JP2018031823A - 照明装置、画像投射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】照明装置を小型化する。【解決手段】第１の直線偏光成分を有する第１の光を射出する光源11と、第１の光を励起光として、第１の光よりも長波長の蛍光を発生する蛍光発生手段18と、第１の光を透過する第１の領域、及び第１の光を反射すると共に蛍光を透過する第２の領域を、第１の光の光路上に時間的に交互に配置する波長選択手段16と、直線偏光と円偏光を相互に変換する偏光変換手段14と、第１の光及び蛍光を偏光変換手段14に導くと共に、第１の直線偏光成分と直交する第２の直線偏光成分を有する第２の光を蛍光発生手段18に導く光路切替手段13を有し、第１の光路と第２の光路とが、波長選択手段16の配置に基づいて切替わる。【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置、及び画像投射装置に関する。
近年、大画面のディスプレイ装置が急速に普及してきており、それらを用いた会議やプレゼンテーション、研修等が一般的になりつつある。例えば、このようなディスプレイ装置として、スクリーン等に画像を投射して拡大表示する画像投射装置（所謂プロジェクタ）が用いられている。
このような画像投射装置としては、例えば、励起光を射出するレーザ等の光源と、励起光を吸収して所定の波長領域の蛍光を発生する蛍光体とを組み合わせた照明装置を用いる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。照明装置から射出される励起光及び蛍光は照明光となり、例えばライトトンネルに導かれ、画像形成素子や投射光学部を経由して所定の画像がスクリーン等に投射される。
しかしながら、上記の画像投射装置では、励起光をライトトンネルに導く光路と、蛍光体で発生した蛍光をライトトンネルに導く光路の２つが必要となる。２つの光路のうち、何れか一方の光路は、他方の光路を迂回させるように設計しなければならない。その結果、照明装置の小型化を阻害するという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、照明装置を小型化することを目的とする。
本照明装置は、第１の直線偏光成分を有する第１の光を射出する光源と、前記第１の光を励起光として、前記第１の光よりも長波長の蛍光を発生する蛍光発生手段と、前記第１の光を透過する第１の領域、及び前記第１の光を反射すると共に前記蛍光を透過する第２の領域を、前記第１の光の光路上に時間的に交互に配置する波長選択手段と、直線偏光と円偏光を相互に変換する偏光変換手段と、前記第１の光及び前記蛍光を前記偏光変換手段に導くと共に、前記第１の直線偏光成分と直交する第２の直線偏光成分を有する第２の光を前記蛍光発生手段に導く光路切替手段と、を有し、前記第１の光を、前記光路切替手段、前記偏光変換手段、及び前記波長選択手段の前記第１の領域を順番に経由させて第１の照明光として射出する第１の光路と、前記第１の光を、前記光路切替手段及び前記偏光変換手段を順番に経由して前記波長選択手段の前記第２の領域で反射させ、前記第２の領域で反射した光を前記偏光変換手段で前記第２の光に変換し、前記光路切替手段を経由して前記蛍光発生手段に導いて前記蛍光を発生させ、前記蛍光を前記光路切替手段、前記偏光変換手段、及び前記波長選択手段の前記第２の領域を順番に経由させ、第２の照明光として前記第１の照明光と同一方向に射出する第２の光路とが、前記波長選択手段の配置に基づいて切替わることを要件とする。
開示の技術によれば、照明装置を小型化することができる。
第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。 第１の実施の形態で用いる波長選択偏光分離素子の分光透過率特性を例示する図である。 第１の実施の形態で用いるカラーホイールを例示する拡大平面図である。 第１の実施の形態で用いるカラーホイールの分光透過率特性を例示する図である。 第１の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図である。 第１の実施の形態に係る画像投射装置において各照明光を時分割で取り出すタイミングチャートの例である。 第２の実施形態に係るカラーホイールを例示する拡大平面図である。 第２の実施の形態で用いるカラーホイールの分光透過率特性を例示する図である。 第２の実施の形態に係る画像投射装置において各照明光を時分割で取り出すタイミングチャートの例である。 第３の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図である。 第３の実施の形態に係る画像投射装置において各照明光を時分割で取り出すタイミングチャートの例である。 第４の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図である。 第４の実施の形態に係る画像投射装置において各照明光を時分割で取り出すタイミングチャートの例である。 第５の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。 第５の実施の形態で用いる波長選択偏光分離素子の分光透過率特性を例示する図である。 第６の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１に示すように、画像投射装置１は、照明装置１０と、ライトトンネル２１と、レンズ群２２と、ミラー群２３と、画像形成素子２４と、投射光学部２５とを有している。
照明装置１０は、光源１１と、集光レンズ１２と、波長選択偏光分離素子１３と、１／４波長板１４と、レンズ群１５と、カラーホイール１６と、レンズ群１７と、蛍光体ホイール１８とを有している。照明装置１０は、青色光と、赤色光と、緑色光とを、ライトトンネル２１に向けて、同一方向に（同一の射出光路で）時分割で順次に射出する装置である。
照明装置１０において、光源１１は、第１の直線偏光成分を有する第１の光を射出する。本実施の形態では、一例として、光源１１が、Ｐ偏光成分を有する（Ｐ波である）波長λＢの青色レーザ光を射出するレーザダイオードであるとして以降の説明を行う。波長λＢは、例えば、４００ｎｍ＜λＢ＜４７０ｎｍとすることができる。
但し、これには限定されず、光源１１として青色光を発する発光ダイオード（Light Emitting Diode）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を用いてもよいし、これらを複合した光源を用いてもよい。或いは、紫外域の波長領域の光を射出するレーザダイオード、発光ダイオード、有機ＥＬ素子等を用いてもよいし、これらを複合した光源を用いてもよい。
又、光源１１は１つであってもよいし、複数であってもよい。又、光源１１と集光レンズ１２との間に、光源１１から射出されたレーザ光を略平行光束として集光レンズ１２に導くカップリングレンズを設けてもよい。
光源１１の射出する青色レーザ光は、第１の照明光として使用される。又、光源１１の射出する青色レーザ光は、蛍光体ホイール１８において蛍光を生じさせる励起光として使用される。
光源１１の射出する青色レーザ光は、集光レンズ１２を経由して略平行光束として波長選択偏光分離素子１３に入射する。波長選択偏光分離素子１３は、例えば、図２に示す分光透過率特性を有する光路切替手段である。
波長選択偏光分離素子１３は、光源１１の波長λＢにおいて、Ｐ波を透過させ、Ｓ波は透過させない（Ｓ波を反射させる）特性を有している。なお、図２の分光透過率特性からわかるように、大よそ５００ｎｍ以上の波長の光は、Ｐ波であるかＳ波であるかにかかわらず（偏光特性にかかわらず）、波長選択偏光分離素子１３で反射される。波長選択偏光分離素子１３としては、例えば、偏光ビームスプリッタを用いることができる。
図１に戻り、波長選択偏光分離素子１３に入射したＰ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３を透過し、直線偏光と円偏光を相互に変換する偏光変換手段である１／４波長板１４に導かれる。１／４波長板１４を透過した光はＰ波（Ｐ偏光）から円偏光となり、レンズ群１５を経由して波長選択手段であるカラーホイール１６に入射する。
なお、偏光変換手段は１／４波長板には限定されず、例えば、レンズ群１５を構成する何れかのレンズの入射面にＴａ２Ｏ５等の斜め蒸着膜を成膜したもの等を用いてもよい。ここで、斜め蒸着膜とは、蒸着物質が飛来する方向（蒸着源の方向）に対して、被蒸着対象物を斜めに設置し、被蒸着対象物の所定面の法線に対して蒸着物質を斜めに堆積形成させたものである。
レンズ群１５は、例えば両凸レンズや平凸レンズ等を適宜組み合わせて構成でき、略平行光束をカラーホイール１６にスポット状に集光させる機能と、カラーホイール１６からの発散光を集光して略平行光束に変換する機能とを有する。
図３は、第１の実施の形態で用いるカラーホイールを例示する拡大平面図であって、カラーホイールを入射光側から見た図である。図３に示すように、本実施の形態で用いるカラーホイール１６は、円盤状の部材が複数の扇状の領域（セグメント）に分割された構成である。具体的には、カラーホイール１６は、赤色（Ｒ）領域１６１、緑色（Ｇ）領域１６２、透過領域１６３の３つの扇状の領域（セグメント）に分割されている。
カラーホイール１６は、例えば、図４に示す分光透過率特性を有している。赤色（Ｒ）領域１６１は、赤色光を透過するフィルタが形成された領域であり、図４に示すように、大よそ６００ｎｍ以上の波長範囲の光が透過し、それ以外の波長範囲の光が反射する。緑色（Ｇ）領域１６２は、緑色光を透過するフィルタが形成された領域であり、図４に示すように、大よそ５００ｎｍ〜５８０ｎｍ程度の波長範囲の光が透過し、それ以外の波長範囲の光が反射する。
透過領域１６３では、全ての波長範囲の光が透過する。透過領域１６３は、透明なガラス等としてもよいし、透明な拡散板としてもよいし、穴が開いた構成としてもよい。拡散板は、例えば、表面に大きさの異なる凹凸構造が多数形成された構造とすることができる。透過領域１６３を、光を拡散させる拡散板により構成することで、スクリーン等に現れる青光のムラを低減することができると共に、スクリーン等に現れるスペックルを低減することができる。
図１に戻り、カラーホイール１６の軸心には、カラーホイール１６を回転させるステッピングモータ等の駆動部１６ｍが設けられている。カラーホイール１６が駆動部１６ｍの駆動により所定のタイミングで回転することで、レンズ群１５からの光の入射位置が、赤色（Ｒ）領域１６１、緑色（Ｇ）領域１６２、及び透過領域１６３の３つの何れかの領域（セグメント）に切替わる。すなわち、青色レーザ光及び蛍光の光路上に、何れかの領域（セグメント）が時間的に交互に配置される。
つまり、レンズ群１５により集光された光の波長と、レンズ群１５からの光の入射位置に選択的に配置された領域（セグメント）とにより、カラーホイール１６に入射された光がカラーホイール１６を透過するかカラーホイール１６で反射されるかが決定される。
レンズ群１５からの光の入射位置に透過領域１６３が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光は、カラーホイール１６を透過して青色の照明光となり、ライトトンネル２１に入射する。カラーホイール１６を透過する青色の照明光は円偏光であるため、スクリーン等に現れるスペックルを低減することができる。
なお、透過領域１６３は本発明に係る第１の領域の代表的な一例であり、青色の照明光は本発明に係る第１の照明光の代表的な一例である。
一方、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１又は緑色（Ｇ）領域１６２が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光はカラーホイール１６により反射される。そして、カラーホイール１６により反射された青色レーザ光は、レンズ群１５を経由して１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４を透過した光は円偏光からＳ波（Ｓ偏光）となり、波長選択偏光分離素子１３に入射する。なお、Ｓ偏光成分は、Ｐ偏光成分と直交する成分である。
波長選択偏光分離素子１３に入射したＳ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３で反射され、レンズ群１７を経由して蛍光体ホイール１８に入射する。すなわち、波長選択偏光分離素子１３は、Ｓ波（Ｓ偏光）の光を蛍光体ホイール１８に導く。
レンズ群１７は、例えば両凸レンズや平凸レンズ等を適宜組み合わせて構成でき、略平行光束を蛍光体ホイール１８にスポット状に集光させる機能と、蛍光体ホイール１８からの発散光を集光して略平行光束に変換する機能とを有する。
図５は、第１の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図であって、蛍光体ホイールを入射光側から見た図である。図５に示すように、本実施の形態で用いる蛍光体ホイール１８は、円盤状の部材に、黄色蛍光体１８１が平板の回転方向に沿って形成されてなる蛍光発生手段である。黄色蛍光体１８１は、青色レーザ光を励起光として、青色レーザ光よりも長波長の黄色の蛍光を発生する。
図１に戻り、蛍光体ホイール１８の軸心には、蛍光体ホイール１８を回転させるステッピングモータ等の駆動部１８ｍが設けられている。但し、本実施の形態では、蛍光体ホイール１８の略全面に単一色の黄色蛍光体１８１が形成されているため、蛍光体ホイール１８を可動しない構成としてもよい。この場合、蛍光体ホイール１８を任意の形状に小型化できると共に、駆動部１８ｍが不要となるため、低コスト化が可能となる。又、蛍光体ホイール１８が回転しないため、低騒音化が可能となる。
蛍光体ホイール１８に入射した青色レーザ光を励起光として、黄色蛍光体１８１が黄色の蛍光を発生する。黄色の蛍光は、レンズ群１７を経由して、波長選択偏光分離素子１３に入射する。黄色の蛍光は、５００ｎｍ以上の波長であるため波長選択偏光分離素子１３で反射され（図２参照）、１／４波長板１４に導かれる。そして、１／４波長板１４及びレンズ群１５を経由してカラーホイール１６に入射する。
レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１又は緑色（Ｇ）領域１６２が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過する。
例えば、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して赤色の照明光となり、ライトトンネル２１に入射する。又、レンズ群１５からの光の入射位置に緑色（Ｇ）領域１６２が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して緑色の照明光となり、ライトトンネル２１に入射する。
なお、赤色（Ｒ）領域１６１及び緑色（Ｇ）領域１６２は本発明に係る第２の領域の代表的な一例であり、赤色の照明光及び緑色の照明光は本発明に係る第２の照明光の代表的な一例である。
ライトトンネル２１は、内部を中空とする筒状の部材である。ライトトンネル２１へ入射する各照明光は、ライトトンネル２１の内部で反射を繰り返すことにより、ライトトンネル２１の出口では照度分布が均一となる。すなわち、ライトトンネル２１は、各照明光の光量むらを低減する照度均一化手段としての機能を有している。なお、ライトトンネル２１に代えて、フライアイレンズ等の他の照度均一化手段を採用してもよい。
ライトトンネル２１を経て照度分布が均一化された各照明光は、レンズ群２２によりリレーされ、ミラー群２３で反射されて画像形成素子２４に照射される。
画像形成素子２４は、各照明光を、画素毎に階調制御することでカラー投影画像を形成する素子である。画像形成素子２４は、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）で構成することができる。ＤＭＤでは、画素単位のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーが異なる２つの角度の何れかの状態を維持することができる。
すなわち、ＤＭＤの各マイクロミラーは、各照明光を投射光学部２５へ向けて反射する角度（ＯＮ状態）と、各照明光を内部の吸収体へ向けて反射して外部に射出させない角度（ＯＦＦ状態）との何れかの状態となる。これにより、表示する画素毎に投影する光を制御することができる。又、ＤＭＤでは、パルス幅変調方式（ＰＷＭ方式）により各マイクロミラーのＯＮ状態の時間比率を調整することで、表示する画素毎における階調表現を行うことができる。
なお、画像形成素子２４はＤＭＤには限定されず、照明装置１０からの各照明光を利用してカラー投影画像を形成できる素子であれば、例えば、液晶等を用いてもよい。
画像投射装置１では、画像形成素子２４での画像生成タイミングで、赤色、緑色、及び青色の各照明光が時分割で画像形成素子２４に照射され、画像形成素子２４で表示画素毎に階調制御された後、投射光学部２５を介してスクリーン等に投射される。そして、目の残像現象を利用して、スクリーン等にカラー画像が視認される。
なお、ライトトンネル２１、レンズ群２２、ミラー群２３は、本発明に係る光学経路構成手段の代表的な一例であり、画像形成素子２４は光学経路構成手段の定める光学経路上に配置されている。
ここで、図６のタイミングチャートを参照して、照明光として取り出される色、光源１１の発光状態、カラーホイール１６のセグメント（１回目）、蛍光体ホイール１８のセグメント、カラーホイール１６のセグメント（２回目）の関係について説明する。
赤色、緑色、及び青色の各照明光を時分割で取り出す期間は、光源１１は点灯状態（ＯＮ）となっている。
図６（１）の赤色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６に入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６に反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８に入射する。
そして、黄色蛍光体１８１により黄色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６に入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して赤色の照明光として取り出され、赤色の照明光はライトトンネル２１に入射する。
次に、図６（２）の緑色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６に入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に緑色（Ｇ）領域１６２が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６に反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８に入射する。
そして、黄色蛍光体１８１により黄色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６に入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に緑色（Ｇ）領域１６２が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して緑色の照明光として取り出され、緑色の照明光はライトトンネル２１に入射する。
次に、図６（３）の青色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６に入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に透過領域１６３が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６を透過して青色の照明光として取り出され、青色の照明光はライトトンネル２１に入射する。この場合は、光源１１からの青色レーザ光は１回目にカラーホイール１６に入射してそのまま透過するため、蛍光体ホイール１８には入射しない（図６（３）では『−』で示している）。
以降、図６（１）〜（３）が時系列に繰り返される。なお、光源１１やカラーホイール１６、蛍光体ホイール１８、画像形成素子２４等の制御は、画像投射装置１の外部に設けられた制御装置により行うことができる。
制御装置のハードウェアは、例えば、ＣＰＵ（中央処理ユニット；Central Processing Unit）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ；Read Only Memory）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ；Random Access Memory）等を有して構成される。制御装置は、ＲＯＭに予め記憶されているプログラムに従って、ＲＡＭをワークメモリとして用いて、光源１１やカラーホイール１６、蛍光体ホイール１８、画像形成素子２４の制御を行うことができる。なお、制御装置を画像投射装置１の内部に設けてもよい。
このように、画像投射装置１では、波長選択偏光分離素子１３とカラーホイール１６との間の光路上に１／４波長板１４を配置している。
そして、光源１１の射出する青色レーザ光を、波長選択偏光分離素子１３、１／４波長板１４、及びカラーホイール１６を順番に経由させてカラーホイール１６からライトトンネル２１に向けて射出する第１の光路を構成している。
又、光源１１の射出する青色レーザ光を、波長選択偏光分離素子１３及び１／４波長板１４を順番に経由してカラーホイール１６で反射させ、１／４波長板１４でＳ偏光に変換し、波長選択偏光分離素子１３を経由して蛍光体ホイール１８に導いて蛍光を発生させ、蛍光を波長選択偏光分離素子１３、１／４波長板１４、及びカラーホイール１６を順番に経由させてカラーホイール１６からライトトンネル２１に向けて射出する第２の光路を構成している。
カラーホイール１６におけるセグメントの配置に基づいて第１の光路と第２の光路を切替えることで、第１の光路と第２の光路において、波長選択偏光分離素子１３からカラーホイール１６までの光路を共通化することができる。つまり、従来のように、２つの光路のうち、何れか一方の光路を迂回させるように設計する必要がなくなり、照明装置１０を小型化することができる。
又、画像投射装置１では、レンズ群１７と蛍光体ホイール１８との間に他の光学部品が配置されていないため、光利用効率の低下を抑制でき、スクリーン等に投射される画像の明るさを向上することができる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１に実施の形態とは異なるカラーホイールを用いる例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図７は、第２の実施形態に係るカラーホイールを例示する拡大平面図であって、カラーホイールを入射光側から見た図である。本実施の形態では、照明装置１０において、カラーホイール１６に代えてカラーホイール１６Ａを用いる。図７に示すように、本実施の形態で用いるカラーホイール１６Ａは、円盤状の部材が複数の扇状の領域（セグメント）に分割された構成である。具体的には、カラーホイール１６Ａは、赤色（Ｒ）領域１６１、緑色（Ｇ）領域１６２、透過領域１６３、及び黄色（Ｙ）領域１６４の４つの扇状の領域（セグメント）に分割されている。つまり、カラーホイール１６Ａは、黄色（Ｙ）領域１６４を有している点がカラーホイール１６（図３参照）と相違する。
カラーホイール１６Ａは、例えば、図８に示す分光透過率特性を有している。赤色（Ｒ）領域１６１、緑色（Ｇ）領域１６２、透過領域１６３については、図４に示したカラーホイール１６の分光透過率特性と同様である。黄色（Ｙ）領域１６４は、黄色光を透過するフィルタが形成された領域であり、図８に示すように、大よそ５００ｎｍ以上の波長範囲の光が透過し、それ未満の波長範囲の光が反射する。
カラーホイール１６Ａが駆動部１６ｍの駆動により所定のタイミングで回転することで、レンズ群１５からの光の入射位置が、赤色（Ｒ）領域１６１、緑色（Ｇ）領域１６２、透過領域１６３、及び黄色（Ｙ）領域１６４の４つの何れかの領域（セグメント）に切替わる。
ここで、図９のタイミングチャートを参照して、照明光として取り出される色、光源１１の発光状態、カラーホイール１６Ａのセグメント（１回目）、蛍光体ホイール１８のセグメント、カラーホイール１６Ａのセグメント（２回目）の関係について説明する。
赤色、緑色、青色、及び黄色の各照明光を時分割で取り出す期間は、光源１１は点灯状態（ＯＮ）となっている。
図９（１）の赤色の照明光を取り出す期間、図９（２）の緑色の照明光を取り出す期間、及び図９（３）の青色の照明光を取り出す期間のタイミングチャートは、図６（１）〜（３）と同様である。
図９（４）の黄色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に黄色（Ｙ）領域１６４が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａに反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８に入射する。
そして、黄色蛍光体１８１により黄色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６Ａに入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に黄色（Ｙ）領域１６４が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６Ａに入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６Ａを透過して黄色の照明光として取り出され、黄色の照明光はライトトンネル２１に入射する。以降、図９（１）〜（４）が時系列に繰り返される。
このように、カラーホイール１６Ａに黄色（Ｙ）領域１６４を設け、黄色の照明光を取り出す仕様にしてもよい。黄色の照明光を取り出すことで、スクリーン等に投射される画像の明るさを向上することができる。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第２に実施の形態において蛍光体ホイールの特性を変える例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１０は、第３の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図であって、蛍光体ホイールを入射光側から見た図である。図１０に示すように、本実施の形態で用いる蛍光体ホイール１８Ａは、異なる蛍光を発する複数の領域に分割された円盤状の部材であり、波長選択偏光分離素子１３からの光が照射される領域が順次変化するように回転駆動される。
具体的には、蛍光体ホイール１８Ａは、黄色（Ｙ）の蛍光を発する黄色蛍光体１８１が形成された領域、緑色（Ｇ）の蛍光を発する緑色蛍光体１８２が形成された領域の２つの扇状の領域（セグメント）に分割されている。つまり、蛍光体ホイール１８Ａは、緑色蛍光体１８２が形成された点が蛍光体ホイール１８（図５参照）と相違する。
蛍光体ホイール１８Ａが駆動部１８ｍの駆動により所定のタイミングで回転することで、レンズ群１７からの光の入射位置が、黄色蛍光体１８１が形成された領域、及び緑色蛍光体１８２が形成された領域の２つの何れかの領域（セグメント）に切替わる。
ここで、図１１のタイミングチャートを参照して、照明光として取り出される色、光源１１の発光状態、カラーホイール１６Ａのセグメント（１回目）、蛍光体ホイール１８Ａのセグメント、カラーホイール１６Ａのセグメント（２回目）の関係について説明する。
赤色、緑色、青色、及び黄色の各照明光を時分割で取り出す期間は、光源１１は点灯状態（ＯＮ）となっている。
図１１（１）の赤色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａに反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８Ａに入射する。
このとき、蛍光体ホイール１８Ａにおいて、レンズ群１７からの光の入射位置に黄色蛍光体１８１が配置される。これにより、黄色蛍光体１８１により黄色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６に入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して赤色の照明光として取り出され、赤色の照明光はライトトンネル２１に入射する。
次に、図１１（２）の緑色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に緑色（Ｇ）領域１６２が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａに反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８Ａに入射する。
このとき、蛍光体ホイール１８Ａにおいて、レンズ群１７からの光の入射位置に緑色蛍光体１８２が配置される。これにより、緑色蛍光体１８２により緑色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６に入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に緑色（Ｇ）領域１６２が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６に入射した緑色の蛍光はカラーホイール１６を透過して緑色の照明光として取り出され、緑色の照明光はライトトンネル２１に入射する。
次に、図１１（３）の青色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に透過領域１６３が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａを透過して青色の照明光として取り出され、青色の照明光はライトトンネル２１に入射する。この場合は、光源１１からの青色レーザ光は１回目にカラーホイール１６Ａに入射してそのまま透過するため、蛍光体ホイール１８Ａには入射しない（図１１（３）では『−』で示している）。
図１１（４）の黄色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に黄色（Ｙ）領域１６４が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａに反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８Ａに入射する。
このとき、蛍光体ホイール１８Ａにおいて、レンズ群１７からの光の入射位置に黄色蛍光体１８１が配置される。これにより、黄色蛍光体１８１により黄色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６に入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に黄色（Ｙ）領域１６４が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６に入射した黄色の蛍光はカラーホイール１６を透過して黄色の照明光として取り出され、黄色の照明光はライトトンネル２１に入射する。以降、図１１（１）〜（４）が時系列に繰り返される。
このように、カラーホイール１６Ａと蛍光体ホイール１８Ａとを組み合わせても、赤色、緑色、青色、及び黄色の各照明光を時分割で取り出すことができる。黄色の蛍光を発生する領域と緑色の蛍光を発生する領域を備えた蛍光体ホイール１８Ａを用いることにより、スクリーン等に投射される画像の明るさを向上できる。
これは、次の理由による。すなわち、黄色の蛍光体と緑色の蛍光体の発光効率（入射光量（Ｗ）に対する出射光量（Ｗ）の割合）が同程度である場合、例えば第１及び第２の実施の形態のように黄色の蛍光からカラーホイールで緑色を作ると、カラーホイールで一部の光を捨てることになる。
本実施の形態のように、緑色の蛍光を使ってカラーホイールで緑色を透過させる場合にも、色を調整するためにカラーホイールで少し光を捨てる場合があるが、黄色の蛍光からカラーホイールで緑色を作る場合と比べて光を捨てる程度が小さい。
そのため、緑色の蛍光を使ってカラーホイールで緑色を透過させる場合の方がスクリーン等に投射される画像の明るさを向上できる。又、この場合、カラーホイールで捨てる光が少なくなるので、カラーホイールの発熱を低減できる効果もある。
但し、黄色の蛍光体の発光効率が緑色の蛍光体の発光効率より大幅に高い場合には、カラーホイールで一部の光を捨ててもなお明るくなるので、この場合には、例えば第１及び第２の実施の形態のように黄色の蛍光からカラーホイールで緑色を作るようにすればよい。
なお、黄色の照明光を取り出すことの効果は、第２の実施の形態と同様である。
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第３の実施の形態において蛍光体ホイールの特性を変える例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１２は、第４の実施の形態で用いる蛍光体ホイールを例示する拡大平面図であって、蛍光体ホイールを入射光側から見た図である。図１２に示すように、本実施の形態で用いる蛍光体ホイール１８Ｂは、異なる蛍光を発する複数の領域に分割された円盤状の部材であり、波長選択偏光分離素子１３からの光が照射される領域が順次変化するように回転駆動される。
具体的には、蛍光体ホイール１８Ｂは、黄色（Ｙ）の蛍光を発する黄色蛍光体１８１が形成された領域、緑色（Ｇ）の蛍光を発する緑色蛍光体１８２が形成された領域、赤色（Ｒ）の蛍光を発する赤色蛍光体１８３が形成された領域の３つの扇状の領域（セグメント）に分割されている。つまり、蛍光体ホイール１８Ｂは、赤色蛍光体１８３が形成された点が蛍光体ホイール１８Ａ（図１０参照）と相違する。
蛍光体ホイール１８Ｂが駆動部１８ｍの駆動により所定のタイミングで回転することで、レンズ群１７からの光の入射位置が、黄色蛍光体１８１が形成された領域、緑色蛍光体１８２が形成された領域、及び赤色蛍光体１８３が形成された領域の３つの何れかの領域（セグメント）に切替わる。
ここで、図１３のタイミングチャートを参照して、照明光として取り出される色、光源１１の発光状態、カラーホイール１６Ａのセグメント（１回目）、蛍光体ホイール１８Ｂのセグメント、カラーホイール１６Ａのセグメント（２回目）の関係について説明する。
赤色、緑色、青色、及び黄色の各照明光を時分割で取り出す期間は、光源１１は点灯状態（ＯＮ）となっている。
図１３（１）の赤色の照明光を取り出す期間では、光源１１からの青色レーザ光が１回目にカラーホイール１６Ａに入射する際には、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置される。これにより、青色レーザ光はカラーホイール１６Ａに反射され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して蛍光体ホイール１８Ｂに入射する。
このとき、蛍光体ホイール１８Ｂにおいて、レンズ群１７からの光の入射位置に赤色蛍光体１８３が配置される。これにより、赤色蛍光体１８３により赤色の蛍光が生成され、図１を参照して説明した所定の光学系を経由して再び（２回目）カラーホイール１６Ａに入射する。この時、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１が配置されたままである。そのため、カラーホイール１６Ａに入射した赤色の蛍光はカラーホイール１６Ａを透過して赤色の照明光として取り出され、赤色の照明光はライトトンネル２１に入射する。
図１３（２）の緑色の照明光を取り出す期間、図１３（３）の青色の照明光を取り出す期間、及び図１３（４）の黄色の照明光を取り出す期間のタイミングチャートは、図１１（２）〜（４）と同様である。以降、図１３（１）〜（４）が時系列に繰り返される。
このように、カラーホイール１６Ａと蛍光体ホイール１８Ｂとを組み合わせても、赤色、緑色、青色、及び黄色の各照明光を時分割で取り出すことができる。黄色の蛍光を発生する領域と緑色の蛍光を発生する領域と赤色の蛍光を発生する領域を備えた蛍光体ホイール１８Ｂを用いることにより、スクリーン等に投射される画像の明るさを向上できる。
これは、次の理由による。すなわち、黄色の蛍光体と赤色の蛍光体の発光効率（入射光量（Ｗ）に対する出射光量（Ｗ）の割合）が同程度である場合、例えば第１〜第３の実施の形態のように黄色の蛍光からカラーホイールで赤色を作ると、カラーホイールで一部の光を捨てることになる。
本実施の形態のように、赤色の蛍光を使ってカラーホイールで赤色を透過させる場合にも、色を調整するためにカラーホイールで少し光を捨てる場合があるが、黄色の蛍光からカラーホイールで赤色を作る場合と比べて光を捨てる程度が小さい。
そのため、赤色の蛍光を使ってカラーホイールで赤色を透過させる場合の方がスクリーン等に投射される画像の明るさを向上できる。又、この場合、カラーホイールで捨てる光が少なくなるので、カラーホイールの発熱を低減できる効果もある。
なお、緑色の蛍光体を用いるとスクリーン等に投射される画像の明るさを向上できる理由は、第３の実施の形態で説明した通りである。
但し、黄色の蛍光体の発光効率が赤色の蛍光体の発光効率より大幅に高い場合には、カラーホイールで一部の光を捨ててもなお明るくなるので、この場合には、例えば第１〜第３の実施の形態のように黄色の蛍光からカラーホイールで赤色を作るようにすればよい。
なお、黄色の照明光を取り出すことの効果は、第２の実施の形態と同様である。
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、第１の実施の形態において光学系の配置を変える例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１４は、第５の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１４に示すように、画像投射装置１Ａは、照明装置１０Ａと、ライトトンネル２１と、レンズ群２２と、ミラー群２３と、画像形成素子２４と、投射光学部２５とを有している。照明装置１０Ａは、照明装置１０とは光学系の配置が異なり、又、波長選択偏光分離素子１３に代えて波長選択偏光分離素子１３Ａを備えている。
光源１１の射出する青色レーザ光は、集光レンズ１２を経由して波長選択偏光分離素子１３Ａに入射する。波長選択偏光分離素子１３Ａは、例えば、図１５に示す分光透過率特性を有している。
すなわち、光源１１の波長λＢにおいて、Ｐ波を反射させ、Ｓ波は透過させる特性を有している。なお、図１５の分光透過率特性からわかるように、大よそ５００ｎｍ以上の波長の光は、Ｐ波であるかＳ波であるかにかかわらず（偏光特性にかかわらず）、波長選択偏光分離素子１３Ａを透過する。波長選択偏光分離素子１３Ａとしては、例えば、偏光ビームスプリッタを用いることができる。
図１４に戻り、波長選択偏光分離素子１３Ａに入射したＰ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３Ａで反射し、１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４を透過した光は円偏光となり、レンズ群１５により集光され、カラーホイール１６に入射する。
レンズ群１５からの光の入射位置に透過領域１６３が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光は、カラーホイール１６を透過して青色の照明光となり、ライトトンネル２１に入射する。
一方、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１又は緑色（Ｇ）領域１６２が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光はカラーホイール１６により反射される。そして、カラーホイール１６により反射された青色レーザ光は、レンズ群１５を経由して１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４を透過した光は円偏光からＳ波（Ｓ偏光）となり、波長選択偏光分離素子１３Ａに入射する。
波長選択偏光分離素子１３Ａに入射したＳ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３Ａを透過し、レンズ群１７で集光されて蛍光体ホイール１８に入射する。
蛍光体ホイール１８に入射した青色レーザ光を励起光として、黄色蛍光体１８１が黄色の蛍光を発生する。黄色の蛍光は、レンズ群１７を経由して、波長選択偏光分離素子１３Ａに入射する。黄色の蛍光は波長選択偏光分離素子１３Ａを透過し（図１５参照）、１／４波長板１４及びレンズ群１５を経由してカラーホイール１６に入射する。以降は、図１に示した画像投射装置１と同様である。
このように、光源１１の射出する青色レーザ光を波長選択偏光分離素子１３Ａで反射させる光学系の配置としてもよい。
図１の光学系の配置では、光源１１とカラーホイール１６との距離をある程度離さなければならないので（光を集光させるため）、横幅が長くなる。これに対して、図１４の光学系の配置では、光源１１とカラーホイール１６とを対向して配置する必要がないため、光学系の横幅を狭くすることが可能である。すなわち、照明装置１０Ａを照明装置１０よりも更に小型化することができる。
又、図１の光学系では、波長選択偏光分離素子１３で光が２回反射するので、波長選択偏光分離素子１３のとりつけ誤差に因る公差の影響で明るさが低下することが懸念される。これに対して、図１４の光学系では、波長選択偏光分離素子１３Ａで光が１回しか反射しないので、波長選択偏光分離素子１３Ａのとりつけ誤差に因る公差の影響で明るさが低下するおそれを低減できる。
〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態では、第１の実施の形態において光学系の配置を変える他の例を示す。なお、第６の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１６は、第６の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１６に示すように、画像投射装置１Ｂは、照明装置１０Ｂと、ライトトンネル２１と、レンズ群２２と、ミラー群２３と、画像形成素子２４と、投射光学部２５とを有している。照明装置１０Ｂは、照明装置１０とは光学系の配置が異なり、又、波長選択偏光分離素子１３に加えて波長選択偏光分離素子１３Ａを備えている。
光源１１の射出する青色レーザ光は、集光レンズ１２を経由して波長選択偏光分離素子１３Ａに入射する。波長選択偏光分離素子１３Ａは、例えば、図１５に示す分光透過率特性を有している。
波長選択偏光分離素子１３Ａに入射したＰ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３Ａで反射し、１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４を透過した光は円偏光となり、レンズ群１５により集光され、カラーホイール１６に入射する。
レンズ群１５からの光の入射位置に透過領域１６３が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光は、カラーホイール１６を透過して青色の照明光となり、ライトトンネル２１に入射する。
一方、レンズ群１５からの光の入射位置に赤色（Ｒ）領域１６１又は緑色（Ｇ）領域１６２が配置されているタイミングでは、カラーホイール１６に入射した青色レーザ光はカラーホイール１６により反射される。そして、カラーホイール１６により反射された青色レーザ光は、レンズ群１５を経由して１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４を透過した光は円偏光からＳ波（Ｓ偏光）となり、波長選択偏光分離素子１３に入射する。
波長選択偏光分離素子１３に入射したＳ波の青色レーザ光は、波長選択偏光分離素子１３で反射され、レンズ群１７で集光されて蛍光体ホイール１８に入射する。
蛍光体ホイール１８に入射した青色レーザ光を励起光として、黄色蛍光体１８１が黄色の蛍光を発生する。黄色の蛍光は、レンズ群１７を経由して、波長選択偏光分離素子１３に入射する。黄色の蛍光は波長選択偏光分離素子１３で反射され（図２参照）、１／４波長板１４及びレンズ群１５を経由してカラーホイール１６に入射する。以降は、図１に示した画像投射装置１と同様である。
このように、画像投射装置１Ｂでは、光路切替手段として、Ｐ偏光成分を有する第１の光を透過し、Ｓ偏光成分を有する第２の光及び蛍光を反射する波長選択偏光分離素子１３と、Ｐ偏光成分を有する第１の光を反射し、Ｓ偏光成分を有する第２の光及び蛍光を透過する波長選択偏光分離素子１３Ａとを備えている。
このような構成により、波長選択偏光分離素子１３及び１３Ａのライトトンネル２１とは反対側（図１６において波長選択偏光分離素子１３及び１３Ａよりも左側）に光学部品を配置する必要がなくなる。その結果、照明装置１０Ｂを照明装置１０や１０Ａよりも更に小型化することができる。
なお、波長選択偏光分離素子１３は本発明に係る第１の偏光分離部の代表的な一例であり、波長選択偏光分離素子１３Ａは本発明に係る第２の偏光分離部の代表的な一例である。
以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、光源１１の第１の直線偏光成分はＳ偏光成分であってもよい。この場合には、波長選択偏光分離素子１３や１３ＡにおけるＰ偏光とＳ偏光の透過反射特性を反転させればよい。
又、各実施の形態は適宜組み合わせることができる。例えば、図１４に示す照明装置１０Ａや図１６に示す照明装置１０Ｂにおいて、カラーホイール１６Ａ、蛍光体ホイール１８Ａ又は１８Ｂを用いてもよい。
又、各実施の形態に係る照明装置は、画像投射装置の一例であるプロジェクタに使用できるが、これには限定されず、例えば、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等に使用してもよい。
１、１Ａ、１Ｂ 画像投射装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ 照明装置
１１ 光源
１２ 集光レンズ
１３、１３Ａ 波長選択偏光分離素子
１４ １／４波長板
１５、１７、２２ レンズ群
１６、１６Ａ カラーホイール
１６ｍ、１８ｍ 駆動部
１８、１８Ａ、１８Ｂ 蛍光体ホイール
２１ ライトトンネル
２３ ミラー群
２４ 画像形成素子
２５ 投射光学部
１６１ 赤色（Ｒ）領域
１６２ 緑色（Ｇ）領域
１６３ 透過領域
１６４ 黄色（Ｙ）領域
１８１、１８２、１８３ 蛍光体
特許第４９００７３６号

Claims (10)

  1. 第１の直線偏光成分を有する第１の光を射出する光源と、
    前記第１の光を励起光として、前記第１の光よりも長波長の蛍光を発生する蛍光発生手段と、
    前記第１の光を透過する第１の領域、及び前記第１の光を反射すると共に前記蛍光を透過する第２の領域を、前記第１の光の光路上に時間的に交互に配置する波長選択手段と、
    直線偏光と円偏光を相互に変換する偏光変換手段と、
    前記第１の光及び前記蛍光を前記偏光変換手段に導くと共に、前記第１の直線偏光成分と直交する第２の直線偏光成分を有する第２の光を前記蛍光発生手段に導く光路切替手段と、を有し、
    前記第１の光を、前記光路切替手段、前記偏光変換手段、及び前記波長選択手段の前記第１の領域を順番に経由させて第１の照明光として射出する第１の光路と、
    前記第１の光を、前記光路切替手段及び前記偏光変換手段を順番に経由して前記波長選択手段の前記第２の領域で反射させ、前記第２の領域で反射した光を前記偏光変換手段で前記第２の光に変換し、前記光路切替手段を経由して前記蛍光発生手段に導いて前記蛍光を発生させ、前記蛍光を前記光路切替手段、前記偏光変換手段、及び前記波長選択手段の前記第２の領域を順番に経由させ、第２の照明光として前記第１の照明光と同一方向に射出する第２の光路とが、前記波長選択手段の配置に基づいて切替わる照明装置。
  2. 前記第１の照明光は円偏光である請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記光路切替手段は、前記第１の光を透過し、前記第２の光及び前記蛍光を反射する第１の偏光分離部と、
    前記第１の光を反射し、前記第２の光及び前記蛍光を透過する第２の偏光分離部と、を備えている請求項１又は２に記載の照明装置。
  4. 前記光路切替手段は、前記第１の光を透過し、前記第２の光及び前記蛍光を反射する偏光分離素子である請求項１又は２に記載の照明装置。
  5. 前記光路切替手段は、前記第１の光を反射し、前記第２の光及び前記蛍光を透過する偏光分離素子である請求項１又は２に記載の照明装置。
  6. 前記蛍光発生手段は、単一色の蛍光体が形成されて可動しない構成とされている請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明装置。
  7. 前記蛍光発生手段は、異なる蛍光を発する複数の領域に分割された円盤状の部材であり、
    前記第２の光が照射される領域が順次変化するように回転駆動される請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明装置。
  8. 前記波長選択手段の前記第１の光を透過する領域は、光を拡散させる拡散板により構成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明装置。
  9. 前記光源は、青色光を射出するレーザである請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明装置。
  10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から発する照明光の光学経路を定める光学経路構成手段と、
    前記光学経路上に配置された画像形成素子と、
    前記画像形成素子によって形成された画像を投射する投射光学部と、を有する画像投射装置。
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