JP6727899B2 - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザなどの固体光源を用いた光源装置に関する。

近年、高出力レーザ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、波長変換された蛍光光を光源として用いる画像投射装置（プロジェクタ）が開発されている。

特許文献１には、ＲＧＢの３原色に対応した３つの画像表示素子を用いて、蛍光体に励起光を入射して発生した蛍光光と未変換の励起光とを足し合わせて生成された白色光を各画像表示素子に導きフルカラー画像の投射が可能な画像投射装置が開示されている。特許文献２には、励起光を複数の光束に分割し、分割した複数の光束を蛍光体上に重畳しながら照射することにより、蛍光体上の励起光の光密度を均一にして局所的なパワーの集中を防ぎ、蛍光体の発光効率を向上させた光源ユニットが開示されている。

特許第５７３３３７６号 特許第５５２７５９４号

ところで、蛍光体基板に形成される蛍光体層は、一定の厚みを有する。特許文献１のように未変換の励起光と蛍光光とを足し合わせて白色光を取り出す構成において、特に反射型の蛍光体の場合、未変換の励起光の大部分は蛍光体層の表面反射によるもので蛍光体層の厚み方向において比較的表面側で多く発生する。一方、蛍光光の大部分は、蛍光体層の表面から内部にかけて発生して反射する。従って、未変換の励起光と蛍光光は、光軸方向において互いに異なる位置で反射する。

一般的に、励起光を蛍光体へ集光し、かつ未変換の励起光と蛍光光とを取り出す集光レンズは、数枚の正レンズで構成されるため、軸上色収差が残存する。特許文献２では、励起光の複数の光束について蛍光体上で中心位置が重なるように照射する、つまり「蛍光体上で最も光線が収束するように励起光を照射する」ことが開示されている。しかし、特許文献２には、具体的に蛍光体層における光軸方向のどの位置で励起光を最も収束させているかについて開示されていない。この場合、前述の励起光および蛍光光の光軸方向の反射位置の差と軸上色収差との関係が適切でないため、励起光や蛍光光の取り込み効率が低下し、光源装置の明るさや色バランス、すなわち励起光の利用効率が低下する可能性がある。

そこで本発明は、励起光の利用効率の低下を抑制する光源装置および画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光源装置は、励起光を射出する光源と、前記励起光を該励起光の波長よりも長い波長の変換光に変換する波長変換層を含む波長変換素子と、前記励起光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レンズユニットとを有し、前記波長変換層の表面には、前記励起光の一部を前記集光レンズユニットに向けて反射させる拡散分配層が形成され、前記励起光が最も集光される位置は、前記波長変換層の表面よりも前記集光レンズユニットに近い側にある。

本発明の他の側面としての画像投射装置は、前記光源装置と、光変調素子と、前記光源装置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、前記光源装置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有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、励起光の利用効率の低下を抑制する光源装置および画像投射装置を提供することができる。

実施例１における光源装置の構成図である。 実施例１における第１レンズアレイ、第２レンズアレイ、集光レンズユニット、および、蛍光体の光学的関係の概略図である。 実施例１における蛍光体の拡大断面図である。 実施例１において、青色光および蛍光光が集光レンズユニットで集光される光路の拡大図である。 実施例１における集光レンズユニットの縦収差図である。 実施例１において、励起光が最も集光する位置に応じた光路の説明図である。 実施例２における光源装置の構成図である。 実施例２において、蛍光体上に形成される励起光の集光スポットについて説明する。 実施例１における光源装置から射出する光の波長スペクトルである。 実施例３において、青色光および蛍光光が集光レンズユニットで集光される光路の拡大図である。 実施例４における画像投射装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における光源装置について説明する。図１は、本実施例における光源装置１００の構成図であり、光源装置１００のＸＺ断面を示している。

光源装置１００（光源ユニット）は、光源１、コリメータレンズ２、放物ミラーアレイ３（アレイ素子）、平面ミラー４、凹レンズ５、レンズアレイ６、ダイクロイックミラー７、集光レンズユニット８、および、蛍光体（波長変換素子）９からなる。放物ミラーアレイ３は、各々が互いに異なる曲率半径および頂点座標を有する放物面からなる複数のミラーを含む。以下、光源装置１００の構成について、光源１から順に説明する。

光源１（励起光源）は、励起光（青波長帯域光）を射出するレーザダイオード（青色レーザダイオード）である。光源１から射出された光束（励起光）は、発散光束であり、光源１の直後に配置されたコリメータレンズ２により、平行光束となる。１つの光源１に対して１つのコリメータレンズ２が配置されており、コリメータレンズ２の個数は、光源１の個数に等しい。コリメータレンズ２から射出したレーザ光束は、Ｚ方向に向けて進行し、放物ミラーアレイ３により反射および集光される。

放物ミラーアレイ３により反射されたレーザ光束は、集光しながら平面ミラー４により反射され、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。このため、凹レンズ５は、平行光束としてレーザ光束を射出する。凹レンズ５を射出した平行光束は、レンズアレイ６に入射する。レンズアレイ６は、両面にレンズアレイ面（第１レンズアレイ６１、第２レンズアレイ６２）が成型されている。レンズアレイ６に入射した平行光束は、第１レンズアレイ６１に入射して分割光束にされた後、第２レンズアレイ６２に入射する。第２レンズアレイ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、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、レンズアレイ６からの光束を反射する必要最小限の大きさになっている。ダイクロイックミラー７の表面には、光源１から射出した波長光（レーザ光源の波長を有する光）は反射するが、蛍光光（変換光）波長は透過する特性を有する誘電体多層膜がコーティングされている。

ダイクロイックミラー７により反射した光束は、集光レンズユニット８（集光レンズ）に入射する。図１において、集光レンズユニット８は正のパワーを有する２枚のレンズにより構成されているが、これに限定されるものではなく、１枚のレンズのみまたは３枚以上のレンズにより構成されていてもよい。集光レンズユニット８は、分割光束を集光および重畳して蛍光体９上に均一かつ第１レンズアレイ６１のレンズセルと相似形状の青色レーザ光スポットを形成する。以下、図２を参照して、その原理について説明する。

図２は、第１レンズアレイ６１、第２レンズアレイ６２、集光レンズユニット８、および、蛍光体９の光学的関係の概略図である。蛍光体９は、第２レンズアレイ６２および集光レンズユニット８について、第１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レンズアレイ６１と蛍光体９（蛍光体面）とは結像関係にある。従って、蛍光体９上には、第１レンズアレイ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と結像系の倍率に応じて決定される。また、各レンズセル上に形成されている光分布の像は、集光レンズユニット８を介して、蛍光体９（蛍光体面）の近傍で重なり合うように配置されている。すなわち、第１レンズアレイ６１および第２レンズアレイ６２は、光源１と蛍光体９との間に配置され、光源１から射出した光を複数の光線束に分割する。また集光レンズユニット８は、波長変換層である蛍光体層９１（蛍光粒子及びバインダーを含む）の表面よりも集光レンズユニット８に近い側において、複数の光線束の中心位置が互いに重なるように配置されている。その結果、第１レンズアレイ６１に入射する光束が不均一な輝度分布を有する場合でも、各レンズセル上に形成されている光分布がレンズセル数だけ平均化されるため、最終的に均一な分布を形成することができる。

図１において、凹レンズ５により平行光化された光束は、第１レンズアレイ６１に入射した時点では、各々の光源１（レーザ光源）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、上記の経路により分割および重畳されることにより、蛍光体９上で第１レンズアレイ６１のレンズセル形状と相似形の均一な光分布のレーザ光源スポットを形成する。従って、蛍光体９上においてレーザ光が１点へ集中することを抑制し、発光効率の低下を抑制することができる。

蛍光体９に入射した青色レーザ光は、赤、緑のスペクトルを主とする蛍光光（黄波長帯域光）に変換される。蛍光体９の蛍光体層は、高反射アルミ基板上に塗布されて形成されており、レーザ光から蛍光変換された蛍光光のうち、青色レーザ光の入射方向と同じ方向に発生した光は、高反射アルミ面で一旦反射された後、集光レンズユニット８へ向かう。また、励起光の入射方向とは反対側に発生した光は、高反射アルミ面を介することなく直接集光レンズに向かう。一方、一部の青色レーザ光は、蛍光体層の表面における反射により蛍光変換されることなく、光源波長の青光のまま集光レンズユニット８側に反射される。このように、赤、緑色の蛍光光と未変換の青色レーザ光とが蛍光体から反射され、反射された赤、緑、青の３原色で構成される白色光束が、再び集光レンズユニット８により集光かつ平行光化され、照明光学系に向かう。

このとき白色光束は、再度、ダイクロイックミラー７を経由するが、前記のとおりダイクロイックミラー７は、蛍光光を完全に透過させるが、レーザ光と同じ波長である青光を反射する。すなわち、白色光束のうちダイクロイックミラー７を通過する範囲の光束は、青色の光を減損させる。減損される青光を極力低減するには、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必要がある。本実施例では、レンズアレイ６から射出する青色レーザ光の光束径を極力小さくすることにより、ダイクロイックミラー７の面積を必要最小限の面積にしている。このため、青色光の減損は最小限に抑制される。これにより、別体の専用青用光源を用いることなく、小型かつ軽量でありながら白色光を生成可能な高効率の光源装置を実現している。

次に、図３を参照して、蛍光体９の構造および励起光の反射、透過について説明する。図３は、蛍光体９の拡大断面図（図１中のＸ方向の断面図）である。蛍光体９において、約１５０μｍの厚さを有する蛍光体層９１が高反射アルミ基板９２上に形成されている。蛍光体層９１は、励起光を励起光の波長よりも長い波長の光（蛍光光）に変換する。また、蛍光体層９１の表面には、約５０μｍの厚さを有する拡散分配層９３が形成されている。拡散分配層９３は、励起光の一部を集光レンズユニット８に向けて反射させる。拡散分配層９３は、例えば、可視光域において吸収が少ないＴｉＯ_２やＢａＳＯ_４を含有する。拡散分配層９３は、青色レーザ光（励起光）を拡散させながら所定の配分比で集光レンズユニット８側に反射させ、かつ蛍光体９側に透過させる。拡散分配層９３を形成することにより、所定のホワイトバランスを得るために必要な未変換光（励起光）を予め反射させて集光レンズユニット８に向かわせることができる。このため、拡散分配層９３を形成することにより、拡散分配層９３を形成しない場合と比較して、蛍光体層９１に入射する青色レーザ光（励起光）が低減する。従って、蛍光体層９１の光密度が低減されて蛍光光の発光効率を高めることができ、蛍光体層９１の光・熱的負荷を低減することができる。

次に、蛍光体９から発生する白色光のうち、青色光（Ｂ）および蛍光光（Ｙ）が集光レンズユニット８により集光される光路について説明する。図４は、青色光（Ｂ）および蛍光光（Ｙ）が集光レンズユニット８により集光される光路の拡大図である。

青色光（励起光）は、拡散分配層９３の表面反射により、集光レンズユニット８に向かうため、蛍光体層９１よりも外側である拡散分配層９３内のα面上の点で発生する。一方、蛍光光は、励起光の入射方向と同一方向に発生して高反射アルミ基板９２を介して集光レンズユニット８に向かう成分と、その反対方向に発生する成分との両方の成分を考慮する必要があるため、見かけ上は高反射アルミ基板９２の近傍のβ面上の点で発生する。従って、青色光と蛍光光は、蛍光体層９１の厚み方向、すなわち光軸方向（図１中のＸ方向）に沿って１５０μｍ程度だけ互いに異なる点から発生する。

図５は、集光レンズユニット８の縦収差図である。本実施例において、集光レンズユニット８は、正のパワーを有する２枚の非球面レンズから構成されている。集光レンズユニット８の球面収差は良好に補正されているが、軸上色収差は残存している。蛍光光の波長に相当する５５０ｎｍ、６２０ｎｍの波長の平均的な焦点位置を０（基準）とすると、青色光成分に対応する４５０ｎｍの波長では、約２００μｍだけ集光レンズユニット８側に焦点位置がシフトする。

ここで、図６を参照して、レンズアレイ６から射出する青色レーザ光の分割光束（励起光）が最も集光する位置に応じた光路について説明する。図６は、青色レーザ光の分割光束（励起光）が最も集光する位置（励起光の集光位置）に応じた光路の説明図である。図６（ａ）は励起光の集光位置を蛍光体層９１の表面に対して集光レンズユニット８側に５０μｍシフトさせた場合、図６（ｂ）は励起光の集光位置を蛍光体層９１の表面に対して内部側に５０μｍシフトさせた場合をそれぞれ示している。

図６（ａ）の場合、青色光（励起光）が蛍光体９の拡散分配層９３の近傍で最も集光され、第１レンズアレイ６１のレンズセルの矩形形状に対応した矩形の青色レーザ光スポットがシャープに形成される。一方、蛍光体層９１の内部では、拡散分配層９３の近傍に比べて励起光である青色レーザ光のスポットがデフォーカスした状態となり、実質的に蛍光光（Ｙ）の発光スポットが大きくなる（下段参照）。

ここで、蛍光体９の全体から発生した白色光が集光レンズユニット８で集光される光路において、集光レンズユニット８の軸上色収差を考慮すると、青色光（励起光）に関しては焦点位置に青色光の発光点が配置されることになる。このため、集光レンズユニット８を射出した後の光束の平行度が最適となり、後段の照明光学系における照明効率が改善する。また、蛍光光の発光点は、前述のように、励起光スポットのデフォーカスの影響でやや大きい発光点になる。しかし、その焦点位置が発光点に配置されるため、集光レンズユニット８から射出した後の光束における平行度が最適となり、全体としての照明効率はほぼ維持することができる。

一方、図６（ｂ）の場合、青色光が蛍光体層９１の内部で最も集光されるため、青色光の発光点が発生する拡散分配層９３の近傍ではスポットがデフォーカスした状態となる。逆に、蛍光体層９１の内部では拡散分配層９３の近傍に比べて励起光のスポットが比較的シャープに形成される。

同様に、蛍光体９の全体から発生した白色光が集光レンズユニット８で集光される光路において、集光レンズユニット８の軸上色収差を考慮すると、青色光に関しては焦点位置よりも手前に青色光の発光点が配置されることになる。このため、集光レンズユニット８を射出した後の光束の平行度が低下し、また発光点自体もデフォーカスの影響で大きくなる。その結果、全体として後段の照明光学系における照明効率が低下する。また、蛍光光の発光点は、励起光が蛍光体層９１の内部で最も収束するように配置されているため、比較的小さな発光点になる。しかし、蛍光光に対する焦点位置の手前に発光点に配置されるため、集光レンズユニット８から射出した後の光束における平行度は低下し、全体としての照明効率は維持されるが改善には至らない。

本実施例では、図６（ａ）に示されるように、励起光が最も集光される位置は、蛍光体層９１の表面よりも集光レンズユニット８に近い側に設定される。従って、後段の照明光学系における蛍光光の照明効率を維持したまま、青色光の照明効率を改善することができる。言い換えれば、励起光の利用効率の低下を抑制することができる。もちろん、ここでいう励起光の利用効率の低下を抑制することができるとは、完全に利用効率の低下を防止することを意味するものではなく、従来よりも利用効率の低下の度合いを低減することを意味する。

このため、明るく良好なホワイトバランスの白色光を発生する光源装置を実現することが可能である。ここで、励起光が最も集光される位置とは、励起光の主波長（ピーク波長）に関する集光レンズユニット８の焦点位置に相当する。本実施例において、好ましくは、励起光が最も集光される位置は、拡散分配層９３の内部にある。

本実施例は、軸上色収差が発生する光源装置１００において、特に効果的である。すなわち光源装置１００において、集光レンズユニット８の励起光の主波長（ピーク波長）に関する焦点距離は、蛍光光の主波長（ピーク波長）に関する焦点距離よりも短い。図９は、光源装置１００から射出する励起光（青色レーザ光）および蛍光光（黄色蛍光光）の波長スペクトルである。図９において、横軸は波長、縦軸は強度をそれぞれ示している。本実施例の光源装置１００において、光源１は、４５０〜４５５ｎｍの波長を有する励起光を射出する青色レーザダイオードである。また光源装置１００は、５５０〜５６０ｎｍの近傍にピークを有する蛍光体９（黄色蛍光体）を有する。光源装置１００から射出される光としては、黄色蛍光光とともに、蛍光変換されない励起光（光源１から射出された励起光そのもの）を含む。このため、図２に示されるように、４５０〜４５５ｎｍをピーク波長（主波長）とする急峻（先鋭）なスペクトルと、５５０〜５６０ｎｍをピーク波長（主波長）とするなだらかなスペクトルが得られる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２における光源装置について説明する。図７は、本実施例における光源装置１００Ａの構成図であり、光源装置１００ＡのＸＺ断面を示している。本実施例の光源装置１００Ａは、ダイクロイックミラー７の位置が実施例１の光源装置１００とは異なる。すなわち、本実施例の光源装置１００Ａにおける第２レンズアレイ６２と集光レンズユニット８との間の光学的な距離は、実施例１の光源装置１００における第２レンズアレイ６２と集光レンズユニット８との間の光学的な距離よりも離れている。光源装置１００Ａの他の構成は、実施例１の光源装置１００と同様であるため、それらの説明については省略する。

図８を参照して、蛍光体９上に形成される励起光の集光スポットについて説明する。図８は、蛍光体９上に形成される励起光の集光スポットの説明図である。図８（ａ）は、第２レンズアレイ６２の位置と集光レンズユニット８の物体側、すなわち励起光の入射方向側における主平面との間の距離（第１距離）が、集光レンズユニット８の焦点距離と等しくなるように配置した場合を示す。図８（ｂ）は、第２レンズアレイ６２の位置と集光レンズユニット８の物体側主平面との間の距離（第１距離）が、励起光の主波長に関する集光レンズユニット８の焦点距離よりも長くなるように配置した場合を示す。

図８（ａ）に示されるように、第１距離と集光レンズユニット８の焦点距離とが互いに等しい場合、蛍光体９に対してテレセントリックにレンズアレイ６のレンズセルの像を結ぶ。このため、集光レンズユニット８の焦点位置に対してその前後のデフォーカス時の振る舞いは等しい。一方、図８（ｂ）に示されるように、第１距離が集光レンズユニット８の焦点距離よりも大きい場合、蛍光体９に対して光線束が縮小する方向にテレセン性が崩れる。このため、後側のデフォーカス位置のスポットは、前側のデフォーカス位置のスポットよりも小さくなる。

本実施例では、図８（ｂ）のように第２レンズアレイ６２が集光レンズユニット８の励起光入射側の主平面に対して集光レンズユニット８の焦点距離よりも長い距離に配置されている。青色光が蛍光体９の拡散分配層９３の近傍で最も集光されるように設計すると、拡散分配層９３の近傍に比べて蛍光体層９１の内部で青色レーザ光のスポットがデフォーカスする現象が発生するという弊害が生じうる。このような弊害による影響を低減するため、本実施例の構成を採用することにより、実質的に、青色レーザ光のスポット全体としての拡大を抑制することができる。その結果、蛍光光の発光スポットに関しても、デフォーカスによるスポットの拡大を抑制することができる。

この場合、蛍光体９の全体から発生した白色光が集光レンズユニット８で集光される光路において、集光レンズユニット８の軸上色収差を考慮すると、実施例１と同様に、青色光における波長域の焦点位置に青色光の発光点が配置されることになる。このため、集光レンズユニット８を射出した後の光束の平行度が最適となり、後段の照明光学系における照明効率が改善する。また、蛍光光の発光点は、前述のように青色レーザ光の発光スポットのデフォーカスの影響を受けるがテレセン性の崩れ方が全体としてスポットサイズに有利な方向に崩れる。このため、スポットサイズの拡大による照明効率の低下を抑制することができる。また、蛍光光の波長域における焦点位置に発光点が配置されることになるため、集光レンズユニット８から射出した後の光束における平行度が最適となる。このため、全体としての照明効率を改善することができる。

従って、青色光の照明効率を改善しながら、実施例１に対して蛍光光の照明効率を更に改善することができる。その結果、ホワイトバランスに優れながらより明るい白色光を生成可能な光源装置を実現することが可能となる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例３における蛍光体を有する光源装置について説明する。図１０は、本実施例の蛍光体９Ａの構成図であり、青色光（Ｂ）および蛍光光（Ｙ）が集光レンズユニット８により集光される光路を示している。

蛍光体９Ａにおいて、約２００μｍの厚さを有する蛍光体層９１ａが高反射アルミ基板９２上に形成されているが、蛍光体９とは異なって蛍光体層の上に拡散分配層が形成されていない。その代わりに蛍光体層９１ａは、前述の実施例２における拡散分配層に含まれている可視光域において吸収が少ないＴｉＯ_２やＢａＳＯ_４を含有している。このような構成においても、蛍光体よりも集光レンズ側で励起光を集光させ、励起光の利用効率の低下を抑制して明るく良好なホワイトバランスの白色光を発生する光源装置を実現することが可能である。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例４における画像投射装置（プロジェクタ）について説明する。図１１は、本実施例における画像投射装置４００の構成図である。

図１１において、画像投射装置４００は、実施例１の光源装置１００、照明光学系２００、色分離合成部３００、および、投射光学系２３を備えて構成される。なお、画像投射装置４００は、光源装置１００に代えて、実施例２の光源装置１００Ａまたは実施例３の光源装置を備えていてもよい。また、投射光学系２３は光源装置１００、照明光学系２００、色分離合成部３００を備える画像投射装置本体に対して着脱可能であってもよい。

照明光学系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２００は、フライアイレンズ１３ａ（第１フライアイレンズ）、フライアイレンズ１３ｂ（第２フライアイレンズ）、偏光変換素子１４、および、コンデンサレンズ１５を有する。

光源装置１００からの光束は、フライアイレンズ１３ａにより複数の光束に分割され、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いる。偏光変換素子１４からの光束は、コンデンサレンズ１５により色分離合成部３００に導かれる。

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、および、青色用液晶パネル２０ｂを有する。赤色用液晶パネル２０ｒ、緑色用液晶パネル２０ｇ、および、青色用液晶パネル２０ｂをまとめて液晶パネル２０という。また色分離合成部３００は、赤色用λ／４板１９ｒ、緑色用λ／４板１９ｇ、青色用λ／４板１９ｂ、偏光ビームスプリッタ２１ａ、２１ｂ、および、合成プリズム２２を有する。赤色用λ／４板１９ｒ、緑色用λ／４板１９ｇ、および、青色用λ／４板１９ｂをまとめてλ／４板１９という。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。

偏光板１６は、偏光変換素子１４により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により偏光板１６からの光のうち青色光および赤色光は偏光ビームスプリッタ２１ｂ（第２偏光ビームスプリッタ）の方向に導かれる。一方、緑色光は偏光ビームスプリッタ２１ａ（第１偏光ビームスプリッタ）の方向に導かれる。

偏光ビームスプリッタ２１ａ、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。

合成プリズム２２は、偏光ビームスプリッタ２１ａからの青色光および赤色光と、偏光ビームスプリッタ２１ｂからの緑色光を合成して投射光学系２３へ導く。このような構成により、画像投射装置４００は、カラー画像をスクリーンなどの被投射面に投射することができる。

各実施例によれば、蛍光体に励起光を入射して発生した蛍光光と未変換の励起光とを足し合わせて白色光を得る光源装置（特に反射光を用いる光源装置）において、蛍光光と励起光との反射位置の関係と集光レンズの軸上色収差との関係を適切にすることができる。このため各実施例によれば、励起光の利用効率の低下を抑制する光源装置および画像投射装置を提供することができる。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、各実施例の光源装置は波長変換素子として蛍光体を有するが、波長変換素子は蛍光体に限定されるものではない。波長変換の機能を有する素子であれば、蛍光体以外の波長変換素子を用いることもできる。

１ 光源
８ 集光レンズユニット
９ 蛍光体（波長変換素子）
９１ 蛍光体層（波長変換層）
１００ 光源装置

Claims (16)

1. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光を該励起光の波長よりも長い波長の変換光に変換する波長変換層を含む波長変換素子と、
   前記励起光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レンズユニットと、を有し、
   前記波長変換層の表面には、前記励起光の一部を前記集光レンズユニットに向けて反射させる拡散分配層が形成され、
   前記励起光が最も集光される位置は、前記波長変換層の表面よりも前記集光レンズユニットに近い側にあることを特徴とする光源装置。
2. 前記励起光が最も集光される位置は、前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点位置であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点距離は、前記変換光の主波長に関する該集光レンズユニットの焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記励起光の主波長は４５０〜４５５ｎｍであり、
   前記変換光の主波長は５５０〜５６０ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記励起光が最も集光される位置は、前記拡散分配層の内部にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記拡散分配層は、ＴｉＯ２またはＢａＳＯ４を含有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記光源と前記波長変換素子との間に配置され、前記光源から射出した光を複数の光線束に分割する第１レンズアレイおよび第２レンズアレイを更に有し、
   前記集光レンズユニットは、前記波長変換層の表面よりも前記集光レンズユニットに近い側において、前記複数の光線束の中心位置が互いに重なるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記第２レンズアレイと前記集光レンズユニットの物体側主平面との間の距離は、前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光を該励起光の波長よりも長い波長の変換光に変換する波長変換層を含む波長変換素子と、
   前記励起光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レンズユニットと、
   前記光源と前記波長変換素子との間に配置され、前記光源から射出した光を複数の光線束に分割する第１レンズアレイおよび第２レンズアレイと、を有し、
   前記励起光が最も集光される位置は、前記波長変換層の表面よりも前記集光レンズユニットに近い側にあり、
   前記集光レンズユニットは、前記波長変換層の表面よりも前記集光レンズユニットに近い側において、前記複数の光線束の中心位置が互いに重なるように配置され、
   前記第２レンズアレイと前記集光レンズユニットの物体側主平面との間の距離は、前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点距離よりも長いことを特徴とする光源装置。
10. 前記励起光が最も集光される位置は、前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点位置であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 前記励起光の主波長に関する前記集光レンズユニットの焦点距離は、前記変換光の主波長に関する該集光レンズユニットの焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項９または１０に記載の光源装置。
12. 前記励起光の主波長は４５０〜４５５ｎｍであり、
    前記変換光の主波長は５５０〜５６０ｎｍであることを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
13. 前記波長変換層は、ＴｉＯ２またはＢａＳＯ４を含有していることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置。
14. 前記励起光は青波長帯域光であり、
    前記変換光は黄波長帯域光であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光源装置。
15. 前記波長変換層は、蛍光粒子を含む蛍光体層であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光源装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光源装置と、
    光変調素子と、
    前記光源装置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、
    前記光源装置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、を有することを特徴とする画像投射装置。