JP2016186566A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で色バランスを調整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の波長帯の第１の色光と、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の色光と、を射出する。照明装置２は、第３の波長帯の励起光を射出する第１の光源装置と、前記第２の波長帯の光を射出する第２の光源装置と、前記第１の色光を射出する蛍光体層と、前記第１の色光の強度と前記第２の色光の強度とを検出する検出装置と、前記検出装置による検出結果に基づいて、前記励起光の光量に対する前記第２の光源装置から射出された光の光量の比を制御する光源制御装置と、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。

複数の固体光源から射出される光によって蛍光体を励起し、励起した蛍光体から発せられた蛍光を利用する光源装置、およびこの光源装置を用いた投射型表示装置が下記の特許文献１に開示されている。この光源装置においては、固体光源ユニットからの射出光を偏光分離ミラーによって分離し、分離した一方の光を励起光として蛍光発光板に導き、分離した他方の光と蛍光発光板から得られた蛍光とを合成して照明光としている。また、固体光源ユニットと偏光分離ミラーとの間の光路上には、回転可能とされた位相差板が設けられている。

特開２０１２−１３７７４４号公報

特許文献１には、「位相差板の回転角度を調整することで蛍光発光板に入射する光を制御できるため、青色光と黄色光の光量比を制御することができる。これにより、投射型表示装置の光学系のばらつき、固体光源ユニットからの出力光のばらつき、蛍光発光板の蛍光変換効率のばらつきなどに起因するホワイトバランスのずれを補正できる。」と記載されている。しかしながら、この構成では、位相差板、および位相差板を回転させる機構が必要であり、照明装置の小型化が難しい、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、簡易な構成で色バランスを調整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、本発明の一つの態様は、この種の照明装置を備え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の波長帯の第１の色光と、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の色光と、を射出する照明装置であって、第１の発光素子を含み、第３の波長帯の励起光を射出する第１の光源装置と、第２の発光素子を含み、前記第２の波長帯の光を射出する第２の光源装置と、前記励起光の照射により前記第１の色光を射出する蛍光体層と、前記第１の発光素子から射出された第１の光線束と、前記第２の発光素子から射出された第２の光線束と、を合成する光合成素子と、前記光合成素子から射出された光を、前記励起光として前記蛍光体層に入射する第３の光線束と、前記第２の色光を含む前記第２の波長帯の第４の光線束とに分離する光分離素子と、前記第１の色光の強度と前記第２の色光の強度とを検出する検出装置と、前記検出装置による検出結果に基づいて、前記励起光の光量に対する前記第２の光源装置から射出された前記光の光量の比を制御する光源制御装置と、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、第１の波長帯の第１の色光と、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の色光と、が射出される。例えば経時変化により第１の光源装置から射出された励起光の光量が減少した場合、第１の色光の光量が変化するため、ホワイトバランスが崩れる。このとき、光源制御装置は検出装置による検出結果に基づいて、励起光の光量に対する第２の光源装置から射出された光の光量の比を制御して、ホワイトバランスを調整する。この構成によれば、従来の照明装置における位相差板の回転機構等が不要となるため、簡易な構成で小型の照明装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の光線束と前記第２の光線束とは互いに偏光状態が異なり、前記光合成素子および前記光分離素子は偏光分離機能を有していてもよい。
この構成によれば、例えば偏光ビームスプリッター等の既存の光学素子を用いて光合成素子および光分離素子を構成することができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記第２の光線束の光路上に設けられた反射素子をさらに備えていてもよい。その場合、前記光合成素子によって、前記第１の光線束と、前記反射素子で反射した前記第２の光線束と、が合成される構成であってもよい。
この構成によれば、反射素子により第２の光線束の光路を折り曲げることができる。これにより、第２の光源の配置の自由度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、前記第２の波長帯と前記第３の波長帯とは、互いに異なっていてもよい。
この構成によれば、照明に用いられる光の波長帯である第２の波長帯と、蛍光体層の励起光の波長帯である第３の波長帯と、を最適化することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光源制御装置は、前記励起光の光量と前記第２の光源装置から射出された前記光の光量とのうち少ない方を変化させてもよい。
一般的に、出力が大きい光源装置は出力が小さい光源装置よりも多くの発光素子を備える。この構成によれば、比較的少ない発光素子を制御することで、ホワイトバランスを調整することができる。

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光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置を備えているため、表示品質に優れたプロジェクターを実現できる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 照明装置に用いる回転ホイールの平面図である。 偏光変換素子におけるミラーの配置を示す正面図である。 色バランスの調整の考え方を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態の照明装置を示す概略構成図である。

［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５を用いて説明する。
第１実施形態のプロジェクターは、本発明の一実施形態である照明装置と、３つの光変調装置と、を備えた液晶プロジェクターの例である。
以下、図面を用いて具体的に説明するが、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。

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ＳＣＲ上にカラー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、照明装置２と、色分離光学系３と、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。

照明装置２は、色分離光学系３に向けて照明光ＷＬを射出する。照明装置２には、後述する本発明の第１実施形態の照明装置が用いられる。

色分離光学系３は、照明装置から射出された白色の照明光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と、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを含む光、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、赤色光ＬＲを透過し、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを含む光を反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、第１のダイクロイックミラー７ａで反射した光を緑色光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を反射し、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いる。第１の反射ミラー８ａは、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、青色光ＬＢの光路中に配置されている。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを青色光用光変調装置４Ｂに向けて反射する。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂで反射し、緑色光用光変調装置４Ｇに向けて進む。

第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、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と第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲの光路長および緑色光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。

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

赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられる。また、液晶パネルの入射側および射出側には、図示しない一対の偏光板が配置されている。一対の偏光板は、特定の方向の直線偏光光を透過させる。

赤色光用光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが配置されている。緑色光用光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが配置されている。青色光用光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒは、赤色光用光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。フィールドレンズ１０Ｇは、緑色光用光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。フィールドレンズ１０Ｂは、青色光用光変調装置４Ｂに入射する赤色光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のそれぞれに対応した画像光を合成し、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、複数の投射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、拡大されたカラー画像が表示される。

以下、照明装置２について説明する。
図２に示すように、照明装置２は、光源ユニット１２と、コリメーター光学系１３と、導光光学系１４と、ホモジナイザー光学系１５と、第１の位相差板１６と、ダイクロイックミラー１７と、ミラー１８と、第２の位相差板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、インテグレーター光学系２３と、偏光変換素子２４と、重畳光学系２５と、検出装置２６と、光源制御装置２７と、を備える。検出装置２６は、光量モニター用ミラー２９と、センサーユニット３０と、を備える。回転ホイールユニット２０は、蛍光体層３１と、散乱層３２と、を備える。

光源ユニット１２、コリメーター光学系１３、導光光学系１４、ホモジナイザー光学系１５、第１の位相差板１６、ダイクロイックミラー１７、およびミラー１８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、ダイクロイックミラー１７、インテグレーター光学系２３、偏光変換素子２４、および重畳光学系２５は、ダイクロイックミラー１７の中心を通り、光軸ＡＸ１と直交する光軸ＡＸ２上に配置されている。回転ホイールユニット２０上の蛍光体層３１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２の位相差板１９、およびミラー１８は、ミラー１８の中心を通り、光軸ＡＸ１と直交する光軸ＡＸ３上に配置されている。回転ホイールユニット２０上の散乱層３２は、光軸ＡＸ３上に配置されている。光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２と光軸ＡＸ３とは同一面内にある。

光源ユニット１２は、固体光源としての複数の半導体レーザー３４を備える。複数の半導体レーザー３４は、基板３５の一面に間隔をおいて実装されている。複数の半導体レーザー３４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３４は、青色の波長帯の光を射出する。図２では４個の半導体レーザー３４が一列に並んでいる例が図示されているが、複数の半導体レーザー３４の個数および配列は特に限定されない。また、本実施形態では、複数の半導体レーザー３４は一つの基板３５上にまとめて実装されているが、複数の基板に分かれて実装されていてもよい。

本実施形態において、４個の半導体レーザー３４は、３個の励起用半導体レーザー３４ａと１個の照明用半導体レーザー３４ｂを含む。３個の励起用半導体レーザー３４ａは、第１の光源装置を構成する。１個の照明用半導体レーザー３４ｂは第２の光源装置を構成する。第１の光源装置は、蛍光体層３１を励起させるための励起光を射出する。第２の光源装置は、照明装置２から射出される照明光の一部を構成する青色光を射出する。

本実施形態では、励起用半導体レーザー３４ａは、ピーク波長が例えば４４５ｎｍの光を射出する。照明用半導体レーザー３４ｂは、ピーク波長が例えば４６０ｎｍの光を射出する。なお、励起用半導体レーザー３４ａおよび照明用半導体レーザー３４ｂとして、同じ波長帯の光を射出する半導体レーザーを用いてもよい。

励起用半導体レーザー３４ａと照明用半導体レーザー３４ｂとは、互いに異なる偏光状態の光を射出する。本実施形態の場合、励起用半導体レーザー３４ａは、後述するＰＢＳにおける光が入射する面に対するＰ偏光を射出する。照明用半導体レーザー３４ｂは、ＰＢＳにおける光が入射する面に対するＳ偏光を射出する。例えば、励起用半導体レーザー３４ａ、照明用半導体レーザー３４ｂのいずれか一方の半導体レーザーを基板３５上に実装する向きを、他方の半導体レーザーに対して半導体レーザーの光軸周りに９０°回転させればよい。これにより、励起用半導体レーザー３４ａと照明用半導体レーザー３４ｂとが互いに異なる偏光状態の光を射出する構成を実現できる。

本実施形態の励起用半導体レーザー３４ａのうち、図２において上から２番目の励起用半導体レーザー３４ａは、特許請求の範囲の第１の発光素子に対応する。以降、上から２番目の励起用半導体レーザー３４ａのことを、励起用半導体レーザー３４ａｘと称する。励起用半導体レーザー３４ａｘから射出される光は、特許請求の範囲の第３の波長帯の第１の光線束に対応する。本実施形態の照明用半導体レーザー３４ｂは、特許請求の範囲の第２の発光素子に対応する。照明用半導体レーザー３４ｂから射出される光は、特許請求の範囲の第２の波長帯の第２の光に対応する。

各半導体レーザー３４の光射出側に、コリメーター光学系１３が設けられている。コリメーター光学系１３は複数のコリメーターレンズ３７を有し、各コリメーターレンズ３７は各半導体レーザー３４に対応して設けられている。半導体レーザー３４から射出された光は、コリメーターレンズ３７により平行光となる。

以下、導光光学系１４について説明する。
説明の便宜上、図２の３個の励起用半導体レーザー３４ａについて、上から下に向けて順に、第１の励起用半導体レーザー、第２の励起用半導体レーザー、第３の励起用半導体レーザーと称する。

導光光学系１４は、複数のミラー３９と、偏光ビームスプリッター４０（ＰＢＳ）と、で構成されている。複数のミラー３９は、第１のミラー３９ａと第２のミラー３９ｂとからなる一対のミラー、第３のミラー３９ｃと第４のミラー３９ｄとからなる一対のミラー、および第５のミラー３９ｅを含む。第５のミラー３９ｅは、照明用半導体レーザー３４ｂから射出された光の光路を変更する。
本実施形態のＰＢＳ４０は、特許請求の範囲の光合成素子に対応する。本実施形態の第５のミラー３９ｅは、特許請求の範囲の反射素子に対応する。

第１のミラー３９ａと第２のミラー３９ｂとは、第１の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路を変更する。第１のミラー３９ａは、第１の励起用半導体レーザー３４ａの光射出側に、第１の励起用半導体レーザー３４ａの光軸と４５°をなすように配置されている。第２のミラー３９ｂは、第１のミラー３９ａで反射した光の光軸と４５°をなすように配置されている。第２のミラー３９ｂは、第１の励起用半導体レーザー３４ａの光軸と第２の励起用半導体レーザー３４ａの光軸との間に設けられている。そのため、第２のミラー３９ｂは、第１の励起用半導体レーザー３４ａからの射出光の光路および第２の励起用半導体レーザー３４ａからの射出光の光路と干渉することはない。

以上の構成により、第１の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１は第１のミラー３９ａで反射し、光の光路は９０°折り曲げられる。次に、第１のミラー３９ａで反射した光ＢＬ１は第２のミラー３９ｂで反射し、光の光路は９０°折り曲げられる。このようにして、第１の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路は、導光光学系１４を射出した後には、第２の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路に近付く。

第３のミラー３９ｃと第４のミラー３９ｄとは、第３の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路を変更する。第４のミラー３９ｄは、第３の励起用半導体レーザー３４ａの光射出側に、第３の励起用半導体レーザー３４ａの光軸と４５°をなすように配置されている。第３のミラー３９ｃは、第４のミラー３９ｄで反射した光の光軸と４５°をなすように配置されている。第３のミラー３９ｃは、第２の励起用半導体レーザー３４ａの光軸と第３の励起用半導体レーザー３４ａの光軸との間に設けられている。そのため、第３のミラー３９ｃは、第２の励起用半導体レーザー３４ａからの射出光の光路および第３の励起用半導体レーザー３４ａからの射出光の光路と干渉することはない。導光光学系１４に入射する光の光軸と導光光学系１４から射出される光の光軸とは、略平行である。

以上の構成により、第３の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１は第４のミラー３９ｄで反射し、光の光路は９０°折り曲げられる。次に、第４のミラー３９ｄで反射した光ＢＬ１は第３のミラー３９ｃで反射し、光の光路は９０°折り曲げられる。このようにして、第３の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路は、導光光学系１４を射出した後には、第２の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１の光路に近付く。

第５のミラー３９ｅとＰＢＳ４０とは、照明用半導体レーザー３４ｂから射出された光ＢＬ２の光路を変更する。第５のミラー３９ｅは、照明用半導体レーザー３４ｂの光射出側に、照明用半導体レーザー３４ｂの光軸と４５°をなすように配置されている。ＰＢＳ４０は、第２の半導体レーザー３４ａの光軸上に設けられている。また、ＰＢＳ４０は、第５のミラー３９ｅで反射した光ＢＬ２の光軸と４５°をなすように配置されている。第５のミラー３９ｅは、照明用半導体レーザー３４ｂと第５のミラー３９ｅとの間の距離が、第１の励起用半導体レーザー３４ａと第１のミラー３９ａとの間の距離および第３の励起用半導体レーザー３４ａと第４のミラー３９ｄとの間の距離よりも遠い位置に設けられている。そのため、第１〜第４のミラー３９ａ〜３９ｄは、照明用半導体レーザー３４ｂから射出された光ＢＬ２の光路と干渉することはない。

ＰＢＳ４０は、ＰＢＳ４０の光入射面に対するＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離機能を有する。第２の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１は、Ｐ偏光としてＰＢＳ４０に入射するため、ＰＢＳ４０を透過する。一方、照明用半導体レーザー３４ｂから射出された光ＢＬ２は、Ｓ偏光としてＰＢＳ４０に入射するため、ＰＢＳ４０で反射し、第２の励起用半導体レーザー３４ａからの光と合成される。このように、導光光学系１４の作用により、４個の半導体レーザー３４から射出された４本の光束全体の幅は縮小される。
なお、本明細書においては、ＰＢＳ４０による２本の光線束の合成とは、２本の光線束が１本の光線束に融合される場合だけでなく、図２に示したように、２本の光線束各々の進行方向がＰＢＳ４０によって略同じ方向へ変換されている状態も含む。

本実施形態では、第１の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１、および第３の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１は、ＰＢＳ４０に入射せず、ＰＢＳ４０の外側を通過する構成となっている。この構成に代えて、第１の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１、および第３の励起用半導体レーザー３４ａから射出された光ＢＬ１もＰＢＳ４０に入射する構成であってもよい。この場合、第１の励起用半導体レーザー３４および第３の励起用半導体レーザー３４ａのいずれも、特許請求の範囲の第１の発光素子に相当する。

導光光学系１４から射出された光は、ホモジナイザー光学系１５に入射する。ホモジナイザー光学系１５は、光の強度分布を、回転ホイールユニット２０の蛍光体層３１および散乱層３２上において、例えばトップハット型分布と呼ばれる均一な強度分布となるように変換する。ホモジナイザー光学系１５は、例えばマルチレンズアレイ１５ａ、マルチレンズアレイ１５ｂから構成されている。

ホモジナイザー光学系１５とダイクロイックミラー１７との間の光路上に、第１の位相差板１６が設けられている。第１の位相差板１６は、青色光の波長の略１／２の位相差を有する位相差板で構成されている。第１の位相差板１６の光学軸は、第１の位相差板１６に入射する光の偏光軸と交差する。これにより、各励起用半導体レーザー３４ａから射出されたＰ偏光の光ＢＬ１は、第１の位相差板１６によりＳ偏光の光線束に変換される。照明用半導体レーザー３４ｂから射出されたＳ偏光の光ＢＬ２は、第１の位相差板１６によりＰ偏光の光線束に変換される。

本実施形態の照明装置２は第１の位相差板１６を備えている。しかし詳細は省略するが、光軸Ａｘ１上に回転ホイールユニット２０を配置して、第１の位相差板１６を不要にすることも可能である。

第１の位相差板１６から射出された光ＢＬは、ダイクロイックミラー１７に入射する。光ＢＬは複数のＳ偏光の光線束およびＰ偏光の光線束からなる。ダイクロイックミラー１７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１７は偏光分離機能を有する。具体的に、ダイクロイックミラー１７は、複数のＳ偏光の光線束を反射させ、Ｐ偏光の光線束を透過させる。

以下の説明では、ダイクロイックミラー１７で反射した複数のＳ偏光の光線束は、蛍光体層３１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１７を透過したＰ偏光の光線束は、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。
本実施形態のダイクロイックミラー１７は、特許請求の範囲の光分離素子に対応する。

また、ダイクロイックミラー１７は、光ＢＬ１および光ＢＬ２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１７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３１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２１ａと、ピックアップレンズ２１ｂ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１７を透過した青色光ＢＬｐは、ミラー１８で反射して第２の位相差板１９に入射する。第２の位相差板１９は、青色光の波長の略１／４の位相差を有する位相差板で構成されている。Ｐ偏光の青色光ＢＬｐは、第２の位相差板１９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２の位相差板１９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３２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２２ａと、ピックアップレンズ２２ｂ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４２と、回転ホイール４２を駆動するモーター４３と、を備える。本実施形態の回転ホイール４２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４２の一方の面に入射し、蛍光体層３１で生じる蛍光光ＹＬ、および散乱層３２で生じる散乱光ＢＬｆは、回転ホイール４２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４２は、基板４４と、蛍光体層３１と、散乱層３２と、反射層４５と、を備える。基板４４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４４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４４の一面の外周側には蛍光体層３１が設けられ、内周側には散乱層３２が設けられている。

図３は、回転ホイール４２の正面図である。
図３に示すように、回転ホイール４２において、基板４４の外周側には環状の蛍光体層３１が設けられている。基板４４の内周側には円形の散乱層３２が設けられている。蛍光体層３１と散乱層３２とは、同心円状に設けられるとともに、互いに所定の間隔をおいて設けられている。蛍光体層３１と散乱層３２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３１と散乱層３２とは離れていることが好ましい。

蛍光体層３１は、青色の励起光ＢＬｓによって励起され、黄色の蛍光ＹＬを発する蛍光体粒子を含んでいる。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。

散乱層３２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、散乱光ＢＬｆを射出させる。散乱層３２として、散乱層３２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３２を用いることにより、蛍光体層３１から射出された蛍光ＹＬと同等の角度分布を有する散乱光ＢＬｆを得ることができる。散乱層３２として、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４５は、蛍光体層３１および散乱層３２の基板４４側に設けられている。反射層４５は、蛍光体層３１で生成された蛍光ＹＬおよび散乱層３２で散乱された青色光ＢＬｃを基板４４と反対側に向けて反射する。

基板４４が光反射性を有している場合、必ずしも反射層４５を形成する必要はなく、基板が反射層を兼ねてもよい。

蛍光体層３１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、さらにダイクロイックミラー１７を透過する。

一方、散乱層３２から射出された青色光ＢＬｆは、反射層４５で反射したことにより、青色光ＢＬｃとは逆回りの円偏光となっている。散乱層３２から射出された散乱光ＢＬｆは、第２のピックアップ光学系を再び透過し、第２の位相差板１９に入射する。散乱光ＢＬｆは、第２の位相差板１９によってＳ偏光の青色光ＢＬｓｆに変換される。青色光ＢＬｓｆはミラー１８で反射した後、ダイクロイックミラー１７で反射する。

このようにして、蛍光体層３１から射出された黄色の蛍光ＹＬと、散乱層３２から射出された青色光ＢＬｓｆとは、ダイクロイックミラー１７によって合成され、白色の照明光ＷＬとなる。ダイクロイックミラー１７から射出された照明光ＷＬは、インテグレーター光学系２３に入射する。

インテグレーター光学系２３は、照明光ＷＬを複数の小光束に分割する。インテグレーター光学系２３は、例えば、第１レンズアレイ２３ａ，第２レンズアレイ２３ｂから構成されている。第１レンズアレイ２３ａおよび第２レンズアレイ２３ｂのそれぞれは、複数のマイクロレンズがアレイ状に配列されたものから構成されている。

インテグレーター光学系２３から射出された照明光ＷＬ（複数の小光束）は、偏光変換素子２４に入射する。偏光変換素子２４は、照明光ＷＬを直線偏光に変換する。偏光変換素子２４は、例えば、偏光分離膜と位相差板とミラーとから構成されている。

インテグレーター光学系２３と偏光変換素子２４との間の光路上に、光量モニター用ミラー２９が設けられている。光量モニター用ミラー２９は、光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。光量モニター用ミラー２９は、入射した光の一部を透過し、残りを反射する。光量モニター用ミラー２９を透過した光は偏光変換素子２４に入射し、光量モニター用ミラー２９で反射した光はセンサーユニット３０に入射する。センサーユニット３０の詳細な構成については後述する。本実施形態におけるセンサーユニット３０は、特許請求の範囲における検出装置に対応する。

図４は、偏光変換素子２４に対する光量モニター用ミラー２９の配置を示す正面図である。
図４に示すように、光量モニター用ミラー２９は、偏光変換素子２４の光入射領域Ｒを避けて配置された保持部材４７によって保持されている。偏光変換素子２４の光入射領域Ｒとは、インテグレーター光学系２３から射出された複数の小光束各々が入射する領域である。光量モニター用ミラー２９には、蛍光体層３１から射出された黄色の蛍光ＹＬの像と、散乱層３２から射出された散乱光ＢＬｆの像とが形成される。ここでは、光量モニター用ミラー２９がインテグレーター光学系２３と偏光変換素子２４との間の光路上に配置された例を示した。この例に代えて、光量モニター用ミラー２９は、偏光変換素子２４と重畳光学系２５との間の光路上に配置されていてもよい。

図２に示すように、偏光変換素子２４を通過した照明光ＷＬは、重畳光学系２５に入射する。重畳光学系２５は、偏光変換素子２４から射出された複数の小光束を被照明領域上で互いに重畳させる。これにより、被照明領域を均一に照明することができる。重畳光学系２５は、重畳レンズにより構成される。

本実施形態の場合、光量モニター用ミラー２９は、インテグレーター光学系２３から射出された１本の小光束の光路上に配置されている。そのため、被照明領域である赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂ上において照度ムラが生じることはない。したがって、光量モニター用ミラー２９は、必ずしも一部の光を透過する必要は無い。

図２に示すように、センサーユニット３０は、光量モニター用ミラー２９で反射した青色光ＢＬ’の強度を検出する青色光用センサー４９と、光量モニター用ミラー２９で反射した黄色の蛍光ＹＬ’の強度を検出する黄色光用センサー５０と、青色光ＢＬ’と黄色の蛍光ＹＬ’とを分離するダイクロイックミラー５１と、を備えている。青色光ＢＬ’の強度は、青色光用センサー４９により検出される。黄色の蛍光ＹＬ’の強度は、黄色光用センサー５０により検出される。

センサーユニット３０からの青色光ＢＬ’の強度と黄色の蛍光ＹＬ’の強度の検出結果は、光源制御装置２７に出力される。光源制御装置２７は、センサーユニット３０の検出結果に基づいて、青色光ＢＬ’の強度と黄色の蛍光ＹＬの強度との比が例えば基準値に近付くように、第１の光源装置または第２の光源装置に供給する電流を調整する。青色光ＢＬ’の強度と黄色の蛍光ＹＬ’の強度との比の基準値は、センサーユニット３０により測定された、プロジェクター１の使用開始時点の初期の青色光ＢＬ’の強度と黄色の蛍光ＹＬの強度とに基づいて決定された値であってもよい。または、青色光ＢＬ’の強度と黄色の蛍光ＹＬの強度との比の基準値として、プロジェクター１の設計値を用いてもよい。

ここで、プロジェクター使用時の経時変化により第１の光源装置から射出された光の量が低下した場合を想定する。この場合に生じるホワイトバランスのずれに対する本実施形態の対応策の考え方を、図５のフローチャートに基づいて説明する。

第１の光源装置から射出された光の光量が低下すると（図５のステップＳ１）、それに伴って蛍光体層３１を励起させる励起光の光量が低下する。励起光の光量が低下することは、励起光の光密度（単位面積あたりの光量）が低下することと等価である（図５のステップＳ２）。蛍光体は、一般的に、励起光の光密度が低下すると、励起光を蛍光光に変換する際の変換効率が高くなる、という特性を有する。したがって、励起光の光量が低下したとしても、変換効率の上昇による蛍光ＹＬの増加分が励起光の光量低下による蛍光ＹＬの減少分を上回ったとき、蛍光体層３１から射出される蛍光ＹＬの光量は増加する（図５のステップＳ３）。ここでは、蛍光ＹＬの光量が増加する場合を例にとって説明するが、蛍光ＹＬの光量は減少する場合もある。しかし、いずれの場合もホワイトバランスが崩れる。

第１の光源装置から射出された光の光量が低下したことにより、青色光ＢＬｓｆの光量に対する蛍光ＹＬの光量の比率は増加する（図５のステップＳ４）。その結果、経時変化前に対して照明光ＷＬは黄色味を帯び、ホワイトバランスが崩れる（図５のステップＳ５）。

ここで、センサーユニット３０は、光量モニター用ミラー２９から取り出された光に含まれる青色光ＢＬｓｆの光量（強度）と黄色の蛍光ＹＬの光量（強度）とを測定する（図５のステップＳ６）。光源制御装置２７には、プロジェクター１の使用開始時点の初期の強度値に基づいて決定された、青色光強度と黄色光強度との比の基準値が予め記憶されている。光源制御装置２７は、センサーユニット３０が検出した現在の青色光強度と黄色光強度との比と記憶済みの基準値とを比較する。その結果、現在の青色光強度と黄色光強度との比と基準値との差が許容範囲を超えている場合、現在の青色光強度と黄色光強度との比が基準値に近付くように、第１の光源装置から射出された励起光の光量に対する第２の光源装置から射出された光の光量の比（光量比）を制御する（図５のステップＳ７）。言い換えれば、第１の光源装置の出力に対する第２の光源装置の出力の比を制御する。

具体的には、第１の光源装置に供給する電流および／または第２の光源装置に供給する電流を制御することで、光量比を制御する。これにより、蛍光体層３１に入射する励起光ＢＬｓの光量と散乱層３２に入射する青色光ＢＬｃの光量との割合を調整できる。青色光ＢＬｃの光量を相対的に増やし、励起光ＢＬｓの光量を相対的に減らすためには、例えば、第１の光源装置に供給する電流は固定して、第２の光源装置に供給する電流を調整前よりも増やせばよい。これにより、照明光ＷＬのホワイトバランスが崩れたときと比べて、照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスが調整される（図５のステップＳ８）。

ホワイトバランスを調整するためには、第２の光源装置に供給する電流の代わりに第１の光源装置に供給する電流を調整してもよい。しかし、蛍光体の変換効率は１００％よりも低いため、照明光ＷＬの色を白色にするためには、第１の光源装置から射出された励起光の光量を第２の光源装置から射出された青色光の光量よりも多くする必要がある。一般的に、出力が小さい光源装置は出力が大きい光源装置よりも少ない発光素子を備える。そこで、出力が小さい方の第２の光源装置に供給する電流を調整するようにすれば、第１の光源装置に供給する電流を調整する場合と比較して、より少ない個数の半導体レーザー３４を制御することでホワイトバランスを調整することができる。

以上説明したように、本実施形態の照明装置２によれば、センサーユニット３０が検出した青色光強度と黄色光強度とに基づいて光量比を制御するため、半導体レーザー３４、もしくはその他の光学部品等の経時変化に起因するホワイトバランスのずれを補正してホワイトバランスを調整することができる。本実施形態の構成では、従来の照明装置における位相差板の回転機構等が不要となるため、簡易な構成でホワイトバランスの調整が可能な小型の照明装置２を実現することができる。また、ホワイトバランスの調整が第２の光源装置に供給する電流の調整で済み、位相差板を機械的に回転させる必要がないため、ホワイトバランスのずれに対する応答を早めることができる。

本実施形態の光源ユニット１２において、励起用半導体レーザー３４ａと照明用半導体レーザー３４ｂとは青色波長域内で互いに異なる波長帯の光を射出する。したがって、励起用半導体レーザー３４ａと照明用半導体レーザー３４ｂとで独立して光の波長帯を最適化することができる。すなわち、励起用半導体レーザー３４ａには蛍光体層３１を励起させるのに最適な波長帯を選択することができ、照明用半導体レーザー３４ｂには画像表示にとって最適な波長帯を選択することができる。

また、本実施形態の光源ユニット１２においては、出力が小さい方の第２の光源装置に供給する電流を調整するので、第１の光源装置に供給する電流を調整する場合と比較して、より少ない個数の半導体レーザー３４を制御することでホワイトバランスを調整することができる。

本実施形態によれば、この種の照明装置２を備えたことにより、表示品質の高いプロジェクター１を実現することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６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、蛍光体層と散乱層とが別の回転ホイールユニットに設けられた点が第１実施形態と異なる。
図６は、第２実施形態の照明装置の概略構成図である。
図６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６に示すように、本実施形態の照明装置６２において、光源ユニット１２、コリメーター光学系１３、導光光学系１４、ホモジナイザー光学系１５、第１の位相差板１６、ダイクロイックミラー１７、インテグレーター光学系２３、偏光変換素子２４、重畳光学系２５、検出装置２６、および光源制御装置２７の構成および配置は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の照明装置６２においては、ダイクロイックミラー１７で反射したＳ偏光成分である励起光ＢＬｓの光路上に、第１のピックアップ光学系２１と、第１の回転ホイールユニット６３と、が設けられている。第１の回転ホイールユニット６３は、基板４４と、基板４４の一面に環状に設けられた蛍光体層３１と、反射層４５と、モーター４３と、を備えている。第１のピックアップ光学系２１は、励起光ＢＬｓを第１の回転ホイールユニット６３の蛍光体層３１に向けて集光させる。

一方、ダイクロイックミラー１７を透過したＰ偏光成分である青色光ＢＬｐの光路上に、第２のピックアップ光学系２２と、第２の回転ホイールユニット６４と、が設けられている。第２の回転ホイールユニット６４は、基板４４と、基板４４の一面に環状に設けられた散乱層３２と、反射層４５と、モーター４３と、を備えている。第２のピックアップ光学系２２は、青色光ＢＬｐを第２の回転ホイールユニット６４の散乱層３２に向けて集光させる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図７を用いて説明する。
第３実施形態の照明装置は、回転ホイールユニットを備えていない点で第１実施形態と異なる。
図７は、第３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７２は、光源ユニット７３と、ＰＢＳ４０と、ダイクロイックミラー１７と、ピックアップ光学系２１と、発光素子７６と、散乱板７７と、インテグレーター光学系２３と、偏光変換素子２４と、重畳光学系２５と、検出装置２６と、光源制御装置２７と、を備える。光源ユニット７３は、励起用半導体レーザー３４ａと、照明用半導体レーザー３４ｂと、を備える。

発光素子７６において、蛍光体層３１は、励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側の面を基板７８に接触させた状態で、蛍光体層３１の側面と基板７８との間に設けられた接着剤７９により基板７８に固定されている。反射層８１は、基板７８と蛍光体層３１との間に設けられている。基板７８の蛍光体層３１が設けられた側と反対側の面には、蛍光体層３１の熱を放散させるためのヒートシンク８２が設けられている。

励起用半導体レーザー３４ａは、照明用半導体レーザー３４ｂ、ＰＢＳ４０、ダイクロイックミラー１７、および散乱板７７が設けられた光軸ＡＸ１と直交し、ＰＢＳ４０を通る光軸ＡＸ３上に設けられている。ピックアップ光学系２１および発光素子７６は、光軸ＡＸ１と直交し、ダイクロイックミラー１７を通る光軸上に設けられている。散乱板７７は、光軸ＡＸ１に対して４５°の角度をなすように配置されている。

照明用半導体レーザー３４ｂは、ＰＢＳ４０およびダイクロイックミラー１７に対するＰ偏光の青色光ＢＬｐを射出する。したがって、照明用半導体レーザー３４ｂから射出された青色光ＢＬｐは、ＰＢＳ４０およびダイクロイックミラー１７を透過し、散乱板７７に入射する。散乱板７７に入射した青色光ＢＬｐは、散乱板７７により散乱反射し、インテグレーター光学系２３に向かって進む。

一方、励起用半導体レーザー３４ａは、ＰＢＳ４０およびダイクロイックミラー１７に対するＳ偏光の励起光ＢＬｓを射出する。したがって、励起用半導体レーザー３４ａから射出された励起光ＢＬｓは、ＰＢＳ４０およびダイクロイックミラー１７で反射し、ピックアップ光学系２１に入射する。ピックアップ光学系２１は、励起光ＢＬｓを発光素子７６の蛍光体層３１に向けて集光させる。蛍光体層３１は、青色の励起光ＢＬｓを吸収し、黄色の蛍光ＹＬを射出する。発光素子７６から射出された蛍光ＹＬは、ピックアップ光学系２１を経てダイクロイックミラー１７を透過し、インテグレーター光学系２３に向かって進む。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、第１、第２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。
例えば第１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、２，６２，７２…照明装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、１７…ダイクロイックミラー（光分離素子）、２６…検出装置、２７…光源制御装置、３１…蛍光体層、３４ａ…励起用半導体レーザー（第１の光源）、３４ｂ…照明用半導体レーザー（第２の光源）、３９ｅ…第５のミラー（反射素子）、４０…ＰＢＳ（光合成素子）。

Claims (6)

1. 第１の波長帯の第１の色光と、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の色光と、を射出する照明装置であって、
   第１の発光素子を含み、第３の波長帯の励起光を射出する第１の光源装置と、
   第２の発光素子を含み、前記第２の波長帯の光を射出する第２の光源装置と、
   前記励起光の照射により前記第１の色光を射出する蛍光体層と、
   前記第１の発光素子から射出された第１の光線束と、前記第２の発光素子から射出された第２の光線束と、を合成する光合成素子と、
   前記光合成素子から射出された光を、前記励起光として前記蛍光体層に入射する第３の光線束と、前記第２の色光を含む前記第２の波長帯の第４の光線束とに分離する光分離素子と、
   前記第１の色光の強度と前記第２の色光の強度とを検出する検出装置と、
   前記検出装置による検出結果に基づいて、前記励起光の光量に対する前記第２の光源装置から射出された前記光の光量の比を制御する光源制御装置と、
   を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 前記第１の光線束と前記第２の光線束とは互いに偏光状態が異なり、
   前記光合成素子および前記光分離素子は偏光分離機能を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第２の光線束の光路上に設けられた反射素子をさらに備え、
   前記光合成素子によって、前記第１の光線束と、前記反射素子で反射した前記第２の光線束と、が合成されることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第２の波長帯と前記第３の波長帯とは、互いに異なることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記光源制御装置は、前記励起光の光量と前記第２の光源装置から射出された前記光の光量とのうち少ない方を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の照明装置。
6. 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光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を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。

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