JP2016151643A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層への熱的負荷を低減し、かつ、励起光と蛍光との焦点位置ずれに伴う集光効率の低下を抑制することができる照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明装置２は、第１の波長帯の光を射出する発光素子と、所定の回転軸の周りに回転可能な基板２４と、基板上の回転軸から第１の距離に設けられ、第１の波長帯の光により励起されて第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光を射出する蛍光体層２５と、基板上の回転軸から第１の距離とは異なる第２の距離に設けられ、発光素子から射出された第１の波長帯の光が入射する散乱層２６と、蛍光体層の基板とは反対側に設けられた第１のピックアップ光学系２１と、散乱層の基板とは反対側に設けられた第２のピックアップ光学系２２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

青色レーザー等の励起光源と、励起光源から射出される青色光により励起されて蛍光発光を生じる蛍光体層と、を備えた照明装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、励起光源と、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）と、集光光学系と、蛍光体層と反射膜とを有する蛍光部材と、１／４波長板と、を備えた照明装置が開示されている。

この照明装置において、励起光源から射出されたＳ偏光の励起光は、ＰＢＳに入射し、ＰＢＳで反射する。ＰＢＳで反射した励起光は、１／４波長板および集光光学系を介して蛍光部材に照射され、励起光とは波長帯が異なる蛍光が蛍光体層から射出される。蛍光部材では、蛍光体層が一部の励起光を吸収して赤色光および緑色光を含む蛍光を発するとともに、反射膜が残りの励起光（青色光）を反射する。これにより、蛍光と励起光とが合成された白色光が蛍光部材から射出される。１／４波長板は、ＰＢＳで反射したＳ偏光の励起光を円偏光に変換するとともに、蛍光部材から射出された円偏光の励起光をＰ偏光に変換する。集光光学系は、１／４波長板から射出された励起光を蛍光体層上において所定の径のスポットに集光するとともに、蛍光部材から射出された白色光を平行光に変換する。

特開２０１２−４００９号公報

上述したように、特許文献１の照明装置においては、励起光のうち、蛍光体層で波長変換に寄与しない光を表示用の光として利用している。所定の光量の白色光を得るためには、蛍光体層に多くの励起光を照射しなければならない。その場合、蛍光体層に加わる熱的負荷が大きくなり、蛍光体層の温度が上昇する。その結果、蛍光体層の変換効率が低下するという問題が生じる。また、特許文献１の照明装置では、蛍光部材から射出される励起光と蛍光の双方を共通の集光光学系を介して取り出している。集光光学系の軸上色収差により、励起光の波長に対する焦点位置と蛍光の波長に対する焦点位置とが互いにずれているため、集光効率が低下するという問題がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、蛍光体層への熱的負荷を低減し、かつ、励起光と蛍光との焦点位置ずれに伴う集光効率の低下を抑制することができる照明装置を提供することを目的の一つとする。また、上記の照明装置を備えることで、表示品位に優れたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、第１の波長帯の光を射出する発光素子と、所定の回転軸の周りに回転可能な基板と、前記基板上であって、前記回転軸から第１の距離に設けられ、前記第１の波長帯の光により励起されて前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光を射出する蛍光体層と、前記基板上であって、前記回転軸から前記第１の距離とは異なる第２の距離に設けられ、前記発光素子から射出された前記第１の波長帯の光が入射する散乱層と、前記蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられた第１のピックアップ光学系と、前記散乱層の前記基板とは反対側に設けられた第２のピックアップ光学系と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一つの態様の照明装置においては、照明用の光として、散乱層によって散乱された第１の波長帯の光と、蛍光体層から射出される第２の波長帯の光と、が射出される。散乱層と蛍光体層とは基板上において回転軸からの距離が異なる位置に設けられているため、蛍光体層への熱的負荷を低減することができる。また、蛍光体層からの光に対応する第１のピックアップ光学系と散乱層からの光に対応する第２のピックアップ光学系とが互いに独立しているため、２つの光の波長帯の違いに応じてこれらのピックアップ光学系を最適化することができる。これにより、第１のピックアップ光学系の焦点位置と第２のピックアップ光学系の焦点位置のそれぞれを最適化することができ、共通のピックアップ光学系を用いる場合と比べて双方の光の取り出し効率を高めることができる。その結果、照明装置の後段の光学系における光利用効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記蛍光体層と前記第１のピックアップ光学系の受光面との間の距離と、前記散乱層と前記第２のピックアップ光学系の受光面との間の距離と、が異なっていてもよい。
この構成によれば、２つの光の波長帯の違いに応じて、第１のピックアップ光学系の焦点位置と第２のピックアップ光学系の焦点位置とをそれぞれ所望の位置に設定することができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記蛍光体層の前記基板側に設けられた第１の反射部と、前記散乱層の前記基板側に設けられた第２の反射部と、前記発光素子から射出された前記第１の波長帯の光と前記蛍光体層から射出された前記第２の波長帯の光とが入射し、前記第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーと前記散乱層との間に設けられた第１の位相差板と、を備えていてもよい。

この構成によれば、蛍光体層で波長変換された第２の波長帯の光は、第１の反射部で反射して第１のピックアップ光学系に向けて射出される。散乱層で散乱された第１の波長帯の光は、第２の反射部で反射して第２のピックアップ光学系に向けて射出される。すなわち、蛍光体層、第１の反射部、散乱層および第２の反射部を備えた基板は、反射型の波長変換素子として機能する。その場合、第１のピックアップ光学系は、蛍光体層から射出された第２の波長帯の光を取り出すだけでなく、蛍光体層に向けて進む第１の波長帯の光を集光する集光光学系としても機能する。同様に、第２のピックアップ光学系は、散乱層から射出された第１の波長帯の光を取り出すだけでなく、散乱層に向けて進む第１の波長帯の光を集光する集光光学系としても機能する。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１のピックアップ光学系は、アクロマートレンズを備えていてもよい。
蛍光体層に向けて第１の波長帯の光を集光する集光光学系としてアクロマートレンズを用いることにより、第１の波長帯の光に対する焦点距離と第２の波長帯の光に対する焦点距離とを揃えることができる。これにより、第１の波長帯の光の励起光としての光利用効率および第２の波長帯の光の取り出し効率の双方を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記発光素子と前記ダイクロイックミラーとの間の光路上に、所定の回転軸の周りに回転可能な第２の位相差板を備えていてもよい。
第２の位相差板を所定の回転軸の周りに回転させることによって、位相差板を透過した後のダイクロイックミラーに対するＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合を調整することができる。これにより、蛍光体層に入射させる光の光量と散乱層に入射させる光の光量との割合を調整することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１のピックアップ光学系は、前記第１のピックアップ光学系の光軸に平行な方向に移動可能とされ、前記第２のピックアップ光学系は、前記第２のピックアップ光学系の光軸に平行な方向に移動可能とされていてもよい。
この構成によれば、蛍光体層と第１のピックアップ光学系の受光面との間の距離、および散乱層と第２のピックアップ光学系の受光面との間の距離を容易に調整することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の距離は、前記第２の距離よりも長くてもよい。言い換えると、蛍光体層は、散乱層よりも基板の外周側に位置していてもよい。
一般に、蛍光体層への光の照射量と散乱層への光の照射量とが等しい場合、蛍光体層の発熱量は散乱層の発熱量よりも多い。また、基板を回転させた場合、基板の外周部は基板の中央部よりも冷却されやすい。したがって、上記の構成によれば、蛍光体層の温度上昇を抑えやすく、温度上昇に伴う蛍光体層の効率低下を抑えやすい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短くてもよい。言い換えると、蛍光体層は、散乱層よりも基板の中央側に位置していてもよい。
一般に、蛍光体層の製造コストは散乱層の製造コストよりも高い。したがって、上記の構成によれば、蛍光体層を外周側に配置する場合に比べて蛍光体層の使用量を減らすことができ、照明装置の製造コストを削減することができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。
本発明の一つの態様によれば、上記本発明の一つの態様の照明装置を備えたことにより、表示品位に優れたプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。 第１実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図である。 回転ホイールの正面図である。 （Ａ）、（Ｂ）ピックアップ光学系の軸上色収差を説明するための図である。 蛍光発光素子と集光光学系との位置関係を示す図である。 集光光学系の変形例を示す図である。 第２実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
第１実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーからの励起光を用いて蛍光体層に蛍光を発光させる照明装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
図１は、第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。
なお、以下の各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の縮尺を異ならせて示すことがある。

［プロジェクター］
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー映像（画像）を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を備えている。プロジェクター１は、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（レーザー光源）を用いている。

プロジェクター１は、照明装置２と、均一照明光学系４０と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備える。照明装置２は、照明光ＷＬを均一照明光学系４０に向けて射出する。照明装置２には、後述する本発明の一つの態様を適用した照明装置が用いられている。

均一照明光学系４０は、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、を備える。均一照明光学系４０は、照明装置２から射出された照明光ＷＬの強度分布を被照明領域において均一化する。均一照明光学系４０から射出された照明光ＷＬは色分離光学系３へ入射する。

色分離光学系３は、白色の照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａおよび第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａ、第２の反射ミラー８ｂおよび第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂと、を備える。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光と、に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の反射ミラー８ｂおよび第３の反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂにより光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有する。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。液晶パネルの入射側および射出側にはそれぞれ、偏光板（図示せず）が配置されている。

光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが設けられている。フィールドレンズ１０Ｒは、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。同様に、光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが設けられている。フィールドレンズ１０Ｇは、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１０Ｂが設けられている。フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化する。

合成光学系５は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢに対応した各画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。

投射光学系６は、複数のレンズを含む投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

［照明装置］
図２は、照明装置２の概略構成を示す側面図である。
図２に示すように、照明装置２は、アレイ光源１３と、コリメーター光学系１４と、アフォーカル光学系１５と、ホモジナイザー光学系１６と、第２の位相差板１７と、ダイクロイックミラー１８と、ミラー１９と、回転ホイールユニット２０と、第１のピックアップ光学系２１と、第２のピックアップ光学系２２と、第１の位相差板２３と、を備える。

アレイ光源１３、コリメーター光学系１４、アフォーカル光学系１５、ホモジナイザー光学系１６、第２の位相差板１７、ダイクロイックミラー１８およびミラー１９は、光軸ａｘ１上に配置されている。第１のピックアップ光学系２１およびダイクロイックミラー１８は、光軸ａｘ２上に配置されている。回転ホイールユニット２０の蛍光体層２５は、光軸ａｘ２上に配置されている。第２のピックアップ光学系２２、第１の位相差板２３およびミラー１９は、光軸ａｘ３上に配置されている。回転ホイールユニット２０の散乱層２６は、光軸ａｘ３上に配置されている。
光軸ａｘ１と光軸ａｘ２と光軸ａｘ３とは、同一面内にあり、光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは互いに直交し、光軸ａｘ１と光軸ａｘ３とは互いに直交する。

アレイ光源１３は、複数の半導体レーザー４３を備える。複数の半導体レーザー４３は、光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー４３は、第１の波長帯の光である青色光ＢＬを射出する。半導体レーザー４３は、青色光ＢＬとして、例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する。青色光ＢＬは、アレイ光源１３からダイクロイックミラー１８に向けて射出される。半導体レーザー４３は、青色光ＢＬを射出する。青色光ＢＬは例えば、ダイクロイックミラー１８に対するＳ偏光である。
本実施形態の半導体レーザー４３は、特許請求の範囲の発光素子に対応する。

アレイ光源１３から射出された青色光ＢＬは、コリメーター光学系１４に入射する。コリメーター光学系１４は、アレイ光源１３から射出された青色光ＢＬを平行光束に変換する。コリメーター光学系１４は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ４４から構成されている。複数のコリメーターレンズ４４の各々は、複数の半導体レーザー４３の各々に対応して配置されている。

コリメーター光学系１４から射出された青色光ＢＬは、アフォーカル光学系１５に入射する。アフォーカル光学系１５は、青色光ＢＬの全体の光束径を調整する。アフォーカル光学系１５は、例えばアフォーカルレンズ４５とアフォーカルレンズ４６とから構成されている。

アフォーカル光学系１５から射出された青色光ＢＬは、ホモジナイザー光学系１６に入射する。ホモジナイザー光学系１６は、青色光ＢＬの強度分布を被照明領域において均一な状態（いわゆるトップハット分布）に変換する。ホモジナイザー光学系１６は、例えばマルチレンズアレイ４７とマルチレンズアレイ４８とから構成されている。

ホモジナイザー光学系１６とダイクロイックミラー１８との間の光路上に、第２の位相差板１７が設けられている。第２の位相差板１７は、青色光ＢＬの波長４６０ｎｍに対する１／２波長板で構成されている。第２の位相差板１７の光学軸は、第２の位相差板１７に入射する青色光ＢＬの偏光軸と交差する。なお、第２の位相差板１７の光学軸は、第２の位相差板１７の進相軸もしくは遅相軸のいずれであってもよい。

青色光ＢＬは、半導体レーザー４３から射出された直後はＳ偏光である。ところが、青色光ＢＬの偏光軸が第２の位相差板１７の光学軸と交差しているため、青色光ＢＬが第２の位相差板１７を透過することによりＳ偏光の一部がＰ偏光に変換される。その結果、第２の位相差板１７を透過した青色光ＢＬは、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが所定の割合で混在した光となる。

第２の位相差板１７は、光軸ａｘ１と平行な回転軸の周りに回転可能とされていてもよい。この場合、第２の位相差板１７を回転軸の周りに回転させることにより、第２の位相差板１７を透過した青色光ＢＬ中のＳ偏光成分とＰ偏光成分との混合比を変化させることができる。これにより、蛍光体層２５に入射する光の量と散乱層２６に入射する光の量との割合を変えることができる。その結果、蛍光体層２５から射出される蛍光光の量と散乱層２６から射出される青色光の量との割合が変わるため、照明光のホワイトバランスを調整することができる。

第２の位相差板１７から射出された青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー１８に入射する。ダイクロイックミラー１８は、光軸ａｘ１および光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。ダイクロイックミラー１８は、青色光ＢＬを、ダイクロイックミラー１８に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有する。具体的に、ダイクロイックミラー１８は、青色光ＢＬのＳ偏光成分を反射させ、青色光ＢＬのＰ偏光成分を透過させる。以下の説明では、ダイクロイックミラー１８で反射したＳ偏光成分は、蛍光体層２５の励起に利用されるため、励起光ＢＬｓと称する。ダイクロイックミラー１８を透過したＰ偏光成分は、照明光の青色光成分として利用されるため、青色光ＢＬｐと称する。

また、ダイクロイックミラー１８は、半導体レーザー４３から射出された青色光ＢＬとは波長帯が異なる黄色の蛍光光ＹＬを、蛍光光ＹＬの偏光状態に依らずに透過させる波長分離機能を有している。

ダイクロイックミラー１８で反射した励起光ＢＬｓは、第１のピックアップ光学系２１に入射する。第１のピックアップ光学系２１は、励起光ＢＬｓを回転ホイールユニット２０の蛍光体層２５に向けて集光させる。第１のピックアップ光学系２１は、ピックアップレンズ５０とピックアップレンズ５１とから構成されている。第１のピックアップ光学系２１から射出された励起光ＢＬｓは、回転ホイールユニット２０に入射する。

一方、ダイクロイックミラー１８を透過した青色光ＢＬｐは、ミラー１９で反射して第１の位相差板２３に入射する。第１の位相差板２３は、例えば１／４波長板で構成されている。Ｐ偏光の青色光ＢＬｐは、第１の位相差板２３を透過することによって円偏光である青色光ＢＬｃに変換される。

第１の位相差板２３を透過した青色光ＢＬｃは、第２のピックアップ光学系２２に入射する。第２のピックアップ光学系２２は、青色光ＢＬｃを回転ホイールユニット２０の散乱層２６に向けて集光させる。第２のピックアップ光学系２２は、ピックアップレンズ５２とピックアップレンズ５３とから構成されている。第２のピックアップ光学系２２から射出された円偏光の青色光ＢＬｃは、回転ホイールユニット２０に入射する。

回転ホイールユニット２０は、回転ホイール５５と、回転ホイール５５を駆動するモーター２８と、を備える。回転ホイール５５として、例えば円板が用いられるが、回転ホイール５５の形状は円板に限定されず、平板であればよい。モーター２８は、制御部（図示略）に電気的に接続され、回転ホイール５５の回転は制御部によって制御される。本実施形態の回転ホイール５５は、反射型の回転ホイールである。すなわち、励起光ＢＬｓおよび青色光ＢＬｃは、回転ホイール５５の一方の面に入射し、蛍光体層２５で生じる蛍光光ＹＬ、および散乱層２６で生じる散乱光ＢＬｆは、回転ホイール５５における励起光ＢＬｓおよび青色光ＢＬｃが入射した面と同じ面から射出される。

回転ホイール５５は、基板２４と、蛍光体層２５と、散乱層２６と、反射層２７と、を備える。本実施形態の場合、基板２４の材料は光透過性を有していてもよいし、光透過性を有していなくてもよい。ただし、基板２４には、熱伝導率が高く、耐熱性に優れる材料を用いることが好ましい。基板２４の材料としては、例えばアルミニウム等の金属が用いられる。第１のピックアップ光学系２１および第２のピックアップ光学系２２に対向する基板２４の一面の外周側には蛍光体層２５が設けられ、内周側には散乱層２６が設けられている。

図３は、回転ホイール５５の正面図である。
図３に示すように、回転ホイール５５において、基板２４の外周側には環状の蛍光体層２５が設けられている。基板２４の内周側には円形の散乱層２６が設けられている。蛍光体層２５と散乱層２６とは、同心円状に設けられるとともに、互いに所定の間隔ｓをおいて設けられている。蛍光体層２５と散乱層２６とは必ずしも離れていなくてもよく、接触していてもよい。ただし、放熱性を確保する観点から、蛍光体層２５と散乱層２６とは離れている方が好ましい。蛍光体層２５は、回転軸５７から第１の距離Ｋ１に設けられている。散乱層２６は、回転軸５７から第１の距離Ｋ１とは異なる第２の距離Ｋ２に設けられている。本実施形態の場合、Ｋ１＞Ｋ２である。
本明細書において、蛍光体層２５の回転軸５７からの距離は、回転軸５７の中心と蛍光体層２５の外縁との間の距離と定義する。散乱層２６の回転軸５７からの距離は、回転軸５７の中心と散乱層２６の外縁との間の距離と定義する。

蛍光体層２５は、蛍光を発する蛍光体粒子を含んでいる。蛍光体層２５は、青色の励起光ＢＬｓを吸収し、黄色の蛍光ＹＬに波長変換して射出する。蛍光体粒子は、励起光ＢＬｓを吸収し、蛍光ＹＬを発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子は、波長が約４６０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する物質を含み、励起光ＢＬｓを黄色の蛍光ＹＬに変換して射出する。蛍光体粒子としては、例えば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。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよく、２種以上の材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いてもよい。

散乱層２６は、第２のピックアップ光学系２２から入射した青色光ＢＬｃを散乱させ、所定の角度分布を有する散乱光を射出させる。散乱層２６として、散乱層２６に入射した青色光ＢＬｃをランバート反射させるものを用いることが好ましい。この種の散乱層２６を用いることにより、蛍光体層２５で等方発光した蛍光ＹＬと同等の角度分布を有する青色光ＢＬｃを得ることができる。散乱層２６としては、光透過性材料の表面に凹凸を形成したもの、光透過性材料の屈折率と異なる屈折率を有する粒子を光透過性材料中に分散させたもの、等を用いることができる。

図２に示すように、反射層２７は、蛍光体層２５および散乱層２６の基板２４側に設けられている。反射層２７のうち、蛍光体層２５の基板２４側に位置する部分を第１の反射部２７ａと称する。反射層２７のうち、散乱層２６の基板２４側に位置する部分を第２の反射部２７ｂと称する。第１の反射部２７ａは、蛍光体層２５で生成された蛍光ＹＬを基板２４と反対側（第１のピックアップ光学系２１が設けられた側）に反射させる。第２の反射部２７ｂは、散乱層２６に入射した青色光ＢＬｃを基板２４と反対側（第２のピックアップ光学系２２が設けられた側）に反射させる。

本実施形態では、第１の反射部２７ａと第２の反射部２７ｂとが一体の反射層２７として形成された例を挙げたが、第１の反射部２７ａと第２の反射部２７ｂとが別体の反射層として形成されていてもよい。また、基板が光反射性を有している場合、必ずしも反射層を形成する必要はなく、基板が第１の反射部および第２の反射部を兼ねてもよい。

蛍光体層２５から射出された蛍光ＹＬは、第１のピックアップ光学系２１を再び透過し、ダイクロイックミラー１８に入射する。ダイクロイックミラー１８は第２の波長帯である黄色光を偏光状態に依らずに透過させるため、蛍光体層２５から射出された蛍光ＹＬはダイクロイックミラー１８を透過する。

一方、散乱層２６から射出された青色光ＢＬｃは、第２の反射部２７ｂで反射したことにより、散乱層２６に入射する前の円偏光とは逆回りの円偏光となっている。散乱層２６から射出された青色光ＢＬｃは、第２のピックアップ光学系２２を再び透過し、第１の位相差板２３に入射する。青色光ＢＬｃは、第１の位相差板２３を透過することによってＳ偏光の青色光ＢＬｆに変換され、ダイクロイックミラー１９で反射する。

このようにして、蛍光体層２５から射出された黄色の蛍光光ＹＬと、散乱層２６から射出された青色光ＢＬｆとは、ダイクロイックミラー１８によって合成され、白色の照明光ＷＬとなる。照明光ＷＬは、図１に示す均一照明光学系４０に入射する。

ここで、第１のピックアップ光学系２１および第２のピックアップ光学系２２を透過する光の波長帯の違いに着目する。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、一般的なピックアップ光学系の軸上色収差を説明するための図であって、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の集光位置を拡大した図である。
図４（Ｂ）において、実線は波長４５０ｎｍの光（青色光）の光路を示し、破線は波長５５０ｎｍの光（緑色光）の光路を示す。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ピックアップ光学系１２０は、ピックアップレンズ１２１とピックアップレンズ１２２とを備える。ピックアップ光学系１２０の軸上色収差の影響により、緑色光ＧＬと青色光ＢＬを同一の角度分布でピックアップ光学系１２０に入射させた場合、緑色光ＧＬの集光位置と青色光ＢＬの集光位置とは互いに異なる。具体的には、青色光ＢＬの集光位置Ｐｂは、緑色光ＧＬの集光位置Ｐｇよりもピックアップレンズ１２１の光射出面１２１ａに近い。ここでは、一例として波長４５０ｎｍの青色光と波長５５０ｎｍの緑色光とを比較した例を挙げたが、軸上色収差の影響により、光の波長が短くなる程、光の集光位置はピックアップ光学系に近付く。

本実施形態の場合、蛍光体層２５から射出され、第１のピックアップ光学系２１に入射する光の波長帯と、散乱層２６から射出され、第２のピックアップ光学系２２に入射する光の波長帯と、が異なる。そのため、蛍光体層２５と第１のピックアップ光学系２１との間の距離と、散乱層２６と第２のピックアップ光学系２２との間の距離と、を異ならせることが望ましい。

具体的には、図５に示すように、蛍光体層２５と第１のピックアップ光学系２１のピックアップレンズ５１の受光面５１ａとの間の距離をＤ１とし、散乱層２６と第２のピックアップ光学系２２のピックアップレンズ５２の受光面５２ａとの間の距離をＤ２とする。第１のピックアップ光学系２１に黄色の蛍光光が入射し、第２のピックアップ光学系２２には青色光が入射するため、第１のピックアップ光学系２１に入射する光の波長帯は、第２のピックアップ光学系２２に入射する光の波長帯よりも長波長側にある。したがって、Ｄ１＞Ｄ２とすることにより、蛍光光の取り出し効率と青色光の取り出し効率の双方を高めることができる。具体的には、第１のピックアップ光学系２１の蛍光光に対する焦点位置を蛍光体層２５に合わせ、第２のピックアップ光学系２２の青色光に対する焦点位置を散乱層２６に合わせることが好ましい。

なお、第１のピックアップ光学系２１は、第１のピックアップ光学系２１の光軸に平行な方向に移動可能とされていてもよい。同様に、第２のピックアップ光学系２２は、第２のピックアップ光学系２２の光軸に平行な方向に移動可能とされていてもよい。これにより、距離Ｄ１および距離Ｄ２を最適に設定することができる。

本実施形態の照明装置２においては、散乱層２６と蛍光体層２５とは基板上における回転軸５７からの距離が異なる位置に設けられている。アレイ光源１３から射出された光は２つの光束に分離され、各光束が散乱層２６もしくは蛍光体層２５に入射する。これにより、光源から射出された光の全てを蛍光体層に入射させ、青色光と蛍光光の双方を蛍光体層から取り出す従来の構成に比べて、蛍光体層への熱的負荷を低減することができる。

また上述したように、蛍光体層２５からの蛍光光を取り出す第１のピックアップ光学系２１と散乱層２６からの青色光を取り出す第２のピックアップ光学系２２とが互いに独立しているため、それらに入射する光の波長帯の違いに応じてこれらの光学系の配置を最適化することができる。これにより、第１のピックアップ光学系２１の焦点位置と第２のピックアップ光学系２２の焦点位置とをそれぞれ最適化することができ、共通のピックアップ光学系を用いる従来の構成と比べて、蛍光光、青色光それぞれの取り出し効率を高めることができる。その結果、照明装置２の後段の光学系における光利用効率を高めることができる。

なお、図６に示すように、第１のピックアップ光学系６１は、アクロマートレンズ６２を備えていてもよい。アクロマートレンズ６２は、屈折率および波長分散が異なる２つのレンズを組み合わせることにより軸上色収差を低減したレンズである。本例では、凸レンズ６３と凹レンズ６４とが組み合わされたアクロマートレンズ６２が用いられている。

本実施形態の場合、ダイクロイックミラー１８から蛍光体層２５に向かう励起光ＢＬｓと蛍光体層２５からダイクロイックミラー１８に向かう蛍光光ＹＬの双方が第１のピックアップ光学系２１に入射する。そのため、アクロマートレンズ６２を構成する凸レンズ６３と凹レンズ６４とは、青色波長帯の光と黄色波長帯の光とで軸上色収差が最小となるように構成されている。これにより、ダイクロイックミラー１８から射出された励起光が蛍光体層２５に入射する際の集光効率、および蛍光体層２５から射出された蛍光光ＹＬを取り出す際の取り出し効率の双方を高めることができる。

一般に、蛍光体層への光の照射量と散乱層への光の照射量とが等しい場合、蛍光体層の発熱量は散乱層の発熱量よりも多い。また、回転ホイールを回転させた場合、基板の外周部は基板の中央部よりも冷却されやすい。その点、本実施形態の回転ホイール５５では、基板２４の外周側に蛍光体層２５が設けられ、基板の内周側に散乱層２６が設けられている。そのため、蛍光体層２５の温度上昇を抑えやすく、温度上昇に伴う蛍光体層２５の変換効率の低下を抑えやすい。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
第２実施形態の照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であるが、透過型の回転ホイールが用いられた点が第１実施形態と異なる。
図７は、第２実施形態の照明装置の概略構成図である。
図７において、第１実施形態で用いた図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の照明装置７１は、アレイ光源１３と、コリメーター光学系１４と、アフォーカル光学系１５と、ホモジナイザー光学系１６と、ハーフミラー７２と、ミラー７３と、回転ホイールユニット７４と、ダイクロイックミラー１８と、ミラー１９と、第１のピックアップ光学系２１と、第２のピックアップ光学系２２と、を備える。アレイ光源１３、コリメーター光学系１４、アフォーカル光学系１５、ホモジナイザー光学系１６およびハーフミラー７２は、回転ホイール７５の蛍光体層２５が設けられた側とは反対側に、光軸ａｘ２に沿って配置されている。

ハーフミラー７２は、入射した光のうちの一部を反射し、他の一部を透過する。ミラー７３は、ハーフミラー７２で反射した青色光ＢＬの光路上に設けられている。本実施形態の場合、回転ホイール７５として透過型の回転ホイールが用いられるため、基板７６は光透過性を有する必要がある。したがって、基板７６の材料としては、例えばガラスが用いられる。

ダイクロイックミラー７７は、蛍光体層２５の基板７６側に設けられている。ダイクロイックミラー７７は、青色光を透過し、黄色光を反射する。これにより、ダイクロイックミラー７７は、アレイ光源１３から射出された青色光ＢＬを透過する一方、蛍光体層２５で生成された蛍光光ＹＬを基板７６と反対側（第１のピックアップ光学系２１が設けられた側）に反射させる。本実施形態では、基板７６の全面にダイクロイックミラー７７が設けられているが、少なくとも蛍光体層２５と基板７６との間に設けられていればよい。

ホモジナイザー光学系１６から射出された青色光ＢＬは、ハーフミラー７２により２つの光束に分離される。ハーフミラー７２を透過した青色光ＢＬ１（励起光）は、基板７６およびダイクロイックミラー７７を透過し、蛍光体層２５に入射する。蛍光体層２５で生成された蛍光光ＹＬは、基板７６とは反対側に射出され、第１のピックアップ光学系２１に入射する。

一方、ハーフミラー７２で反射した青色光ＢＬ２は、ミラー７３で反射した後、基板７６およびダイクロイックミラー７７を透過し、散乱層２６に入射する。散乱層２６によって散乱された青色光ＢＬ２は、基板７６とは反対側に射出され、第２のピックアップ光学系２２に入射する。本実施形態の場合、第１実施形態と異なり、第１のピックアップ光学系２１および第２のピックアップ光学系２２は、集光光学系を兼ねておらず、それぞれ、蛍光体層２５から射出される蛍光光ＹＬと散乱層２６から射出される青色光ＢＬｆを取り出す。

本実施形態の照明装置７１においても、蛍光体層への熱的負荷を低減できる、蛍光光および青色光それぞれの集光効率を高めることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

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。
例えば上記実施形態の回転ホイールでは、基板の外周側に蛍光体層が設けられ、基板の内周側に散乱層が設けられた例を示したが、この構成に代えて、基板の内周側に蛍光体層が設けられ、基板の外周側に散乱層が設けられていてもよい。一般に蛍光体層の製造コストは散乱層の製造コストよりも高い。したがって、上記の構成によれば、蛍光体層の使用量を減らすことができ、照明装置の製造コストを削減することができる。

その他、照明装置およびプロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料などについては、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、本発明による照明装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。

上記実施形態では、本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…プロジェクター、２，７１…照明装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、１７…第２の位相差板、１８…ダイクロイックミラー、２１，６１…第１のピックアップ光学系、２２…第２のピックアップ光学系、２３…第１の位相差板、２４，７６…基板、２５…蛍光体層、２６…散乱層、２７ａ…第１の反射部、２７ｂ…第２の反射部、４３…半導体レーザー（発光素子）、６２…アクロマートレンズ。

Claims (9)

1. 第１の波長帯の光を射出する発光素子と、
   所定の回転軸の周りに回転可能な基板と、
   前記基板上であって、前記回転軸から第１の距離に設けられ、前記第１の波長帯の光により励起されて前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光を射出する蛍光体層と、
   前記基板上であって、前記回転軸から前記第１の距離とは異なる第２の距離に設けられ、前記発光素子から射出された前記第１の波長帯の光が入射する散乱層と、
   前記蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられた第１のピックアップ光学系と、
   前記散乱層の前記基板とは反対側に設けられた第２のピックアップ光学系と、
   を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 前記蛍光体層と前記第１のピックアップ光学系の受光面との間の距離と、前記散乱層と前記第２のピックアップ光学系の受光面との間の距離と、が異なることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記蛍光体層の前記基板側に設けられた第１の反射部と、
   前記散乱層の前記基板側に設けられた第２の反射部と、
   前記発光素子から射出された前記第１の波長帯の光と前記蛍光体層から射出された前記第２の波長帯の光とが入射し、前記第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーと前記散乱層との間に設けられた第１の位相差板と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第１のピックアップ光学系は、アクロマートレンズを備えたことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記発光素子と前記ダイクロイックミラーとの間の光路上に、所定の回転軸の周りに回転可能な第２の位相差板を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の照明装置。
6. 前記第１のピックアップ光学系は、前記第１のピックアップ光学系の光軸に平行な方向に移動可能とされ、
   前記第２のピックアップ光学系は、前記第２のピックアップ光学系の光軸に平行な方向に移動可能とされたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記第１の距離は、前記第２の距離よりも長いことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記第１の距離は、前記第２の距離よりも短いことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を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。

Images