光源装置、およびプロジェクター
【課題】レーザー光源と蛍光体を含む発光素子とを備え、レーザー光の偏光方向の乱れを低減し、偏光の乱れに伴う問題を解決し得る光源装置を実現する。
【解決手段】本発明の光源装置１００は、固体光源１０と、結晶性部材４６を含む回転可能な基体４０と、を含む。結晶性部材４６の厚さをｔとし、結晶性部材４６の複屈折をΔｎとし、固体光源１０から射出される光Ｌｂの波長をλとすれば、結晶性部材４６の厚さｔは式（１）を満たす。ただし、ｍは任意の整数である。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【解決手段】本発明の光源装置１００は、固体光源１０と、結晶性部材４６を含む回転可能な基体４０と、を含む。結晶性部材４６の厚さをｔとし、結晶性部材４６の複屈折をΔｎとし、固体光源１０から射出される光Ｌｂの波長をλとすれば、結晶性部材４６の厚さｔは式（１）を満たす。ただし、ｍは任意の整数である。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、およびプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクターの分野では、従来から、光源として超高圧水銀ランプ等の放電ランプが主に用いられてきた。これに対して、近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode，以下、ＬＥＤと略記する）、レーザー等の固体光源からの光を励起光として蛍光体を蛍光発光させ、その光を利用する光源装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の光源装置は、ＬＥＤ、レーザー発光器等からなる励起光源と、赤色蛍光体形成領域、緑色蛍光体形成領域および拡散層形成領域の３つの領域を有する回転可能な蛍光ホイールと、を備えている。この光源装置においては、励起光源から青色の波長帯域光を励起光として射出し、その励起光を蛍光ホイールに照射すると同時に蛍光ホイールを回転させると、励起光が赤色蛍光体形成領域に照射されている期間では赤色光が蛍光発光し、励起光が緑色蛍光体形成領域に照射されている期間では緑色光が蛍光発光し、励起光が拡散層形成領域に照射されている期間では励起光である青色光が拡散して射出される。
特許文献１によれば、紫外光よりもエネルギーの低い可視光を励起光として照射するため、励起光が照射される光学部品の経年劣化を抑制し、長期間にわたって性能を維持できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光源装置において、蛍光体に照射されるレーザー光がたとえ紫外光よりもエネルギーの低い可視光領域のレーザー光であっても、レーザー光の強度が高ければ、蛍光体での変換損失の一部が熱に変わるため、蛍光体ホイールが発熱する。一方、蛍光ホイールを回転させつつレーザー発光器から蛍光ホイールの所定の位置に光を照射する構成とすることで、蛍光ホイールをある程度冷却することができる。なぜならば、レーザー光の照射面積に対して蛍光ホイールの面積が十分に大きいことで熱が拡散する効果と、蛍光ホイールが回転することで照射位置が連続的に変化するため、レーザー光が蛍光体の特定の場所に照射される時間が短くなる効果と、蛍光ホイールが回転することでホイール全体が冷却される効果の３つが期待できるからである。
【０００６】
ここで、光源装置の出力を向上させようとすると、レーザー光の照射量をさらに増やす必要があり、その場合、さらなる冷却性能の向上が望まれる。そこで、蛍光ホイールの基体として、一般の光学ガラス（熱伝導率：約０．９〜１．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率に優れた水晶（熱伝導率：約５〜９Ｗ／ｍ・Ｋ）等の結晶性材料を用いる方法が考えられる。ところが、この種の結晶性材料は結晶軸を有しているため、これを用いた蛍光ホイールを回転させると、レーザー光の偏光方向と蛍光ホイールの結晶軸方向との関係が常に変化し、レーザー光の偏光方向が乱れることになる。
【０００７】
このようなレーザー光の偏光方向の乱れは、後段の光学系に悪影響を及ぼす。例えば、プロジェクターの光利用効率を向上させる目的で偏光変換素子を用いた場合、偏光変換素子に付帯する位相差板の光軸方向配置に対してレーザー光の偏光方向を最適にすることで、位相差板に入射する光量を低減することができる。しかし、結晶性材料からなる蛍光ホイールを、蛍光体の温度上昇を抑制する目的で回転させると、レーザー光の偏光方向が乱れ、偏光変換素子に付帯する位相差板に入射する光の量が増加する。その結果、位相差板の寿命が低下する。偏光変換素子の偏光分離膜や位相差板の性能が低下すると、偏光変換時の光損失が生じ、プロジェクターの光利用効率が低下する。
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、結晶性材料からなる基体を回転させた場合であっても、基体を透過した光の偏光方向の乱れが低減された光源装置を実現することを目的とする。また、上記の光源装置を用いたプロジェクターを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、固体光源と、前記固体光源から射出された光の光路上に設けられ、かつ、所定の回転軸を中心として回転可能であり、かつ、結晶性部材を含む基体と、を備え、前記光の波長をλ（ｎｍ）とし、前記結晶性部材の複屈折をΔｎとし、前記結晶性部材の厚みをｔ（ｎｍ）とし、任意の整数をｍとしたとき、前記結晶性部材の厚みが下記の式（１）を満たすことを特徴とする。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【００１０】
固体光源から射出された光の偏光軸は固定されている。以下、固体光源から射出された光のことを射出光と呼ぶ。射出光が所定の結晶軸を有する結晶性部材を含む基体を透過した場合、基体の回転に伴って結晶軸も回転するため、射出光の偏光軸と基体に含まれる結晶性部材の結晶軸とのなす角は逐次変化する。
このとき、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が０°または９０°であるときは偏光の乱れが生じないが、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が０°または９０°からずれるに従って偏光の乱れが大きくなり、４５°で偏光の乱れが最大になる。このように、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が周期的に変化すると、偏光の乱れの程度も周期的に変化する。
【００１１】
具体的には、結晶性材料が一体構造の場合、１回転する間に偏光の乱れが最小（偏光の乱れがない）のときが４回、最大のときが４回現れる。さらに、結晶性部材の厚みと複屈折Δｎによって決まる基体の位相差が、偏光の乱れに大きく影響する。基体の位相差が励起光波長λの半分の奇数倍のとき、偏光の乱れは最大となる。つまり、基体の位相差がλ／２、３λ／２、５λ／２、・・・、のとき、偏光の乱れは最大となる。
【００１２】
これに対して、式（１）を満たすように、結晶性部材の厚みを選択すれば、偏光の乱れが最大もしくは最大に近い状態を減らすことが可能である。これにより、固体光源からの射出光の偏光方向の乱れを低減し、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することが可能となる。
【００１３】
上記に記載の光源装置において、前記結晶性部材の厚みが、さらに下記の式（２）を満たすように選択することができる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ・・・（２）
【００１４】
式（２）のように結晶性部材の厚みを選択して、基体の位相差を射出光の波長λの整数倍にすることで、偏光の乱れを最小とすることが可能である。例えば、基体の位相差がλ、２λ、３λ、・・・、のとき、固体光源からの射出光を基体に対して垂直に入射すると、偏光の乱れは生じない。固体光源からの射出光が、基体に対して垂直入射となる成分が大きい配光分布を持つ場合も、式（２）のときに偏光の乱れが最小となる。これにより、固体光源からの射出光の偏光方向の乱れを低減し、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することができる。
【００１５】
上記に記載の光源装置において、前記固体光源をレーザーとすることができる。
レーザーは偏光特性が高いため、偏光方向の乱れを低減したときの効果が大きい。これにより、偏光方向を維持することによって、高寿命、高効率な光源装置を実現することができる。
【００１６】
上記に記載の光源装置において、前記結晶性部材として水晶、またはサファイアを選択することができる。
水晶は結晶性材料の中でも光学用途品の流通量が多く、安価なため、低コストで光源装置を実現することができる。また、サファイアは結晶性材料の中でも熱伝導性が高いため、より信頼性の高い光源装置を実現することができる。
【００１７】
上記に記載の光源装置において、前記基体の上に蛍光材料を設けることができる。
蛍光材料は、励起光の照射によって発光するが、変換損失が原因で発熱する。そのため、蛍光材料は、誘電体材料など他の材料と比較して高い冷却性能が要求される。よって、蛍光材料の熱劣化が低減された光源装置を実現できる。
【００１８】
上記に記載の光源装置において、前記固体光源と、前記基体と、さらに前記基体よりも後段に配置されており、かつ、入射した光の偏光状態を所定の偏光状態に変換して射出する偏光変換素子と、を備えることができる。
【００１９】
偏光変換素子は、偏光分離素子と、位相差板とを備え、入射偏光のＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の比率が、効率や、寿命に影響を与える。ここで、Ｓ偏光成分とは、偏光変換素子の偏光分離膜面に平行な方向の偏光成分であり、Ｐ偏光成分とはＳ偏光成分に垂直な方向の偏光成分である。位相差板は、偏光変換素子の片方の偏光成分の光路のみに設けられる。位相差板は、偏光変換効率や、寿命に制限があるため、本発明を適用して偏光方向のうち特定成分を多くすることで、光源装置の効率や寿命を改善することができる。
【００２０】
本発明のプロジェクターにおいて、上記に記載の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
本発明の光源装置を用いることで、高効率、高寿命のプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
【図２】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図３】本プロジェクターに用いる偏光変換素子の一部を示す概略図である。
【図４】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図５】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図６】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの結晶軸とレーザー光の偏光軸のなす角度θを示す模式図である。（Ａ）は、角度θが０°の図であり、（Ｂ）は、角度θが４５°の図、（Ｃ）は、角度θが９０°の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る発光素子、光源装置、およびプロジェクターについて説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法や比率などを適宜異ならせてある。
【００２３】
［実施形態１］
図１は、本実施形態の光源装置１００およびプロジェクターＰＪを示す概略構成図である。プロジェクターＰＪは、図１に示すように、光源装置１００、色分離光学系２００、液晶ライトバルブ（光変調素子）４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ、ダイクロイックプリズム（色合成素子）５００、投写光学系６００を有している。
【００２４】
プロジェクターＰＪは、概略すると以下のように動作する。光源装置１００から射出された光は、色分離光学系２００により異なる色の複数の色光に分離される。色分離光学系２００により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された後の複数の色光は、ダイクロイックプリズム５００に入射して合成される。ダイクロイックプリズム５００により合成された光は、投写光学系６００によりスクリーンＳＣＲに拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。
【００２５】
以下、プロジェクターＰＪの各構成要素について説明する。
光源装置１００は、レーザー光源１０（励起光用固体光源）、集光レンズ２２、蛍光体ホイール３０（結晶性材料を含む基体の上に蛍光材料が設けられた素子）、コリメート光学系６０、レンズアレイ１２０、レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。
【００２６】
レーザー光源１０からの射出光は、後述する蛍光体ホイール３０に備えられた蛍光体層を励起させる励起光Ｌｂとして、蛍光体ホイール３０に入射する。
レーザー光源１０は、発光強度のピークが例えば４４５ｎｍの青色のレーザー光を射出する青色レーザー光源である。ここでは、レーザー光源１０として、単一のレーザー光源を備えているが、複数備えても良い。また、後述する蛍光体層を励起させることができる波長の光であれば、４４５ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を射出するレーザー光源であっても構わない。
【００２７】
集光レンズ２２は、凸レンズで構成されている。レーザー光源１０が複数備えられている場合には、集光レンズを各レーザー光源１０に対応させて一つずつ配置し、その後段に全てのレーザー光源に共通の凸レンズを一つ配置した構成としても良い。
集光レンズ２２は、レーザー光源１０から射出されるレーザー光の光軸上に配置され、レーザー光源１０から射出された励起光Ｌｂを集光する。
【００２８】
蛍光体ホイール３０は、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂ（青色レーザー光）の一部を透過させるとともに、残りを蛍光体が吸収して発光強度のピークが例えば約５５０ｎｍの黄色の蛍光に変換する機能を有している。したがって、蛍光体ホイール３０からは、励起光Ｌｂである青色光と蛍光体から発光する黄色光とが合成された結果として白色光が射出される。また、蛍光体ホイール３０は、基体４０の中心にモーター５０が接続され、モーター５０の軸を回転軸Ｏとして回転可能に設けられている。
【００２９】
図２は、本実施形態の蛍光体ホイール３０を示す概略図である。図２（Ａ）は、蛍光体ホイール３０を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図２（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３０は、図２に示すように、平面形状が円形の基体４０と、基体４０上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。蛍光体ホイール３０は、基体４０の２つの主面のうち、蛍光体層４２が形成されていない側の主面が集光レンズ２２に面するように配置され、また、集光レンズ２２により集光された励起光Ｌｂの焦点位置が蛍光体層４２の位置と一致するように配置されている。
例えば、円形の蛍光体ホイール３０の直径は５０ｍｍであり、平面視で蛍光体ホイール３０の中心から約２２．５ｍｍ離れた位置に励起光Ｌｂが入射するように蛍光体ホイール３０が設けられている。
【００３０】
基体４０は、図２（Ｂ）に示すように、結晶軸を有する厚さｔの結晶性部材４６と、非結晶性部材４４とによって構成される。結晶性部材４６の厚さｔは、基体４０の厚さｔ０以下の厚みである。具体的には、結晶性部材４６としては、励起光Ｌｂである青色光を透過する水晶やサファイア等を用いることができる。また、非結晶性部材４４としては、白板ガラス、耐熱ガラス、石英、プラスチック等を用いることができる。
本実施形態において、基体４０は、結晶性部材４６の一例である水晶と、非結晶性部材４４の一例である耐熱ガラスによって構成される。熱伝導率に優れた水晶と、量産性に優れた耐熱ガラスと、を組み合わせることで、基体４０の放熱特性とコストのバランスを両立した設計が可能になる。本明細書では理解を簡単にするために、蛍光体ホイール３０が備えている結晶性部材４６の結晶軸のことを、蛍光体ホイール３０の結晶軸と呼ぶことがある。
【００３１】
蛍光体層４２は、上述したように、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂ（青色レーザー光）の一部を透過させるとともに、残りを吸収して黄色（発光強度のピーク：約５５０ｎｍ）の蛍光を発光する。蛍光体層４２から射出される光は、青色の励起光Ｌｂと黄色の蛍光とが合成されることで白色光を形成している。さらに、蛍光体層４２は、光透過性を有する基材と、蛍光を発する複数の蛍光体粒子と、光透過性を有する粒子状の物質である複数のフィラー粒子と、を有している。基材の内部には、複数の蛍光体粒子および複数のフィラー粒子が含まれている。基材の形成材料としては、光透過性を有する樹脂材料を用いることができ、例えば高い耐熱性を有するシリコーン樹脂（屈折率：約１．４）を好適に用いることができる。
【００３２】
蛍光体粒子は、図１に示すレーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂを吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子には、波長が約４４５ｎｍの青色レーザー光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、レーザー光源１０が射出する励起光Ｌｂの一部を、赤色の波長帯域から緑色の波長帯域までを含む光、すなわち黄色光に変換して射出する。このような蛍光体粒子として、平均粒径が１μｍから数十μｍ程度のものが高い発光効率を示すことが知られている。蛍光体粒子としては、公知のＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。例えば、平均粒径が１０μｍの（Ｙ，Ｇｄ）3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体（屈折率：約１．８）を用いることができる。なお、蛍光体粒子の構成材料は、１種類であっても良いし、２種類以上の構成材料からなる粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いても良い。
【００３３】
フィラー粒子は、蛍光体層４２に入射する励起光Ｌｂおよび蛍光体粒子から発せられる蛍光を拡散させる機能を有している。フィラー粒子の構成材料としては、光透過性を有する粒子状物質であれば、樹脂材料や無機材料など広範な種類の材料を用いることができる。中でも、高い耐熱性を有する無機材料を好適に用いることができ、例えば平均粒径が１０μｍのＡｌ2Ｏ3（屈折率：約１．８）を用いることができる。
【００３４】
モーター５０は、蛍光体ホイール３０を例えば７５００ｒｐｍで回転させる。この場合、蛍光体ホイール３０上の励起光Ｌｂの照射領域（ビームスポット）は、約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター５０は、蛍光体ホイール３０上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光Ｌｂが蛍光体ホイール３０上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の熱劣化を防止し、装置を長寿命化することができる。
【００３５】
コリメート光学系６０は、蛍光体ホイール３０からの光の広がりを抑える第１レンズ６２と、第１レンズ６２から入射される光を略平行化する第２レンズ６４とを備え、全体として蛍光体ホイール３０から射出された光を平行化するものである。第１レンズ６２と第２レンズ６４とは凸レンズで構成されている。
【００３６】
レンズアレイ１２０およびレンズアレイ１３０は、コリメート光学系６０から射出された光の輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１２０は、複数の第１マイクロレンズ１２２を含んでおり、レンズアレイ１３０は複数の第２マイクロレンズ１３２を含んでいる。第１マイクロレンズ１２２は、第２マイクロレンズ１３２と１対１で対応している。
コリメート光学系６０から射出された光は、複数の第１マイクロレンズ１２２に空間的に分かれて入射する。第１マイクロレンズ１２２は、入射した光を対応する第２マイクロレンズ１３２に結像させる。これにより、複数の第２マイクロレンズ１３２の各々に、二次光源像が形成される。なお、第１マイクロレンズ１２２、第２マイクロレンズ１３２の外形形状は、液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ各々の画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。
【００３７】
偏光変換素子１４０は、レンズアレイ１３０から射出された光Ｌの偏光状態を一の状態に変換するものである。図３に、偏光変換素子１４０の一部分を示す。偏光変換素子１４０は、偏光変換素子１４０に入射した光Ｌに含まれる偏光方向が互いに異なる２つの光、例えばＰ偏光とＳ偏光とを分離する偏光分離素子１４１と、偏光方向が互いに異なる２つの光のうちの一方の光の偏光方向を他方の光の偏光方向に変換する位相差板１４２と、を有している。
さらに、偏光分離素子１４１は、レンズアレイ１３０の各第２マイクロレンズ１３２に対応して設けられた偏光分離膜１４３（以下、ＰＢＳ膜と称する）とミラー１４４とを有している。第２マイクロレンズ１３２から偏光分離素子１４１に入射した光は、ＰＢＳ膜１４３によりＰ偏光（ＰＢＳ膜に対するＰ偏光）とＳ偏光（ＰＢＳ膜に対するＰ偏光）とに分離される。Ｐ偏光、Ｓ偏光のうち一方の偏光（例えばＳ偏光）は、ミラー１４４で反射した後、第２マイクロレンズ１３２に対応して設けられた位相差板１４２に入射する。位相差板１４２に入射した一方の偏光（Ｓ偏光）は、位相差板１４２により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光）の偏光状態に変換されて、ＰＢＳ膜１４３を透過した他方の偏光（Ｐ偏光）と同じ一の状態（ここではＰ偏光）で射出される。
【００３８】
図１に示す重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された光を液晶ライトバルブ（被照明領域）４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにて重畳させるものである。光源装置１００から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸１００ａｘ周りの軸対称性が高められる。
【００３９】
色分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、ミラー２３０、ミラー２４０、ミラー２５０、リレーレンズ２６０、リレーレンズ２７０を含んでいる。
ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー２１０は、緑色光と青色光とを反射させ、赤色光を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー２２０は、ダイクロイックミラー２１０を透過した緑色光と青色光のうち、緑色光を反射させ、青色光を透過させる特性を有している。
【００４０】
光源装置１００から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー２１０に入射する。光Ｌのうちの赤色光Ｒは、ダイクロイックミラー２１０を通ってミラー２３０に入射し、ミラー２３０で反射してフィールドレンズ３００Ｒに入射する。赤色光Ｒは、フィールドレンズ３００Ｒにより平行化された後に、赤色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｒに入射する。
【００４１】
光Ｌのうちの緑色光Ｇと青色光Ｂとは、ダイクロイックミラー２１０で反射して、ダイクロイックミラー２２０に入射する。緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０で反射してフィールドレンズ３００Ｇに入射する。緑色光Ｇは、フィールドレンズ３００Ｇにより平行化された後に、緑色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｇに入射する。
【００４２】
ダイクロイックミラー２２０を通った青色光Ｂは、リレーレンズ２６０を通りミラー２４０で反射した後、リレーレンズ２７０を通りミラー２５０で反射してフィールドレンズ３００Ｂに入射する。青色光Ｂは、フィールドレンズ３００Ｂにより平行化された後に、青色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｂに入射する。
【００４３】
液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、例えば透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成されている。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するパーソナルコンピューター等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素毎に変調して画像を形成する。
液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された光（形成された画像）は、ダイクロイックプリズム５００に入射する。
【００４４】
ダイクロイックプリズム５００は、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズム５００の内面に、赤色光が反射し緑色光が透過するミラー面と、青色光が反射し緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズム５００に入射した緑色光は、ミラー面を通ってそのまま射出される。ダイクロイックプリズム５００に入射した赤色光、青色光は、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。
このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６００によってスクリーンＳＣＲに拡大投写される。
【００４５】
光源装置１００においては、レーザー光源１０の位置およびレーザー光源１０から射出されるレーザー光（励起光Ｌｂ）の偏光軸の方向は固定されている。ここで、図６に示したように、レーザー光の偏光軸をＰで表し、蛍光体ホイール３０の結晶軸（結晶性部材４６の結晶軸）をＫで表す。蛍光体層４２にレーザー光が照射されている間、蛍光体ホイール３０は回転軸Ｏのまわりに常時回転している。そのため、蛍光体ホイール３０の回転に伴って、蛍光体層４２上のレーザー光の照射スポットＬＳは蛍光体ホイール３０の回転軸の周りを移動し、レーザー光の照射スポットＬＳにおける蛍光体ホイール３０の結晶軸Ｋも回転する。そのため、レーザー光の偏光軸Ｐとレーザー光の照射スポットＬＳにおける蛍光体ホイール３０の結晶軸とのなす角θは逐次変化する。
【００４６】
図６（Ａ）と図６（Ｃ）に示したように、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが０°または９０°であるときは偏光の乱れが生じない。しかし、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが０°または９０°からずれるに従って偏光の乱れが大きくなり、図６（Ｂ）に示したように、角度θが４５°のとき偏光の乱れが最大になる。
このように、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが周期的に変化すると、偏光の乱れの程度も周期的に変化する。具体的には、結晶性材料が一体構造の場合、１回転する間に偏光の乱れが最小（偏光の乱れがない）のときが４回、最大のときが４回現れる。
【００４７】
さらに、結晶性部材４６の厚みｔ（図２（Ｂ）参照）と結晶性部材４６の複屈折Δｎによって決まる結晶性部材の位相差Ｎが、偏光の乱れに大きく影響する。ここで、結晶性部材４６の位相差Ｎは下記式（３）で求められる。
N＝ｔ×Δｎ・・・（３）
【００４８】
結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの半分の奇数倍のとき（Ｎ＝λ／２、３λ／２、５λ／２、・・・）、偏光の乱れは最大となる。つまり、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（４）を満足する時、偏光の乱れは最大となる。
ｔ＝（ｍ−１／２）λ／Δｎ （ｍは任意の整数）・・・（４）
一方、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの整数倍のとき（Ｎ＝λ、２λ、３λ、・・・）、偏光の乱れは最小となる。つまり、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（２）を満足する時、偏光の乱れは最小となる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ ・・・（２）
特に、式（２）を満足し、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂが完全な直線偏光の平行光であり、励起光Ｌｂが基体４０に対して垂直に入射されたとき、偏光の乱れは生じない。
【００４９】
次に、本発明の効果について実施例１乃至６を用いて説明する。
【００５０】
（実施例１）
本実施例では、下記式（５）においてｘ＝１として、式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。
ｔ＝ｘλ／Δｎ ・・・（５）
式（５）においてｘ＝１の場合、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの整数倍であるため、偏光の乱れは最小となる。そして、レーザー光（励起光Ｌｂ）が完全な直線偏光の平行光であり、偏光変換素子１４０の偏光分離機能が完全であれば、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は０、すなわち最小になる。
【００５１】
これにより、蛍光体ホイール３０が回転していても、レーザー光源１０から射出され蛍光体ホイール３０を透過した励起光Ｌｂの偏光方向の乱れを極めて小さくし、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することが可能となる。
【００５２】
レーザー光の偏光状態は偏光度が高く、直線偏光とみなすことができるため、レーザー光源１０から射出されてから偏光変換素子１４０に入射されるまでその偏光状態を維持することで、プロジェクターＰＪにおける偏光変換素子１４０の位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量を低減することができる。
偏光変換素子１４０では、偏光状態が異なる２つの偏光のうち、一方の偏光（第１偏光という）のみが位相差板１４２を透過し、他方の偏光（第２偏光という）は位相差板１４２を透過しない。そこで、レーザー光が第１偏光を含まないようにすれば、レーザー光が位相差板１４２に照射されないようにすることができる。
しかし、蛍光体ホイール３０に水晶などの結晶性部材を用いた場合、結晶性部材を透過することで偏光状態が乱れる結果、位相差板１４２を透過する光量が増加して、偏光変換素子１４０の寿命低下や、光利用効率の低下を引き起こす。
【００５３】
その点、本実施例の光源装置１００においては、式（５）においてｘ＝１として、結晶性部材４６の厚みが最適化された蛍光体ホイール３０が用いられている。これにより、蛍光体ホイール３０が回転しても、蛍光体ホイール３０を透過するレーザー光（励起光Ｌｂ）の偏光状態の乱れを極めて小さくすることができる。
【００５４】
具体的には、レーザー光（励起光Ｌｂ）が完全な直線偏光の平行光であり、偏光変換素子１４０の偏光分離機能が完全であれば、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は０になる。その結果、偏光方向の乱れに伴う偏光変換素子１４０の寿命低下の問題、光利用効率の低下の問題等、諸問題を解決し得る光源装置１００を実現することができる。
【００５５】
また、本実施形態のプロジェクターＰＪによれば、上記の光源装置１００を備えているため、信頼性が高く、表示品質に優れたプロジェクターを実現することができる。
【００５６】
（実施例２）
本実施例では、ｘ＝１．１として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約１０％となる。なお、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、蛍光体ホイール３０が一回転したときに位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の平均値を意味する。以下の実施例においても同様である。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．１としたが、ｘ＝０．９としてもｘ＝１．１の場合と同様な効果が得られる。
【００５７】
（実施例３）
本実施例では、ｘ＝１．２として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約３５％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．２としたが、ｘ＝０．８としてもｘ＝１．２の場合と同様な効果が得られる。
【００５８】
（実施例４）
本実施例では、ｘ＝１．２５として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約５０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．２５としたが、ｘ＝０．７５としてもｘ＝１．２５の場合と同様な効果が得られる。
【００５９】
（実施例５）
本実施例では、ｘ＝１．３５として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約８０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．３５としたが、ｘ＝０．６５としてもｘ＝１．３５の場合と同様な効果が得られる。
【００６０】
（実施例６）
本実施例では、ｘ＝１．４として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約９０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．４としたが、ｘ＝０．６としてもｘ＝１．４の場合と同様な効果が得られる。
【００６１】
実施例１乃至実施例６からわかるように、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（１）を満足するように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定すれば、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの半分の奇数倍になり得ないため、偏光の乱れが最大となることを防止することができる。これにより、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果と、光利用効率の低下を抑制する効果とを、式（４）が満足される場合よりも高くすることが可能である。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
また、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（２）を満足するように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定すれば、偏光の乱れを最小にすることができる。これにより、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果と、光利用効率の低下を抑制する効果とを極めて高くすることができる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ ・・・（２）
【００６２】
［実施形態２］
図４は、本実施形態の蛍光体ホイール３１を示す概略構成図である。図４（Ａ）は、蛍光体ホイール３１を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図４（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３１は、図４に示すように、平面形状が円形の基体４１と、基体４１上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。基体４１は、図４に示すように、結晶軸を有する厚さｔの結晶性部材の一例である水晶によって構成される。よって、結晶性部材の厚さｔは、基体４１の厚さｔ０と等しい。水晶は熱伝導率に優れているため、基体４１は高い放熱特性を実現することができる。また、基体４１は水晶単体という簡略な構成によって、高い機械的耐久性を実現することができる。
【００６３】
結晶性部材（基体４１）の厚みｔが上述の式（２）を満足することで、蛍光体ホイール３０が回転していても、蛍光体ホイール３０を透過する励起光Ｌｂの結晶性部材による偏光の乱れは最小となる。
【００６４】
［実施形態３］
図５は、本実施形態の蛍光体ホイール３２を示す概略構成図である。図５（Ａ）は、蛍光体ホイール３２を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図５（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３２は、図５に示すように、平面形状が円形の基体４３と、基体４３上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。基体４３は、図５に示すように、扇形の結晶性部材４７、扇形の結晶性部材４８、扇形の結晶性部材４９および円形の非結晶性部材４５によって構成されている。結晶性部材４７、結晶性部材４８、結晶性部材４９はいずれも水晶によって構成され、非結晶性部材４５は耐熱ガラスによって構成される。
また、結晶性部材４７の厚さをｔ１とし、結晶性部材４８の厚さをｔ２とし、結晶性部材４９の厚さをｔ３とすれば、厚さｔ１、厚さｔ２、厚さｔ３はいずれも、基体４３の厚さｔ０以下である。
結晶性部材として大きな水晶を用いるとコストが非常に高くなる。そこで、本実施形態のように、結晶性部材を複数の小さな水晶で構成することで、蛍光体ホイール３２を安価に製造することができる。また、結晶性部材４７、結晶性部材４８、結晶性部材４９を非結晶性部材４５の上に貼り付けることで、複数の結晶性部材を用いて蛍光体ホイール３２を構成する場合、容易に製造することができる。
【００６５】
厚さｔ１が下記式（６）を満足し、厚さｔ２が下記式（７）を満足し、厚さｔ３が下記式（８）を満足することで、蛍光体ホイール３０が回転していても、蛍光体ホイール３０を透過する励起光Ｌｂの結晶性部材による偏光の乱れは最小となる。
ｔ１＝ｍλ／Δｎ （ｍは任意の整数）・・・（６）
ｔ２＝ｎλ／Δｎ （ｎは任意の整数）・・・（７）
ｔ３＝ｐλ／Δｎ （ｐは任意の整数）・・・（８）
【００６６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば蛍光体ホイール３０として、基体４０上に蛍光体層４２を形成する例を示したが、基体中に蛍光体を分散させる構成としても良い。また、結晶性材料としては、水晶に限らず、サファイアなどを用いても良い。
【００６７】
また、回転ホイールの形状は円形に限らず、四角形や多角形などを用いても良い。回転ホイールとして多角形を用いた場合でもレーザー照射位置が回転ホイールの内側であれば、レーザー照射スポットの軌跡は円となる。したがって、回転ホイールとして多角形を用いた場合でも、レーザー照射スポットの軌跡は円形となる。
【００６８】
また、基体は複数の部品（例えば扇形の部品）を組み合わせた構成としても良い。各部品（基体）に含まれる結晶性材料に合わせて厚みを最適化すれば、同様の効果を得ることができる。
また、基体には必ずしも単一、同一の蛍光体層を形成する必要はない。例えば、一つの基体上に複数の領域を設定し、蛍光体種類、蛍光体層の厚み、蛍光体層のありなしを選択し、時分割で発光色が変化する回転ホイールを製造することもできる。基体が複数の部品（例えば扇形）で構成される場合も、各部品に蛍光体種類、蛍光体層の厚み、蛍光体層のありなしを選択し、時分割で発光色が変化する回転ホイールを製造することもできる。
【００６９】
また、プロジェクターの各光学要素の具体的な構成、配置、形状、数等については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。光源から射出される光の波長域と蛍光体材料との組み合わせについても、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…レーザー光源（励起光用光源）、３０，３１，３２…蛍光体ホイール（発光素子）、４０，４１，４３…基体、４２…蛍光体層、４６〜４９…結晶性部材、１００…光源装置、１４０…偏光変換素子、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、６００…投射光学系、ＰＪ…プロジェクター。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、およびプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクターの分野では、従来から、光源として超高圧水銀ランプ等の放電ランプが主に用いられてきた。これに対して、近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode，以下、ＬＥＤと略記する）、レーザー等の固体光源からの光を励起光として蛍光体を蛍光発光させ、その光を利用する光源装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の光源装置は、ＬＥＤ、レーザー発光器等からなる励起光源と、赤色蛍光体形成領域、緑色蛍光体形成領域および拡散層形成領域の３つの領域を有する回転可能な蛍光ホイールと、を備えている。この光源装置においては、励起光源から青色の波長帯域光を励起光として射出し、その励起光を蛍光ホイールに照射すると同時に蛍光ホイールを回転させると、励起光が赤色蛍光体形成領域に照射されている期間では赤色光が蛍光発光し、励起光が緑色蛍光体形成領域に照射されている期間では緑色光が蛍光発光し、励起光が拡散層形成領域に照射されている期間では励起光である青色光が拡散して射出される。
特許文献１によれば、紫外光よりもエネルギーの低い可視光を励起光として照射するため、励起光が照射される光学部品の経年劣化を抑制し、長期間にわたって性能を維持できる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光源装置において、蛍光体に照射されるレーザー光がたとえ紫外光よりもエネルギーの低い可視光領域のレーザー光であっても、レーザー光の強度が高ければ、蛍光体での変換損失の一部が熱に変わるため、蛍光体ホイールが発熱する。一方、蛍光ホイールを回転させつつレーザー発光器から蛍光ホイールの所定の位置に光を照射する構成とすることで、蛍光ホイールをある程度冷却することができる。なぜならば、レーザー光の照射面積に対して蛍光ホイールの面積が十分に大きいことで熱が拡散する効果と、蛍光ホイールが回転することで照射位置が連続的に変化するため、レーザー光が蛍光体の特定の場所に照射される時間が短くなる効果と、蛍光ホイールが回転することでホイール全体が冷却される効果の３つが期待できるからである。
【０００６】
ここで、光源装置の出力を向上させようとすると、レーザー光の照射量をさらに増やす必要があり、その場合、さらなる冷却性能の向上が望まれる。そこで、蛍光ホイールの基体として、一般の光学ガラス（熱伝導率：約０．９〜１．１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも熱伝導率に優れた水晶（熱伝導率：約５〜９Ｗ／ｍ・Ｋ）等の結晶性材料を用いる方法が考えられる。ところが、この種の結晶性材料は結晶軸を有しているため、これを用いた蛍光ホイールを回転させると、レーザー光の偏光方向と蛍光ホイールの結晶軸方向との関係が常に変化し、レーザー光の偏光方向が乱れることになる。
【０００７】
このようなレーザー光の偏光方向の乱れは、後段の光学系に悪影響を及ぼす。例えば、プロジェクターの光利用効率を向上させる目的で偏光変換素子を用いた場合、偏光変換素子に付帯する位相差板の光軸方向配置に対してレーザー光の偏光方向を最適にすることで、位相差板に入射する光量を低減することができる。しかし、結晶性材料からなる蛍光ホイールを、蛍光体の温度上昇を抑制する目的で回転させると、レーザー光の偏光方向が乱れ、偏光変換素子に付帯する位相差板に入射する光の量が増加する。その結果、位相差板の寿命が低下する。偏光変換素子の偏光分離膜や位相差板の性能が低下すると、偏光変換時の光損失が生じ、プロジェクターの光利用効率が低下する。
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、結晶性材料からなる基体を回転させた場合であっても、基体を透過した光の偏光方向の乱れが低減された光源装置を実現することを目的とする。また、上記の光源装置を用いたプロジェクターを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、固体光源と、前記固体光源から射出された光の光路上に設けられ、かつ、所定の回転軸を中心として回転可能であり、かつ、結晶性部材を含む基体と、を備え、前記光の波長をλ（ｎｍ）とし、前記結晶性部材の複屈折をΔｎとし、前記結晶性部材の厚みをｔ（ｎｍ）とし、任意の整数をｍとしたとき、前記結晶性部材の厚みが下記の式（１）を満たすことを特徴とする。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【００１０】
固体光源から射出された光の偏光軸は固定されている。以下、固体光源から射出された光のことを射出光と呼ぶ。射出光が所定の結晶軸を有する結晶性部材を含む基体を透過した場合、基体の回転に伴って結晶軸も回転するため、射出光の偏光軸と基体に含まれる結晶性部材の結晶軸とのなす角は逐次変化する。
このとき、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が０°または９０°であるときは偏光の乱れが生じないが、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が０°または９０°からずれるに従って偏光の乱れが大きくなり、４５°で偏光の乱れが最大になる。このように、射出光の偏光軸と結晶性部材の結晶軸とのなす角が周期的に変化すると、偏光の乱れの程度も周期的に変化する。
【００１１】
具体的には、結晶性材料が一体構造の場合、１回転する間に偏光の乱れが最小（偏光の乱れがない）のときが４回、最大のときが４回現れる。さらに、結晶性部材の厚みと複屈折Δｎによって決まる基体の位相差が、偏光の乱れに大きく影響する。基体の位相差が励起光波長λの半分の奇数倍のとき、偏光の乱れは最大となる。つまり、基体の位相差がλ／２、３λ／２、５λ／２、・・・、のとき、偏光の乱れは最大となる。
【００１２】
これに対して、式（１）を満たすように、結晶性部材の厚みを選択すれば、偏光の乱れが最大もしくは最大に近い状態を減らすことが可能である。これにより、固体光源からの射出光の偏光方向の乱れを低減し、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することが可能となる。
【００１３】
上記に記載の光源装置において、前記結晶性部材の厚みが、さらに下記の式（２）を満たすように選択することができる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ・・・（２）
【００１４】
式（２）のように結晶性部材の厚みを選択して、基体の位相差を射出光の波長λの整数倍にすることで、偏光の乱れを最小とすることが可能である。例えば、基体の位相差がλ、２λ、３λ、・・・、のとき、固体光源からの射出光を基体に対して垂直に入射すると、偏光の乱れは生じない。固体光源からの射出光が、基体に対して垂直入射となる成分が大きい配光分布を持つ場合も、式（２）のときに偏光の乱れが最小となる。これにより、固体光源からの射出光の偏光方向の乱れを低減し、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することができる。
【００１５】
上記に記載の光源装置において、前記固体光源をレーザーとすることができる。
レーザーは偏光特性が高いため、偏光方向の乱れを低減したときの効果が大きい。これにより、偏光方向を維持することによって、高寿命、高効率な光源装置を実現することができる。
【００１６】
上記に記載の光源装置において、前記結晶性部材として水晶、またはサファイアを選択することができる。
水晶は結晶性材料の中でも光学用途品の流通量が多く、安価なため、低コストで光源装置を実現することができる。また、サファイアは結晶性材料の中でも熱伝導性が高いため、より信頼性の高い光源装置を実現することができる。
【００１７】
上記に記載の光源装置において、前記基体の上に蛍光材料を設けることができる。
蛍光材料は、励起光の照射によって発光するが、変換損失が原因で発熱する。そのため、蛍光材料は、誘電体材料など他の材料と比較して高い冷却性能が要求される。よって、蛍光材料の熱劣化が低減された光源装置を実現できる。
【００１８】
上記に記載の光源装置において、前記固体光源と、前記基体と、さらに前記基体よりも後段に配置されており、かつ、入射した光の偏光状態を所定の偏光状態に変換して射出する偏光変換素子と、を備えることができる。
【００１９】
偏光変換素子は、偏光分離素子と、位相差板とを備え、入射偏光のＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の比率が、効率や、寿命に影響を与える。ここで、Ｓ偏光成分とは、偏光変換素子の偏光分離膜面に平行な方向の偏光成分であり、Ｐ偏光成分とはＳ偏光成分に垂直な方向の偏光成分である。位相差板は、偏光変換素子の片方の偏光成分の光路のみに設けられる。位相差板は、偏光変換効率や、寿命に制限があるため、本発明を適用して偏光方向のうち特定成分を多くすることで、光源装置の効率や寿命を改善することができる。
【００２０】
本発明のプロジェクターにおいて、上記に記載の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
本発明の光源装置を用いることで、高効率、高寿命のプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
【図２】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図３】本プロジェクターに用いる偏光変換素子の一部を示す概略図である。
【図４】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図５】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの例を示す概略図である。（Ａ）は、回転軸の方向から見た平面図であり、（Ｂ）は、回転軸と直交する方向から見た側面図である。
【図６】本プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの結晶軸とレーザー光の偏光軸のなす角度θを示す模式図である。（Ａ）は、角度θが０°の図であり、（Ｂ）は、角度θが４５°の図、（Ｃ）は、角度θが９０°の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る発光素子、光源装置、およびプロジェクターについて説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法や比率などを適宜異ならせてある。
【００２３】
［実施形態１］
図１は、本実施形態の光源装置１００およびプロジェクターＰＪを示す概略構成図である。プロジェクターＰＪは、図１に示すように、光源装置１００、色分離光学系２００、液晶ライトバルブ（光変調素子）４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ、ダイクロイックプリズム（色合成素子）５００、投写光学系６００を有している。
【００２４】
プロジェクターＰＪは、概略すると以下のように動作する。光源装置１００から射出された光は、色分離光学系２００により異なる色の複数の色光に分離される。色分離光学系２００により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された後の複数の色光は、ダイクロイックプリズム５００に入射して合成される。ダイクロイックプリズム５００により合成された光は、投写光学系６００によりスクリーンＳＣＲに拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。
【００２５】
以下、プロジェクターＰＪの各構成要素について説明する。
光源装置１００は、レーザー光源１０（励起光用固体光源）、集光レンズ２２、蛍光体ホイール３０（結晶性材料を含む基体の上に蛍光材料が設けられた素子）、コリメート光学系６０、レンズアレイ１２０、レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０がこの順に配置された構成になっている。
【００２６】
レーザー光源１０からの射出光は、後述する蛍光体ホイール３０に備えられた蛍光体層を励起させる励起光Ｌｂとして、蛍光体ホイール３０に入射する。
レーザー光源１０は、発光強度のピークが例えば４４５ｎｍの青色のレーザー光を射出する青色レーザー光源である。ここでは、レーザー光源１０として、単一のレーザー光源を備えているが、複数備えても良い。また、後述する蛍光体層を励起させることができる波長の光であれば、４４５ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を射出するレーザー光源であっても構わない。
【００２７】
集光レンズ２２は、凸レンズで構成されている。レーザー光源１０が複数備えられている場合には、集光レンズを各レーザー光源１０に対応させて一つずつ配置し、その後段に全てのレーザー光源に共通の凸レンズを一つ配置した構成としても良い。
集光レンズ２２は、レーザー光源１０から射出されるレーザー光の光軸上に配置され、レーザー光源１０から射出された励起光Ｌｂを集光する。
【００２８】
蛍光体ホイール３０は、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂ（青色レーザー光）の一部を透過させるとともに、残りを蛍光体が吸収して発光強度のピークが例えば約５５０ｎｍの黄色の蛍光に変換する機能を有している。したがって、蛍光体ホイール３０からは、励起光Ｌｂである青色光と蛍光体から発光する黄色光とが合成された結果として白色光が射出される。また、蛍光体ホイール３０は、基体４０の中心にモーター５０が接続され、モーター５０の軸を回転軸Ｏとして回転可能に設けられている。
【００２９】
図２は、本実施形態の蛍光体ホイール３０を示す概略図である。図２（Ａ）は、蛍光体ホイール３０を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図２（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３０は、図２に示すように、平面形状が円形の基体４０と、基体４０上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。蛍光体ホイール３０は、基体４０の２つの主面のうち、蛍光体層４２が形成されていない側の主面が集光レンズ２２に面するように配置され、また、集光レンズ２２により集光された励起光Ｌｂの焦点位置が蛍光体層４２の位置と一致するように配置されている。
例えば、円形の蛍光体ホイール３０の直径は５０ｍｍであり、平面視で蛍光体ホイール３０の中心から約２２．５ｍｍ離れた位置に励起光Ｌｂが入射するように蛍光体ホイール３０が設けられている。
【００３０】
基体４０は、図２（Ｂ）に示すように、結晶軸を有する厚さｔの結晶性部材４６と、非結晶性部材４４とによって構成される。結晶性部材４６の厚さｔは、基体４０の厚さｔ０以下の厚みである。具体的には、結晶性部材４６としては、励起光Ｌｂである青色光を透過する水晶やサファイア等を用いることができる。また、非結晶性部材４４としては、白板ガラス、耐熱ガラス、石英、プラスチック等を用いることができる。
本実施形態において、基体４０は、結晶性部材４６の一例である水晶と、非結晶性部材４４の一例である耐熱ガラスによって構成される。熱伝導率に優れた水晶と、量産性に優れた耐熱ガラスと、を組み合わせることで、基体４０の放熱特性とコストのバランスを両立した設計が可能になる。本明細書では理解を簡単にするために、蛍光体ホイール３０が備えている結晶性部材４６の結晶軸のことを、蛍光体ホイール３０の結晶軸と呼ぶことがある。
【００３１】
蛍光体層４２は、上述したように、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂ（青色レーザー光）の一部を透過させるとともに、残りを吸収して黄色（発光強度のピーク：約５５０ｎｍ）の蛍光を発光する。蛍光体層４２から射出される光は、青色の励起光Ｌｂと黄色の蛍光とが合成されることで白色光を形成している。さらに、蛍光体層４２は、光透過性を有する基材と、蛍光を発する複数の蛍光体粒子と、光透過性を有する粒子状の物質である複数のフィラー粒子と、を有している。基材の内部には、複数の蛍光体粒子および複数のフィラー粒子が含まれている。基材の形成材料としては、光透過性を有する樹脂材料を用いることができ、例えば高い耐熱性を有するシリコーン樹脂（屈折率：約１．４）を好適に用いることができる。
【００３２】
蛍光体粒子は、図１に示すレーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂを吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子には、波長が約４４５ｎｍの青色レーザー光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、レーザー光源１０が射出する励起光Ｌｂの一部を、赤色の波長帯域から緑色の波長帯域までを含む光、すなわち黄色光に変換して射出する。このような蛍光体粒子として、平均粒径が１μｍから数十μｍ程度のものが高い発光効率を示すことが知られている。蛍光体粒子としては、公知のＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。例えば、平均粒径が１０μｍの（Ｙ，Ｇｄ）3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体（屈折率：約１．８）を用いることができる。なお、蛍光体粒子の構成材料は、１種類であっても良いし、２種類以上の構成材料からなる粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いても良い。
【００３３】
フィラー粒子は、蛍光体層４２に入射する励起光Ｌｂおよび蛍光体粒子から発せられる蛍光を拡散させる機能を有している。フィラー粒子の構成材料としては、光透過性を有する粒子状物質であれば、樹脂材料や無機材料など広範な種類の材料を用いることができる。中でも、高い耐熱性を有する無機材料を好適に用いることができ、例えば平均粒径が１０μｍのＡｌ2Ｏ3（屈折率：約１．８）を用いることができる。
【００３４】
モーター５０は、蛍光体ホイール３０を例えば７５００ｒｐｍで回転させる。この場合、蛍光体ホイール３０上の励起光Ｌｂの照射領域（ビームスポット）は、約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター５０は、蛍光体ホイール３０上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光Ｌｂが蛍光体ホイール３０上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の熱劣化を防止し、装置を長寿命化することができる。
【００３５】
コリメート光学系６０は、蛍光体ホイール３０からの光の広がりを抑える第１レンズ６２と、第１レンズ６２から入射される光を略平行化する第２レンズ６４とを備え、全体として蛍光体ホイール３０から射出された光を平行化するものである。第１レンズ６２と第２レンズ６４とは凸レンズで構成されている。
【００３６】
レンズアレイ１２０およびレンズアレイ１３０は、コリメート光学系６０から射出された光の輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１２０は、複数の第１マイクロレンズ１２２を含んでおり、レンズアレイ１３０は複数の第２マイクロレンズ１３２を含んでいる。第１マイクロレンズ１２２は、第２マイクロレンズ１３２と１対１で対応している。
コリメート光学系６０から射出された光は、複数の第１マイクロレンズ１２２に空間的に分かれて入射する。第１マイクロレンズ１２２は、入射した光を対応する第２マイクロレンズ１３２に結像させる。これにより、複数の第２マイクロレンズ１３２の各々に、二次光源像が形成される。なお、第１マイクロレンズ１２２、第２マイクロレンズ１３２の外形形状は、液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ各々の画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。
【００３７】
偏光変換素子１４０は、レンズアレイ１３０から射出された光Ｌの偏光状態を一の状態に変換するものである。図３に、偏光変換素子１４０の一部分を示す。偏光変換素子１４０は、偏光変換素子１４０に入射した光Ｌに含まれる偏光方向が互いに異なる２つの光、例えばＰ偏光とＳ偏光とを分離する偏光分離素子１４１と、偏光方向が互いに異なる２つの光のうちの一方の光の偏光方向を他方の光の偏光方向に変換する位相差板１４２と、を有している。
さらに、偏光分離素子１４１は、レンズアレイ１３０の各第２マイクロレンズ１３２に対応して設けられた偏光分離膜１４３（以下、ＰＢＳ膜と称する）とミラー１４４とを有している。第２マイクロレンズ１３２から偏光分離素子１４１に入射した光は、ＰＢＳ膜１４３によりＰ偏光（ＰＢＳ膜に対するＰ偏光）とＳ偏光（ＰＢＳ膜に対するＰ偏光）とに分離される。Ｐ偏光、Ｓ偏光のうち一方の偏光（例えばＳ偏光）は、ミラー１４４で反射した後、第２マイクロレンズ１３２に対応して設けられた位相差板１４２に入射する。位相差板１４２に入射した一方の偏光（Ｓ偏光）は、位相差板１４２により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光）の偏光状態に変換されて、ＰＢＳ膜１４３を透過した他方の偏光（Ｐ偏光）と同じ一の状態（ここではＰ偏光）で射出される。
【００３８】
図１に示す重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された光を液晶ライトバルブ（被照明領域）４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにて重畳させるものである。光源装置１００から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸１００ａｘ周りの軸対称性が高められる。
【００３９】
色分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、ミラー２３０、ミラー２４０、ミラー２５０、リレーレンズ２６０、リレーレンズ２７０を含んでいる。
ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー２１０は、緑色光と青色光とを反射させ、赤色光を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー２２０は、ダイクロイックミラー２１０を透過した緑色光と青色光のうち、緑色光を反射させ、青色光を透過させる特性を有している。
【００４０】
光源装置１００から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー２１０に入射する。光Ｌのうちの赤色光Ｒは、ダイクロイックミラー２１０を通ってミラー２３０に入射し、ミラー２３０で反射してフィールドレンズ３００Ｒに入射する。赤色光Ｒは、フィールドレンズ３００Ｒにより平行化された後に、赤色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｒに入射する。
【００４１】
光Ｌのうちの緑色光Ｇと青色光Ｂとは、ダイクロイックミラー２１０で反射して、ダイクロイックミラー２２０に入射する。緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０で反射してフィールドレンズ３００Ｇに入射する。緑色光Ｇは、フィールドレンズ３００Ｇにより平行化された後に、緑色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｇに入射する。
【００４２】
ダイクロイックミラー２２０を通った青色光Ｂは、リレーレンズ２６０を通りミラー２４０で反射した後、リレーレンズ２７０を通りミラー２５０で反射してフィールドレンズ３００Ｂに入射する。青色光Ｂは、フィールドレンズ３００Ｂにより平行化された後に、青色光変調用の液晶ライトバルブ４００Ｂに入射する。
【００４３】
液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、例えば透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成されている。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するパーソナルコンピューター等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素毎に変調して画像を形成する。
液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂにより変調された光（形成された画像）は、ダイクロイックプリズム５００に入射する。
【００４４】
ダイクロイックプリズム５００は、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズム５００の内面に、赤色光が反射し緑色光が透過するミラー面と、青色光が反射し緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズム５００に入射した緑色光は、ミラー面を通ってそのまま射出される。ダイクロイックプリズム５００に入射した赤色光、青色光は、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。
このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６００によってスクリーンＳＣＲに拡大投写される。
【００４５】
光源装置１００においては、レーザー光源１０の位置およびレーザー光源１０から射出されるレーザー光（励起光Ｌｂ）の偏光軸の方向は固定されている。ここで、図６に示したように、レーザー光の偏光軸をＰで表し、蛍光体ホイール３０の結晶軸（結晶性部材４６の結晶軸）をＫで表す。蛍光体層４２にレーザー光が照射されている間、蛍光体ホイール３０は回転軸Ｏのまわりに常時回転している。そのため、蛍光体ホイール３０の回転に伴って、蛍光体層４２上のレーザー光の照射スポットＬＳは蛍光体ホイール３０の回転軸の周りを移動し、レーザー光の照射スポットＬＳにおける蛍光体ホイール３０の結晶軸Ｋも回転する。そのため、レーザー光の偏光軸Ｐとレーザー光の照射スポットＬＳにおける蛍光体ホイール３０の結晶軸とのなす角θは逐次変化する。
【００４６】
図６（Ａ）と図６（Ｃ）に示したように、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが０°または９０°であるときは偏光の乱れが生じない。しかし、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが０°または９０°からずれるに従って偏光の乱れが大きくなり、図６（Ｂ）に示したように、角度θが４５°のとき偏光の乱れが最大になる。
このように、レーザー光の偏光軸Ｐと結晶性部材４６の結晶軸Ｋとのなす角度θが周期的に変化すると、偏光の乱れの程度も周期的に変化する。具体的には、結晶性材料が一体構造の場合、１回転する間に偏光の乱れが最小（偏光の乱れがない）のときが４回、最大のときが４回現れる。
【００４７】
さらに、結晶性部材４６の厚みｔ（図２（Ｂ）参照）と結晶性部材４６の複屈折Δｎによって決まる結晶性部材の位相差Ｎが、偏光の乱れに大きく影響する。ここで、結晶性部材４６の位相差Ｎは下記式（３）で求められる。
N＝ｔ×Δｎ・・・（３）
【００４８】
結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの半分の奇数倍のとき（Ｎ＝λ／２、３λ／２、５λ／２、・・・）、偏光の乱れは最大となる。つまり、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（４）を満足する時、偏光の乱れは最大となる。
ｔ＝（ｍ−１／２）λ／Δｎ （ｍは任意の整数）・・・（４）
一方、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの整数倍のとき（Ｎ＝λ、２λ、３λ、・・・）、偏光の乱れは最小となる。つまり、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（２）を満足する時、偏光の乱れは最小となる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ ・・・（２）
特に、式（２）を満足し、レーザー光源１０から射出される励起光Ｌｂが完全な直線偏光の平行光であり、励起光Ｌｂが基体４０に対して垂直に入射されたとき、偏光の乱れは生じない。
【００４９】
次に、本発明の効果について実施例１乃至６を用いて説明する。
【００５０】
（実施例１）
本実施例では、下記式（５）においてｘ＝１として、式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。
ｔ＝ｘλ／Δｎ ・・・（５）
式（５）においてｘ＝１の場合、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの整数倍であるため、偏光の乱れは最小となる。そして、レーザー光（励起光Ｌｂ）が完全な直線偏光の平行光であり、偏光変換素子１４０の偏光分離機能が完全であれば、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は０、すなわち最小になる。
【００５１】
これにより、蛍光体ホイール３０が回転していても、レーザー光源１０から射出され蛍光体ホイール３０を透過した励起光Ｌｂの偏光方向の乱れを極めて小さくし、偏光方向の乱れに伴う諸問題を解決し得る光源装置を実現することが可能となる。
【００５２】
レーザー光の偏光状態は偏光度が高く、直線偏光とみなすことができるため、レーザー光源１０から射出されてから偏光変換素子１４０に入射されるまでその偏光状態を維持することで、プロジェクターＰＪにおける偏光変換素子１４０の位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量を低減することができる。
偏光変換素子１４０では、偏光状態が異なる２つの偏光のうち、一方の偏光（第１偏光という）のみが位相差板１４２を透過し、他方の偏光（第２偏光という）は位相差板１４２を透過しない。そこで、レーザー光が第１偏光を含まないようにすれば、レーザー光が位相差板１４２に照射されないようにすることができる。
しかし、蛍光体ホイール３０に水晶などの結晶性部材を用いた場合、結晶性部材を透過することで偏光状態が乱れる結果、位相差板１４２を透過する光量が増加して、偏光変換素子１４０の寿命低下や、光利用効率の低下を引き起こす。
【００５３】
その点、本実施例の光源装置１００においては、式（５）においてｘ＝１として、結晶性部材４６の厚みが最適化された蛍光体ホイール３０が用いられている。これにより、蛍光体ホイール３０が回転しても、蛍光体ホイール３０を透過するレーザー光（励起光Ｌｂ）の偏光状態の乱れを極めて小さくすることができる。
【００５４】
具体的には、レーザー光（励起光Ｌｂ）が完全な直線偏光の平行光であり、偏光変換素子１４０の偏光分離機能が完全であれば、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は０になる。その結果、偏光方向の乱れに伴う偏光変換素子１４０の寿命低下の問題、光利用効率の低下の問題等、諸問題を解決し得る光源装置１００を実現することができる。
【００５５】
また、本実施形態のプロジェクターＰＪによれば、上記の光源装置１００を備えているため、信頼性が高く、表示品質に優れたプロジェクターを実現することができる。
【００５６】
（実施例２）
本実施例では、ｘ＝１．１として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約１０％となる。なお、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、蛍光体ホイール３０が一回転したときに位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の平均値を意味する。以下の実施例においても同様である。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．１としたが、ｘ＝０．９としてもｘ＝１．１の場合と同様な効果が得られる。
【００５７】
（実施例３）
本実施例では、ｘ＝１．２として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約３５％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．２としたが、ｘ＝０．８としてもｘ＝１．２の場合と同様な効果が得られる。
【００５８】
（実施例４）
本実施例では、ｘ＝１．２５として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約５０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．２５としたが、ｘ＝０．７５としてもｘ＝１．２５の場合と同様な効果が得られる。
【００５９】
（実施例５）
本実施例では、ｘ＝１．３５として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約８０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．３５としたが、ｘ＝０．６５としてもｘ＝１．３５の場合と同様な効果が得られる。
【００６０】
（実施例６）
本実施例では、ｘ＝１．４として式（５）が満足されるように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定した。この場合、位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量は、ｘ＝１．５の場合に位相差板１４２に照射されるレーザー光の光量の約９０％となる。従って、本実施例においても、ｘ＝１．５の場合と比較して、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果が高く、光利用効率の低下を抑制する効果も高い。
本実施例では、ｘ＝１．４としたが、ｘ＝０．６としてもｘ＝１．４の場合と同様な効果が得られる。
【００６１】
実施例１乃至実施例６からわかるように、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（１）を満足するように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定すれば、結晶性部材４６の位相差Ｎが励起光Ｌｂの波長λの半分の奇数倍になり得ないため、偏光の乱れが最大となることを防止することができる。これにより、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果と、光利用効率の低下を抑制する効果とを、式（４）が満足される場合よりも高くすることが可能である。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
また、結晶性部材４６の厚みｔが下記式（２）を満足するように、結晶性部材４６の複屈折Δｎと励起光Ｌｂの波長λに応じて結晶性部材４６の厚みｔを設定すれば、偏光の乱れを最小にすることができる。これにより、偏光変換素子１４０の寿命低下を抑制する効果と、光利用効率の低下を抑制する効果とを極めて高くすることができる。
ｔ＝ｍλ／Δｎ ・・・（２）
【００６２】
［実施形態２］
図４は、本実施形態の蛍光体ホイール３１を示す概略構成図である。図４（Ａ）は、蛍光体ホイール３１を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図４（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３１は、図４に示すように、平面形状が円形の基体４１と、基体４１上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。基体４１は、図４に示すように、結晶軸を有する厚さｔの結晶性部材の一例である水晶によって構成される。よって、結晶性部材の厚さｔは、基体４１の厚さｔ０と等しい。水晶は熱伝導率に優れているため、基体４１は高い放熱特性を実現することができる。また、基体４１は水晶単体という簡略な構成によって、高い機械的耐久性を実現することができる。
【００６３】
結晶性部材（基体４１）の厚みｔが上述の式（２）を満足することで、蛍光体ホイール３０が回転していても、蛍光体ホイール３０を透過する励起光Ｌｂの結晶性部材による偏光の乱れは最小となる。
【００６４】
［実施形態３］
図５は、本実施形態の蛍光体ホイール３２を示す概略構成図である。図５（Ａ）は、蛍光体ホイール３２を回転軸Ｏの方向から見た平面図であり、図５（Ｂ）は、回転軸Ｏと直交する方向Ｘから見た側面図である。
蛍光体ホイール３２は、図５に示すように、平面形状が円形の基体４３と、基体４３上において回転軸Ｏの周りに設けられた蛍光体層４２とを有している。基体４３は、図５に示すように、扇形の結晶性部材４７、扇形の結晶性部材４８、扇形の結晶性部材４９および円形の非結晶性部材４５によって構成されている。結晶性部材４７、結晶性部材４８、結晶性部材４９はいずれも水晶によって構成され、非結晶性部材４５は耐熱ガラスによって構成される。
また、結晶性部材４７の厚さをｔ１とし、結晶性部材４８の厚さをｔ２とし、結晶性部材４９の厚さをｔ３とすれば、厚さｔ１、厚さｔ２、厚さｔ３はいずれも、基体４３の厚さｔ０以下である。
結晶性部材として大きな水晶を用いるとコストが非常に高くなる。そこで、本実施形態のように、結晶性部材を複数の小さな水晶で構成することで、蛍光体ホイール３２を安価に製造することができる。また、結晶性部材４７、結晶性部材４８、結晶性部材４９を非結晶性部材４５の上に貼り付けることで、複数の結晶性部材を用いて蛍光体ホイール３２を構成する場合、容易に製造することができる。
【００６５】
厚さｔ１が下記式（６）を満足し、厚さｔ２が下記式（７）を満足し、厚さｔ３が下記式（８）を満足することで、蛍光体ホイール３０が回転していても、蛍光体ホイール３０を透過する励起光Ｌｂの結晶性部材による偏光の乱れは最小となる。
ｔ１＝ｍλ／Δｎ （ｍは任意の整数）・・・（６）
ｔ２＝ｎλ／Δｎ （ｎは任意の整数）・・・（７）
ｔ３＝ｐλ／Δｎ （ｐは任意の整数）・・・（８）
【００６６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば蛍光体ホイール３０として、基体４０上に蛍光体層４２を形成する例を示したが、基体中に蛍光体を分散させる構成としても良い。また、結晶性材料としては、水晶に限らず、サファイアなどを用いても良い。
【００６７】
また、回転ホイールの形状は円形に限らず、四角形や多角形などを用いても良い。回転ホイールとして多角形を用いた場合でもレーザー照射位置が回転ホイールの内側であれば、レーザー照射スポットの軌跡は円となる。したがって、回転ホイールとして多角形を用いた場合でも、レーザー照射スポットの軌跡は円形となる。
【００６８】
また、基体は複数の部品（例えば扇形の部品）を組み合わせた構成としても良い。各部品（基体）に含まれる結晶性材料に合わせて厚みを最適化すれば、同様の効果を得ることができる。
また、基体には必ずしも単一、同一の蛍光体層を形成する必要はない。例えば、一つの基体上に複数の領域を設定し、蛍光体種類、蛍光体層の厚み、蛍光体層のありなしを選択し、時分割で発光色が変化する回転ホイールを製造することもできる。基体が複数の部品（例えば扇形）で構成される場合も、各部品に蛍光体種類、蛍光体層の厚み、蛍光体層のありなしを選択し、時分割で発光色が変化する回転ホイールを製造することもできる。
【００６９】
また、プロジェクターの各光学要素の具体的な構成、配置、形状、数等については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。光源から射出される光の波長域と蛍光体材料との組み合わせについても、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…レーザー光源（励起光用光源）、３０，３１，３２…蛍光体ホイール（発光素子）、４０，４１，４３…基体、４２…蛍光体層、４６〜４９…結晶性部材、１００…光源装置、１４０…偏光変換素子、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、６００…投射光学系、ＰＪ…プロジェクター。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光源と、
前記固体光源から射出された光の光路上に設けられ、
かつ、所定の回転軸を中心として回転可能であり、
かつ、結晶性部材を含む基体と、を備え、
前記光の波長をλ（ｎｍ）とし、
前記結晶性部材の複屈折をΔｎとし、
前記結晶性部材の厚みをｔ（ｎｍ）とし、
任意の整数をｍとしたとき、
前記結晶性部材の厚みが下記の式（１）を満たすことを特徴とする光源装置。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【請求項２】
前記結晶性部材の厚みが、さらに下記の式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
ｔ＝ｍλ／Δｎ・・・（２）
【請求項３】
前記固体光源がレーザーであること特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記結晶性部材が水晶、またはサファイアで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】
前記基体の上に蛍光材料が設けられてい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】
前記固体光源と、前記基体と、
さらに前記基体よりも後段に配置されており、
かつ、入射した光の偏光状態を所定の偏光状態に変換して射出する偏光変換素子と、
を備え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、
前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、
を備えたことを特徴とするプロジェクター。
【請求項１】
固体光源と、
前記固体光源から射出された光の光路上に設けられ、
かつ、所定の回転軸を中心として回転可能であり、
かつ、結晶性部材を含む基体と、を備え、
前記光の波長をλ（ｎｍ）とし、
前記結晶性部材の複屈折をΔｎとし、
前記結晶性部材の厚みをｔ（ｎｍ）とし、
任意の整数をｍとしたとき、
前記結晶性部材の厚みが下記の式（１）を満たすことを特徴とする光源装置。
（ｍ−１／２）λ／Δｎ＜ｔ＜（ｍ＋１／２）λ／Δｎ・・・（１）
【請求項２】
前記結晶性部材の厚みが、さらに下記の式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
ｔ＝ｍλ／Δｎ・・・（２）
【請求項３】
前記固体光源がレーザーであること特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記結晶性部材が水晶、またはサファイアで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】
前記基体の上に蛍光材料が設けられてい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】
前記固体光源と、前記基体と、
さらに前記基体よりも後段に配置されており、
かつ、入射した光の偏光状態を所定の偏光状態に変換して射出する偏光変換素子と、
を備え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、
前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調された光を被投射面上に投射する投射光学系と、
を備えたことを特徴とするプロジェクター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１７３５９３（Ｐ２０１２−１７３５９３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６８０３（Ｐ２０１１−３６８０３）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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