(57)【要約】【課題】回転する波長変換素子にて発生する燐光を有効利用して光利用効率を向上させる。【解決手段】光源装置１０は、励起光を発する光源３１と、励起光を波長変換して蛍光光を発生させる波長変換素子３と、該波長変換素子を回転させる駆動手段１２と、光源からの励起光を波長変換素子に導く光源光学系３２〜３４，２とを有する。光源光学系は、波長変換素子上における１つの励起光照射領域４に、それぞれ励起光の照射強度が極大になる極大強度部分Ｅａを波長変換素子の回転方向において複数形成する光学素子３２ａを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発する光源と、
前記励起光を波長変換して蛍光光を発生させる波長変換素子と、
該波長変換素子を回転させる駆動手段と、
前記光源からの前記励起光を前記波長変換素子に導く光源光学系とを有し、
前記光源光学系は、前記波長変換素子上における１つの励起光照射領域に、それぞれ前記励起光の照射強度が極大になる極大強度部分を前記波長変換素子の回転方向において複数形成する光学素子を含むことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記光源を複数有し、
前記光学素子は、前記複数の光源のそれぞれからの前記励起光を反射する複数のミラーであり、
前記複数のミラーは前記複数の極大強度部分を形成するように設けられてい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】
前記光学素子は、シリンドリカルレンズアレイ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４】
前記波長変換素子上において前記蛍光光を該光源装置からの出射光として取り込む領域を光取り込み領域というとき、
前記複数の極大強度部分が、前記光取り込み領域内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項５】
前記励起光照射領域における前記回転方向での幅をＡとし、前記励起光照射領域での前記波長変換素子の移動速度をＶとし、前記波長変換素子における蛍光寿命をτとし、前記極大強度部分の数をＮとするとき、
２＜Ｎ＜Ａ／（２・Ｖ・τ）
なる条件を満足し、前記各極大強度部分における前記照射強度の半値幅がＶτ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記波長変換素子における蛍光寿命が３００ｎｓ以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の光源装置と、
該光源装置からの前記蛍光光と光変調素子とを用いて画像を投射する光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光を波長変換して蛍光光を発生させる波長変換素子を用いた光源装置に関し、特に画像投射装置（プロジェクタ）での使用に適するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光源装置を用いたプロジェクタとして、特許文献１には、紫外レーザ光を励起光として波長変換素子（蛍光体）に照射し、波長変換素子から放出される蛍光光を照明光として用い、該照明光を光変調素子により変調して投射するものが開示されている。また、特許文献２にて開示されているプロジェクタでは、紫外レーザ光に代えて、励起光として青色レーザ光を用いている。
【０００３】
これらプロジェクタにおいては、エテンデューの制限から、波長変換素子における蛍光光の発光領域のサイズ（発光面積）を大きくせずに発光光量を上げることが望まれる。波長変換素子における蛍光光の発光領域を小さくするためには、励起光の照射領域を小さくする必要がある。ただし、小さな照射領域に大きなエネルギを有する励起光を照射すると、蛍光体の温度上昇が過度になり、蛍光体の発光効率が低下する。特許文献３には、蛍光体の過度の温度上昇を防ぐために、蛍光体層を熱伝導性の高い材料で形成した回転体（ホイール）上に形成するとともに、これを回転させることで励起光照射領域が蛍光体層の一箇所に集中することを回避した光源装置が開示されている。
【０００４】
蛍光体は励起光を吸収し、電子状態が励起状態に至ってから基底状態に遷移する際に蛍光光を発生させる。電子状態は、基底状態から励起状態へは数フェムト秒で遷移するが、励起状態から基底状態へは蛍光体の種類によって数ｎｓから数十μｓの時間で遷移する。この励起状態から基底状態への遷移に要する時間は、蛍光体の蛍光寿命と呼ばれる。また、励起光の入射が終了してから蛍光体が発光強度を減衰させながら発光する光を、燐光と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４１１０５号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１１１４５２０７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９７４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３にて開示されたように蛍光体層を形成したホイール（以下、蛍光体ホイールという）を回転させる場合は、蛍光寿命と蛍光体ホイールの回転との関係により、励起光照射領域で励起された蛍光体が時間経過とともに励起光照射領域から外れて遠ざかる。このため、図１１（ａ）に示すように、蛍光体ホイールの回転方向に沿って燐光による帯状の発光領域が生ずる。蛍光体ホイール上には蛍光光を光変調素子に導く照明光学系により規定される光取り込み領域が設定されており、燐光の発光領域が広範囲となってそれが光取り込み領域を外れると、光のロスによる光利用効率の低下が生じる。一方、光取り込み領域を広げるために励起光照射領域を拡大すると、エテンデューが大きくなって光利用効率が低下する。
【０００７】
また、燐光の光利用効率を上げるために、励起光の光源をパルス駆動する方法が考えられる。しかし、蛍光体ホイールが回転する場合には、図１１（ｂ）に示すように回転方向に断続的に燐光の発光領域が生ずるだけで、燐光の有効利用ができない。また、光源をパルス駆動をするための専用の駆動回路も必要となり、光源装置およびプロジェクタのコストの増加につながる。
【０００８】
本発明は、回転する蛍光体（波長変換素子）にて発生する燐光を有効利用して光利用効率を向上させることができる光源装置およびこれを用いた画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての光源装置は、励起光を発する光源と、励起光を波長変換して蛍光光を発生させる波長変換素子と、該波長変換素子を回転させる駆動手段と、光源からの励起光を波長変換素子に導く光源光学系とを有する。光源光学系は、波長変換素子上における１つの励起光照射領域に、それぞれ励起光の照射強度が極大になる極大強度部分を波長変換素子の回転方向において複数形成する光学素子を含むことを特徴とする。
【００１０】
なお、上記光源装置と、該光源装置からの蛍光光と光変調素子とを用いて画像を投射する光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転する波長変換素子にて発生する燐光を有効利用して高い光利用効率を実現する光源装置を提供することができる。そして、この光源装置を用いれば、少ない投入エネルギで明るい画像を投射可能な画像投射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である光源装置を含むプロジェクタの光学構成を示す図。
【図２】実施例１における蛍光寿命を説明する図。
【図３】実施例１における励起光照射領域と蛍光体発光領域と光取り込み領域との関係を示す図。
【図４】実施例１における励起光源ユニットを説明する図。
【図５】実施例１における励起光照射領域での励起光の照射強度分布および蛍光光（燐光を含む）の発光強度分布を示す図。
【図６】実施例１の変形例を説明する図。
【図７】本発明の実施例２であるプロジェクタの光学構成を示す図。
【図８】本発明の実施例３の実験例を示す図。
【図９】実施例３における極大強度値に対する半値幅を説明する図。
【図１０】本発明の実施例４であるプロジェクタの光学構成を示す図。
【図１１】課題を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１には、本発明の実施例１である光源装置１０を備えたプロジェクタ（画像投射装置）の光学構成を示している。光源装置１０は、励起光源ユニット１、ダイクロイックミラー２および波長変換素子としての蛍光体ホイール３を有する。
【００１５】
励起光源ユニット１は、青色レーザダイオード（ＬＤ）を用いて構成され、励起光としての青色レーザ光を発する。例えば、ＧａＮ系の材料を用いて発光波長が約４６０ｎｍ程度の青色光を発光する半導体レーザを用いることができる。なお、青色ＬＤに代えて、青色ＬＥＤを用いてもよいし、紫外光を発するＬＤ等を用いてもよい。また、本実施例では、励起光が青色レーザ光で蛍光光が後述するように黄色光である場合について説明するが、他の色の励起光および蛍光光であってもよい。
【００１６】
蛍光体ホイール３は、円環状（または円盤状）の基板と該基板上に円環状に形成された蛍光体層３ａとを有する。蛍光体層３ａは、例えば、蛍光体粒子と拡散体粒子を樹脂バインダーで固めて層状に形成されている。
【００１７】
蛍光体ホイール３は、ＡｌやＣｕ等、熱伝導率が高い材料の基板を用いて構成されている。また、サファイア等の透光性を有して導電率が高い基板を用いて、該基板の裏面（基板を挟んで蛍光体層３ａとは反対側）から励起光を入射させるようにしてもよい。
【００１８】
蛍光体としては、波長が約４４０ｎｍから約４７０ｎｍの青色光により励起されるものが多く用いられる。例えば、黄色蛍光光を発光する蛍光体としては、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等が用いられる。なお、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋が、一般にαサイアロン蛍光体と称され、発光色は黄色〜橙色である。
【００１９】
また、赤色蛍光光を発光する蛍光体としては、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等が用いられる。さらに、緑色蛍光光を発光する蛍光体としては、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、（Ｌｕ，Ｙ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｂａ３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）８：Ｅｕ２＋、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ２＋等を用いることができる。
【００２０】
蛍光体ホイール３は、駆動源としてのモータ１２により所定回転速度で回転駆動される。蛍光体ホイール３の回転方向を、以下の説明においてホイール回転方向という。
【００２１】
励起光源ユニット１からの青色レーザ光は、ダイクロイックミラー２で反射して回転する蛍光体ホイール３の蛍光体層３ａに照射される。これにより、蛍光体層３ａ上（波長変換素子上）におけるホイール回転方向の１箇所に、励起光が照射される領域（以下、励起光照射領域という）４を形成する。シリンドリカルレンズアレイ２０の機能については後述する。
【００２２】
蛍光体層３ａ内の拡散体粒子は、励起光である青色レーザ光の一部を拡散および反射して、蛍光体層３ａ内の蛍光体により波長変換されない（つまりは励起光と同波長を有する）非変換光として蛍光体層３ａから放出（出射）させる。また、蛍光体は、青色レーザ光の他の一部を波長変換することで黄色の蛍光光を発生させ、蛍光体層３ａから放出させる。より詳細には、励起光が入射した蛍光体内において電子状態が基底状態から励起状態に遷移し、その後、電子状態が基底状態に再び遷移する際に蛍光光が発せられる。
【００２３】
また、プロジェクタは、照明光学系１１と光変調素子９とを有する。照明光学系１１は、集光レンズ５、ロッドインテグレータ７およびリレーレンズ８により構成されている。光変調素子９としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等が用いられる。
【００２４】
蛍光体層３ａから放出された蛍光光と励起光の合成光（白色光）は、照明光学系１１に入射する。照明光学系１１は、これに入射した光を、集光レンズ５、ロッドインテグレータ７およびリレーレンズ８を通じて光変調素子９上に均一な照度分布を形成するように導く。集光レンズ５は、蛍光体層３ａから入射した光を集光してロッドインテグレータ７の入射面近傍に蛍光体層３ａにおける発光領域の像（光源像）６を形成する。
【００２５】
ロッドインテグレータ７はガラス製の矩形断面を持つ角柱状の素子であり、このロッドインテグレータ７入射した光はその内部で全反射を繰り返してその射出面上で均一な照度分布を形成する。ロッドインテグレータとして、誘電体多層膜や金属膜を蒸着したミラー面で４つの側面を形成した中空タイプのロッドインテグレータを用いてもよい。また、ロッドインテグレータに代えて、フライアイレンズ等、均一な照度分布を形成する光学素子を用いてもよい。
【００２６】
ロッドインテグレータ７の出射面から出射した光は、リレーレンズ８を介して、さらに不図示の色分解合成光学系によりＲＧＢの３つの色光に色分解されて、色光ごとに設けられた光変調素子９上に照射される（ただし、図には１つの光変調素子９のみを示す）。本実施例において、光変調素子９は、１６：１０の矩形アスペクト比を有しており、ロッドインテグレータ７の入射面および出射面も、光変調素子９と相似形状である１６：１０の矩形アスペクト比を有する。光変調素子９上に照射された３つの色光は、プロジェクタに入力された画像信号に応じてそれぞれ変調され、色分解合成光学系により合成され、不図示の投射光学系によりスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、カラー画像としての投射画像が表示される。
【００２７】
次に、蛍光体の蛍光寿命について説明する。蛍光寿命は、蛍光体から放出される蛍光光の強度が、蛍光体への励起光の照射の停止時点での強度から１／ｅ（ｅ：ネイピア数）の値になるまでの時間である。蛍光寿命は、蛍光体の発光中心のイオンによって左右され、希土類イオンの中ではＣｅ３＋の発光準位が最も短く、１０−８〜１０-７秒である。具体的には、Ｃｅ３＋発光中心のＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体の蛍光寿命は７０ｎｓである。一方、Ｅｕ２＋発光中心のαサイアロン蛍光体の蛍光寿命は、約８００ｎｓである。図２に、αサイアロン蛍光体の蛍光寿命の概要を示す。αサイアロン蛍光体の蛍光光の発光強度は、励起光の照射停止時点の相対発光強度を１とすると、約５００ｎｓで０．５となり、約８００ｎｓで１／ｅ（約３６％）まで減少する。
【００２８】
蛍光体は投射画像の色バランスを考慮して適宜変更することができる。また、蛍光体ホイール３の蛍光体層を、黄色蛍光体を含む領域と赤色蛍光体を含む領域等、２種類以上の蛍光体を含む領域に分けて形成してもよい。
【００２９】
本実施例では、後述するように、燐光を積極的に活用するために蛍光寿命が長いほど効果も高くなる。このため、蛍光体として、蛍光寿命が少なくとも３００ｎｓ以上の蛍光体を用いることが望ましい。
【００３０】
蛍光体層３ａ上における励起光の照射強度分布は、励起光照射領域を規定する。レーザの場合は基本的にはガウシアン形状を照射する。これに対して本実施例ではＬＤの構造や角度および姿勢、各光学素子の配置を工夫することで、後述の図５に示す照度強度分布を形成している。
【００３１】
次に、本実施例における蛍光体層３ａの１つの励起光照射領域での励起光の照射強度分布について説明する。本実施例では、図４に示すように、励起光源ユニット１を複数の光源（発光素子）である青色ＬＤ３１とミラーアレイ３２等を用いて構成する。これにより、図５（ａ），（ｂ）に例として示すように、蛍光体層３ａ上の１つの励起光照射領域４に、それぞれ励起光の照射強度が極大になる極大強度部分Ｅａをホイール回転方向において複数形成する。励起光源ユニット１および励起光照射領域に形成される励起光の複数の極大強度部分の詳細については後述する。
【００３２】
なお、各極大強度部分Ｅａにおける照射強度分布は矩形形状であってもよいし、ガウンシアン形状のようにピークを有する形状であってもよい。照射強度分布が矩形形状であるとは、ホイール回転方向において、照射強度の極大値を含む特定幅内での照射強度が極大値の７０％以上となっており、該特定幅の前後の照射強度が０％となっている形状を意味する。また、ピークとは、ホイール回転方向において、特定位置での照射強度が極大値で、該特定位置の前後の照射強度が極大値の７０％未満となっている場合のその極大値を意味する。なお、照射強度分布が矩形形状である場合は、１つの励起光照射領域内に実際には励起光が照射されない（照射強度が０％の）領域が生ずる。しかし、本実施例では、そのような非照射領域を内側に含むか否かにかかわらず、ホイール回転方向において一まとまりの領域であって照射強度がその極大値の半値以上である位置を両端とする領域を１つの励起光照射領域という。
【００３３】
次に、励起光と蛍光光および燐光との関係を説明する。本実施例では、回転する蛍光体ホイール３の蛍光体層３ａ上の特定の領域（励起光照射領域）４に励起光を照射する。このため、励起光照射領域４に照射される励起光の照射強度分布が均一である場合は、蛍光体層３ａ上の１点に位置する蛍光体は、その蛍光体が励起光照射領域４を通過する間は励起光が照射されることにより励起されて蛍光光を発する。そして、励起光照射領域４を外れて励起光が照射されなくなった該蛍光体は、燐光を発する。蛍光体ホイール３の回転数をＭ［ｒｐｍ］とし、蛍光体ホイール３（蛍光体層３ａ）の直径をＤ［ｍｍ］とすると、上記１点の蛍光体が励起光照射領域４を通過する速度Ｖは、Ｖ＝Ｍ／６０×（Ｄ×π）［ｍｍ／ｓ］となる。励起光照射領域４のホイール回転方向での長さ（幅）をＡ［ｍｍ］とすると、速度Ｖで移動している蛍光体は、Ａ／Ｖ［ｓｅｃ］の間、照射光が照射されて励起される。そして、該蛍光体は、励起が終了した後、速度Ｖで移動しながら燐光を発する。
【００３４】
次に、光取り込み領域について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図３（ａ）に示す光取り込み領域２８は、図１中の照明光学系１１により決定される領域であり、照明光学系１１が蛍光体層３ａで発生した光を励起光源ユニット１からの出射光として有効に取り込んで光変調素子９に導くことができる蛍光体層３ａ上の領域である。図３（ｂ）に拡大して示すように、光取り込み領域２８は、励起光照射領域４を含み、かつ励起光照射領域４より大きい領域である。すなわち、光取り込み領域２８は、励起光照射領域４と該励起光照射領域４から外れた領域とを含む。図３（ｂ）において、２６は燐光の発光領域を示している。
【００３５】
光取り込み領域２８内における励起光照射領域４にて発生した蛍光光および励起光照射領域４から外れた領域で発生した燐光は、照明光学系１１および前述した色分解合成光学系を通って光変調素子９に導かれる。その間に、照明光学系１１および色分解合成光学系を構成する各光学素子の外側に漏れた光は光変調素子９に到達せず、画像投射のための光としては利用されない。このため、エネルギ変換効率を下げる成分となる。
【００３６】
蛍光体層３ａ上の光取り込み領域２８からの光は、図３（ｃ）に示すように、ロッドインテグレータ７の入射面２２に重なる領域および該入射面２２に重ならない領域にわたって光源像６として結像する。なお、図３（ｃ）は、ロッドインテグレータ７の入射面２２を蛍光体ホイール３側から（図３（ｂ）とは反対側から）見て示している。光源像６においては、図３（ｂ）に示した光取り込み領域２８における蛍光光の取り込み部分（励起光照射領域４）と燐光の取り込み部分との位置関係が上下左右にて反転する。図３（ｃ）において、ロッドインテグレータ７の入射面２２上には、励起光照射領域４からの蛍光光が形成する像部分２４と光取り込み領域２８からの燐光が形成する像部分２５（ハッチングして示す）とからなる光源像６が形成される。
【００３７】
光源像６のうちロッドインテグレータ７の入射面２２に重ならない像部分を形成する光は光変調素子９に到達しないため、光エネルギとしてはロスとなる。図３（ｃ）に示したロッドインテグレータ７の入射面２２は、倍率は異なるが、図３（ｂ）に示す光取り込み領域２８として射影することができる。光取り込み領域２８は、照明光学系１１が集光レンズ５とロッドインテグレータ７を用いて構成されている場合は、このようにロッドインテグレータ７の入射面の共役像として規定できる。照明光学系１１がロッドインテグレータ７に代えてフライアイレンズ等を用いる場合でも、同様に光取り込み領域を規定することができる。いずれの場合も、光取り込み領域は、蛍光体層３ａ上の領域であって、蛍光体層３ａにおける１点から発光された蛍光光および燐光が３０％以上、光変調素子９に到達する点の集合領域とする。
【００３８】
光取り込み領域は、円形、正方形または長軸と短軸の比または長辺と短辺の比が２：１程度の楕円や矩形とするのが望ましく、これら以外の形状としてもよい。
【００３９】
以上説明した構成を採用することにより、光変換効率の高い光源ユニットおよびプロジェクタを実現することができる。
【００４０】
次に、図４に示す本実施例における励起光源ユニット１について詳しく説明する。励起光源ユニット１は、複数の青色ＬＤ（以下、単にＬＤという）３１と、ＬＤ３１ごとに１つずつ設けられた複数のコリメータレンズ３４と、ＬＤ３１ごとに１つずつ設けられた光学素子としての複数の角度可変ミラー３２ａを含むミラーアレイ３２とを有する。また、励起光源ユニット１は、一対の反射ミラー３５を有する。コリメータレンズ３４、ミラーアレイ３２（角度可変ミラー３２ａ）および反射ミラー３５は、ダイクロイックミラー２とともに、ＬＤ３１からのレーザ光（励起光）を蛍光体ホイール３に導く光源光学系を構成する。
【００４１】
複数のＬＤ３１のそれぞれから発せられたレーザ光３３は、コリメータレンズ３４により平行光とされた後、ミラーアレイ３２の角度可変ミラー３２ａで反射され、一対の反射ミラー３５のうち一方で反射される。そして、励起光源ユニット１から図１に示したダイクロイックミラー２に向かって励起光の束として出射する。各角度可変ミラー３２ａの角度を調整することで、励起光に、図５（ａ），（ｂ）に示すように蛍光体層３ａ上の１つの励起光照射領域４に極大強度部分Ｅａをホイール回転方向にて複数形成させる。この際、ＬＤ３１からのレーザ光の出射角度やコリメータレンズ３４の位置および角度等を合わせて調整してもよい。
【００４２】
なお、励起光源ユニット１は、図４に示す構成に限られず、例えば反射ミラー３５の後に凹レンズ等を備えた構成や、反射ミラー３５の代わりに三角プリズムを用いた構成であってもよい。また、ミラーアレイ３２内の各角度可変ミラー３２ａは、平面ミラー、曲面ミラーおよび放物面ミラーのいずれでもよい。さらに、ミラーアレイ３２のミラー角度を調整せずに、ＬＤ３１やコリメータレンズ３４の位置および角度等を調整することのみで励起光照射領域４に複数の極大強度部分Ｅａを形成させてもよい。
【００４３】
次に、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、具体的な数値例における励起光照射領域４での励起光の照射強度分布と蛍光体層３ａから放出される蛍光光および燐光について説明する。図５（ａ）は、蛍光体ホイール３の蛍光体層３ａ上の励起光照射領域４と図３（ａ），（ｂ）にも示した光取り込み領域２８とを示している。図５（ｂ）は、励起光照射領域４および光取り込み領域２８を拡大して示している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）中のＡ−Ａ′線で切断したときの励起光Ｅの照射強度分布を示している。図５（ｄ）は、図５（ｂ）中のＡ−Ａ′線で切断したときの蛍光光Ｆおよび燐光Ｐの強度分布を模式的に示している。
【００４４】
本数値例では、光源として、波長４５５ｎｍの青色ＬＤを用いた。ダイクロイックミラー２は、波長４７０ｎｍまでの光の９８％以上を反射し、それを超える波長の光を透過する厚さ１ｍｍのダイクロイックミラーを用いた。蛍光体ホイール３は、厚み１ｍｍ、直径５０ｍｍ（回転中心から励起光照射領域４までの距離）のＡｌ基板上に円環状の蛍光体層３ａを形成したものを用いた。蛍光体層３ａは、蛍光寿命が８００ｎｓのαサイアロン蛍光体をバインダーとしてのＳｉ樹脂に分散させたものを用いた。蛍光体ホイール３は７２００ｒｐｍで回転させた。集光レンズ５およびロッドインテグレータ７により形成される光取り込み領域２８は一辺が２．５ｍｍの正方形の領域であった。
【００４５】
そして本数値例では、図４に示した複数の角度可変ミラー３２ａの角度とＬＤ３１からのレーザ光の出射角度を高精度に調整した。これにより、８つのＬＤ３１からの励起光Ｅが、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、蛍光体層３ａ上の１つの励起光照射領域４にてホイール回転方向に並ぶ５つの極大強度部分Ｅａを形成するように照射された。本数値例で用いた各ＬＤ３１はマルチエミッタータイプであり、１つのＬＤ３１からのレーザ光が蛍光体層３ａ上に蛍光体ホイール３の径方向の長さが２ｍｍでホイール回転方向での半値幅が約３８０μｍのスポットを形成することができた。そして、８つのＬＤ３１を用いて一辺が２ｍｍの正方形の励起光照射領域４内にホイール回転方向での幅が約３８０μｍ程度の極大強度部分Ｅａを約２０μｍのギャップで５つ形成した。なお、単位時間内でのエネルギ分布は、光学では放射量と呼ぶ。本数値例において図５（ｃ）に示すように励起光Ｅの極大強度部分Ｅａを５つ形成することは、励起光照射領域４内の励起光が有する放射量の分布が５つの最大値を有するようにしたことに相当する。
【００４６】
また、本数値例では、励起光源ユニット１から励起光照射領域４に照射される励起光Ｅの放射エネルギ量が４７．５Ｗとなるように設定した。このときの励起光照射領域４内の励起光Ｅの放射エネルギ密度は、放射量分布が５つの最大値を含むので、４７．５Ｗ／（３８０μｍ×２ｍｍ×５）＝１２．５Ｗ／ｍｍ２であった。
【００４７】
一方、図５（ｄ）に示すように、励起光照射領域４内の蛍光体層３ａからは、励起光Ｅの極大強度部分Ｅａに対応する５箇所の蛍光領域２９から蛍光光Ｆが放出される。さらに、図５（ｂ），（ｄ）に示すように、隣り合う蛍光領域２９の間の僅かな４つの領域とホイール回転方向前端の蛍光領域２９と光取り込み領域２８の端との間の１つの領域の合計５つの領域（以下、燐光領域という）３０から燐光Ｐが放出される。本数値例における蛍光寿命は８００ｎｓであるので、１つの燐光領域３０の幅を蛍光体層３ａの移動（回転）距離に換算すると、８００ｎｓ×７２００ｒｐｍ／６０×３．１４×５０ｍｍ＝１５μｍ幅となる。このときの蛍光光Ｆと燐光Ｐの合計の発光エネルギ量は２５．０Ｗとなり、励起光から蛍光光（および燐光）へのエネルギ変換効率は、２５．０／４７．５＝５２．６％となった。
（比較例）
実施例１に対する比較例について説明する。本比較例の基本的な構成は、実施例１と同じである。ただし、本比較例では、実施例１のように励起光源ユニット１の角度可変ミラー３２ａの角度やＬＤ３１からのレーザ光の出射角度等を調整することで蛍光体層３ａ上の励起光照射領域４内に励起光の極大強度部分を形成していない。その代わり、マイクロフライアイレンズ等を用いて、励起光照射領域４に均一な照射強度分布で励起光を照射した。励起光照射領域４は、実施例１と同様に、一辺が２ｍｍの正方形である。
【００４８】
本比較例では、この励起光照射領域４に、励起光を放射エネルギ量５０Ｗ、放射エネルギ密度１２．５Ｗ／ｍｍ２で均一に照射した。このときの蛍光光および燐光の発光エネルギ量は２５．２Ｗとなり、励起光から蛍光光（および燐光）へのエネルギ変換効率は５０．４％となった。
【００４９】
このように、本実施例によれば、比較例に比べても、高いエネルギ変換効率を得られる光源装置およびプロジェクタを実現することができる。
【００５０】
なお、本実施例では、励起光照射領域４を正方形とした場合について説明したが、図７に示すように円形とてもよいし、長方形や楕円としてもよい。励起光照射領域４の形状にかかわらず、励起光照射領域４内にホイール回転方向に２つ以上の極大強度部分Ｅａが形成されるように励起光Ｅを照射することで、蛍光光への変換効率を向上させることができる。
【００５１】
また、本実施例では、８つのＬＤ３１を用いて５つの励起光Ｅの極大強度部分Ｅａを形成するというように励起光源ユニット１内のＬＤ３１の数と励起光照射領域４に形成される極大強度部分Ｅａの数が互いに異なる場合について説明した。しかし、ＬＤ３１の数と極大強度部分Ｅａの数が互いに同じであってもよい。
【実施例２】
【００５２】
図７には、本発明の実施例２であるプロジェクタの構成を示している。本実施例のプロジェクタは、実施例１のプロジェクタに対して、ロッドインテグレータ７の代わりに、第１のフライアイレンズ４１および第２のフライアイレンズ４２を用いている点でのみ異なる。第１および第２のフライアイレンズ４１，４２はそれぞれ、光変調素子９と相似形状の長方形のアスペクトを持った複数のレンズセルによって形成されている。
【００５３】
蛍光体ホイール３の蛍光体層３ａから放出された蛍光光（および燐光）と励起光の合成光（白色光）は、照明光学系１１′に入射する。合成光は、集光レンズ５によって集光され、第１のフライアイレンズ４１に入射して複数の光束に分割され、各分割光束は第２のフライアイレンズ４２の近傍に蛍光体層３ａにおける発光領域の像（光源像）を形成する。
【００５４】
第２のフライアイレンズ４２を出射した複数の光束は、不図示のコンデンサレンズによって集光されつつ光変調素子９上で重ね合わせられる。第１のフライアイレンズ４１のあるレンズセルを通過した分割光束は、第２のフライアイレンズ４２における対応するレンズセルを通過して光変調素子９に到達する。言い換えれば、第１および第２のフライアイレンズ４１，４２における縦横のレンズセル配置数の比を変えることで、光取り込み領域の形状を変更することができ、実施例１よりも効率良く合成光を取り込むことができ、光利用効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００５５】
次に、本発明の実施例３（数値例）のプロジェクタについて説明する。本実施例のプロジェクタの基本的な構成は実施例１と同じであり、蛍光体層３ａ上における励起光照射領域４内での励起光Ｅの極大強度部分Ｅａの数Ｎのみが異なる。
【００５６】
本実施例では、蛍光体ホイール３の直径を５０ｍｍとし、回転数を７２００ｒｐｍとした。このため、１点の蛍光体が励起光照射領域４を通過する速度Ｖは、１８．８４ｍ／ｓとなった。また、実施例１と同様に、励起光照射領域４のホイール回転方向での長さ（幅）Ａを２ｍｍとした。さらに、蛍光体として、蛍光寿命が８００ｎｓのαサイアロンを用いた。
【００５７】
蛍光体層３ａに励起光が照射されてから蛍光光が放出されるまでに要する励起時間を０とし、燐光を有効に使用できる時間が蛍光寿命に一致するものとすると、極大強度部分Ｅａの最大分割数Ｎは、Ｎ＝Ａ／（Ｖ・τ）となる。本実施例では、Ｎ＝２．０ｍｍ／（１８．８４ｍ／ｓ・８００ｎｓ）＝１３３．３となる。ただしこの場合は、励起時間を０と考えているため、本実施例では、Ｎ＝４０として、励起光照射領域４内で励起光を照射する蛍光体層３ａの移動距離である励起距離を励起光を照射しない移動距離である非励起距離の約２倍に設定して効率向上を調べた。
【００５８】
励起光Ｅを、一辺が２ｍｍの正方形の励起光照射領域４内に幅３５μｍ×長さ２ｍｍの極大強度部分Ｅａがホイール回転方向に４０個並ぶように蛍光体層３ａに照射した。励起光Ｅの放射エネルギ量は３５Ｗで、放射エネルギ密度は１２．５Ｗ／ｍｍ２である。この場合の蛍光光Ｆ（および燐光Ｐ）の発光エネルギ量は２１．３Ｗとなり、励起光から蛍光光（および燐光）へのエネルギ変換効率は６０．７％となった。
【００５９】
また、励起距離を変えた、すなわち励起時間Ｔを変えてエネルギ変換効率を調べた実験の結果を図８に示す。この実験により、励起距離を増やしていき、すなわち励起光照射領域４内で励起光Ｅを照射している各部分（以下、励起領域という）の幅を増やしていき、おおよそＴ＝τとなる励起時間Ｔでエネルギ変換効率が向上することが分かった。このことから、励起光照射領域４のホイール回転方向での長さをＡとし、蛍光体層３ａの移動速度をＶとし、蛍光体の蛍光寿命をτとし、励起光の極大強度部分Ｅａの数をＮとするとき、Ｎは、
２＜Ｎ＜Ａ／（２・Ｖ・τ）
なる条件を満足し、かつ各励起領域のホイール回転方向での幅（半値幅）はＶτ以上あることが望ましい。
【００６０】
図９（ｃ）に示すように、各励起領域のホイール回転方向での励起光の照射強度の半値幅は、極大強度部分Ｅａが矩形である場合は強度の半値が得られる位置での極大強度部分Ｅａの幅ｃとなる。極大強度部分Ｅａのホイール回転方向前後での励起光の強度がともに０である場合は、半値はそれよりも下側および上側の強度ａ，ｂがａ＝ｂとなる値として特定できる。また、極大強度部分Ｅａのホイール回転方向前後での励起光の強度がともに０でない（互いに差がある）場合は、半値をそれよりも下側の強度ａ，ａ′と上側の強度ｂが（ａ＋ａ′）／２＝ｂとなる値として特定できる。図９（ａ），（ｂ）に示すように、極大強度部分Ｅａがガウンシアン形状のようにピークを有する場合も矩形である場合と同様である。
【実施例４】
【００６１】
次に、図１０を用いて、本発明の実施例４のプロジェクタについて説明する。実施例１では、図４に示した励起光源ユニット１内の角度可変ミラー３２ａの角度等を調整することで、蛍光体層３ａ上の１つの励起光照射領域４に複数の極大強度部分Ｅａを形成した。これに対して、本実施例では、励起光源ユニット１ではなく、ダイクロイックミラー２と蛍光体ホイール３との間に配置した光学素子としてのシリンドリカルレンズアレイ２０によって励起光照射領域４内に複数の極大強度部分Ｅａを形成する。シリンドリカルレンズアレイ２０では、複数の極大強度部分Ｅａの同じ数の複数のシリンドリカルレンズが該複数の極大強度部分Ｅａが並ぶ方向と同じ方向に並んでいる。各シリンドリカルレンズが、励起光源ユニット１からダイクロイックミラー２を介して入射した励起光を集光して１つの極大強度部分Ｅａを形成させる。
【００６２】
また、本実施例では、実施例１に示した集光レンズ５に代えて、該集光レンズ５とは異なる構成を有する集光レンズユニット５１を配置している。これら以外の構成は、実施例１と同じである。
【００６３】
なお、励起光照射領域４内に複数の極大強度部分Ｅａを形成する光学素子としては、実施例１の可変角度ミラー３２ａおよび実施例４のシリンドリカルレンズアレイ２０に限らず、他の光学素子を用いてもよい。また、これらの光学素子とともに、光源としてワイドエミッター構造のＬＤを用い、それからのレーザ光の照射密度分布が横方向に分離していることを利用することでも励起光照射領域４内に複数の極大強度部分Ｅａをより形成し易くすることができる。
【００６４】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  励起光源ユニット
３  蛍光体ホイール
４  励起光照射領域
１０  光源ユニット：
３１  青色ＬＤ
３２ａ  角度可変ミラー
３５  反射ミラー
２０  シリンドリカルレンズアレイ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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