照明装置和投影仪的制作方法

1.本发明涉及照明装置和投影仪。


背景技术：

2.作为用于投影仪的光源装置，一直以来提出了利用在将从发光元件射出的激励光照射到荧光体时从荧光体发出的荧光的光源装置。
3.在下述的专利文献1中，公开了具有以下部件的光源装置：光源，其射出激励光；波长转换元件，其将激励光转换为荧光；分色镜，其反射激励光，使荧光透过；聚光透镜单元，其将从分色镜射出的激励光引导至波长转换元件。
4.在下述的专利文献2中公开了具有以下部件的光源装置：第1光源，其射出激励光；第2光源，其通过激励光的照射而发出荧光；以及分色镜，其反射激励光，使荧光透过。在该光源装置中，在射出激励光的激光光源和分色镜之间设置有微透镜阵列和调整光束的截面形状的调整透镜。
5.专利文献1：日本特开2017
‑
194523号公报
6.专利文献2：日本特开2019
‑
8193号公报
7.在专利文献1的光源装置中，在分色镜比从波长转换元件射出的激励光的光束宽度大的情况下，激励光的大部分被分色镜反射而返回光源侧，所以存在作为照明光被利用的激励光、即蓝色光的比例降低的问题。但是，在专利文献1的光源装置中，由于在光源和分色镜之间设置有第1透镜阵列和第2透镜阵列，所以即使通过这两个透镜阵列使波长转换元件上的激励光的分布均匀化，也难以使分色镜小型化。
8.同样地，在专利文献2的光源装置中，由于在激光光源与调整透镜之间设置有微透镜阵列，所以即使通过微透镜阵列使荧光体上的激励光的强度分布均匀化，也难以使分色镜小型化。因此，在专利文献1和2的光源装置中，难以抑制激励光的利用效率的下降。


技术实现要素：

9.为了解决上述的课题，本发明一个方式的照明装置具有：第1发光元件，其射出第1波段的第1光；第1平行化元件，其使从所述第1发光元件射出的所述第1光平行化；波长转换元件，其具有波长转换层，该波长转换层具有第1面和与所述第1面不同的第2面，所述第1光入射到该第1面，该波长转换元件将所述第1光转换为与所述第1波段不同的第2波段的第2光；光学元件，其反射所述第1波段的光和所述第2波段的光中的一方，使另一方透过；第1聚光光学系统，其设置在所述第1平行化元件与所述光学元件之间，具有正的屈光力；扩散元件，其设置在所述第1聚光光学系统与所述光学元件之间，使从所述第1聚光光学系统射出的所述第1光扩散；以及第2聚光光学系统，其设置在所述光学元件与所述波长转换元件之间，具有正的屈光力，所述第2聚光光学系统在所述第2聚光光学系统的主点与所述波长转换层的所述第2面之间具有焦点。
10.本发明一个方式的投影仪具有：本发明一个方式的照明装置；光调制装置，其根据
图像信息对来自所述照明装置的光进行调制；以及投射光学装置，其投射由所述光调制装置调制后的光。
附图说明
11.图1是第1实施方式的投影仪的概略结构图。
12.图2是表示第1实施方式的照明装置的概略结构的俯视图。
13.图3是第1发光元件的立体图。
14.图4是波长转换元件的剖视图。
15.图5是用于说明第1聚光光学系统的作用的示意图。
16.图6是表示图5的结构中的波长转换元件上的激励光的像的图。
17.图7是用于说明扩散元件的作用的示意图。
18.图8是表示在图5的结构中附加了扩散元件时的波长转换元件上的激励光的像的图。
19.图9是第1比较例的照明装置的概略结构图。
20.图10是第2比较例的照明装置的主要部分的概略结构图。
21.图11是用于说明第1实施方式的照明装置中的、第1聚光光学系统的焦距与光学元件的尺寸之间的关系的图。
22.图12是表示第1聚光光学系统的焦距与光学元件上的入射宽度之间的关系的曲线图。
23.图13是表示扩散元件的扩散角的示意图。
24.图14是用于导出求最佳扩散角的数学式的图。
25.图15是第2实施方式的照明装置的侧视图。
26.图16是表示从图15的结构中排除了扩散元件时的波长转换元件上的激励光的像的图。
27.图17是表示图15的结构中的波长转换元件上的激励光的像的图。
28.图18是表示第3实施方式的照明装置的概略结构的俯视图。
29.标号说明
30.1：投影仪；2、50：照明装置；4b、4g、4r：光调制装置；6：投射光学装置；21、57：分色镜(光学元件)；22：第2聚光光学系统；23：波长转换元件；35：第1聚光光学系统；36：扩散元件；53：光学元件；232：反射层；233：波长转换层；233a：第1面；233b：第2面；234：结构体；311：第1发光元件；312：第1平行化元件；321：第2发光元件；322：第2平行化元件；bl、bl1：蓝色光(第1光)；bl2：蓝色光(第3光)；e：焦点；yl：荧光(第2光)。
具体实施方式
31.[第1实施方式]
[0032]
以下，使用图1～图14说明本发明的第1实施方式。
[0033]
在以下的各图中，为了易于观察各结构要素，有时根据结构要素使尺寸的比例尺不同而示出。
[0034]
对本实施方式的投影仪的一例进行说明。
[0035]
图1是本实施方式的投影仪的概略结构图。
[0036]
如图1所示，本实施方式的投影仪1是在屏幕scr上显示彩色影像的投射型图像显示装置。投影仪1具有照明装置2、色分离光学系统3、光调制装置4r、光调制装置4g、光调制装置4b、合成光学系统5和投射光学装置6。关于照明装置2的结构，在后面进行说明。
[0037]
色分离光学系统3具有第1分色镜7a、第2分色镜7b、反射镜8a、反射镜8b、反射镜8c、中继透镜9a和中继透镜9b。色分离光学系统3将从照明装置2射出的照明光wl分离为红色光lr、绿色光lg和蓝色光lb，将红色光lr引导至光调制装置4r、绿色光lg引导至光调制装置4g、蓝色光lb引导至光调制装置4b。
[0038]
场透镜10r配置于色分离光学系统3与光调制装置4r之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4r射出。场透镜10g配置于色分离光学系统3与光调制装置4g之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4g射出。场透镜10b配置于色分离光学系统3与光调制装置4b之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4b射出。
[0039]
第1分色镜7a使红色光成分透过，并反射绿色光成分和蓝色光成分。第2分色镜7b反射绿色光成分，使蓝色光成分透过。反射镜8a反射红色光成分。反射镜8b和反射镜8c反射蓝色光成分。
[0040]
透过第1分色镜7a后的红色光lr由反射镜8a反射，透过场透镜10r入射到红色光用的光调制装置4r的图像形成区域。由第1分色镜7a反射后的绿色光lg由第2分色镜7b进一步反射，透过场透镜10g而入射到绿色光用的光调制装置4g的图像形成区域。透过第2分色镜7b后的蓝色光lb经过中继透镜9a、入射侧的反射镜8b、中继透镜9b、射出侧的反射镜8c以及场透镜10b而入射到蓝色光用的光调制装置4b的图像形成区域。
[0041]
光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b分别根据图像信息对入射的色光进行调制，形成图像光。光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b分别由液晶光阀构成。虽然省略了图示，但在光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b的光入射侧分别配置有入射侧偏振片。在光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b的光射出侧，分别配置有射出侧偏振片。
[0042]
合成光学系统5对从光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b射出的各图像光进行合成而形成全彩色的图像光。合成光学系统5由贴合了4个直角棱镜的俯视呈大致正方形的十字分色棱镜构成。在将直角棱镜彼此贴合的大致x字状的界面上形成有电介质多层膜。
[0043]
从合成光学系统5射出的图像光被投射光学装置6放大投射，在屏幕scr上形成图像。即，投射光学装置6投射由光调制装置4r、光调制装置4g以及光调制装置4b调制后的光。投射光学装置6由多个投射透镜构成。
[0044]
对本实施方式的照明装置2的一例进行说明。
[0045]
以下，在图2中，使用xyz正交坐标系，将与从光源装置20射出的蓝色光bl的主光线平行的轴定义为x轴，将与从波长转换元件23射出的荧光yl的主光线平行的轴定义为y轴，将与x轴及y轴垂直的轴定义为z轴。
[0046]
另外，将沿着蓝色光bl的主光线的轴称为光源装置20的光轴ax4。即，光源装置20的光轴ax4与x轴平行。将沿着荧光yl的主光线的轴称为波长转换元件23的光轴ax5。即，波长转换元件23的光轴ax5与y轴平行。
[0047]
图2是从z轴方向观察到的照明装置2的俯视图。
[0048]
如图2所示，本实施方式的照明装置2具有光源装置20、分色镜21(光学元件)、第2聚光光学系统22、波长转换元件23、积分光学系统24、偏振转换元件25和重叠透镜26。光源装置20具有第1发光元件311、第1平行化元件312、第1聚光光学系统35和扩散元件36。
[0049]
第1发光元件311由蓝色半导体激光器构成，射出第1波段的蓝色光bl。蓝色半导体激光器射出例如在380nm～495nm的范围内具有峰值波长的第1波段的蓝色光bl。本实施方式的蓝色光bl对应于本发明的第1光。第1发光元件311安装在基材314上。
[0050]
图3是第1发光元件311的立体图。在图3中，省略了图2所示的基材314的图示。
[0051]
如图3所示，第1发光元件311具有光射出面311a，从光射出面311a向 x方向射出蓝色光bl。第1发光元件311射出与主光线bl0垂直的、截面形状为椭圆形的蓝色光bl。即，从第1发光元件311射出的蓝色光bl的与主光线bl0垂直的截面具有椭圆形的形状。作为光射出面311a的形状的长方形的长边方向c1与作为截面k1的形状的椭圆形的短轴方向d2一致。作为光射出面311a的形状的长方形的短边方向d1与作为截面k1的形状的椭圆形的长轴方向c2一致。其理由是，从第1发光元件311射出的蓝色光bl在与光射出面311a的长边方向垂直的面内的发散角γ1比在与光射出面311a的短边方向垂直的面内的发散角γ2大。蓝色光bl的发散角γ1的最大值(最大辐射角度)例如为70
°
左右，蓝色光bl的发散角γ2的最大值(最大辐射角度)例如为20
°
左右。
[0052]
如图2所示，第1平行化元件312与第1发光元件311对应地设置。第1平行化元件312由准直透镜构成，该准直透镜由凸透镜构成。第1平行化元件312将从第1发光元件311射出的蓝色光bl平行化。
[0053]
第1聚光光学系统35设置在第1平行化元件312与分色镜21之间。在本实施方式中，第1聚光光学系统35由一个凸透镜构成。另外，构成第1聚光光学系统35的透镜的数量没有特别限定，也可以由多个透镜构成。第1聚光光学系统35对入射的蓝色光bl进行会聚。第1聚光光学系统35具有正的屈光力，在分色镜21与波长转换元件23之间具有焦点e。第1聚光光学系统35的焦距比第1聚光光学系统35的主点g与分色镜21中的蓝色光bl的入射点n之间的距离r长。
[0054]
将分色镜21中的蓝色光bl的入射点n定义为分色镜21的光入射面21a与蓝色光bl的主光线交叉的点。另外，将第1聚光光学系统35的主点g与分色镜21中的蓝色光bl的入射点n之间的距离r定义为沿蓝色光bl的主光线所通过的光轴ax4的距离。另外，第1聚光光学系统35也可以由多个透镜构成。在第1聚光光学系统35由多个透镜构成的情况下，将第1聚光光学系统35的主点g定义为由多个透镜构成的聚光光学系统整体的主点。
[0055]
扩散元件36设置在第1聚光光学系统35与分色镜21之间。扩散元件36使从第1聚光光学系统35射出的蓝色光bl扩散并朝向分色镜21射出。波长转换元件23上的蓝色光bl的照度分布被扩散元件36均匀化。作为扩散元件36，例如使用由光学玻璃构成的磨砂玻璃板。对于扩散元件36，使用透过型的扩散元件。
[0056]
分色镜21配置成分别与光轴ax4和光轴ax5形成45
°
的角度。即，分色镜21设置在与波长转换元件23的光轴ax5交叉的位置处。分色镜21具有反射蓝色波段的光、并使黄色波段的光透过的特性。因此，分色镜21对从光源装置20射出的蓝色光bl进行反射，并使从波长转换元件23射出的荧光yl透过。本实施方式的分色镜21对应于本发明的光学元件。
[0057]
第2聚光光学系统22设置于分色镜21与波长转换元件23之间。第2聚光光学系统22由第1透镜221、第2透镜222以及第3透镜223这3个凸透镜构成。第2聚光光学系统22具有正的屈光力。另外，构成第2聚光光学系统22的透镜的数量没有特别限定。第2聚光光学系统22对由分色镜21反射后的蓝色光bl进行会聚，使其入射到波长转换元件23。第2聚光光学系统22在第2聚光光学系统22的主点与后述的波长转换层233的第2面233b之间具有焦点。在本实施方式的情况下，由于第2聚光光学系统22由多个透镜构成，所以将第2聚光光学系统22的主点定义为由多个透镜构成的聚光光学系统整体的主点。另外，在第2聚光光学系统22由1个透镜构成的情况下，定义为1个透镜的主点。
[0058]
图4是波长转换元件23的剖视图。
[0059]
如图4所示，波长转换元件23具有基板231、反射层232、波长转换层233和结构体234。波长转换层233具有蓝色光bl入射的第1面233a和与第1面233a不同的第2面233b。在波长转换层233中，第1面233a和第2面233b彼此相对。波长转换元件23将从第2聚光光学系统22射出的蓝色光bl转换为与第1波段不同的第2波段的荧光yl。波长转换层233包含将蓝色光bl转换为黄色荧光yl的陶瓷荧光体。第2波段例如为490～750nm，荧光yl为包含绿色光成分和红色光成分的黄色光。另外，荧光体也可以包含单晶荧光体。另外，从蓝色光bl的入射方向(y轴方向)看，波长转换元件23的平面形状为大致正方形。
[0060]
本实施方式的荧光yl对应于本发明的第2光。
[0061]
基板231作为对反射层232、波长转换层233以及结构体234进行支承的支承基板发挥作用，并且作为对由波长转换层233产生的热进行散热的散热基板发挥作用。基板231由例如金属、陶瓷等具有高导热系数的材料构成。基板231具有设置波长转换层233的第1面231a。
[0062]
反射层232设置于基板231的第1面231a。即，反射层232位于基板231的第1面231a与波长转换层233的第2面233b之间，使从波长转换层233入射的荧光yl反射到波长转换层233侧。因而，设置反射层232的基板231的第1面231a与波长转换层233的第2面233b彼此相对。反射层232由例如包含电介质多层膜、金属反射镜以及增反射膜等的层叠膜构成。另外，反射层232也可以由例如包含电介质多层膜、金属反射镜以及增反射膜等的多层膜构成。
[0063]
波长转换层233例如包含钇铝石榴石(yag)类荧光体。以含有铈(ce)作为活化剂的yag：ce为例，作为荧光体，能够使用将包含y2o3、al2o3、ceo3等构成元素的原料粉末混合并使其发生固相反应而得到的材料、通过共沉淀法或溶胶
‑
凝胶法等湿式法得到的y
‑
al
‑
o无定形粒子、通过喷雾干燥法、火焰热分解法或热等离子体法等气相法得到的yag粒子等。
[0064]
结构体234设置在波长转换层233的第1面233a上。结构体234使入射到波长转换元件23的蓝色光bl的一部分散射，向与蓝色光bl入射的方向相反的方向反射。结构体234由透光性材料构成，具有多个散射结构。本实施方式的散射结构具有由凸部构成的透镜形状。
[0065]
结构体234与波长转换层233分开形成。本实施方式的结构体234例如适于以下方法：在通过蒸镀法、溅射法、cvd法、涂覆法等形成电介质之后，通过光刻进行加工。结构体234优选由光吸收小、化学稳定的材料构成。即，结构体234由折射率处于1.3～2.5的范围的材料构成，例如能够使用sio2、sion、tio2等。例如，如果使用sio2构成结构体234，则能够通过湿蚀刻或干蚀刻高精度地进行加工。
[0066]
通过上述的结构，入射到波长转换元件23的蓝色光bl中的一部分蓝色光bl在透过
了结构体234后，在波长转换层233中进行波长转换而被转换为荧光yl。另一方面，另一部分的蓝色光bl在被波长转换为荧光yl之前通过结构体234进行反向散射，不进行波长转换而射出到波长转换元件23的外部。此时，蓝色光bl以扩散成与荧光yl的角度分布大致相同的角度分布的状态从结构体234射出。
[0067]
另外，也可以替代上述结构体234，使荧光体包含用于使蓝色光bl和荧光yl散射的散射要素。作为散射要素，例如使用多个气孔。在该情况下，入射到波长转换元件23的蓝色光bl中的一部分蓝色光bl进行波长转换而被转换为荧光yl，而另一部分蓝色光bl在被波长转换为荧光yl之前通过包含于荧光体中的散射要素而反向散射，不进行波长转换而射出到波长转换元件23的外部。
[0068]
在本实施方式的情况下，如图2所示，由于在第1发光元件311和分色镜21之间设置了具有正屈光力的第1聚光光学系统35，所以蓝色光bl以被会聚的状态入射到分色镜21。因此，与未设置第1聚光光学系统35的情况相比，能够使分色镜21小型化。由于分色镜21具有使黄色光成分透过的特性，所以从波长转换元件23射出的荧光yl在透过第2聚光光学系统22后，透过分色镜21。
[0069]
另外，通过使分色镜21小型化，从波长转换元件23射出的蓝色光bl的中央部入射到分色镜21，而蓝色光bl的周缘部不入射到分色镜21，而是通过分色镜21外侧的空间。入射到分色镜21的蓝色光bl被分色镜21反射而成为损失，但未入射到分色镜21的蓝色光bl与荧光yl一起被用作照明光wl。在该情况下，通过使分色镜21小型化，能够减少被分色镜21反射而成为损失的蓝色光bl。
[0070]
如上所述，蓝色光bl和荧光yl入射到积分光学系统24。蓝色光bl和黄色荧光yl被合成而生成白色的照明光wl。
[0071]
积分光学系统24具有第1多透镜阵列241和第2多透镜阵列242。第1多透镜阵列241具有用于将照明光wl分割为多个部分光束的多个第1透镜2411。
[0072]
第1多透镜阵列241的透镜面、即第1透镜2411的表面与光调制装置4r、4g、4b各自的图像形成区域成为相互共轭的关系。因此，从光轴ax5的方向看，第1透镜2411各自的形状是与光调制装置4r、4g、4b的图像形成区域的形状大致相似的矩形。由此，从第1多透镜阵列241射出的部分光束分别高效地入射到光调制装置4r、4g、4b的图像形成区域。
[0073]
第2多透镜阵列242具有与第1多透镜阵列241的多个第1透镜2411对应的多个第2透镜2421。第2多透镜阵列242与重叠透镜26一起，使第1多透镜阵列241的各第1透镜2411的像在各光调制装置4r、4g、4b各自的图像形成区域的附近成像。
[0074]
透过积分光学系统24后的照明光wl入射到偏振转换元件25。偏振转换元件25具有将未图示的偏振分离膜和相位差板排列成阵列状的结构。偏振转换元件25使照明光wl的偏振方向与规定方向一致。具体而言，偏振转换元件25使照明光wl的偏振方向与光调制装置4r、4g、4b的入射侧偏振片的透过轴的方向一致。
[0075]
由此，从透过了偏振转换元件25的照明光wl分离出的红色光lr、绿色光lg和蓝色光lb的偏振方向与各光调制装置4r、4g、4b的入射侧偏振片的透过轴方向一致。因此，红色光lr、绿色光lg和蓝色光lb分别不被入射侧偏振片遮挡，而分别入射到光调制装置4r、4g、4b的图像形成区域。
[0076]
透过偏振转换元件25后的照明光wl入射到重叠透镜26。重叠透镜26与积分光学系
统24协作，使作为被照明区域的光调制装置4r、4g、4b各自的图像形成区域中的照度分布均匀化。
[0077]
[本实施方式的原理]
[0078]
以下，对能够通过本实施方式的结构在波长转换元件23上形成光密度小的蓝色光bl的像的原理进行说明。
[0079]
首先，为了验证本实施方式的第1聚光光学系统35的作用以及效果，设想图9所示的第1比较例的照明装置。
[0080]
如图9所示，第1比较例的照明装置101具有发光元件102、平行化元件103、第2聚光光学系统104和波长转换元件105，而不具有第1聚光光学系统。另外，发光元件102和波长转换元件105为相互共轭的关系。
[0081]
在第1比较例的照明装置101中，从发光元件102射出之后被平行化元件103平行化的蓝色光bl通过第2聚光光学系统104而成像在波长转换元件105上。此时，由于发光元件102和波长转换元件105处于相互共轭的关系，所以在波长转换元件105上形成的蓝色光bl的像成为由衍射极限决定的极小的点状的像。在这样小的像的情况下，因为光的能量集中于波长转换元件105上的极小的区域，所以光密度变得极大。在入射到波长转换元件105的光的密度大的情况下，伴随荧光体的波长转换而产生的热的密度也变大。即，伴随荧光体的波长转换而产生的热集中于波长转换元件105上的规定的部位。其结果，波长转换效率降低，并且有可能产生荧光体的损伤或破损。第1比较例的照明装置101具有这样的问题。
[0082]
因此，为了抑制波长转换效率的降低及荧光体的劣化，需要采用本实施方式的第1聚光光学系统35与扩散元件36的组合，降低波长转换元件23上的光密度。或者，需要使用现有例的均束器来降低波长转换元件23上的光密度。
[0083]
图5是表示本实施方式的照明装置2的概略结构的图。另外，在图5中，为了容易理解地说明第1聚光光学系统35的作用，省略了分色镜21和扩散元件36的图示，并且用1个透镜表示第2聚光光学系统22。
[0084]
如图5所示，本实施方式的照明装置2具有第1发光元件311、第1平行化元件312、第1聚光光学系统35、第2聚光光学系统22和波长转换元件23。在该结构中，因为第1聚光光学系统35具有正的屈光力，所以与波长转换元件23共轭的点p从图9所示的第1比较例中的发光元件102的位置起，偏移到第1平行化元件312与第1聚光光学系统35之间的位置。因此，形成在波长转换元件23上的蓝色光bl的像与通过第1平行化元件312平行化后的蓝色光bl的截面形状相一致。
[0085]
另外，在设第1聚光光学系统35的焦距为f，设第2聚光光学系统22的焦距(即，第2聚光光学系统22的主点g2和波长转换元件23的第1面233a之间的距离)为f2时，蓝色光bl的像的大小成为由第1平行化元件312平行化后的蓝色光bl的光束宽度乘以横向倍率β(＝f2/f)后的值。
[0086]
图6是表示图5的结构中的波长转换元件23上的蓝色光bl的像的仿真结果的图。在图6中，看起来发白的部位是光强度高的部位。
[0087]
如图6所示，波长转换元件23上的蓝色光bl的像与具有接近衍射极限的大小的第1比较例中的像相比，成为足够大的椭圆形状的像。因此，波长转换元件23上的光密度与第1比较例中的光密度相比大大降低。
[0088]
如上所述，作为降低波长转换元件23上的光密度的手段，除了在本实施方式中使用的第1聚光光学系统35和扩散元件36以外，还可以考虑均束器。这里，为了验证本实施方式的结构与均束器的不同，设想图10所示的第2比较例的照明装置。
[0089]
如图10所示，在第2比较例的照明装置111中，均束器112具有第1透镜阵列113和第2透镜阵列114。这样，使用由2个透镜阵列构成的均束器112，在通过第1透镜阵列113将入射的蓝色光bl分割为多个光束后，通过第2透镜阵列114使多个光束在波长转换元件上重叠，由此能够使波长转换元件上的光密度均匀化。
[0090]
但是，在使用了均束器112的情况下，通过了均束器112的蓝色光bl由于第1透镜阵列113的屈光力而向远离光轴ax的方向扩展并前进。因此，通过了均束器112的蓝色光bl在到达分色镜115之前，光束宽度变大，不得不使分色镜115大型化。
[0091]
相对于此，在本实施方式的照明装置2中，如图7所示，因为设置有第1聚光光学系统35，所以入射到第1聚光光学系统35的蓝色光bl中的、通过远离光轴ax4的外缘的光线能够由第1聚光光学系统35向接近光轴ax4的方向折射。此时，由于能够使第1聚光光学系统35的焦距比图10的均束器112中的第1透镜阵列113的焦距长，所以能够设计成蓝色光bl在入射到分色镜21之前不扩展。
[0092]
进而，在第1聚光光学系统35与分色镜21之间设置了扩散元件36。因此，通过第1聚光光学系统35而成为会聚光的蓝色光bl通过透过扩散元件36而扩散，向离开光轴ax4的方向扩展。此时，通过将第1聚光光学系统35的曲率、即第1聚光光学系统35的正的屈光力和扩散元件36的扩散角设定为规定的值，能够控制分色镜21上的蓝色光bl的扩展。由此，能够实现分色镜21的小型化。另外，之后将详细说明扩散元件36的扩散角的优化。
[0093]
图8是表示本实施方式的结构中的波长转换元件23上的蓝色光bl的像的仿真结果的图。在图8中，看起来发白的部位是光强度高的部位。如图8所示，波长转换元件23上的蓝色光bl的像与不具有扩散元件36的图6的像相比，成为大幅扩展的大致圆形的像。因此，波长转换元件23上的光密度由于附加了扩散元件36而大大降低。
[0094]
接着，在使用第1聚光光学系统35和扩散元件36的情况下，根据将哪个元件配置在接近分色镜21的一侧，考虑两种配置。
[0095]
为了验证基于两种配置的作用以及效果的不同，与本实施方式的配置相反，设想从发光元件朝向分色镜按照扩散元件、第1聚光光学系统的顺序配置的第3比较例的照明装置。省略第3比较例的照明装置的图示。另外，上述专利文献2所记载的光源装置从发光元件朝向分色镜依次配置有微透镜阵列、调整透镜，通过微透镜阵列使蓝色光扩散。这样，因为专利文献2的光源装置相当于第3比较例的照明装置，所以在此，作为第3比较例的照明装置，举专利文献2的光源装置为例而进行说明。
[0096]
在专利文献2的光源装置中，从发光元件射出的蓝色光通过微透镜阵列向远离光轴的方向扩展并扩散后，入射到调整透镜。因此，需要增大调整透镜的口径，随着调整透镜的大型化，分色镜也需要增大。因此，在专利文献2的光源装置中，即使通过微透镜阵列使波长转换元件上的强度分布均匀化，也难以使分色镜小型化。
[0097]
与此相对，在本实施方式的照明装置2中，从第1发光元件311向分色镜21按照第1聚光光学系统35、扩散元件36的顺序配置，扩散元件36位于比第1聚光光学系统35更接近分色镜21的位置。因此，蓝色光bl在没有被扩散元件36大幅扩展之前入射到分色镜21。由此，
根据本实施方式的照明装置2，与专利文献2的光源装置相比，容易使分色镜21小型化。
[0098]
接着，本发明人对将分色镜21小型化时优选的条件进行了研究。
[0099]
图11是用于说明本实施方式的照明装置2中的、第1聚光光学系统35的焦距与分色镜21的尺寸之间的关系的图。
[0100]
如图11所示，将入射到第1聚光光学系统35的蓝色光bl中的、通过第1聚光光学系统35的最外侧的光线与光轴ax4的距离，即入射到第1聚光光学系统35的蓝色光bl的光束宽度的1/2设为h。以下，将蓝色光bl中的通过第1聚光光学系统35的最外侧的光线称为最外光线，将蓝色光bl的最外光线与光轴的距离h称为光束高度h。另外，设第1聚光光学系统35的焦距为f。另外，将从第1聚光光学系统35的主点g到分色镜21中的蓝色光bl的入射点n的沿着光轴ax4方向的距离设为l，以下，将距离l称为第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l。另外，将分色镜21中的一侧的最外光线的入射点q1和另一侧的最外光线的入射点q2之间的沿着光入射面21a方向的距离设为m。以下，将距离m称为入射宽度m。
[0101]
为了使蓝色光bl的全部光线被分色镜21反射，分色镜21的尺寸需要为入射宽度m以上。但是，考虑到扩散元件36的扩散角的偏差或各种光学元件的设置位置的误差等因素，实际的分色镜21的尺寸优选为在入射宽度m上加上余量的大小。入射宽度m分别依赖于图11的光束高度h、焦距f以及第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l。
[0102]
因此，本发明人使光束高度h、焦距f以及第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l的值适当变化，计算入射宽度m的值。计算结果如图12所示。
[0103]
另外，在图12中，用h的值将f、l、m的各值标准化示出。
[0104]
图12的横轴表示焦距/光束高度(f/h)。图12的纵轴表示入射宽度/光束高度(m/h)。曲线a表示第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离/光束高度为l/h＝10时的情况。曲线b表示第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离/光束高度为l/h＝15时的情况。曲线c表示第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离/光束高度为l/h＝20时的情况。
[0105]
在图12中，当l/h＝f/h时，即l＝f时，蓝色光bl在分色镜21上聚焦，所以m＝0，入射宽度m成为最小值。然而，当偏离l＝f时，入射宽度m的变化趋势根据偏离方向而不同。具体而言，若l>f，即焦距f向比第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l小的方向(图12的横轴的左侧)偏移，则示出入射宽度m急剧增大的趋势。因此，在该情况下，需要增大分色镜21的尺寸。另一方面，若l<f，即焦距f向比第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l大的方向(图12的横轴的右侧)偏移，则示出入射宽度m不怎么增加的趋势。因此，在该情况下，分色镜21的尺寸不需要太大。
[0106]
因此，通过使第1聚光光学系统
‑
反射镜间距离l和焦距f满足以下的(1)式，能够使分色镜21小型化，并且即使在考虑了各种光学元件的制作误差、组装误差等因素的情况下，也能够将分色镜21的尺寸增加尽可能地抑制得较小。
[0107]
l≤f
…
(1)
[0108]
接下来，本发明人研究了扩散元件36的扩散角的优选条件。
[0109]
图13是表示扩散元件36的扩散角的示意图。
[0110]
如图13所示，由第1聚光光学系统35折射到接近光轴ax4侧的蓝色光bl通过透过扩散元件36而扩散。在将从扩散元件36射出的蓝色光bl中的、朝与入射方向相同的方向射出的主光线bl0的强度设为1时，将存在于主光线bl0的外侧、且强度为0.5的两条光线bla所成
的角度定义为扩散角α(rad)。
[0111]
这里，假设第1聚光光学系统35的焦距足够长、蓝色光bl以接近与光轴ax4平行的角度入射到扩散元件36时，透过扩散元件36的蓝色光bl以扩散角α向远离光轴ax4的方向扩展，所以分色镜21的尺寸必须增大。因此，为了不增大分色镜21的尺寸，扩散元件36需要具有使透过扩散元件36的蓝色光bl在与光轴ax4平行的方向、或接近光轴ax4的方向上前进的程度的扩散角α。
[0112]
图14是用于导出求出最佳扩散角的数学式的图。在图14中，分别用直线示意地表示第1聚光光学系统35和扩散元件36。
[0113]
如图14所示，假设蓝色光bl相对于扩散元件36的入射角为θ。用于使从扩散元件36射出的光线向与光轴ax4平行的方向、或接近光轴ax4的方向行进的条件由以下的(3)式表示。
[0114]
π/2≥(π/2
‑
θ) α/2
…
(3)
[0115]
如果对(3)式进行变形，则得到以下的(4)式。
[0116]
θ≥α/2
…
(4)
[0117]
根据几何学的关系，θ不会超过π/2，因此若在(4)式中追加条件，则得到以下的(5)式。
[0118]
π/2>θ≥α/2
…
(5)
[0119]
如上所述，若将入射到第1聚光光学系统35的蓝色光bl的光束高度设为h，将第1聚光光学系统35的焦距设为f，则根据几何学的关系得到以下的(6)式。
[0120]
h/f＝tanθ
…
(6)
[0121]
因此，从(5)式和(6)式得到以下的(7)式。
[0122]
h/f≥tan(α/2)
…
(7)
[0123]
如果对(7)式进行变形，则得到以下的(2)式。
[0124]
α≤2
·
tan
‑1(h/f)
…
(2)
[0125]
其中，α<π。
[0126]
如上所述，通过将扩散元件36的扩散角α设定为满足上述(2)式，能够抑制透过扩散元件36的蓝色光bl向离开光轴ax4的方向扩展。由此，能够更可靠地减小分色镜21的尺寸。
[0127]
[第1实施方式的效果]
[0128]
本实施方式的照明装置2具有：第1发光元件311，其射出蓝色光bl；第1平行化元件312，其使从第1发光元件311射出的蓝色光bl平行化；波长转换元件23，其具有波长转换层233，该波长转换层233具有第1面233a和与第1面不同的第2面233b，蓝色光bl入射到该第1面233a，该波长转换元件23将蓝色光bl转换为黄色的荧光yl；分色镜21，其反射蓝色光bl和荧光yl中的一方，使另一方透过；第1聚光光学系统35，其设置在第1平行化元件312与分色镜21之间，具有正的屈光力；扩散元件36，其设置在第1聚光光学系统35与分色镜21之间，使从第1聚光光学系统35射出的蓝色光bl扩散；以及第2聚光光学系统22，其设置在分色镜21与波长转换元件23之间，具有正的屈光力，第2聚光光学系统22在第2聚光光学系统22的主点与波长转换层233的第2面233b之间具有焦点。
[0129]
根据上述结构的照明装置2，通过减小分色镜21的尺寸，能够减少由分色镜21反射
而成为损失的蓝色光bl，能够提高蓝色光bl的利用效率。并且，因为能够降低波长转换元件23上的蓝色光bl的光密度，所以能够提高波长转换效率，并且抑制波长转换元件23的破损和损坏。由此，能够实现蓝色光bl的利用效率高、且波长转换效率和可靠性优异的照明装置2。
[0130]
另外，在设第1聚光光学系统35的焦距为f、从第1聚光光学系统35的主点g到分色镜21中的蓝色光bl的入射点n的沿着光轴ax4的方向的距离为l时，本实施方式的照明装置2满足以下的(1)式。
[0131]
l≤f
…
(1)
[0132]
根据该结构，即使在考虑了各种光学元件的制作误差、组装误差等因素的情况下，也能够将分色镜21的尺寸增加尽可能地抑制得较小。
[0133]
另外，在设第1聚光光学系统35的焦距为f、入射到第1聚光光学系统35的蓝色光bl的光轴高度为h、扩散元件36的扩散角为α(rad)时，本实施方式的照明装置2满足以下的(2)式。
[0134]
α≤2
·
tan
‑1(h/f)(其中，α<π)
…
(2)
[0135]
根据该结构，能够更可靠地减小分色镜21的尺寸。
[0136]
并且，在本实施方式的照明装置2中，分色镜21设置在与波长转换元件23的光轴ax5交叉的位置处。
[0137]
在现有例的照明装置的情况下，如果将分色镜设置在与波长转换元件的光轴交叉的位置处，则蓝色光的大部分有可能由于该分色镜而返回到第1发光元件侧。与此相对，根据本实施方式的照明装置2，能够尽量减少返回到第1发光元件311侧的蓝色光bl，能够提高蓝色光bl的利用效率。
[0138]
并且，在本实施方式的照明装置2中，波长转换元件23具有：波长转换层233，其将蓝色光bl转换为荧光yl；反射层232，其设置于波长转换层233的第1面233a；以及结构体234，其设置于波长转换层233的第2面233b。根据该结构，由于能够通过结构体234使入射到波长转换层233之前的蓝色光bl的一部分反向散射，所以能够有效地利用蓝色光bl的一部分作为照明光。
[0139]
本实施方式的投影仪1因为具有本实施方式的照明装置2，所以光利用效率优异。
[0140]
[第2实施方式]
[0141]
以下，使用图15～图17说明本发明的第2实施方式。
[0142]
第2实施方式的投影仪的结构与第1实施方式相同，光源装置的结构与第1实施方式不同。因此，省略投影仪以及照明装置的整体结构的说明。
[0143]
图15是第2实施方式的光源装置的概略结构图。
[0144]
在图15中，对与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
[0145]
如图15所示，本实施方式的光源装置28具有第1发光元件311、第1平行化元件312、第2发光元件321、第2平行化元件322、第1合成镜33、第2合成镜34、第1聚光光学系统35和扩散元件36。
[0146]
第2发光元件321具有与在第1实施方式中说明的第1发光元件311相同的结构。即，第2发光元件321由射出蓝色光bl2的蓝色半导体激光器构成。蓝色半导体激光器射出例如
在380nm～495nm具有峰值波长的蓝色光bl2。另外，第1发光元件311和第2发光元件321可以由射出具有相同峰值波长的蓝色光的蓝色半导体激光器构成，也可以由射出具有彼此不同的峰值波长的蓝色光的蓝色半导体激光器构成。蓝色光bl2与蓝色光bl1一起入射到第1聚光光学系统35。本实施方式的蓝色光bl1相当于本发明的第1光。本实施方式的蓝色光bl2相当于本发明的第3光。
[0147]
第2平行化元件322与第2发光元件321对应地设置。第2平行化元件322使从第2发光元件321射出的蓝色光bl2平行化。
[0148]
第1合成镜33配置成：反射面相对于沿着从第2发光元件321射出的蓝色光bl2的主光线的光轴ax1成45
°
的角度。由此，蓝色光bl2从第2发光元件321向 x方向射出，然后被第1合成镜33反射而向
‑
z方向行进。另外，第2合成镜34配置成：反射面相对于沿着由第1合成镜33反射的蓝色光bl2的主光线的光轴ax2成45
°
的角度。由此，蓝色光bl2在从第1合成镜33向
‑
z方向前进后，由第2合成镜34反射而向 x方向沿着光轴ax3行进。
[0149]
另一方面，从第1发光元件311射出的蓝色光bl1不入射到第1合成镜33和第2合成镜34，而从第1发光元件311朝向 x方向沿光轴ax3直线前进。蓝色光bl2的光路被第1合成镜33和第2合成镜34折弯，由此蓝色光bl2被第2合成镜34反射后的位置处的蓝色光bl1与蓝色光bl2之间的间隔s1比刚从第1发光元件311和第2发光元件321射出之后的位置处的蓝色光bl1与蓝色光bl2之间的间隔s2窄。这样，蓝色光bl1和蓝色光bl2被第1合成镜33和第2合成镜34合成，成为光束bl。
[0150]
即，第1合成镜33和第2合成镜34设置在第1发光元件311以及第2发光元件321与分色镜21之间，入射有从第1发光元件311射出的蓝色光bl1和从第2发光元件321射出的蓝色光bl2中的至少一方，从而对蓝色光bl1和蓝色光bl2进行合成。合成后的光束bl依次入射到第1聚光光学系统35和扩散元件36。
[0151]
光源装置28的其他结构与第1实施方式的光源装置20相同。
[0152]
[第2实施方式的效果]
[0153]
在本实施方式中，也可以得到如下这样的与第1实施方式同样的效果：能够实现蓝色光bl的利用效率高、且波长转换效率和可靠性优异的照明装置。
[0154]
另外，在本实施方式中，光源装置28除了第1发光元件311和第1平行化元件312之外，还具有第2发光元件321和第2平行化元件322。
[0155]
根据该结构，能够增加来自光源装置28的蓝色光bl的光输出。其结果，能够增加从照明装置射出的白色照明光wl的光输出。
[0156]
图16是表示从图15的结构中排除了扩散元件36时的波长转换元件23上的光束bl的像的图。在图16中，看起来发白的部位是光强度高的部位。在本实施方式的情况下，如图16所示，从第1发光元件311射出的蓝色光bl1和从第2发光元件321射出的蓝色光bl2以在与各光的光轴垂直的截面形状即椭圆形的短轴方向上排列的方式配置。因此，由蓝色光bl1和蓝色光bl2构成的光束bl的垂直于光轴的截面形状成为截面形状的短边方向的尺寸与长边方向的尺寸的比接近1：1的形状，即接近圆形或正方形的形状。
[0157]
图17是表示图15的结构中的波长转换元件23上的光束bl的像的图。在图17中，看起来发白的部位是光强度高的部位。
[0158]
在具有扩散元件36的情况下，因为光束bl在被扩散元件36扩散之后入射到波长转
换元件23，所以如图17所示，入射到波长转换元件23的光束bl的像成为大致圆形。其结果，因为具有接近圆形的截面形状的蓝色光bl和荧光yl从波长转换元件23射出，所以能够使照明光wl高效地入射到波长转换元件23的后级的光学系统。由此，能够实现光利用效率高的照明装置。
[0159]
[第3实施方式]
[0160]
以下，使用图18对本发明的第3实施方式进行说明。
[0161]
第3实施方式的投影仪的结构与第1实施方式相同，照明装置的结构与第1实施方式不同。因此，省略投影仪的整体结构的说明。
[0162]
图18是第3实施方式的照明装置的概略结构图。
[0163]
在图18中，对与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
[0164]
如图18所示，本实施方式的照明装置50具有光源装置20、光学元件53、第2聚光光学系统22、波长转换元件23、积分光学系统24、偏振转换元件25和重叠透镜26。光源装置20具有第1发光元件311、第1平行化元件312、第1聚光光学系统35和扩散元件36。
[0165]
在第1实施方式的照明装置2中，光源装置20的光轴ax4与波长转换元件23的光轴ax5垂直。相对于此，在本实施方式的照明装置50中，光源装置20的光轴ax4与波长转换元件23的光轴ax5配置在同一直线上。因此，在本实施方式的情况下，第1发光元件311、第1平行化元件312、第1聚光光学系统35、扩散元件36、光学元件53、第2聚光光学系统22以及波长转换元件23配置在同一光轴上。并且，光轴ax4及光轴ax5与包含积分光学系统24、偏振转换元件25以及重叠透镜26的后级光学系统的光轴ax7垂直。
[0166]
光学元件53配置成分别与光轴ax4、光轴ax5以及光轴ax7形成45
°
的角度。光学元件53具有：具有透光性的基板55；以及设置于基板55的一面的光学膜。作为光学膜，在光轴ax4以及光轴ax5与光轴ax7交叉的光学元件53的中央部设置有分色镜57，该分色镜57具有使蓝色波段的光透过并反射黄色波段的光的特性。即，本实施方式的分色镜57的透过波段及反射波段与第1实施方式的分色镜21相反。并且，在分色镜57的两侧，设置使蓝色波段的光和黄色波段的光都反射的反射镜58。
[0167]
在本实施方式的情况下，从第1发光元件311射出的蓝色光bl透过分色镜57，并经由第2聚光光学系统22入射到波长转换元件23。此时，在本实施方式中，也与第1实施方式同样，由于在第1发光元件311与光学元件53之间设置有第1聚光光学系统35和扩散元件36，所以能够使光学元件53上的分色镜57小型化。
[0168]
另外，通过使分色镜57小型化，由波长转换元件23反向散射的蓝色光bl中的、蓝色光bl的中央部入射到分色镜57，而蓝色光bl的周缘部被分色镜57两侧的反射镜58反射。入射到分色镜57的蓝色光bl由于透过分色镜57而损失，但入射到反射镜58的蓝色光bl与荧光yl一起被用作照明光wl。另外，通过使分色镜57小型化，能够减少透过分色镜57而成为损失的蓝色光bl。
[0169]
[第3实施方式的效果]
[0170]
在本实施方式中，也可以得到如下这样的与第1实施方式同样的效果：能够实现蓝色光bl的利用效率高、且波长转换效率和可靠性优异的照明装置50。
[0171]
另外，本发明的技术范围并不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内
能够施加各种变更。
[0172]
例如在上述第2实施方式的照明装置中，具有在使用合成镜将从第1发光元件射出的蓝色光和从第2发光元件射出的蓝色光合成之后，使其入射到第1聚光光学系统的结构，但是也可以不使用合成镜，而具有使从第1发光元件射出的蓝色光和从第2发光元件射出的蓝色光并列地入射到第1聚光光学系统的结构。
[0173]
另外，在上述实施方式中，分色镜设置在与波长转换元件的光轴交叉的位置处，但也可以设置在从波长转换元件的光轴偏移的位置处。
[0174]
另外，在上述实施方式中，列举了不能旋转的固定型的波长转换元件的例子，但本发明也可以应用于具有能够通过电机进行旋转的波长转换元件的照明装置。另外，列举了不能旋转的固定型扩散元件的例子，但本发明也可以应用于具有能够通过电机进行旋转的扩散元件的照明装置。
[0175]
除此以外，关于照明装置和投影仪的各结构要素的形状、数量、配置、材料等具体的记载，并不限于上述实施方式，可以进行适当变更。在上述实施方式中，示出了将本发明的照明装置搭载于使用了液晶光阀的投影仪的例子，但不限于此。也可以将本发明的照明装置应用于使用数字微镜器件作为光调制装置的投影仪。并且，投影仪可以不具有多个光调制装置，还可以仅具有1个光调制装置。
[0176]
在上述实施方式中，示出了将本发明的照明装置应用于投影仪的例子，但不限于此。本发明的照明装置也可以应用于照明器具、汽车的前照灯等。
[0177]
本发明一个方式的照明装置也可以具有以下的结构。
[0178]
本发明一个方式的照明装置具有：第1发光元件，其射出第1波段的第1光；第1平行化元件，其使从所述第1发光元件射出的所述第1光平行化；波长转换元件，其具有波长转换层，该波长转换层具有第1面和与所述第1面不同的第2面，所述第1光入射到该第1面，该波长转换元件将所述第1光转换为与所述第1波段不同的第2波段的第2光；光学元件，其反射所述第1波段的光和所述第2波段的光中的一方，使另一方透过；第1聚光光学系统，其设置在所述第1平行化元件与所述光学元件之间，具有正的屈光力；扩散元件，其设置在所述第1聚光光学系统与所述光学元件之间，使从所述第1聚光光学系统射出的所述第1光扩散；以及第2聚光光学系统，其设置在所述光学元件与所述波长转换元件之间，具有正的屈光力，所述第2聚光光学系统在所述第2聚光光学系统的主点与所述波长转换层的所述第2面之间具有焦点。
[0179]
本发明一个方式的照明装置也可以还具有：第2发光元件，其射出所述第1波段的第3光；以及第2平行化元件，其使从所述第2发光元件射出的所述第3光平行化，从所述第2平行化元件射出的所述第3光入射到所述第1聚光光学系统。
[0180]
在本发明一个方式的照明装置中，也可以是，在设所述第1聚光光学系统的焦距为f、所述第1聚光光学系统的主点与所述光学元件中的所述第1光的入射点之间的距离为l时，满足以下的(1)式。
[0181]
l≤f
…
(1)
[0182]
在本发明一个方式的照明装置中，也可以是，在设所述第1聚光光学系统的焦距为f、入射到所述第1聚光光学系统的所述第1光的最外光线与光轴的距离为h、所述扩散元件的扩散角为α(rad)时，满足以下的(2)式。
[0183]
α≤2
·
tan
‑1(h/f)(其中，α<π)
…
(2)
[0184]
在本发明一个方式的照明装置中，所述光学元件也可以设置于与所述波长转换元件的光轴交叉的位置处。
[0185]
在本发明一个方式的照明装置中，所述波长转换元件也可以具有：波长转换层，其将所述第1光转换为所述第2光；反射层，其设置于所述波长转换层的第1面；以及结构体，其设置于所述波长转换层的第2面。
[0186]
本发明一个方式的投影仪也可以具有以下的结构。
[0187]
本发明一个方式的投影仪具有：本发明一个方式的照明装置；光调制装置，其根据图像信息对来自所述照明装置的光进行调制；以及投射光学装置，其投射由所述光调制装置调制后的光。