光源装置、及びプロジェクター
【課題】光源の数が多い光源装置においても、十分に集光領域に集光させることのできる光源装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザーアレイ１ａと、前記半導体レーザーアレイ１ａからの光線を平行化するコリメーターレンズアレイ２ａと、前記コリメーターレンズアレイ２ａで平行化された光線を集光させる集光レンズ３とを備えた光源装置であって、前記集光レンズ３は、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイ１ａの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする。
【解決手段】半導体レーザーアレイ１ａと、前記半導体レーザーアレイ１ａからの光線を平行化するコリメーターレンズアレイ２ａと、前記コリメーターレンズアレイ２ａで平行化された光線を集光させる集光レンズ３とを備えた光源装置であって、前記集光レンズ３は、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイ１ａの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置及び当該光源装置を内蔵するプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクターの光源として発光ダイオード等の固体光源を用いることが検討されている。例えば、特許文献１に記載されているように、複数の発光ダイオードとアレイ状レンズと、球面レンズによる集光レンズを用いた光源装置が提案されている。
このような光源装置において、従来は集光レンズの球面収差を補正できるように、光源装置の発光ダイオードと球面の集光レンズの設置間隔を、光源装置の中心から周辺部につれて狭くし、前記アレイ状レンズと発光ダイオードの光軸がずれるように設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７１６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のプロジェクターにおいては、各々の発光ダイオードから放射される光線のうち、従来の技術で補正できる球面収差はわずかな領域に限られている。例えば主光線の近傍領域である。さらに、従来技術では、サジタル面内（サジタル方向）の収差に関しては何も考慮されていない。このため、十分に集光させることは困難であった。また、発光ダイオードは発光面積が大きく、小さな領域に集光させるためには半導体レーザーのような発光面積の小さな固体光源の方が好ましい。しかしながら、この従来技術に半導体レーザーを適応したとしても、球面レンズでの結像性能を考慮すると、やはり十分に集光させることは困難である。特に、光源の数が多い場合には、集光レンズの有効径が大きくなり、同じ焦点距離ならば、Ｆ／値は小さくなる。球面収差はＦ／値の２乗に反比例するため、Ｆ／値が小さくなるほど集光能力の劣化が顕著になるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたもので、複数の光源からの光線を十分に集光させることのできる光源装置を提供することを目的とする。特に、光源の数が多い場合には特に有効な手段となる。また、このような光源装置を備えるプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る光源装置は、放射角のアスペクト比が非対称である複数の半導体レーザーで構成される半導体レーザーアレイと、前記半導体レーザーからの光線を平行化するコリメーターレンズで構成されたコリメーターレンズアレイと、前記コリメーターレンズアレイで平行化された光線を集光させる集光レンズとを備えた光源装置であって、前記集光レンズは、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、球面収差は、入射面が平面で出射面が双曲面の集光レンズで補正され、サジタル方向の収差は、半導体レーザーの放射角が略最小となる方向に調整されているため、収差の発生を抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、半導体レーザーの放射角も略最大方向と略最小方向とが直角の関係であり、半導体レーザーの放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズ３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによる。
【０００９】
また、本適応例によれば、収差の発生を抑制できるため、集光領域をより小さくすることが可能となる。このため、エテンデューが改善され光変調装置のサイズを小さくすることができる。しいては、プロジェクターの小型が可能となる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例１に記載の光源装置において、前記集光レンズの出射面の双曲面の円錐定数をＫとし、半導体レーザーの波長における前記集光レンズの屈折率をｎとすると、
−ｎ2×１．１ ＜ Ｋ ＜ −ｎ2×０．９
であることを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、入射面が平面で出射面が双曲面近似の非球面集光レンズとなるため、レンズの有効径に関係なく放射方向の収差（球面収差）が補正されるので、光源のアレイ数を増やすこと（高輝度化）が可能となる。一般に、入射面が平面で、出射面が双曲面の非球面で、その双曲面の円錐定数が屈折率のマイナス２乗である非球面レンズは、球面収差がゼロとなるザイデルの無収差レンズの一つとして公知である。
【００１２】
［適用例３］上記適用例１、または２に記載の光源装置において、前記集光レンズのＦ／値は、１以下であることを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、Ｆ／値が１以下の明るいレンズであっても、収差の影響を抑制することが可能となる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例１〜３に記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に蛍光体が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、集光部に蛍光体が配置されているため、発光領域の小さい白色光源が実現可能となる。なぜならば、蛍光体による波長変換では、集光部の大きさはそれほど変化しないため、集光された状態で蛍光体に入射すれば発光領域の小さい白色光源が可能となる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例１〜４に記載の光源装置において、前記蛍光体は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、回転ホイール上に蛍光体が配置されているため、集光部での発熱による蛍光体の劣化を抑制することができ、蛍光体の寿命を延ばす効果が期待できる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例１〜３に記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
本適用例によれば、集光部に散乱手段が配置されているため、発光領域の小さい光源が実現可能となる。なぜならば、散乱手段では、放射角が変化するだけであり、集光部の大きさはそれほど変化しないため、集光された状態で散乱手段に入射すれば発光領域の小さい光源が可能となる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置され、前記散乱手段は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
本適用例によれば、回転ホール上に散乱手段が配置されているため、集光部での発熱による散乱手段の劣化を抑制することができ、散乱手段の寿命を延ばす効果が期待できる。
【００２２】
［適用例８］本適用例のプロジェクターは、上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された蛍光体と、前記蛍光体から放射された蛍光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本適用例によれば、蛍光体によって波長変換されているため発光効率が高く、光を画像情報として投射することで、効率のよいプロジェクターが可能となる。
【００２４】
［適用例９］本適用例のプロジェクターは、上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された散乱手段と、前記散乱手段から散乱された光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、集光部に散乱手段が配置されているため、半導体レーザーからの光を直接、投射系に用いることができるので、色再現性の良いプロジェクターが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。
【図２】実施例１における光源装置１０の断面図である。
【図３】実施例１に係る半導体レーザー１の配置を説明するための図。
【図４】実施例１に係る半導体レーザー１の放射分布と集光レンズ３との関係を説明するための図。
【図５】実施例１に係る半導体レーザー１の発光部８の形状と放射分布７を説明するための図。
【図６】実施例１に係る比較例１を示す光源装置３０の断面図である。
【図７】比較例１に係る半導体レーザー３１の配置を説明するための図である。
【図８】比較例１に係る半導体レーザー３１の放射分布と集光レンズ３３との関係を説明するための図である。
【図９】実施例２に係るプロジェクター２０００の光学系を示す平面図である。
【図１０】変形例１に係る集光部の集光状態を示すための図である。
【図１１】実施例１に係る集光レンズ３の放射方向とサジタル方向を説明するための図である。
【図１２】実施例３における光源装置４０の断面図である。
【図１３】実施例３に係る半導体レーザー４１の配置を説明するための図である。
【図１４】は、実施例３に係る半導体レーザー４１の放射分布４７と集光レンズ４３との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の光源装置、及びプロジェクターについて、図に示す実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、実施例１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。
図２は、実施例１における光源装置１０の断面図である。
図３は、実施例１に係る半導体レーザー１の配置を説明するための図である。
図４は、実施例１に係る半導体レーザー１の放射分布７と集光レンズ３との関係を説明するための図であり、図５は、実施例１に係る半導体レーザー１の発光部８の形状と放射分布７を説明するための図である。
なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ軸方向（図１における照明光軸１００ａｘ方向）、ｘ軸方向（図１における紙面に平行かつｚ軸に垂直な方向）及びｙ軸方向（図１における紙面に垂直かつｚ軸に垂直な方向）とする。
【００２９】
実施例１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、光源装置１０と、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置としての３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備える。
【００３０】
光源装置１０は、図２に示すように、半導体レーザー１で構成された半導体レーザーアレイ１ａ、コリメーターレンズ２で構成されたコリメーターレンズアレイ２ａ、及び入射側が平面で出射側が双曲面の集光レンズ３と、集光レンズ３によって集光された集光部４とを有する。尚、コリメーターレンズ２は、単レンズとして構成する場合に非球面レンズであることが好ましい。なぜならば、集光部４における集光状態は、コリメーターレンズ２の結像性能に大きく影響されるためである。このコリメーターレンズ２としては、例えば入射面が双曲面で出射面が平面である非球面レンズなどが用いられる。
照明装置１００は、回転ホイール５と、回転ホイール５を回転させる為のモーター５Ｍと、回転ホイール上に形成された蛍光体６と、コリメーターレンズユニット２０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを有する。
【００３１】
なお、前記集光レンズ３で集光された集光部４には、回転ホイール５上に形成された蛍光体６が配置され、前記蛍光体６は半導体レーザー１からの光によって励起される。励起された蛍光体６からは、赤色光、緑色光及び透過光である青色光を含む白色光が射出する。なお、光源装置１０は、上記した構成要素の他にもリード線等を有するが、図示及び説明を省略する。
【００３２】
光源装置１０の半導体レーザー１は、放射角のアスペクト比が非対称であり、図４に示すように、前記半導体レーザーアレイ１ａの各々の半導体レーザー１の放射角の略最大の方向と、前記集光レンズ３の光軸を含む放射方向とを合わせるように配置してある。これにより、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的に合うように調整され、サジタル方向の収差の発生が抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、図４、図５に示すように、半導体レーザー１の放射角も略最大方向と略最小方向が直角の関係であり、半導体レーザー１の各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズ３の光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによるものである。
【００３３】
ここで、集光レンズの放射方向（メリディオナル方向；子午線方向）と、サジタル方向について説明する。図１１に示すように、集光レンズ３の光軸を含む放射方向、５１ｍ、５２ｍ、５３ｍはメリディオナル面内に存在するメリディオナル方向であり、それに対して垂直な方向、５１ｓ、５２ｓ、５３ｓがサジタル方向である。放射方向は無数に存在し、それに対するサジタル方向も無数に存在する。
【００３４】
次に、半導体レーザー１の発光部８と放射分布７との関係を説明する。図３、図４、図５に示すように、半導体レーザー１は、その発光部８の長辺方向と放射角の略最小方向とが一致し、短辺方向と放射角の略最大方向とが一致するという特徴を持っている。このため、図３に示すように、発光部８の短辺方向と集光レンズ３の光軸を含む放射方向がそろうように配置してやると、放射方向の略最大方向と集光レンズ３の光軸を含む放射方向がそろうようになる。
尚、半導体レーザー１における発光部８の大きさは、例えば長辺が１８μｍで短辺が２μｍである。
また、半導体レーザー１は、励起光として青色光（発光強度のピーク波長；４３０〜４６０ｎｍ）を生成する半導体レーザーからなる。
【００３５】
半導体レーザー１から放射された光は、コリメーターレンズ２によって平行化された後、集光レンズ３によって集光部４に集光される。集光部４には、前述したように蛍光体６が配置され、赤色と緑色の蛍光及び透過光の青色を含む白色光が放出される。放出された白色光は、球面レンズ２２と非球面レンズ２４とで構成されたコリメーターレンズユニット２０により再び平行化され、第１レンズアレイ１２０に入射する。
ここで、コリメーターレンズユニット２０に関して、補足説明をする。前記蛍光体から放射された蛍光は、ランバート発光をする。このため、前記コリメーターレンズユニット２０での入射側（蛍光体側）の取り込み角は、１５０度以上であることが好ましい。これを実現するために、コリメーターレンズユニット２０は、少なくとも１面以上の非球面を含んでいることが好ましい。尚、本実施例では、コリメーターレンズユニットは、入射側が平面で出射側が球面の平凸球面レンズ２２と、両凸の両面非球面レンズ２４により構成されている。
尚、ここでいうランバート発光とは、発光強度分布がランバート散乱と同様の強度分布を持つ発光する状態をいう。
【００３６】
第１レンズアレイ１２０は、コリメーターレンズユニット２０からの光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、複数の第１小レンズ１２２が照明光軸１００ａｘと直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。図示による説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状は、液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状に関して相似形である。
【００３７】
第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０と略同様な構成を有し、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸１００ａｘに直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。
【００３８】
偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、光源装置１０からの照明光束に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分を透過し他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、偏光分離層を透過した一方の直線偏光成分を他方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有する。
【００３９】
重畳レンズ１５０は、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び偏光変換素子１４０を経た複数の部分光束を集光して液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０の光軸と照明装置１００の照明光軸１００ａｘとが略一致するように、重畳レンズ１５０が配置されている。なお、重畳レンズ１５０は、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。
【００４０】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０と、反射ミラー２３０，２４０，２５０と、入射側レンズ２６０と、リレーレンズ２７０とを有する。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの照明光を、赤色光、緑色光及び青色光の３つの色光に分離して、それぞれの色光を照明対象となる３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導く機能を有する。
【００４１】
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの光路前段には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。
【００４２】
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、画像情報に応じて照明光を変調するものであり、照明装置１００の照明対象となる。
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像情報に従って、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。
【００４３】
また、ここでは図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと各液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が介在配置され、各液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が介在配置されている。これら入射側偏光板、液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ及び射出側偏光板によって入射する各色光の光変調が行われる。
【００４４】
クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。
【００４５】
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。
【００４６】
次に、実施例１に係る光源装置１０、照明装置１００及びプロジェクター１０００の効果を説明する。
【００４７】
実施例１に係る光源装置１０によれば、集光レンズ３は入射面が平面で出射面が双曲面であるため、集光レンズ３の放射方向（メリディオナル面）の収差（球面収差）の発生は抑制される。サジタル方向の収差の発生をこの形態では抑制することはできないが、半導体レーザー１の各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズ３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整される。このため、サジタル方向の収差の発生が抑制されることになる。これにより、集光状態のよい光源装置が可能となり、エテンデューの改善となるため、照明装置１００の小型化及び、光変調装置の小型化が可能となり、プロジェクターそのものの小型化が可能となる。
【００４８】
次に、比較例を用いて、本発明における光源装置１０を説明する。
【００４９】
（比較例１）
図６は、比較例１における光源装置３０の断面図である。
図７は、比較例１に係る半導体レーザー３１の配置（半導体レーザーアレイ３１ａの配置）を説明するための図である。
図８は、比較例１に係る半導体レーザー３１の放射分布３７と集光レンズ３３との関係を説明するための図である。
【００５０】
比較例１に係る光源装置３０では、半導体レーザー３１は、Ｙ方向に短辺方向が来るように配置されているため、放射方向の略最大方向はＹ方向に向いている。そのため、光軸を含む放射方向と短辺方向が一致するように偶然配置された半導体レーザーの放射分布３７ａ、３７ｂでは、集光レンズ３３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射方向の略最小方向とが一致し、収差の発生は抑制される。しかしながら、それ以外の半導体レーザー（放射分布３７ａと３７ｂ以外の半導体レーザー）については、収差の発生が抑制されないため集光状態が劣化する。このサジタル方向の収差は、レンズのＦ／値が小さくなると顕著に悪化し、集光状態の劣化を招く。焦点距離３０ｍｍでφ１００ｍｍの場合の集光状態の例を変形例１として、図１０ａ、図１０ｂに示す。図１０ａは、半導体レーザーを比較例１の図７のように配置した変形例１（シミュレーション結果）で、図１０ｂは、半導体レーザーを実施例１の図３のように配置した本発明の実施例（シミュレーション結果）である。図１０ａでは、一方向のみの集光状態の劣化がはっきりと分かる。
【実施例２】
【００５１】
図９は、実施例２に係るプロジェクター２０００の光学系を示す平面図である。実施例２に係るプロジェクター２０００は、基本的には実施例１に係るプロジェクター１０００と同様の構成を有するが、光源装置の構成が実施例１に係るプロジェクター１０００とは異なる。すなわち、実施例２に係るプロジェクター２０００においては、図９に示すように、光源装置１０Ｒと、光源装置１０Ｇと、光源装置１０Ｂとを備える。また、これに伴って、光源装置１０Ｒ、光源装置１０Ｇ、光源装置１０Ｂからの光を合成する色合成プリズムＰを新たに備える。
【００５２】
照明装置１００１は、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを回転させる為のモーター５ＲＭ、５ＧＭ、５ＢＭと、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ上に形成された散乱手段９Ｒ、９Ｇ、９Ｂと、コリメーターレンズユニット２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂと、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを有する。
【００５３】
光源装置１０Ｒは、半導体レーザー１Ｒで構成された半導体レーザーアレイ１Ｒａ、コリメーターレンズ２Ｒで構成されたコリメーターレンズアレイ２Ｒａ、及び入射側が平面で出射側が双曲面の集光レンズ３Ｒと、集光レンズ３Ｒによって集光された集光部４Ｒとを有する。
【００５４】
前記集光レンズ３Ｒで集光された集光部４Ｒには、回転ホイール５Ｒ上に形成された散乱手段９Ｒが配置され、散乱手段９Ｒは半導体レーザー１Ｒからの集光された光を十分に拡散させる機能を有する。なお、光源装置１０Ｒは、上記した構成要素の他にもリード線等を有するが、図示及び説明を省略する。
尚、散乱手段９Ｒの例としては、スリ硝子、拡散フィルム、ホログラフィックディフューザー、マイクロレンズアレイで構成されたディフュザーなどを用いることができるが、散乱特性が波長によって異なるとスクリーン上での照明ムラの原因となるため、波長依存性の少ない散乱手段であることが好ましい。さらには、散乱能力が低くてもスクリーン上での照明ムラの原因となるため、散乱特性として３０度以上であることが好ましい。
尚、各光学部品は、使用される半導体レーザーの波長に対して反射防止手段が施されておればよいため、赤色の光源装置１０Ｒにおいては、例えば、６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの半導体レーザーを用い、６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲で反射防止手段が施されていることが好ましい。この理由は、必要以上に反射膜の特性を広げるとコストアップの原因の一つとなるためである。
【００５５】
光源装置１０Ｒの半導体レーザー１Ｒは、放射角のアスペクト比が非対称であり、実施例１で説明したように、前記半導体レーザーアレイ１Ｒａの各々の半導体レーザー１Ｒの放射角の略最大の方向と、前記集光レンズ３Ｒの光軸を含む放射方向とを合わせるように配置してある。これにより、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的に合うように調整され、サジタル方向の収差の発生が抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、半導体レーザー１Ｒの放射角も略最大方向と略最小方向が直角の関係であり、半導体レーザー１Ｒの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズ３Ｒの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによるものである。
【００５６】
半導体レーザー１Ｒから放射された光は、コリメーターレンズ２Ｒによって平行化された後、集光レンズ３Ｒによって集光部４Ｒに集光される。集光部４Ｒには、前述したように散乱手段９Ｒが配置され、散乱された赤色光が放出される。放出された赤色光は、球面レンズ２２Ｒと非球面レンズ２４Ｒとで構成されたコリメーターレンズユニット２０Ｒにより再び平行化され、第１レンズアレイ１２０に入射する。コリメーターレンズユニット２０Ｒの機能、及び第１レンズアレイ１２０以降の機能に関しては実施例１と同じなので説明は省略する。
【００５７】
同様に、光源装置１０Ｇ、光源装置１０Ｂに関して、半導体レーザーの波長を除けば、全く同じ構成、及び機能であるため、ここでの説明は省略する。尚、青色の光源装置１０Ｂに関しては、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの半導体レーザーを用い、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲で反射防止手段が施され、緑色の光源装置１０Ｇに関しては、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍの半導体レーザーを用い、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲で反射防止手段が施されていることが好ましい。
尚、新たに追加された色合成プリズムＰは、投射レンズ直前に配置されたクロスダイクロイックプリズムと同じ機能を有しているため詳細な説明は省略するが、本実施例では、緑色を透過し、赤色と青色を反射させる波長選択性プリズムである。
【実施例３】
【００５８】
図１２は、実施例３における光源装置４０の断面図である。
図１３は、実施例３に係る半導体レーザー４１の配置を説明するための図である。
図１４は、実施例３に係る半導体レーザー４１の放射分布４７と集光レンズ４３との関係を説明するための図である。
【００５９】
実施例３に係る光源装置４０は、基本的には実施例１に係る光源装置１０と同様の構成を有するが、半導体レーザー４１の配列が光源装置１０とは異なる。すなわち、図１３に示すように光源装置４０における半導体レーザー４１は、格子状に配列された後、半導体レーザーアレイの各々の短辺方向と集光レンズの放射方向があうように回転させてある。従って、図１４の放射分布４７に示すように放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とが合うようになり、必然的に放射角の略最小方向と集光レンズのサジタル方向とが合い、収差の発生を抑制することができるようになる。
【００６０】
以上、本発明を上記の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００６１】
（１）上記、実施例１においては、蛍光体として透過型の構成を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、反射型の蛍光体で構成する光源装置を用いることもできる。
【００６２】
（２）上記、実施例２においては、赤色の光源装置１０Ｒとして赤色半導体レーザーを、緑色の光源装置１０Ｇとして緑色半導体レーザーを、青色の光源装置１０Ｂとして青色半導体レーザーを用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。赤色半導体レーザーの代わりに青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、赤色の蛍光を用いることもできる。同様に、緑色半導体レーザーの代わりに青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、緑色の蛍光を用いることもできる。また、赤色半導体レーザーと緑色半導体レーザーの代わりに、青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、黄色の蛍光を用いることもできる。
尚、蛍光体を用いた場合には、蛍光体がランバート発光するため、散乱手段９は必要となくなる。
【００６３】
（３）上記、各実施例においては、透過型のプロジェクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射型のプロジェクターを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶表示装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型の液晶表示装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型のプロジェクターにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクターと同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（４）上記、各実施例においては、３つの液晶光変調装置を用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。１つ、２つ又は４つ以上の液晶光変調装置を用いたプロジェクターにも適用可能である。
【００６５】
（５）上記、各実施例においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、各種照明器具等。）に適用することもできる。
【００６６】
（６）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…半導体レーザー、１ａ，１Ｒａ，１Ｇａ，１Ｂａ…半導体レーザーアレイ、２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…コリメーターレンズ、２ａ，２Ｒａ，２Ｇａ，２Ｂａ…コリメーターレンズアレイ、３，３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ，３３，４３…集光レンズ、４，４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…集光部、５，５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ…回転ホイール、５ＲＭ，５ＧＭ，５ＢＭ…モーター、６…蛍光体、９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ…散乱手段、１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…光源装置、２０，２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ…コリメーターレンズユニット、２２，２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ…球面レンズ、２４，２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ…非球面レンズ、１００，１００１…照明装置、１２０…第１レンズアレイ、１２２…第１小レンズ、１３０…第２レンズアレイ、１３２…第２小レンズ、１４０…偏光変換素子、１５０…重畳レンズ、２００…色分離導光光学系、２１０，２２０…ダイクロイックミラー、２３０，２４０，２５０…反射ミラー、２６０…入射側レンズ、２７０…リレーレンズ、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…集光レンズ、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系、１０００，２０００…プロジェクター、ＳＣＲ…スクリーン、Ｐ…色合成プリズム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置及び当該光源装置を内蔵するプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクターの光源として発光ダイオード等の固体光源を用いることが検討されている。例えば、特許文献１に記載されているように、複数の発光ダイオードとアレイ状レンズと、球面レンズによる集光レンズを用いた光源装置が提案されている。
このような光源装置において、従来は集光レンズの球面収差を補正できるように、光源装置の発光ダイオードと球面の集光レンズの設置間隔を、光源装置の中心から周辺部につれて狭くし、前記アレイ状レンズと発光ダイオードの光軸がずれるように設置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７１６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のプロジェクターにおいては、各々の発光ダイオードから放射される光線のうち、従来の技術で補正できる球面収差はわずかな領域に限られている。例えば主光線の近傍領域である。さらに、従来技術では、サジタル面内（サジタル方向）の収差に関しては何も考慮されていない。このため、十分に集光させることは困難であった。また、発光ダイオードは発光面積が大きく、小さな領域に集光させるためには半導体レーザーのような発光面積の小さな固体光源の方が好ましい。しかしながら、この従来技術に半導体レーザーを適応したとしても、球面レンズでの結像性能を考慮すると、やはり十分に集光させることは困難である。特に、光源の数が多い場合には、集光レンズの有効径が大きくなり、同じ焦点距離ならば、Ｆ／値は小さくなる。球面収差はＦ／値の２乗に反比例するため、Ｆ／値が小さくなるほど集光能力の劣化が顕著になるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたもので、複数の光源からの光線を十分に集光させることのできる光源装置を提供することを目的とする。特に、光源の数が多い場合には特に有効な手段となる。また、このような光源装置を備えるプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る光源装置は、放射角のアスペクト比が非対称である複数の半導体レーザーで構成される半導体レーザーアレイと、前記半導体レーザーからの光線を平行化するコリメーターレンズで構成されたコリメーターレンズアレイと、前記コリメーターレンズアレイで平行化された光線を集光させる集光レンズとを備えた光源装置であって、前記集光レンズは、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、球面収差は、入射面が平面で出射面が双曲面の集光レンズで補正され、サジタル方向の収差は、半導体レーザーの放射角が略最小となる方向に調整されているため、収差の発生を抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、半導体レーザーの放射角も略最大方向と略最小方向とが直角の関係であり、半導体レーザーの放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズ３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによる。
【０００９】
また、本適応例によれば、収差の発生を抑制できるため、集光領域をより小さくすることが可能となる。このため、エテンデューが改善され光変調装置のサイズを小さくすることができる。しいては、プロジェクターの小型が可能となる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例１に記載の光源装置において、前記集光レンズの出射面の双曲面の円錐定数をＫとし、半導体レーザーの波長における前記集光レンズの屈折率をｎとすると、
−ｎ2×１．１ ＜ Ｋ ＜ −ｎ2×０．９
であることを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、入射面が平面で出射面が双曲面近似の非球面集光レンズとなるため、レンズの有効径に関係なく放射方向の収差（球面収差）が補正されるので、光源のアレイ数を増やすこと（高輝度化）が可能となる。一般に、入射面が平面で、出射面が双曲面の非球面で、その双曲面の円錐定数が屈折率のマイナス２乗である非球面レンズは、球面収差がゼロとなるザイデルの無収差レンズの一つとして公知である。
【００１２】
［適用例３］上記適用例１、または２に記載の光源装置において、前記集光レンズのＦ／値は、１以下であることを特徴とする。
【００１３】
本適用例によれば、Ｆ／値が１以下の明るいレンズであっても、収差の影響を抑制することが可能となる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例１〜３に記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に蛍光体が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、集光部に蛍光体が配置されているため、発光領域の小さい白色光源が実現可能となる。なぜならば、蛍光体による波長変換では、集光部の大きさはそれほど変化しないため、集光された状態で蛍光体に入射すれば発光領域の小さい白色光源が可能となる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例１〜４に記載の光源装置において、前記蛍光体は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、回転ホイール上に蛍光体が配置されているため、集光部での発熱による蛍光体の劣化を抑制することができ、蛍光体の寿命を延ばす効果が期待できる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例１〜３に記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
本適用例によれば、集光部に散乱手段が配置されているため、発光領域の小さい光源が実現可能となる。なぜならば、散乱手段では、放射角が変化するだけであり、集光部の大きさはそれほど変化しないため、集光された状態で散乱手段に入射すれば発光領域の小さい光源が可能となる。
【００２０】
［適用例７］上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置され、前記散乱手段は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
本適用例によれば、回転ホール上に散乱手段が配置されているため、集光部での発熱による散乱手段の劣化を抑制することができ、散乱手段の寿命を延ばす効果が期待できる。
【００２２】
［適用例８］本適用例のプロジェクターは、上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された蛍光体と、前記蛍光体から放射された蛍光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本適用例によれば、蛍光体によって波長変換されているため発光効率が高く、光を画像情報として投射することで、効率のよいプロジェクターが可能となる。
【００２４】
［適用例９］本適用例のプロジェクターは、上記適用例１〜３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された散乱手段と、前記散乱手段から散乱された光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、集光部に散乱手段が配置されているため、半導体レーザーからの光を直接、投射系に用いることができるので、色再現性の良いプロジェクターが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。
【図２】実施例１における光源装置１０の断面図である。
【図３】実施例１に係る半導体レーザー１の配置を説明するための図。
【図４】実施例１に係る半導体レーザー１の放射分布と集光レンズ３との関係を説明するための図。
【図５】実施例１に係る半導体レーザー１の発光部８の形状と放射分布７を説明するための図。
【図６】実施例１に係る比較例１を示す光源装置３０の断面図である。
【図７】比較例１に係る半導体レーザー３１の配置を説明するための図である。
【図８】比較例１に係る半導体レーザー３１の放射分布と集光レンズ３３との関係を説明するための図である。
【図９】実施例２に係るプロジェクター２０００の光学系を示す平面図である。
【図１０】変形例１に係る集光部の集光状態を示すための図である。
【図１１】実施例１に係る集光レンズ３の放射方向とサジタル方向を説明するための図である。
【図１２】実施例３における光源装置４０の断面図である。
【図１３】実施例３に係る半導体レーザー４１の配置を説明するための図である。
【図１４】は、実施例３に係る半導体レーザー４１の放射分布４７と集光レンズ４３との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の光源装置、及びプロジェクターについて、図に示す実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、実施例１に係るプロジェクター１０００の光学系を示す平面図である。
図２は、実施例１における光源装置１０の断面図である。
図３は、実施例１に係る半導体レーザー１の配置を説明するための図である。
図４は、実施例１に係る半導体レーザー１の放射分布７と集光レンズ３との関係を説明するための図であり、図５は、実施例１に係る半導体レーザー１の発光部８の形状と放射分布７を説明するための図である。
なお、以下の説明においては、互いに直交する３つの方向をそれぞれｚ軸方向（図１における照明光軸１００ａｘ方向）、ｘ軸方向（図１における紙面に平行かつｚ軸に垂直な方向）及びｙ軸方向（図１における紙面に垂直かつｚ軸に垂直な方向）とする。
【００２９】
実施例１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、光源装置１０と、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置としての３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投写光学系６００とを備える。
【００３０】
光源装置１０は、図２に示すように、半導体レーザー１で構成された半導体レーザーアレイ１ａ、コリメーターレンズ２で構成されたコリメーターレンズアレイ２ａ、及び入射側が平面で出射側が双曲面の集光レンズ３と、集光レンズ３によって集光された集光部４とを有する。尚、コリメーターレンズ２は、単レンズとして構成する場合に非球面レンズであることが好ましい。なぜならば、集光部４における集光状態は、コリメーターレンズ２の結像性能に大きく影響されるためである。このコリメーターレンズ２としては、例えば入射面が双曲面で出射面が平面である非球面レンズなどが用いられる。
照明装置１００は、回転ホイール５と、回転ホイール５を回転させる為のモーター５Ｍと、回転ホイール上に形成された蛍光体６と、コリメーターレンズユニット２０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを有する。
【００３１】
なお、前記集光レンズ３で集光された集光部４には、回転ホイール５上に形成された蛍光体６が配置され、前記蛍光体６は半導体レーザー１からの光によって励起される。励起された蛍光体６からは、赤色光、緑色光及び透過光である青色光を含む白色光が射出する。なお、光源装置１０は、上記した構成要素の他にもリード線等を有するが、図示及び説明を省略する。
【００３２】
光源装置１０の半導体レーザー１は、放射角のアスペクト比が非対称であり、図４に示すように、前記半導体レーザーアレイ１ａの各々の半導体レーザー１の放射角の略最大の方向と、前記集光レンズ３の光軸を含む放射方向とを合わせるように配置してある。これにより、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的に合うように調整され、サジタル方向の収差の発生が抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、図４、図５に示すように、半導体レーザー１の放射角も略最大方向と略最小方向が直角の関係であり、半導体レーザー１の各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズ３の光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによるものである。
【００３３】
ここで、集光レンズの放射方向（メリディオナル方向；子午線方向）と、サジタル方向について説明する。図１１に示すように、集光レンズ３の光軸を含む放射方向、５１ｍ、５２ｍ、５３ｍはメリディオナル面内に存在するメリディオナル方向であり、それに対して垂直な方向、５１ｓ、５２ｓ、５３ｓがサジタル方向である。放射方向は無数に存在し、それに対するサジタル方向も無数に存在する。
【００３４】
次に、半導体レーザー１の発光部８と放射分布７との関係を説明する。図３、図４、図５に示すように、半導体レーザー１は、その発光部８の長辺方向と放射角の略最小方向とが一致し、短辺方向と放射角の略最大方向とが一致するという特徴を持っている。このため、図３に示すように、発光部８の短辺方向と集光レンズ３の光軸を含む放射方向がそろうように配置してやると、放射方向の略最大方向と集光レンズ３の光軸を含む放射方向がそろうようになる。
尚、半導体レーザー１における発光部８の大きさは、例えば長辺が１８μｍで短辺が２μｍである。
また、半導体レーザー１は、励起光として青色光（発光強度のピーク波長；４３０〜４６０ｎｍ）を生成する半導体レーザーからなる。
【００３５】
半導体レーザー１から放射された光は、コリメーターレンズ２によって平行化された後、集光レンズ３によって集光部４に集光される。集光部４には、前述したように蛍光体６が配置され、赤色と緑色の蛍光及び透過光の青色を含む白色光が放出される。放出された白色光は、球面レンズ２２と非球面レンズ２４とで構成されたコリメーターレンズユニット２０により再び平行化され、第１レンズアレイ１２０に入射する。
ここで、コリメーターレンズユニット２０に関して、補足説明をする。前記蛍光体から放射された蛍光は、ランバート発光をする。このため、前記コリメーターレンズユニット２０での入射側（蛍光体側）の取り込み角は、１５０度以上であることが好ましい。これを実現するために、コリメーターレンズユニット２０は、少なくとも１面以上の非球面を含んでいることが好ましい。尚、本実施例では、コリメーターレンズユニットは、入射側が平面で出射側が球面の平凸球面レンズ２２と、両凸の両面非球面レンズ２４により構成されている。
尚、ここでいうランバート発光とは、発光強度分布がランバート散乱と同様の強度分布を持つ発光する状態をいう。
【００３６】
第１レンズアレイ１２０は、コリメーターレンズユニット２０からの光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、複数の第１小レンズ１２２が照明光軸１００ａｘと直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。図示による説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状は、液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域の外形形状に関して相似形である。
【００３７】
第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０と略同様な構成を有し、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸１００ａｘに直交する面内に複数行・複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。
【００３８】
偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、光源装置１０からの照明光束に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分を透過し他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、偏光分離層を透過した一方の直線偏光成分を他方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有する。
【００３９】
重畳レンズ１５０は、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び偏光変換素子１４０を経た複数の部分光束を集光して液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０の光軸と照明装置１００の照明光軸１００ａｘとが略一致するように、重畳レンズ１５０が配置されている。なお、重畳レンズ１５０は、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。
【００４０】
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０と、反射ミラー２３０，２４０，２５０と、入射側レンズ２６０と、リレーレンズ２７０とを有する。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの照明光を、赤色光、緑色光及び青色光の３つの色光に分離して、それぞれの色光を照明対象となる３つの液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導く機能を有する。
【００４１】
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの光路前段には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。
【００４２】
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、画像情報に応じて照明光を変調するものであり、照明装置１００の照明対象となる。
液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像情報に従って、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。
【００４３】
また、ここでは図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと各液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が介在配置され、各液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が介在配置されている。これら入射側偏光板、液晶装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ及び射出側偏光板によって入射する各色光の光変調が行われる。
【００４４】
クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。
【００４５】
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。
【００４６】
次に、実施例１に係る光源装置１０、照明装置１００及びプロジェクター１０００の効果を説明する。
【００４７】
実施例１に係る光源装置１０によれば、集光レンズ３は入射面が平面で出射面が双曲面であるため、集光レンズ３の放射方向（メリディオナル面）の収差（球面収差）の発生は抑制される。サジタル方向の収差の発生をこの形態では抑制することはできないが、半導体レーザー１の各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズ３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整される。このため、サジタル方向の収差の発生が抑制されることになる。これにより、集光状態のよい光源装置が可能となり、エテンデューの改善となるため、照明装置１００の小型化及び、光変調装置の小型化が可能となり、プロジェクターそのものの小型化が可能となる。
【００４８】
次に、比較例を用いて、本発明における光源装置１０を説明する。
【００４９】
（比較例１）
図６は、比較例１における光源装置３０の断面図である。
図７は、比較例１に係る半導体レーザー３１の配置（半導体レーザーアレイ３１ａの配置）を説明するための図である。
図８は、比較例１に係る半導体レーザー３１の放射分布３７と集光レンズ３３との関係を説明するための図である。
【００５０】
比較例１に係る光源装置３０では、半導体レーザー３１は、Ｙ方向に短辺方向が来るように配置されているため、放射方向の略最大方向はＹ方向に向いている。そのため、光軸を含む放射方向と短辺方向が一致するように偶然配置された半導体レーザーの放射分布３７ａ、３７ｂでは、集光レンズ３３のサジタル方向と半導体レーザー１の放射方向の略最小方向とが一致し、収差の発生は抑制される。しかしながら、それ以外の半導体レーザー（放射分布３７ａと３７ｂ以外の半導体レーザー）については、収差の発生が抑制されないため集光状態が劣化する。このサジタル方向の収差は、レンズのＦ／値が小さくなると顕著に悪化し、集光状態の劣化を招く。焦点距離３０ｍｍでφ１００ｍｍの場合の集光状態の例を変形例１として、図１０ａ、図１０ｂに示す。図１０ａは、半導体レーザーを比較例１の図７のように配置した変形例１（シミュレーション結果）で、図１０ｂは、半導体レーザーを実施例１の図３のように配置した本発明の実施例（シミュレーション結果）である。図１０ａでは、一方向のみの集光状態の劣化がはっきりと分かる。
【実施例２】
【００５１】
図９は、実施例２に係るプロジェクター２０００の光学系を示す平面図である。実施例２に係るプロジェクター２０００は、基本的には実施例１に係るプロジェクター１０００と同様の構成を有するが、光源装置の構成が実施例１に係るプロジェクター１０００とは異なる。すなわち、実施例２に係るプロジェクター２０００においては、図９に示すように、光源装置１０Ｒと、光源装置１０Ｇと、光源装置１０Ｂとを備える。また、これに伴って、光源装置１０Ｒ、光源装置１０Ｇ、光源装置１０Ｂからの光を合成する色合成プリズムＰを新たに備える。
【００５２】
照明装置１００１は、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを回転させる為のモーター５ＲＭ、５ＧＭ、５ＢＭと、回転ホイール５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ上に形成された散乱手段９Ｒ、９Ｇ、９Ｂと、コリメーターレンズユニット２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂと、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを有する。
【００５３】
光源装置１０Ｒは、半導体レーザー１Ｒで構成された半導体レーザーアレイ１Ｒａ、コリメーターレンズ２Ｒで構成されたコリメーターレンズアレイ２Ｒａ、及び入射側が平面で出射側が双曲面の集光レンズ３Ｒと、集光レンズ３Ｒによって集光された集光部４Ｒとを有する。
【００５４】
前記集光レンズ３Ｒで集光された集光部４Ｒには、回転ホイール５Ｒ上に形成された散乱手段９Ｒが配置され、散乱手段９Ｒは半導体レーザー１Ｒからの集光された光を十分に拡散させる機能を有する。なお、光源装置１０Ｒは、上記した構成要素の他にもリード線等を有するが、図示及び説明を省略する。
尚、散乱手段９Ｒの例としては、スリ硝子、拡散フィルム、ホログラフィックディフューザー、マイクロレンズアレイで構成されたディフュザーなどを用いることができるが、散乱特性が波長によって異なるとスクリーン上での照明ムラの原因となるため、波長依存性の少ない散乱手段であることが好ましい。さらには、散乱能力が低くてもスクリーン上での照明ムラの原因となるため、散乱特性として３０度以上であることが好ましい。
尚、各光学部品は、使用される半導体レーザーの波長に対して反射防止手段が施されておればよいため、赤色の光源装置１０Ｒにおいては、例えば、６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの半導体レーザーを用い、６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲で反射防止手段が施されていることが好ましい。この理由は、必要以上に反射膜の特性を広げるとコストアップの原因の一つとなるためである。
【００５５】
光源装置１０Ｒの半導体レーザー１Ｒは、放射角のアスペクト比が非対称であり、実施例１で説明したように、前記半導体レーザーアレイ１Ｒａの各々の半導体レーザー１Ｒの放射角の略最大の方向と、前記集光レンズ３Ｒの光軸を含む放射方向とを合わせるように配置してある。これにより、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的に合うように調整され、サジタル方向の収差の発生が抑制できる。この理由は、前記放射方向（メリディオナル方向）とサジタル方向は直角の関係であり、半導体レーザー１Ｒの放射角も略最大方向と略最小方向が直角の関係であり、半導体レーザー１Ｒの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズ３Ｒの光軸を含む放射方向とを合わせているため、集光レンズのサジタル方向と半導体レーザーの放射角の略最小方向とが必然的にあうように調整されることによるものである。
【００５６】
半導体レーザー１Ｒから放射された光は、コリメーターレンズ２Ｒによって平行化された後、集光レンズ３Ｒによって集光部４Ｒに集光される。集光部４Ｒには、前述したように散乱手段９Ｒが配置され、散乱された赤色光が放出される。放出された赤色光は、球面レンズ２２Ｒと非球面レンズ２４Ｒとで構成されたコリメーターレンズユニット２０Ｒにより再び平行化され、第１レンズアレイ１２０に入射する。コリメーターレンズユニット２０Ｒの機能、及び第１レンズアレイ１２０以降の機能に関しては実施例１と同じなので説明は省略する。
【００５７】
同様に、光源装置１０Ｇ、光源装置１０Ｂに関して、半導体レーザーの波長を除けば、全く同じ構成、及び機能であるため、ここでの説明は省略する。尚、青色の光源装置１０Ｂに関しては、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの半導体レーザーを用い、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲で反射防止手段が施され、緑色の光源装置１０Ｇに関しては、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍの半導体レーザーを用い、５３０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲で反射防止手段が施されていることが好ましい。
尚、新たに追加された色合成プリズムＰは、投射レンズ直前に配置されたクロスダイクロイックプリズムと同じ機能を有しているため詳細な説明は省略するが、本実施例では、緑色を透過し、赤色と青色を反射させる波長選択性プリズムである。
【実施例３】
【００５８】
図１２は、実施例３における光源装置４０の断面図である。
図１３は、実施例３に係る半導体レーザー４１の配置を説明するための図である。
図１４は、実施例３に係る半導体レーザー４１の放射分布４７と集光レンズ４３との関係を説明するための図である。
【００５９】
実施例３に係る光源装置４０は、基本的には実施例１に係る光源装置１０と同様の構成を有するが、半導体レーザー４１の配列が光源装置１０とは異なる。すなわち、図１３に示すように光源装置４０における半導体レーザー４１は、格子状に配列された後、半導体レーザーアレイの各々の短辺方向と集光レンズの放射方向があうように回転させてある。従って、図１４の放射分布４７に示すように放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とが合うようになり、必然的に放射角の略最小方向と集光レンズのサジタル方向とが合い、収差の発生を抑制することができるようになる。
【００６０】
以上、本発明を上記の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００６１】
（１）上記、実施例１においては、蛍光体として透過型の構成を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、反射型の蛍光体で構成する光源装置を用いることもできる。
【００６２】
（２）上記、実施例２においては、赤色の光源装置１０Ｒとして赤色半導体レーザーを、緑色の光源装置１０Ｇとして緑色半導体レーザーを、青色の光源装置１０Ｂとして青色半導体レーザーを用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。赤色半導体レーザーの代わりに青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、赤色の蛍光を用いることもできる。同様に、緑色半導体レーザーの代わりに青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、緑色の蛍光を用いることもできる。また、赤色半導体レーザーと緑色半導体レーザーの代わりに、青色半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせて、黄色の蛍光を用いることもできる。
尚、蛍光体を用いた場合には、蛍光体がランバート発光するため、散乱手段９は必要となくなる。
【００６３】
（３）上記、各実施例においては、透過型のプロジェクターを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、反射型のプロジェクターを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、透過型の液晶表示装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、反射型の液晶表示装置等のように光変調手段としての光変調装置が光を反射するタイプであることを意味している。反射型のプロジェクターにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクターと同様の効果を得ることができる。
【００６４】
（４）上記、各実施例においては、３つの液晶光変調装置を用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。１つ、２つ又は４つ以上の液晶光変調装置を用いたプロジェクターにも適用可能である。
【００６５】
（５）上記、各実施例においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、各種照明器具等。）に適用することもできる。
【００６６】
（６）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…半導体レーザー、１ａ，１Ｒａ，１Ｇａ，１Ｂａ…半導体レーザーアレイ、２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…コリメーターレンズ、２ａ，２Ｒａ，２Ｇａ，２Ｂａ…コリメーターレンズアレイ、３，３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ，３３，４３…集光レンズ、４，４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…集光部、５，５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ…回転ホイール、５ＲＭ，５ＧＭ，５ＢＭ…モーター、６…蛍光体、９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ…散乱手段、１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…光源装置、２０，２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ…コリメーターレンズユニット、２２，２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ…球面レンズ、２４，２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ…非球面レンズ、１００，１００１…照明装置、１２０…第１レンズアレイ、１２２…第１小レンズ、１３０…第２レンズアレイ、１３２…第２小レンズ、１４０…偏光変換素子、１５０…重畳レンズ、２００…色分離導光光学系、２１０，２２０…ダイクロイックミラー、２３０，２４０，２５０…反射ミラー、２６０…入射側レンズ、２７０…リレーレンズ、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…集光レンズ、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶装置、５００…クロスダイクロイックプリズム、６００…投写光学系、１０００，２０００…プロジェクター、ＳＣＲ…スクリーン、Ｐ…色合成プリズム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射角のアスペクト比が非対称である複数の半導体レーザーで構成される半導体レーザーアレイと、前記半導体レーザーからの光線を平行化するコリメーターレンズで構成されたコリメーターレンズアレイと、前記コリメーターレンズアレイで平行化された光線を集光させる集光レンズとを備えた光源装置であって、前記集光レンズは、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、前記集光レンズの出射面の双曲面の円錐定数をＫとし、半導体レーザーの波長における前記集光レンズの屈折率をｎとすると、
−ｎ2×１．１ ＜ Ｋ ＜ −ｎ2×０．９
であることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光源装置において、前記集光レンズのＦ／値は、１以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３いずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に蛍光体が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光源装置において、前記蛍光体は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置において、前記集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置され、前記散乱手段は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された蛍光体と、前記蛍光体から放射された蛍光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とするプロジェクター。
【請求項９】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された散乱手段と、前記散乱手段から散乱された光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とするプロジェクター。
【請求項１】
放射角のアスペクト比が非対称である複数の半導体レーザーで構成される半導体レーザーアレイと、前記半導体レーザーからの光線を平行化するコリメーターレンズで構成されたコリメーターレンズアレイと、前記コリメーターレンズアレイで平行化された光線を集光させる集光レンズとを備えた光源装置であって、前記集光レンズは、入射面が平面で出射面が双曲面であり、前記半導体レーザーアレイの各々の放射角の略最大の方向と前記集光レンズの光軸を含む放射方向とを合わせたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、前記集光レンズの出射面の双曲面の円錐定数をＫとし、半導体レーザーの波長における前記集光レンズの屈折率をｎとすると、
−ｎ2×１．１ ＜ Ｋ ＜ −ｎ2×０．９
であることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光源装置において、前記集光レンズのＦ／値は、１以下であることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３いずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に蛍光体が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光源装置において、前記蛍光体は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置において、集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置において、前記集光レンズによって集光された集光部に散乱手段が配置され、前記散乱手段は、回転ホイール上に形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された蛍光体と、前記蛍光体から放射された蛍光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備えることを特徴とするプロジェクター。
【請求項９】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光源装置と、前記光源装置によって集光された集光部に配置された散乱手段と、前記散乱手段から散乱された光を画像情報に変換する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系とを備える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７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４８８３２（Ｐ２０１２−４８８３２Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８６９２１（Ｐ２０１０−１８６９２１）
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【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３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]