JP2019008018A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光損失及び色ムラを低減した、照明装置を提供する。また、前記照明装置を備えたプロジェクターを提供する。【解決手段】照明装置は、光分離合成素子と、光源部と、光分離合成素子によって分離された第１の光線束の光路上に設けられた拡散反射素子と、第１の光線束の光路上に設けられた第１の集光光学系と、光分離合成素子によって分離された第２の光線束の光路上に設けられた波長変換素子と、第１の集光光学系の焦点距離よりも短い焦点距離を有し、第２の光線束を波長変換素子に入射させる第２の集光光学系と、第１の光線束の光路上に設けられた第１の位相差素子と、を備えている。第１の集光光学系は、テレセントリック性を満足するように第１の光線束を拡散反射素子に入射させるように構成されている。光分離合成素子は、拡散反射素子で反射した第１の光線束と波長変換素子から射出された第２の光とを合成して合成光線束を生成する。【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ものである。

近年、プロジェクターに用いる照明装置として、高輝度、高出力の光が得られる半導体レーザー等の固体光源を用いたものが注目されている。下記特許文献１に記載の照明装置では、蛍光と、半導体レーザーからの青色光を拡散板によって拡散させることで生成した青色拡散光と、を合成することで照明光を生成している。青色拡散光は偏光からなる。合成には、青色光に対して偏光分離特性を持つダイクロイックミラーが用いられている。

特開２０１３−２５０４９４号公報

上記照明装置において、青色拡散光のエテンデュは拡散板の拡散力に依存する。青色拡散光のエテンデュが蛍光のエテンデュよりも小さい場合、画像に色ムラが生じるおそれがあった。そこで、拡散板の拡散力を大きくすることで青色拡散光のエテンデュを大きくして、色ムラを低減することが考えられる。しかしながら、拡散力が大きいと青色拡散光の偏光に乱れが生じ、ダイクロイックミラーによる合成において青色拡散光の損失が生じる。つまり、照明光として青色拡散光を有効に利用できない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、光損失及び色ムラを低減した、照明装置を提供することを目的の一つとする。また、前記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。

本発明の第１態様に従えば、第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有する光分離合成素子と、前記第１の波長帯の第１の光を射出する発光素子を備え、該第１の光を、前記光分離合成素子に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む状態で前記光分離合成素子に入射させるように構成された光源部と、前記光分離合成素子によって分離された第１の光線束の光路上に設けられた拡散反射素子と、前記光分離合成素子と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた第３の光学系を含み、テレセントリック性を満足するように前記第１の光線束を前記拡散反射素子に入射させる第１の集光光学系と、前記光分離合成素子によって分離された第２の光線束の光路上に設けられ、前記第２の光線束によって励起されて第２の光を射出する波長変換素子と、前記光分離合成素子と前記波長変換素子との間の前記第２の光線束の光路上に設けられた第４の光学系を含み、前記第１の集光光学系の焦点距離よりも短い焦点距離を有し、前記第２の光線束を前記波長変換素子に入射させる第２の集光光学系と、前記光分離合成素子と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた第１の位相差素子と、を備え、前記光分離合成素子は、前記拡散反射素子で反射した前記第１の光線束と前記波長変換素子から射出された前記第２の光とを合成して合成光線束を生成するように構成されている照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置において、第１の集光光学系はテレセントリック性を満足するように第１の光線束を拡散反射素子に入射させるので、拡散反射素子による反射光は、該拡散反射素子への入射光の光路を逆に辿るように射出される。よって、拡散反射素子による反射光は第１の集光光学系に効率的に飲み込まれるので、反射光の損失が小さい。
また、第２の集光光学系の焦点距離は第１の集光光学系の焦点距離よりも短いので、第１の集光光学系による拡散反射素子上における第１の光線束のスポットサイズは、第２の集光光学系による波長変換素子上における第２の光線束のスポットサイズよりも大きい。これにより、第２の光のエテンデュと拡散反射素子による反射光のエテンデュとの差が小さくなるので、合成光線束の色ムラを低減することができる。
したがって、光損失及び色ムラが低減された照明光を射出する照明装置を提供できる。

上記第１態様において、前記合成光線束の光路上に設けられた第１の光学系と、前記光分離合成素子と前記発光素子との間の前記第１の光の光路上に設けられた第２の光学系と、をさらに備え、前記第１の集光光学系は、前記第２の光学系をさらに含み、前記第２の集光光学系は、前記第２の光学系をさらに含み、前記第１の光学系のパワーは前記第２の光学系のパワーと同じであるのが好ましい。
この構成によれば、合成光線束が平行光として射出される。

上記第１態様において、前記発光素子と前記第２の光学系との間の前記第１の光の光路上に設けられた第１レンズアレイと、該第１レンズアレイの後段の前記第１の光の光路上に設けられた第２レンズアレイと、をさらに備え、前記第２レンズアレイと前記第２の光学系との間の前記第１の光の光路長は、前記第３の光学系と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路長と等しいのが好ましい。
この構成によれば、第１の光学系、第２の光学系及び第３の光学系のパワーを互いに同じにすることができる。すなわち、第１の光学系、第２の光学系及び第３の光学系それぞれを構成するレンズを共通化することができるので、コスト低減を図ることができる。

上記第１態様において、前記発光素子と前記光分離合成素子との間の前記第１の光の光路上に設けられた第１レンズアレイと、該第１レンズアレイの後段の前記第１の光の光路上に設けられた第２レンズアレイと、をさらに備え、前記第２レンズアレイと前記光分離合成素子との間の前記第１の光の光路長と前記光分離合成素子と前記第３の光学系との間の前記第１の光線束の光路長との和は、前記第３の光学系と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路長と等しいのが好ましい。
この構成によれば、テレセントリック性を満足するように第１の光線束を拡散反射素子に入射させる構成を良好に実現することができる。

上記第１態様において、前記光源装置は、前記第１の光線束と前記第２の光線束との比率を調整する第２の位相差素子を含むのが好ましい。
この構成によれば、合成光線束の色味を調整することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調して画像光を生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、を備えるプロジェクターが提供される。

上記照明装置を備えた第２態様に係るプロジェクターの表示品質は優れている。

第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す平面図。 照明装置の概略構成を示す平面図。 Ｓ偏光の光線束及び蛍光光の光路を説明するための図。 Ｐ偏光の光線束及び拡散反射光の光路を説明するための図。 第２実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図。 Ｓ偏光の光線束及び蛍光光の光路を説明するための図。 Ｐ偏光の光線束及び拡散反射光の光路を説明するための図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態としてプロジェクターの一例について説明する。図１は、本実施形態のプロジェクター１の概略構成を示す平面図である。

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つの光変調装置を用いている。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を用いている。

具体的に、プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を概略備えている。

照明装置２は、照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。

色分離光学系３は、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離するためのものである。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の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー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、を概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）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、赤色光ＬＲを透過するとともに、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、その他の光を緑色光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の全反射ミラー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の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー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。

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，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。また、各液晶パネルの入射側および射出側には、一対の偏光板（図示せず）が配置されている。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，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，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、それぞれの光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢを平行化するためのものである。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢ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ている。

投射光学系６は、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。

（照明装置）
図２は、照明装置２の概略構成を示す平面図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源部２０と、ホモジナイザー光学系２４と、光分離合成素子２５と、第１の位相差素子２８と、第１の集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、第２の集光光学系２６と、波長変換素子２７と、第１の光学系４１と、均一照明光学系４０とを備えている。

光源部２０は、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第２の位相差素子１５とを含む。

アレイ光源２１は、複数の発光素子（半導体レーザー２１ａ）を備える。複数の半導体レーザー２１ａは光源部２０の光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に配置されている。半導体レーザー２１ａは、例えば青色の光ビームＢＬ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。本実施形態において、アレイ光源２１は、複数の光ビームＢＬからなる光線束Ｋ１を射出する。

アレイ光源２１から射出された光線束Ｋ１はコリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、光ビームＢＬを平行光に変換するものである。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａ各々は、複数の半導体レーザー２１ａに対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光線束Ｋ１は、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、光線束Ｋ１の光束径を調整（縮小）するものである。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過した光線束Ｋ１は、第２の位相差素子１５に入射する。第２の位相差素子１５は、例えば、光学軸を光軸ａｘ１の周りに回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１ａから射出された光ビームＢＬは直線偏光である。そのため、１／２波長板の回転角度を適切に設定することにより、第２の位相差素子１５を透過した光ビームＢＬを、光分離合成素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光に変換することができる。このような構成に基づいて、本実施形態の光源部２０は、光分離合成素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む状態で光線束Ｋ１を光分離合成素子２５に入射させるように構成されている。

光源部２０から射出された光線束Ｋ１はホモジナイザー光学系２４に入射する。
ホモジナイザー光学系２４は、例えば第１レンズアレイ２４ａと第２レンズアレイ２４ｂとから構成されている。第１レンズアレイ２４ａは複数の第１小レンズ２４ａｍを含み、第２レンズアレイ２４ｂは複数の第２小レンズ２４ｂｍを含む。

ホモジナイザー光学系２４を透過した光線束Ｋ１は第２の光学系４２を透過して、光分離合成素子２５に入射する。
光分離合成素子２５は、光軸ａｘ１及び後述する蛍光光ＹＬの光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交している。光分離合成素子２５は、第１の波長帯（光ビームＢＬの波長帯）の光に対して偏光分離機能を有している。

具体的に、光分離合成素子２５は、光線束Ｋ１をＳ偏光成分（光線束ＢＬｓ）とＰ偏光成分（光線束ＢＬｐ）とに分離する。光線束ＢＬｓは光分離合成素子２５で反射されることで波長変換素子２７に向かい、光線束ＢＬｐは光分離合成素子２５を透過することで後述する拡散反射素子３０に向かう。

光分離合成素子２５は、第１の波長帯とは異なる波長帯の蛍光光ＹＬを偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。
また、光分離合成素子２５は、拡散反射素子３０による拡散反射光と、蛍光光ＹＬとを合成することで合成光線束（照明光ＷＬ）を生成する光線合成機能を有している。

本実施形態において、光ビームＢＬ（光線束Ｋ１）は特許請求の範囲の「第１の光」に相当し、光線束ＢＬｐは特許請求の範囲の「第１の光線束」に相当し、光線束ＢＬｓは特許請求の範囲の「第２の光線束」に相当する。

第１の集光光学系２９は、第２の光学系４２と第３の光学系４３とを有している。第２の光学系４２は、ホモジナイザー光学系２４と光分離合成素子２５との間の光線束Ｋ１の光路上に設けられている。第３の光学系４３は、光分離合成素子２５と拡散反射素子３０との間の光線束ＢＬｐの光路上に設けられている。

第２の集光光学系２６は、第２の光学系４２と第４の光学系４４とを有している。第４の光学系４４は、光分離合成素子２５と波長変換素子２７との間の光線束ＢＬｓの光路上に設けられている。第１の集光光学系２９と第２の集光光学系２６とは、第２の光学系４２を共有している。

波長変換素子２７は、励起光に励起されることで蛍光光ＹＬを生成する蛍光体層３４を含む。本実施形態において、蛍光光ＹＬは特許請求の範囲の「第２の光」に相当する。

光源部２０と、ホモジナイザー光学系２４と、第２の光学系４２と、光分離合成素子２５と、第１の位相差素子２８と、第３の光学系４３と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。波長変換素子２７と、第２の集光光学系２６と、光分離合成素子２５と、第１の光学系４１と、均一照明光学系４０とは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。

以下、光分離合成素子２５により分離された光線束ＢＬｓの光路及び該光線束ＢＬｓによって生成された後述の蛍光光ＹＬの光路について具体的に説明する。

図３は光線束ＢＬｓ及び蛍光光ＹＬの光路を説明するための図である。図３においては、理解しやすくするために、光線束Ｋ１、光線束ＢＬｓ及び蛍光光ＹＬ各々の光路上にある図２に示した構成要素を直線上に配置した。そのため、図３では、波長変換素子２７（蛍光体層３４）の前段及び後段の両側に第４の光学系４４及び光分離合成素子２５が図示されている。

なお、図２，３に示すように、光線束ＢＬｓは光分離合成素子２５と波長変換素子２７との間において定義されているが、光線束ＢＬｓは、第２の光学系４２を通過する光線束Ｋ１に由来している。よって、光線束ＢＬｓは、第２の集光光学系２６によって蛍光体層３４に向けて集光される、と言うことができる。

また、第２の集光光学系２６はホモジナイザー光学系２４と協働して、蛍光体層３４上での光線束ＢＬｓによる照度分布を均一化する。

本実施形態において、第２の光学系４２は例えば１枚のレンズ４２ａから構成されている。また、第４の光学系４４は例えば３枚のレンズ４４ａ，４４ｂ，４４ｃから構成されている。

波長変換素子２７の蛍光体層３４は、第２の集光光学系２６の焦点位置に配置されている。第２の集光光学系２６の焦点位置とは、第２の光学系４２と第４の光学系４４との合成焦点の位置に対応する。第２の集光光学系２６の焦点距離をｆ_２とする。

図２に戻って、波長変換素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４を基板３５に固定する固定部材３６と、を有している。

蛍光体層３４は、光線束ＢＬｓを吸収して黄色の蛍光光ＹＬに変換して射出する蛍光体粒子を含む。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。

蛍光体層３４には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。

蛍光体層３４の光線束ＢＬｓが入射する側とは反対側には、反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬを反射する機能を有している。

反射部３７は、蛍光体層３４の光線束ＢＬｓが入射する側とは反対側の面に反射膜３７ａを設けることによって構成することができる。基板３５が光反射特性を有する基材からなる構成であってもよい。この場合、反射膜３７ａを省略し、基板３５の蛍光体層３４と対向する面を反射部３７として用いてもよい。

基板３５の蛍光体層３４を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３８が配置されている。

蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。
また、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。
このようにして、蛍光光ＹＬが第４の光学系４４に向かって蛍光体層３４から射出される。

図２，３に示したように、蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、第４の光学系４４および光分離合成素子２５を透過し、第１の光学系４１に入射する。本実施形態において、第１の光学系４１は例えば、１つのレンズ４１ａから構成されている。第１の光学系４１を構成するレンズ４１ａのパワーは、第２の光学系４２を構成するレンズ４２ａのパワーと同じである。

蛍光光ＹＬは、第１の光学系４１によって平行化され、均一照明光学系４０に入射する。

続いて、光分離合成素子２５により分離されたＰ偏光の光線束ＢＬｐの光路及び拡散反射素子３０によって生成された後述の拡散反射光の光路について説明する。

図４は光線束ＢＬｐ及び拡散反射光の光路を説明するための図である。図４においては、理解しやすくするために、光線束ＢＬｐ及び拡散反射光各々の光路上にある図２に示した構成要素を直線上に配置した。そのため、図４では、拡散反射素子３０の前段及び後段の両側に第３の光学系４３、第１の位相差素子２８及び光分離合成素子２５が図示されている。

図２，４に示すように、光分離合成素子２５からのＰ偏光の光線束ＢＬｐは、第１の位相差素子２８に入射する。

第１の位相差素子２８は、光分離合成素子２５と拡散反射素子３０との間の光線束ＢＬｐの光路中に配置された１／４波長板から構成されている。光線束ＢＬｐの偏光状態は、第１の位相差素子２８を透過することによってＰ偏光から例えば右回り円偏光に変換される。以下、第１の位相差素子２８を拡散反射素子３０に向かって透過した光線束ＢＬｐを光線束ＢＬｃと称する。

なお、図２，４に示すように、光線束ＢＬｃは光線束ＢＬｐに由来し、光線束ＢＬｐは光線束Ｋ１に由来している。よって、光線束ＢＬｃは、第１の集光光学系２９によって拡散反射素子３０に向けて集光される、と言うことができる。本実施形態において、第３の光学系４３は例えば１枚のレンズ４３ａから構成されている。

また、第１の集光光学系２９はホモジナイザー光学系２４と協働して、拡散反射素子３０上での光線束ＢＬｃによる照度分布を均一化する。拡散反射素子３０は、第１の集光光学系２９から射出された光線束ＢＬｃを第１の位相差素子２８に向けて拡散反射させるものである。拡散反射素子３０は、例えば、拡散反射板３０ａから構成される。拡散反射板３０ａは、例えば光反射性を持つ部材の表面に凹凸を形成することで形成される。

ところで、上述した蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬはランバーシアンな配光分布を持っているため、一般に蛍光光ＹＬのエテンデュは拡散反射素子３０による拡散反射光のエテンデュよりも大きい。そのため、蛍光光ＹＬのエテンデュと拡散反射光のエテンデュとの差が大きいと、これらの合成光である照明光ＷＬに色ムラが発生する。

そこで、拡散反射光のエテンデュを大きくすることで照明光ＷＬの色ムラを低減することが考えられる。一般に光のエテンデュは、射出領域の面積と光の立体角（拡散角）との積で与えられる。そのため、拡散反射素子３０の拡散角を大きくすれば、拡散反射光のエテンデュを大きくすることができる。

しかしながら、拡散反射素子３０の拡散角を大きくすると、拡散反射光における偏光状態の乱れが大きくなり、光分離合成素子２５を透過する成分が多くなる。つまり、拡散反射光を照明光ＷＬとして有効に利用することができなくなり、光損失を生じてしまう。

これに対し、本実施形態の照明装置２は、後述のように拡散反射素子３０の拡散角を抑えつつ、拡散反射光のエテンデュを大きくすることで照明光ＷＬの色ムラを低減することを可能とした。

本実施形態において、拡散反射素子３０は、第１の集光光学系２９の焦点位置に配置されている。第１の集光光学系２９の焦点位置とは、第２の光学系４２と第３の光学系４３との合成焦点の位置に対応する。第１の集光光学系２９の焦点距離をｆ_１とする。本実施形態において、第１の集光光学系２９の焦点距離ｆ_１は、第２の集光光学系２６の焦点距離ｆ_２よりも長い。

本実施形態において、第２の光学系４２を光分離合成素子２５の光源部２０側に配置し、第３の光学系４３を光分離合成素子２５の拡散反射素子３０側に配置している。この構成によれば、第２レンズアレイ２４ｂと拡散反射素子３０との間の光路長を抑えつつ、第１の集光光学系２９の焦点距離ｆ_１を第２の集光光学系２６の焦点距離ｆ_２よりも長くすることができる。

また、本実施形態において、第２レンズアレイ２４ｂと第２の光学系４２との間の光線束Ｋ１の光路長Ｌ１は、第３の光学系４３と拡散反射素子３０との間の光線束ＢＬｃの光路長Ｌ２と等しい。

ここで、集光光学系によって照明対象物に形成される光のスポットの大きさは、集光光学系の焦点距離によって変化する。例えば、集光光学系の焦点距離を長くすると上記スポットのサイズが大きくなり、反対に集光光学系の焦点距離を短くすると上記スポットのサイズが小さくなる。

本実施形態では、上述のようにｆ_１はｆ_２よりも大きい。そのため、第１の集光光学系２９による拡散反射板３０ａ上における光線束ＢＬｃのスポットＳのサイズは、第２の集光光学系２６による波長変換素子２７（蛍光体層３４）上における光線束ＢＬｓのスポットＳ１のサイズよりも大きい。例えば、ｆ_１がｆ_２の３倍であるとすると、スポットＳのサイズもスポットＳ１のサイズの３倍である。

上述のように拡散反射光のエテンデュはスポットＳの大きさと拡散反射光の拡散角との積で与えられる。そのため、拡散反射素子３０の拡散角度が蛍光光ＹＬの拡散角度よりも小さい場合であっても、ｆ_１およびｆ_２を調整することによって拡散反射光と蛍光光ＹＬのエテンデュを互いに等しくすることができる。

これにより、蛍光光ＹＬのエテンデュと拡散反射光のエテンデュとの差が小さくなるので、蛍光光ＹＬと拡散反射光とが合成されることで生成される照明光ＷＬの色ムラを低減できる。

拡散反射板３０ａが偏光状態を乱さない場合、拡散反射板３０ａによって反射された光線束ＢＬｃ（光線束ＢＬｐ）の偏光状態は左回り円偏光である。以下、拡散反射板３０ａによって反射された光線束ＢＬｐを光線束ＢＬｃ’と称する。光線束ＢＬｃ’は前述の拡散反射光に相当する。光線束ＢＬｃ’は第３の光学系４３および第１の位相差素子２８を再び透過する。光線束ＢＬｃ’（光線束ＢＬｐ）の偏光状態は第１の位相差素子２８によってＳ偏光に変換される。第１の位相差素子２８を光分離合成素子２５に向かって透過した光線束ＢＬｐを光線束ＢＬｓ’と称する。Ｓ偏光の光線束ＢＬｓ’は光分離合成素子２５で反射される。

ここで、光線束ＢＬｃ’の偏光状態が拡散反射板３０ａによって乱され、完全な円偏光ではない場合、光線束ＢＬｓ’は光分離合成素子２５を透過するＰ偏光成分も含むこととなる。しかし本実施形態の拡散反射素子３０の拡散角は比較的小さいので、拡散反射板３０ａによる偏光状態の乱れが比較的小さい。そのため、光線束ＢＬｃ’の偏光状態の円偏光からのずれが比較的小さく、光線束ＢＬｓ’に含まれるＰ偏光成分も比較的少ない。光分離合成素子２５で反射された光線束ＢＬｓ’と光分離合成素子２５を透過した蛍光光ＹＬとが合成されて白色の照明光ＷＬが生成されるので、光損失が比較的少ない。以下、Ｓ偏光の光線束ＢＬｓ’を拡散青色光ＢＬｓ’と称すこともある。

また、本実施形態において、第１の集光光学系２９は、テレセントリック性を満足するように光線束ＢＬｃを拡散反射素子３０に入射させるように構成されている。すなわち、拡散反射素子３０に入射する光線束ＢＬｃの主光線は光軸ａｘ１と平行となっている。そのため、拡散反射素子３０による反射光（光線束ＢＬｃ’）は、該拡散反射素子３０への入射光（光線束ＢＬｃ）の光路を逆に辿るように射出される。よって、光線束ＢＬｃ’は第３の光学系４３に効率的に飲み込まれるので、光線束ＢＬｃ’の損失が低減されている。

また、本実施形態では、上述のように、光路長Ｌ１は光路長Ｌ２と等しくいため、互いに同じパワーの第１の光学系４１、第２の光学系４２及び第３の光学系４３を用いることができる。

このように本実施形態では、第１の光学系４１、第２の光学系４２及び第３の光学系４３それぞれを構成するレンズを共通化することができるので、コスト低減を図ることができる。

色ムラが低減された照明光ＷＬは、第１の光学系４１を透過して均一照明光学系４０（インテグレーター光学系３１）に入射する。

本実施形態では、第１の光学系４１のパワーを第２の光学系４２のパワーと同じにしている。そのため、第２レンズアレイ２４ｂから射出された光線束Ｋ１が拡散反射素子３０に入射するまでに通過する光学系（光入射側の光学系）と、拡散反射素子３０で反射された拡散反射光が均一照明光学系４０に入射するまでに通過する光学系（光出射側の光学系）とが共通の構成となる。

同様に、第２レンズアレイ２４ｂから射出された光線束Ｋ１が波長変換素子２７（蛍光体層３４）に入射するまでに通過する光学系（光入射側の光学系）と、蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬが均一照明光学系４０に入射するまでに通過する光学系（光出射側の光学系）とが共通の構成となる。

本実施形態では、第１の光学系４１と第２の光学系４２それぞれを構成するレンズが共通化されているので、照明光ＷＬを構成する拡散青色光ＢＬｓ’及び蛍光光ＹＬは、図３，４に示すように平行光としてインテグレーター光学系３１に入射する。

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。なお、偏光変換素子３２は必須ではない。均一照明光学系４０は、光分離合成素子２５で合成された照明光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。

インテグレーター光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレーター光学系３１を通過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、例えば、偏光分離膜と位相差板とから構成され、照明光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を通過した照明光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、例えば、凸レンズから構成され、偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬを被照明領域に重畳させる。本実施形態では、インテグレーター光学系３１と重畳光学系３３とによって、被照明領域における照度分布が均一化される。

以上述べたように、本実施形態の照明装置２によれば、光損失及び色ムラが低減された照明光ＷＬを均一な照度分布で被照明領域に照射することができる。よって、この照明装置２を備えた本実施形態のプロジェクター１の表示品質は優れている。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る照明装置について説明する。なお、上記実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化する。

図５は、本実施形態の照明装置２Ａの概略構成を示す平面図である。
図５に示すように、本実施形態の照明装置２Ａは、光源部２０と、ホモジナイザー光学系２４と、光分離合成素子２５と、第１の位相差素子２８と、第１の集光光学系１２９と、ミラー部材６０と、拡散反射素子５１と波長変換素子５２とを備えた回転ホイール５０と、第２の集光光学系１２６と、均一照明光学系４０とを備えている。

第１実施形態と同様に、光分離合成素子２５は、光源部２０から射出された光線束Ｋ１を、光線束ＢＬｓと光線束ＢＬｐとに分離する。光線束ＢＬｐ、光線束ＢＬｓ、光線束ＢＬｃ、光線束ＢＬｃ’、光線束ＢＬｓ’各々の偏光状態はそれぞれ、第１実施形態における光線束ＢＬｐ、光線束ＢＬｓ、光線束ＢＬｃ、光線束ＢＬｃ’、光線束ＢＬｓ’各々の偏光状態と同じである。

本実施形態において、第１の集光光学系１２９は、光分離合成素子２５と拡散反射素子５１との間の光線束ＢＬｐの光路上に設けられた第３の光学系４５からなる。第２の集光光学系１２６は光分離合成素子２５と波長変換素子５２との間の光線束ＢＬｓの光路上に設けられた第４の光学系４６からなる。

ミラー部材６０は、光分離合成素子２５からの光線束ＢＬｐを回転ホイール５０に向けて反射するとともに、回転ホイール５０からの拡散反射光を光分離合成素子２５に向けて反射させる機能を有する。

本実施形態において、回転ホイール５０は、円板５０ａと、該円板５０ａを回転駆動するモーター５５と、円板５０ａ上にリング状に設けられた拡散反射素子５１と、円板５０ａ上にリング状に設けられた波長変換素子５２とを備えている。

円板５０ａは光反射性を有する金属板からなる。拡散反射素子５１及び波長変換素子５２は、円板５０ａ上において、同心円状に配置されている。拡散反射素子５１は、波長変換素子５２よりも内側に配置されている。

拡散反射素子５１は、例えば光反射性を持つ部材の表面に凹凸を形成したリング状の部材からなる。波長変換素子５２は、光線束ＢＬｓを吸収して黄色の蛍光光ＹＬに変換して射出する蛍光体粒子を含む蛍光体層５２ａからなる。

以下、光分離合成素子２５により分離された光線束ＢＬｓの光路及び該光線束ＢＬｓによって生成された蛍光光ＹＬの光路について具体的に説明する。

図６は光線束ＢＬｓ及び蛍光光ＹＬの光路を説明するための図である。図６においては、理解しやすくするために、光線束Ｋ１、光線束ＢＬｓ及び蛍光光ＹＬ各々の光路上にある図５に示した構成要素を直線上に配置した。そのため、図６では、波長変換素子５２の前段及び後段の両側に第２の集光光学系１２６及び光分離合成素子２５が図示されている。また、図６では回転ホイール５０のうち波長変換素子５２のみを図示した。

図５，６に示すように、光線束ＢＬｓは、第２の集光光学系１２６（第４の光学系４６）を透過することで波長変換素子５２の蛍光体層５２ａに向けて集光される。

また、第４の光学系４６はホモジナイザー光学系２４と協働して、蛍光体層５２ａ上での光線束ＢＬｓによる照度分布を均一化する。

本実施形態において、第４の光学系４６は例えば３枚のレンズ４６ａ，４６ｂ，４６ｃから構成されている。

波長変換素子５２（蛍光体層５２ａ）は、第２の集光光学系１２６の焦点位置に配置されている。第２の集光光学系１２６の焦点位置とは、第４の光学系４６を構成する３つのレンズ４６ａ，４６ｂ，４６ｃの合成焦点の位置に対応する。第２の集光光学系１２６の焦点距離をｆ_４とする。

蛍光体層５２ａから射出された蛍光光ＹＬは、第４の光学系４６および光分離合成素子２５を透過し、均一照明光学系４０に入射する。蛍光光ＹＬは、第４の光学系４６によって平行化される。

続いて、光分離合成素子２５により分離されたＰ偏光の光線束ＢＬｐの光路及び該光線束ＢＬｐによって生成された後述の拡散反射光の光路について説明する。

図７は光線束ＢＬｐ及び拡散反射光の光路を説明するための図である。図７においては、理解しやすくするために、光線束ＢＬｐ及び拡散反射光各々の光路上にある図５に示した構成要素を直線上に配置した。そのため、図７では、拡散反射素子５１の前段及び後段の両側に第１の集光光学系１２９、第１の位相差素子２８及び光分離合成素子２５が図示されている。また、図７では回転ホイール５０のうち拡散反射素子５１のみを図示した。

図７に示すように、Ｐ偏光の光線束ＢＬｐは第１の位相差素子２８に入射する。

第１の位相差素子２８を透過した光線束ＢＬｃは、第１の集光光学系１２９（第３の光学系４５）を透過することで拡散反射素子５１上に収束するように進む。第１の集光光学系１２９を透過した光線束ＢＬｃは、拡散反射素子５１上に向かってミラー部材６０で反射される。

また、第１の集光光学系１２９はホモジナイザー光学系２４と協働して、拡散反射素子５１上での光線束ＢＬｃによる照度分布を均一化する。

本実施形態において、拡散反射素子５１は、第１の集光光学系１２９の焦点位置に配置されている。第１の集光光学系１２９の焦点距離をｆ_３とする。本実施形態において、第１の集光光学系１２９の焦点距離ｆ_３は、第２の集光光学系１２６の焦点距離ｆ_４よりも長い。

ｆ_３はｆ_４よりも大きいので、光分離合成素子２５と拡散反射素子５１との間の光線束ＢＬｐの光路長を充分長く取ることができる。よって、この構成は、拡散反射素子５１及び波長変換素子５２が同一の円板５０ａ上に配置された回転ホイール５０を用いた照明装置２Ａに適している。

本実施形態によれば、第１の集光光学系１２９（第３の光学系４５）を１枚のレンズ４５ａで構成できるため、構成を簡略化できる。

また、光線束ＢＬｃの光路長Ｌ３が長いので、図５に示したように、拡散反射素子５１及び波長変換素子５２を同一の円板５０ａ上に配置した回転ホイール５０を用いることができる。

このような回転ホイール５０を用いれば、円板５０ａを回転させることで拡散反射素子５１及び波長変換素子５２に対する光の入射位置を時間的に変化させることができる。よって、拡散反射素子５１及び波長変換素子５２の放熱性を向上させて熱による破損や蛍光発光効率の低下を防止することで信頼性を向上させることができる。

本実施形態では、上述のようにｆ_３はｆ_４よりも大きい。そのため、第１の集光光学系１２９による拡散反射素子５１上における光線束ＢＬｃのスポットＳのサイズは、第２の集光光学系１２６による波長変換素子５２（蛍光体層５２ａ）上における光線束ＢＬｓのスポットＳ１のサイズよりも大きくなる。

これにより、蛍光光ＹＬのエテンデュと拡散反射光のエテンデュとの差が小さくなるので、照明光ＷＬの色ムラが低減される。

また、本実施形態において、第２レンズアレイ２４ｂと光分離合成素子２５との間の光線束Ｋ１の光路長と光分離合成素子２５と第３の光学系４５との間の光線束ＢＬｐの光路長との和Ｌ４を、第３の光学系４５と拡散反射素子５１との間の光線束ＢＬｃの光路長Ｌ３と等しく設定することにより、第１の集光光学系１２９は、テレセントリック性を満足するように光線束ＢＬｃを拡散反射素子５１に入射させる。

本実施形態においても、拡散反射素子５１による拡散反射光（光線束ＢＬｃ’）は、該拡散反射素子５１への入射光（光線束ＢＬｃ）の光路を逆に辿るように射出される。よって、光線束ＢＬｃ’は第３の光学系４５に効率的に飲み込まれるので、光線束ＢＬｃ’の損失が低減されている。

以上述べたように、本実施形態の照明装置２Ａも、光損失及び色ムラが低減された照明光ＷＬを均一な照度分布で被照明領域に照射することができる。よって、この照明装置２Ａを備えたプロジェクターの表示品質は優れている。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に必ずしも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２の位相差素子１５の設置位置は、ホモジナイザー光学系２４の前段に限られず、アレイ光源２１と光分離合成素子２５との間の光線束Ｋ１の光路上であればどこでもよい。たとえば、設置位置は第２の光学系４２の後段でもよい。

第２の位相差素子１５を省略することができる。第２の位相差素子１５を用いない場合、光線束Ｋ１が光分離合成素子２５に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含むように各半導体レーザー２１ａを配置すればよい。

第１実施形態において、第１の位相差素子２８，第３の光学系４３及び拡散反射素子３０からなる光学系と、第４の光学系４４及び波長変換素子２７からなる光学系とを入れ替えてもよい。

第２実施形態において、第１の位相差素子２８，第３の光学系４５およびミラー部材６０からなる光学系と、第４の光学系４６とを入れ替えてもよい。この場合、回転ホイール５０の向きをＺ軸の周りに９０°回転させる必要がある。

上記第２実施形態では、回転ホイール５０を用いる場合を例に挙げたが、拡散反射素子５１及び波長変換素子５２を一つのヒートシンクに取り付けた固定方式のものを採用しても良い。
この構成によれば、拡散反射素子５１及び波長変換素子５２の冷却手段が共通化されるので、照明装置２Ａの構造を簡略化することができる。

また、上記実施形態では、光変調装置として液晶パネルを用いる場合を例に示したが、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等のマイクロミラー型の光変調装置を用いてもよい。

また、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、２，２Ａ…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投写光学系、１５…第２の位相差素子、２０…光源部、２４ａ…第１レンズアレイ、２４ｂ…第２レンズアレイ、２５…光分離合成素子、２６，１２６…第２の集光光学系、２７…波長変換素子、２８…第１の位相差素子、２９，１２９…第１の集光光学系、３０…拡散反射素子、３４…蛍光体層、４１…第１の光学系、４２…第２の光学系、４３…第３の光学系、４４…第４の光学系、４５…第３の光学系、４６…第４の光学系、５１…拡散反射素子、５２…波長変換素子、ＢＬｓ…光線束（第２の光線束）、ＢＬｐ…光線束（第１の光線束）、ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４…焦点距離、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…光路長。

Claims (6)

1. 第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有する光分離合成素子と、
   前記第１の波長帯の第１の光を射出する発光素子を備え、該第１の光を、前記光分離合成素子に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む状態で前記光分離合成素子に入射させるように構成された光源部と、
   前記光分離合成素子によって分離された第１の光線束の光路上に設けられた拡散反射素子と、
   前記光分離合成素子と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた第３の光学系を含み、テレセントリック性を満足するように前記第１の光線束を前記拡散反射素子に入射させる第１の集光光学系と、
   前記光分離合成素子によって分離された第２の光線束の光路上に設けられ、前記第２の光線束によって励起されて第２の光を射出する波長変換素子と、
   前記光分離合成素子と前記波長変換素子との間の前記第２の光線束の光路上に設けられた第４の光学系を含み、前記第１の集光光学系の焦点距離よりも短い焦点距離を有し、前記第２の光線束を前記波長変換素子に入射させる第２の集光光学系と、
   前記光分離合成素子と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路上に設けられた第１の位相差素子と、を備え、
   前記光分離合成素子は、前記拡散反射素子で反射した前記第１の光線束と前記波長変換素子から射出された前記第２の光とを合成して合成光線束を生成するように構成されている照明装置。
2. 前記合成光線束の光路上に設けられた第１の光学系と、前記光分離合成素子と前記発光素子との間の前記第１の光の光路上に設けられた第２の光学系と、をさらに備え、
   前記第１の集光光学系は、前記第２の光学系をさらに含み、
   前記第２の集光光学系は、前記第２の光学系をさらに含み、
   前記第１の光学系のパワーは前記第２の光学系のパワーと同じである
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記発光素子と前記第２の光学系との間の前記第１の光の光路上に設けられた第１レンズアレイと、該第１レンズアレイの後段の前記第１の光の光路上に設けられた第２レンズアレイと、をさらに備え、
   前記第２レンズアレイと前記第２の光学系との間の前記第１の光の光路長は、前記第３の光学系と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路長と等しい
   請求項２に記載の照明装置。
4. 前記発光素子と前記光分離合成素子との間の前記第１の光の光路上に設けられた第１レンズアレイと、該第１レンズアレイの後段の前記第１の光の光路上に設けられた第２レンズアレイと、をさらに備え、
   前記第２レンズアレイと前記光分離合成素子との間の前記第１の光の光路長と前記光分離合成素子と前記第３の光学系との間の前記第１の光線束の光路長との和は、前記第３の光学系と前記拡散反射素子との間の前記第１の光線束の光路長と等しい
   請求項１に記載の照明装置。
5. 前記光源装置は、前記第１の光線束と前記第２の光線束との比率を調整する第２の位相差素子を含む
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調して画像光を生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
   プロジェクター。

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