れた位置を指すこととする。また２次微分値（２階微分値）は、有効領域内における非球面（の形状）と、非球面の頂点（光軸上の点）と有効領域の端とで定義される（参照）球面（の形状）との差分を、光軸からの距離（光軸に対する位置）で２階微分した値である。非球面と（参照）球面との差分は、非球面成分、或いは非球面量、と言い換えても構わない。また、光軸から有効領域の端までの間に２回以上変化する、を言い換えると、光軸からの距離が０から、有効領域の半径の値となるまでの間に２回以上プラスとマイナスが入れ替わることを意味している。また、ここでの（参照）球面は、非球面の光軸（非球面の頂点を通り非球面と垂直な軸）に関して対称な球面である。
【００２４】
上述の記載は、前述の非球面レンズの光軸を通る一つの断面（第１断面）における形状について述べたものであって、別の断面における形状は上述と同じであっても構わないが、一つの断面（第１断面）と垂直な別の断面（第２断面）における形状は球面であることが望ましい。つまり、この非球面レンズは、トロイダル形状であることが望ましく、この非球面レンズが非球面となる断面（第１断面）における、固体光源から光束が放射される角度幅（放射角度幅）が、この非球面レンズが球面となる断面（第２断面）における角度幅よりも広い（大きい）ことが望ましい。ここで言う放射角度幅（光束が放射される角度幅）は、光強度が最大となるある放射角における光強度（ピーク値、最大値）に対して５％以上（或いは３％以上）の光強度を持つ光が放射される角度範囲を意味している。
【００２５】
そして、更に効果を増すためには下記のような構成が考えられる。
【００２６】
前述の非球面は、非球面レンズの光軸を通り、互いに垂直な２つの断面のうち、光源から光束が放射される角度幅が広い断面を第１断面、角度幅が狭い断面を第２断面とするとき、第１断面における形状が非球面であり、第２断面における形状が球面である。このようにすれば、両断面において光束を適切に、効率良く蛍光体上に集光させることができる。
【００２７】
そして、本実施例の光源装置は、プロジェクター、テレビ、カメラ用の電子ビューファインダー、ヘッドマウントディスプレイ等の様々な画像表示装置に適用可能である。
【００２８】
例えば、本実施例の光源装置を、ミラーデバイス、液晶表示素子等の光変調素子を用いた画像表示装置に適用する場合、従前の光源と本実施例の光源装置を入れ換えればそれで足りる。
【００２９】
ここで、本実施例の光源装置を、液晶を用いた光変調素子（液晶表示素子、液晶パネル）を含む画像表示装置に適用する場合には、プロジェクターの内部の、非偏光光束を直線偏光光束に変換する機能を持つ偏光変換素子との位置関係によって光の利用効率が変わることとなる。以下に具体的に記載する。偏光変換素子においては、一般的に細長い形状をした偏光分離素子及び１／２波長板が、その短手方向に複数個並んで配置されている。本実施例の光源装置が持つレンズが非球面成分を持つ断面（光源からの放射角度幅が広い断面、第１断面）が、前述の偏光分離素子及び１／２波長板の長手方向と平行であれば光利用効率が向上する。逆に言えば、本実施例の光源装置が持つレンズが球面である、つまり非球面成分を持たない断面（光源からの放射角度幅が相対的に狭い断面、第２断面）が、前述の偏光分離素子及び１／２波長板の短手方向と平行であれば高い光利用効率を達成することができる。
【００３０】
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。
【００３１】
例えば、本実施例においては、光路変換素子４の例としてダイクロイックミラーを記載したがこの限りではなく、偏光ビームスプリッター、或いはレーザーダイオードからの光束が入射する領域のみがダイクロイックミラーで他の領域は全ての色光を反射するミラー、という構成でも良い。勿論、本発明の主旨を損ねない範囲でその他の構成も取り得る。
【符号の説明】
【００３２】
１  光源（レーザーダイオード）
２  コリメータレンズ
３  圧縮光学系
４  光路変換ミラー
５  集光レンズ
６  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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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