JP2021189395A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】励起光の利用効率が高く、波長変換効率および信頼性に優れた照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置は、第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、第１発光素子から射出される第１光を平行化する第１平行化素子と、第１光が入射する第１面と、第１面とは異なる第２面と、を有し、第１光を第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換素子と、第１波長帯の光と第２波長帯の光とのうちの一方を反射し、他方を透過する光学素子と、第１平行化素子と光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、第１集光光学系と光学素子との間に設けられ、第１集光光学系から射出される第１光を拡散させる拡散素子と、光学素子と波長変換素子との間に設けられ、正のパワーを有する第２集光光学系と、を備え、第２集光光学系は、第２集光光学系の主点と波長変換素子の第２面との間に焦点を有する。【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。

プロジェクターに用いる光源装置として、発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が従来から提案されている。

下記の特許文献１には、励起光を射出する光源と、励起光を蛍光に変換する波長変換素子と、励起光を反射し、蛍光を透過するダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーから射出される励起光を波長変換素子に導く集光レンズユニットと、を備える光源装置が開示されている。

下記の特許文献２には、励起光を射出する第１光源と、励起光の照射によって蛍光を発する第２光源と、励起光を反射させ、蛍光を透過させるダイクロイックミラーと、を備える光源装置が開示されている。この光源装置においては、励起光を射出するレーザー光源とダイクロイックミラーとの間に、マイクロレンズアレイと、光束の断面形状を調整する調整レンズと、が設けられている。

特開２０１７−１９４５２３号公報 特開２０１９−８１９３号公報

特許文献１の光源装置において、波長変換素子から射出される励起光の光束幅に対してダイクロイックミラーが大きい場合、励起光の多くがダイクロイックミラーで反射して光源側に戻るため、照明光として利用される励起光、すなわち青色光の割合が低下する、という問題がある。ところが、特許文献１の光源装置においては、光源とダイクロイックミラーとの間に第１レンズアレイおよび第２レンズアレイが設けられているため、これら２枚のレンズアレイにより波長変換素子上での励起光の分布が均一化されたとしても、ダイクロイックミラーを小型化することは困難である。

同様に、特許文献２の光源装置においては、レーザー光源と調整レンズとの間にマイクロレンズアレイが設けられているため、マイクロレンズアレイにより蛍光体上での励起光の強度分布が均一化されたとしても、ダイクロイックミラーを小型化することは困難である。したがって、特許文献１および２の光源装置においては、励起光の利用効率の低下を抑制することは困難である。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の照明装置は、第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、前記第１発光素子から射出される前記第１光を平行化する第１平行化素子と、前記第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する波長変換層を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換素子と、前記第１波長帯の光と前記第２波長帯の光とのうちの一方を反射し、他方を透過する光学素子と、前記第１平行化素子と前記光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、前記第１集光光学系と前記光学素子との間に設けられ、前記第１集光光学系から射出される前記第１光を拡散させる拡散素子と、前記光学素子と前記波長変換素子との間に設けられ、正のパワーを有する第２集光光学系と、を備え、前記第２集光光学系は、前記第２集光光学系の主点と前記波長変換層の前記第２面との間に焦点を有する。

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と、前記照明装置からの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装置と、を備える。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 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。 第１発光素子の斜視図である。 波長変換素子の断面図である。 第１集光光学系の作用を説明するための模式図である。 図５の構成における波長変換素子上の励起光の像を示す図である。 拡散板の作用を説明するための模式図である。 図５の構成に拡散板を付加した場合の波長変換素子上の励起光の像を示す図である。 第１比較例の照明装置の概略構成図である。 第２比較例の照明装置の要部の概略構成図である。 第１実施形態の照明装置において、第１集光光学系の焦点距離と光学素子のサイズとの関係を説明するための図である。 第１集光光学系の焦点距離と光学素子上の入射幅との関係を示すグラフである。 拡散素子の拡散角を示す模式図である。 最適な拡散角を求める数式を導くための図である。 第２実施形態の照明装置の側面図である。 図１５の構成から拡散素子を排除した場合の波長変換素子上の励起光の像を示す図である。 図１５の構成における波長変換素子上の励起光の像を示す図である。 第３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１４を用いて説明する。
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。

本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成図である。
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上にカラー映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、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、投射光学装置６と、を備えている。照明装置２の構成については、後で説明する。

色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３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とに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。

第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー８ａは、赤色光成分を反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、青色光成分を反射させる。

第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、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のそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。合成光学系５は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。すなわち、投射光学装置６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、複数の投射レンズで構成されている。

本実施形態の照明装置２の一例について説明する。
以下、図２においては、ＸＹＺ直交座標系を用い、光源装置２０から射出される青色光ＢＬの主光線に平行な軸をＸ軸と定義し、波長変換素子２３から射出される蛍光ＹＬの主光線に平行な軸をＹ軸と定義し、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸をＺ軸と定義する。
また、青色光ＢＬの主光線に沿う軸を光源装置２０の光軸ａｘ４と称する。すなわち、光源装置２０の光軸ａｘ４は、Ｘ軸と平行である。蛍光ＹＬの主光線に沿う軸を波長変換素子２３の光軸ａｘ５と称する。すなわち、波長変換素子２３の光軸ａｘ５は、Ｙ軸と平行である。

図２は、Ｚ軸方向から見た照明装置２の平面図である。
図２に示すように、本実施形態の照明装置２は、光源装置２０と、ダイクロイックミラー２１（光学素子）と、第２集光光学系２２と、波長変換素子２３と、インテグレーター光学系２４と、偏光変換素子２５と、重畳レンズ２６と、を備えている。光源装置２０は、第１発光素子３１１と、第１平行化素子３１２と、第１集光光学系３５と、拡散素子３６と、を備えている。

第１発光素子３１１は、青色半導体レーザーから構成され、第１波長帯の青色光ＢＬを射出する。青色半導体レーザーは、例えば３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの範囲内にピーク波長を有する第１波長帯の青色光ＢＬを射出する。本実施形態の青色光ＢＬは、特許請求の範囲の第１光に対応する。第１発光素子３１１は、基材３１４上に実装されている。

図３は、第１発光素子３１１の斜視図である。図３では、図２に示した基材３１４の図示を省略する。
図３に示すように、第１発光素子３１１は、光射出面３１１ａを有し、光射出面３１１ａから青色光ＢＬを＋Ｘ方向に向かって射出する。第１発光素子３１１は、主光線ＢＬ０に垂直な断面形状が楕円形の青色光ＢＬを射出する。すなわち、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬの主光線ＢＬ０に垂直な断面は、楕円形状の形状を有する。光射出面３１１ａの形状である長方形の長手方向Ｃ１は、断面Ｋ１の形状である楕円形の短軸方向Ｄ２に一致する。光射出面３１１ａの形状である長方形の短手方向Ｄ１は、断面Ｋ１の形状である楕円形の長軸方向Ｃ２に一致する。この理由は、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬは、光射出面３１１ａの長手方向に垂直な面内での発散角γ１が、光射出面３１１ａの短手方向に垂直な面内での発散角γ２よりも大きいからである。青色光ＢＬの発散角γ１の最大値（最大放射角度）は、例えば７０°程度であり、青色光ＢＬの発散角γ２の最大値（最大放射角度）は、例えば２０°程度である。

図２に示すように、第１平行化素子３１２は、第１発光素子３１１に対応して設けられている。第１平行化素子３１２は、凸レンズからなるコリメーターレンズで構成されている。第１平行化素子３１２は、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬを平行化する。

第１集光光学系３５は、第１平行化素子３１２とダイクロイックミラー２１との間に設けられている。本実施形態では、第１集光光学系３５は、１枚の凸レンズで構成されている。なお、第１集光光学系３５を構成するレンズの数は、特に限定されず、複数枚のレンズで構成されていてもよい。第１集光光学系３５は、入射した青色光ＢＬを集光する。第１集光光学系３５は、正のパワーを有し、ダイクロイックミラー２１と波長変換素子２３との間に焦点Ｅを有する。第１集光光学系３５の焦点距離は、第１集光光学系３５の主点Ｇとダイクロイックミラー２１における青色光ＢＬの入射点Ｎとの間の距離Ｒよりも長い。

ダイクロイックミラー２１における青色光ＢＬの入射点Ｎは、ダイクロイックミラー２１の光入射面２１ａと青色光ＢＬの主光線とが交差する点と定義する。また、第１集光光学系３５の主点Ｇとダイクロイックミラー２１における青色光ＢＬの入射点Ｎとの間の距離Ｒは、青色光ＢＬの主光線が通る光軸ａｘ４に沿う距離と定義する。なお、第１集光光学系３５は、複数枚のレンズで構成されていてもよい。第１集光光学系３５が複数枚のレンズで構成される場合、第１集光光学系３５の主点Ｇは、複数枚のレンズからなる集光光学系全体の主点と定義する。

拡散素子３６は、第１集光光学系３５とダイクロイックミラー２１との間に設けられている。拡散素子３６は、第１集光光学系３５から射出された青色光ＢＬを拡散させ、ダイクロイックミラー２１に向けて射出させる。波長変換素子２３上における青色光ＢＬの照度分布は、拡散素子３６によって均一化される。拡散素子３６として、例えば光学ガラスからなる磨りガラス板が用いられる。拡散素子３６には、透過型の拡散素子が用いられる。

ダイクロイックミラー２１は、光軸ａｘ４および光軸ａｘ５のそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー２１は、波長変換素子２３の光軸ａｘ５と交差する位置に設けられている。ダイクロイックミラー２１は、青色波長帯の光を反射させ、黄色波長帯の光を透過させる特性を有する。そのため、ダイクロイックミラー２１は、光源装置２０から射出される青色光ＢＬを反射させ、波長変換素子２３から射出される蛍光ＹＬを透過させる。本実施形態のダイクロイックミラー２１は、特許請求の範囲の光学素子に対応する。

第２集光光学系２２は、ダイクロイックミラー２１と波長変換素子２３との間に設けられている。第２集光光学系２２は、第１レンズ２２１、第２レンズ２２２、および第３レンズ２２３からなる３枚の凸レンズから構成される。第２集光光学系２２は、正のパワーを有する。なお、第２集光光学系２２を構成するレンズの数は、特に限定されない。第２集光光学系２２は、ダイクロイックミラー２１で反射した青色光ＢＬを集光し、波長変換素子２３に入射させる。第２集光光学系２２は、第２集光光学系２２の主点と、後述する波長変換層２３３の第２面２３３ｂと、の間に焦点を有する。本実施形態の場合、第２集光光学系２２が複数枚のレンズで構成されているため、第２集光光学系２２の主点は、複数枚のレンズからなる集光光学系全体の主点と定義する。なお、第２集光光学系２２が１枚のレンズで構成されている場合には、１枚のレンズの主点と定義する。

図４は、波長変換素子２３の断面図である。
図４に示すように、波長変換素子２３は、基板２３１と、反射層２３２と、波長変換層２３３と、構造体２３４と、を備える。波長変換層２３３は、青色光ＢＬが入射する第１面２３３ａと、第１面２３３ａとは異なる第２面２３３ｂと、を有する。波長変換層２３３において、第１面２３３ａと第２面２３３ｂとは互いに対向している。波長変換素子２３は、第２集光光学系２２から射出された青色光ＢＬを第１波長帯とは異なる第２波長帯の蛍光ＹＬに変換する。波長変換層２３３は、青色光ＢＬを黄色の蛍光ＹＬに変換するセラミック蛍光体を含んでいる。第２波長帯は例えば４９０〜７５０ｎｍであり、蛍光ＹＬは緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。なお、蛍光体は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。また、波長変換素子２３の平面形状は、青色光ＢＬの入射方向（Ｙ軸方向）から見て、略正方形である。
本実施形態の蛍光ＹＬは、特許請求の範囲の第２光に対応する。

基板２３１は、反射層２３２、波長変換層２３３、および構造体２３４を支持する支持基板として機能するとともに、波長変換層２３３で発生する熱を放熱する放熱基板として機能する。基板２３１は、例えば金属、セラミックス等、高い熱伝導率を有する材料で構成される。基板２３１は、波長変換層２３３が設けられる第１面２３１ａを有する。

反射層２３２は、基板２３１の第１面２３１ａに設けられている。すなわち、反射層２３２は、基板２３１の第１面２３１ａと波長変換層２３３の第２面２３３ｂとの間に位置し、波長変換層２３３から入射される蛍光ＹＬを、波長変換層２３３の側に反射させる。よって、反射層２３２が設けられる基板２３１の第１面２３１ａと波長変換層２３３の第２面２３３ｂとは互いに対向している。反射層２３２は、例えば誘電体多層膜、金属ミラーおよび増反射膜等を含む積層膜で構成されている。また、反射層２３２は、例えば誘電体多層膜、金属ミラーおよび増反射膜等を含む多層膜で構成されていてもよい。

波長変換層２３３は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例にとると、蛍光体として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やソルゲル法等の湿式法により得られるＹ−Ａｌ−Ｏアモルファス粒子、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるＹＡＧ粒子等を用いることができる。

構造体２３４は、波長変換層２３３の第１面２３３ａに設けられている。構造体２３４は、波長変換素子２３に入射する青色光ＢＬの一部を散乱させ、青色光ＢＬが入射する方向とは逆方向に反射させる。構造体２３４は、透光性材料で構成されており、複数の散乱構造を有する。本実施形態の散乱構造は、凸部からなるレンズ形状を有する。

構造体２３４は、波長変換層２３３と別体で形成される。本実施形態の構造体２３４は、例えば蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、塗布法等によって誘電体を形成した後、フォトリソグラフィーで加工する手法が適している。構造体２３４は、光吸収が小さく、化学的に安定な材料で構成することが望ましい。すなわち、構造体２３４は、屈折率が１．３〜２．５の範囲の材料で構成され、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２等を用いることができる。例えばＳｉＯ_２を用いて構造体２３４を構成すれば、ウェットエッチングあるいはドライエッチングによって精度良く加工することができる。

上記の構成により、波長変換素子２３に入射した青色光ＢＬのうち、一部の青色光ＢＬは、構造体２３４を透過した後、波長変換層２３３において波長変換され、蛍光ＹＬに変換される。一方、他の一部の青色光ＢＬは、蛍光ＹＬに波長変換される前に構造体２３４によって後方散乱し、波長変換されることなく波長変換素子２３の外部に射出される。このとき、青色光ＢＬは、蛍光ＹＬの角度分布と略同様の角度分布に拡散された状態で構造体２３４から射出される。

なお、上記の構造体２３４に代えて、蛍光体は、青色光ＢＬおよび蛍光ＹＬを散乱させるための散乱要素を含んでいてもよい。散乱要素として、例えば複数の気孔が用いられる。この場合、波長変換素子２３に入射した青色光ＢＬのうち、一部の青色光ＢＬは、波長変換されて蛍光ＹＬに変換されるが、他の一部の青色光ＢＬは、蛍光ＹＬに波長変換される前に蛍光体に含まれる散乱要素によって後方散乱し、波長変換されることなく波長変換素子２３の外部に射出される。

本実施形態の場合、図２に示すように、第１発光素子３１１とダイクロイックミラー２１との間に正のパワーを有する第１集光光学系３５が設けられているため、青色光ＢＬが集光された状態でダイクロイックミラー２１に入射する。そのため、第１集光光学系３５が設けられていない場合に比べて、ダイクロイックミラー２１を小型化することができる。ダイクロイックミラー２１が黄色光成分を透過する特性を有するため、波長変換素子２３から射出された蛍光ＹＬは、第２集光光学系２２を透過した後、ダイクロイックミラー２１を透過する。

また、ダイクロイックミラー２１を小型化することにより、波長変換素子２３から射出された青色光ＢＬの中央部は、ダイクロイックミラー２１に入射するが、青色光ＢＬの周縁部は、ダイクロイックミラー２１に入射することなく、ダイクロイックミラー２１の外側の空間を通過する。ダイクロイックミラー２１に入射した青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー２１で反射され、損失となるが、ダイクロイックミラー２１に入射しない光束ＢＬは、蛍光ＹＬとともに照明光ＷＬとして利用される。この場合、ダイクロイックミラー２１を小型化することにより、ダイクロイックミラー２１で反射され、損失となる青色光ＢＬを少なくすることができる。

以上のようにして、青色光ＢＬと蛍光ＹＬとは、インテグレーター光学系２４に入射する。青色の光束ＢＬと黄色の蛍光ＹＬとが合成されることにより、白色の照明光ＷＬが生成される。

インテグレーター光学系２４は、第１マルチレンズアレイ２４１と、第２マルチレンズアレイ２４２と、を有する。第１マルチレンズアレイ２４１は、照明光ＷＬを複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ２４１１を有する。

第１マルチレンズアレイ２４１のレンズ面、すなわち第１レンズ２４１１の表面と、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域とは、互いに共役の関係となっている。そのため、光軸ａｘ５の方向から見て、第１レンズ２４１１の各々の形状は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域の形状と略相似形の矩形状である。これにより、第１マルチレンズアレイ２４１から射出された部分光束の各々は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域にそれぞれ効率良く入射する。

第２マルチレンズアレイ２４２は、第１マルチレンズアレイ２４１の複数の第１レンズ２４１１に対応する複数の第２レンズ２４２１を有する。第２マルチレンズアレイ２４２は、重畳レンズ２６とともに、第１マルチレンズアレイ２４１の各第１レンズ２４１１の像を各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域の近傍に結像させる。

インテグレーター光学系２４を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子２５に入射する。偏光変換素子２５は、図示しない偏光分離膜と位相差板とをアレイ状に配列した構成を有する。偏光変換素子２５は、照明光ＷＬの偏光方向を所定の方向に揃える。具体的には、偏光変換素子２５は、照明光ＷＬの偏光方向を光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの入射側偏光板の透過軸の方向に揃える。

これにより、偏光変換素子２５を透過した照明光ＷＬから分離される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの偏光方向は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの入射側偏光板の透過軸方向に一致する。したがって、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢは、入射側偏光板でそれぞれ遮光されることなく、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域にそれぞれ入射する。

偏光変換素子２５を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ２６に入射する。重畳レンズ２６は、インテグレーター光学系２４と協働して、被照明領域である光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域における照度分布を均一化する。

［本実施形態の原理］
以下、本実施形態の構成により、波長変換素子２３上に光密度が小さい青色光ＢＬの像を形成できる原理について説明する。

最初に、本実施形態の第１集光光学系３５の作用および効果を検証するため、図９に示す第１比較例の照明装置を想定する。
図９に示すように、第１比較例の照明装置１０１は、発光素子１０２と、平行化素子１０３と、第２集光光学系１０４と、波長変換素子１０５と、を備えており、第１集光光学系を備えていない。また、発光素子１０２と波長変換素子１０５とは、互いに共役の関係となっている。

第１比較例の照明装置１０１において、発光素子１０２から射出された後、平行化素子１０３によって平行化された青色光ＢＬは、第２集光光学系１０４によって波長変換素子１０５上に結像される。このとき、発光素子１０２と波長変換素子１０５とが互いに共役の関係にあるため、波長変換素子１０５上に形成される青色光ＢＬの像は、回折限界で決まる極めて小さい点状の像となる。このような小さい像の場合、波長変換素子１０５上の極めて小さい領域に光のエネルギーが集中するため、光密度が極端に大きくなる。波長変換素子１０５に入射する光の密度が大きい場合、蛍光体の波長変換に伴って発生する熱の密度も大きくなる。すなわち、蛍光体の波長変換に伴って生じる熱が波長変換素子１０５上の所定の箇所に集中する。その結果、波長変換効率が低下するとともに、蛍光体の損傷または破損が生じるおそれがある。第１比較例の照明装置１０１は、このような問題を有している。

そこで、波長変換効率の低下および蛍光体の劣化を抑制するため、本実施形態の第１集光光学系３５と拡散素子３６との組み合わせを用いて、波長変換素子２３上の光密度を下げることが必要となる。または、従来例のホモジナイザーを用いて、波長変換素子２３上の光密度を下げることが必要となる。

図５は、本実施形態の照明装置２の概略構成を示す図である。なお、図５では、第１集光光学系３５の作用をわかりやすく説明するため、ダイクロイックミラー２１および拡散素子３６の図示を省略するとともに、第２集光光学系２２を１枚のレンズで表している。

図５に示すように、本実施形態の照明装置２は、第１発光素子３１１と、第１平行化素子３１２と、第１集光光学系３５と、第２集光光学系２２と、波長変換素子２３と、を備えている。この構成において、第１集光光学系３５が正のパワーを有しているため、波長変換素子２３と共役になる点Ｐは、図９に示す第１比較例における発光素子１０２の位置から、第１平行化素子３１２と第１集光光学系３５との間の位置にずれる。そのため、波長変換素子２３上に形成される青色光ＢＬの像は、第１平行化素子３１２によって平行化された後の青色光ＢＬの断面形状に一致する。

また、青色光ＢＬの像の大きさは、第１集光光学系３５の焦点距離をＦとし、第２集光光学系２２の焦点距離、すなわち、第２集光光学系２２の主点Ｇ２と波長変換素子２３の第１面２３３ａとの間の距離をＦ２としたとき、第１平行化素子３１２によって平行化された後の青色光ＢＬの光束幅に横倍率β（＝Ｆ２／Ｆ）を乗じた値となる。

図６は、図５の構成における波長変換素子２３上の青色光ＢＬの像のシミュレーション結果を示す図である。図６において、白く見える個所は光強度が高い個所である。
図６に示すように、波長変換素子２３上の青色光ＢＬの像は、回折限界に近い大きさを有する第１比較例での像に比べて、十分に大きい楕円形状の像となる。したがって、波長変換素子２３上の光密度は、第１比較例における光密度に比べて大きく低下する。

上述したように、波長変換素子２３上の光密度を下げる手段として、本実施形態で用いた第１集光光学系３５と拡散素子３６の他、ホモジナイザーが考えられる。ここで、本実施形態の構成とホモジナイザーとの違いを検証するため、図１０に示す第２比較例の照明装置を想定する。

図１０に示すように、第２比較例の照明装置１１１において、ホモジナイザー１１２は、第１レンズアレイ１１３と、第２レンズアレイ１１４と、を有する。このように、２枚のレンズアレイからなるホモジナイザー１１２を用い、入射した青色光ＢＬを第１レンズアレイ１１３によって複数の光束に分割した後、複数の光束を第２レンズアレイ１１４によって波長変換素子上で重畳させることにより、波長変換素子上の光密度を均一化することができる。

ところが、ホモジナイザー１１２を用いた場合、ホモジナイザー１１２を通過した青色光ＢＬは、第１レンズアレイ１１３のパワーによって光軸ａｘから離れる方向に広がりながら進む。したがって、ホモジナイザー１１２を通過した青色光ＢＬはダイクロイックミラー１１５に到達するまでに光束幅が大きくなり、ダイクロイックミラー１１５を大型化せざるを得ない。

これに対して、本実施形態の照明装置２においては、図７に示すように、第１集光光学系３５が設けられているため、第１集光光学系３５に入射する青色光ＢＬのうち、光軸ａｘ４から離れた外縁を通る光線を第１集光光学系３５によって光軸ａｘ４に近づく方向に屈折させることができる。このとき、第１集光光学系３５の焦点距離を、図１０のホモジナイザー１１２における第１レンズアレイ１１３の焦点距離よりも長くできるため、青色光ＢＬがダイクロイックミラー２１に入射する前に広がらないように設計することができる。

さらに、第１集光光学系３５とダイクロイックミラー２１との間に拡散素子３６が設けられている。そのため、第１集光光学系３５によって集束光となった青色光ＢＬは、拡散素子３６を透過することによって拡散し、光軸ａｘ４から離れる方向に広がろうとする。このとき、第１集光光学系３５の曲率、すなわち第１集光光学系３５の正のパワーと拡散素子３６の拡散角とを所定の値に設定することによって、ダイクロイックミラー２１上での青色光ＢＬの広がりを制御することができる。これにより、ダイクロイックミラー２１の小型化を図ることができる。なお、拡散素子３６の拡散角の最適化については、後で詳しく説明する。

図８は、本実施形態の構成における波長変換素子２３上の青色光ＢＬの像のシミュレーション結果を示す図である。図８において、白く見える個所は光強度が高い個所である。
図８に示すように、波長変換素子２３上の青色光ＢＬの像は、拡散素子３６を備えていない図６の像に比べて、大きく広がった略円形の像となる。したがって、波長変換素子２３上の光密度は、拡散素子３６を付加したことによって大きく低下する。

次に、第１集光光学系３５と拡散素子３６とを用いる場合、いずれの素子をダイクロイックミラー２１に近い側に配置するかによって２通りの配置が考えられる。
２通りの配置による作用および効果の違いを検証するため、本実施形態の配置とは逆に、発光素子からダイクロイックミラーに向かって拡散素子、第１集光光学系の順に配置された第３比較例の照明装置を想定する。第３比較例の照明装置の図示は省略する。なお、上述した特許文献２に記載された光源装置は、発光素子からダイクロイックミラーに向かってマイクロレンズアレイ、調整レンズがこの順に配置されており、青色光をマイクロレンズアレイによって拡散させている。このように、特許文献２の光源装置は第３比較例の照明装置に相当するため、ここでは、第３比較例の照明装置として、特許文献２の光源装置を例に挙げて説明する。

特許文献２の光源装置において、発光素子から射出された青色光は、マイクロレンズアレイによって光軸から離れる方向に広がって拡散された後、調整レンズに入射する。したがって、調整レンズの口径を大きくする必要があり、調整レンズの大型化に伴ってダイクロイックミラーも大きくする必要がある。そのため、特許文献２の光源装置においては、マイクロレンズアレイによって波長変換素子上の強度分布が均一化されたとしても、ダイクロイックミラーを小型化することは困難である。

これに対して、本実施形態の照明装置２においては、第１発光素子３１１からダイクロイックミラー２１に向かって第１集光光学系３５、拡散素子３６の順に配置され、拡散素子３６が第１集光光学系３５よりもダイクロイックミラー２１に近い位置にある。そのため、青色光ＢＬは、拡散素子３６によって大きく広がらないうちにダイクロイックミラー２１に入射する。これにより、本実施形態の照明装置２によれば、特許文献２の光源装置に比べてダイクロイックミラー２１を小型化することが容易である。

次に、本発明者は、ダイクロイックミラー２１を小型化する場合に好適な条件について検討した。
図１１は、本実施形態の照明装置２において、第１集光光学系３５の焦点距離とダイクロイックミラー２１のサイズとの関係を説明するための図である。
図１１に示すように、第１集光光学系３５に入射する青色光ＢＬのうち、第１集光光学系３５の最も外側を通る光線の光軸ａｘ４からの距離、すなわち、第１集光光学系３５に入射する青色光ＢＬの光束幅の１／２をＨとする。以下、青色光ＢＬのうち、第１集光光学系３５の最も外側を通る光線を最外光線と称し、青色光ＢＬの最外光線の光軸からの距離Ｈを光束高さＨと称する。また、第１集光光学系３５の焦点距離をＦとする。また、第１集光光学系３５の主点Ｇからダイクロイックミラー２１における青色光ＢＬの入射点Ｎまでの光軸ａｘ４に沿う方向の距離をＬとする、以下、距離Ｌを第１集光光学系−ミラー間距離Ｌと称する。また、ダイクロイックミラー２１における一方の最外光線の入射点Ｑ１と他方の最外光線の入射点Ｑ２との間の光入射面２１ａに沿う方向の距離をＭとする。以下、距離Ｍを入射幅Ｍと称する。

青色光ＢＬの全ての光線をダイクロイックミラー２１によって反射させるためには、ダイクロイックミラー２１のサイズは、入射幅Ｍ以上であることが必要である。ただし、実際のダイクロイックミラー２１のサイズは、拡散素子３６の拡散角のばらつき、または各種光学素子の設置位置の誤差等の要因を考慮して、入射幅Ｍに余裕分を加えた大きさとすることが望ましい。入射幅Ｍは、図１１の光束高さＨ、焦点距離Ｆ、および第１集光光学系−ミラー間距離Ｌにそれぞれ依存する。

そこで、本発明者は、光束高さＨ、焦点距離Ｆ、および第１集光光学系−ミラー間距離Ｌの値を適宜変化させ、入射幅Ｍの値を計算した。計算結果を図１２に示す。
なお、図１２においては、Ｆ，Ｌ，Ｍの各値をＨの値で規格化して示す。
図１２の横軸は、焦点距離／光束高さ（Ｆ／Ｈ）を示す。図１２の縦軸は、入射幅／光束高さ（Ｍ／Ｈ）を示す。グラフＡは、第１集光光学系−ミラー間距離／光束高さがＬ／Ｈ＝１０のときを示す。グラフＢは、第１集光光学系−ミラー間距離／光束高さがＬ／Ｈ＝１５のときを示す。グラフＣは、第１集光光学系−ミラー間距離／光束高さがＬ／Ｈ＝２０のときを示す。

図１２において、Ｌ／Ｈ＝Ｆ／Ｈのとき、すなわち、Ｌ＝Ｆのとき、青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー２１上で焦点を結ぶため、Ｍ＝０となり、入射幅Ｍは最小の値となる。ところが、Ｌ＝Ｆからずれた場合、ずれる方向によって入射幅Ｍの変化の傾向が異なる。具体的には、Ｌ＞Ｆ、すなわち、焦点距離Ｆが第１集光光学系−ミラー間距離Ｌよりも小さくなる方向（図１２の横軸における左側）にずれると、入射幅Ｍが急激に大きくなる傾向を示す。そのため、この場合にはダイクロイックミラー２１のサイズを大きくする必要がある。一方、Ｌ＜Ｆ、すなわち、焦点距離Ｆが第１集光光学系−ミラー間距離Ｌよりも大きくなる方向（図１２の横軸における右側）にずれると、入射幅Ｍがあまり増加しない傾向を示す。そのため、この場合にはダイクロイックミラー２１のサイズをあまり大きくする必要がない。

したがって、第１集光光学系−ミラー間距離Ｌと焦点距離Ｆとが以下の（１）式を満たすことにより、ダイクロイックミラー２１を小型化できるとともに、各種光学素子の製作誤差、組み立て誤差等の要因を考慮した場合でも、ダイクロイックミラー２１のサイズの増加を極力小さく抑えることができる。
Ｌ≦Ｆ …（１）

次に、本発明者は、拡散素子３６の拡散角の好適な条件について検討した。
図１３は、拡散素子３６の拡散角を示す模式図である。
図１３に示すように、第１集光光学系３５によって光軸ａｘ４に近付く側に屈折した青色光ＢＬは、拡散素子３６を透過することによって拡散する。拡散素子３６から射出される青色光ＢＬのうち、入射方向と同じ方向に射出する主光線ＢＬ０の強度を１としたとき、主光線ＢＬ０の外側に存在し、強度が０．５となる２本の光線ＢＬＡのなす角度を拡散角α（ｒａｄ）と定義する。

ここで、第１集光光学系３５の焦点距離が十分に長く、青色光ＢＬが光軸ａｘ４に平行に近い角度で拡散素子３６に入射すると仮定すると、拡散素子３６を透過した青色光ＢＬは拡散角αで光軸ａｘ４から離れる方向に広がるため、ダイクロイックミラー２１のサイズを大きくしなければならない。したがって、ダイクロイックミラー２１のサイズを大きくしないために、拡散素子３６は、拡散素子３６を透過した青色光ＢＬが光軸ａｘ４に平行な方向、もしくは光軸ａｘ４に近付く方向に進む程度の拡散角αを有する必要がある。

図１４は、最適な拡散角を求める数式を導くための図である。図１４では、第１集光光学系３５および拡散素子３６をそれぞれ模式的に直線で示す。
図１４に示すように、拡散素子３６に対する青色光ＢＬの入射角をθとする。拡散素子３６を射出する光線が光軸ａｘ４に平行な方向、もしくは光軸ａｘ４に近付く方向に進むための条件は、以下の（３）式で表される。
π／２≧（π／２−θ）＋α／２ …（３）
（３）式を変形すると、以下の（４）式が得られる。
θ≧α／２ …（４）
幾何学的な関係からθがπ／２を超えることはないため、（４）式に条件を追加すると、以下の（５）式が得られる。
π／２＞θ≧α／２ …（５）

上述したように、第１集光光学系３５に入射する青色光ＢＬの光束高さをＨとし、第１集光光学系３５の焦点距離をＦとすると、幾何学的な関係から、以下の（６）式が得られる。
Ｈ／Ｆ＝ｔａｎθ …（６）
したがって、（５）式および（６）式から、以下の（７）式が得られる。
Ｈ／Ｆ≧ｔａｎ（α／２） …（７）
（７）式を変形すると、以下の（２）式が得られる。
α≦２・ｔａｎ^−１（Ｈ／Ｆ） …（２）
ただし、α＜πである。

以上に示したように、拡散素子３６の拡散角αを、上記の（２）を満たすように設定することにより、拡散素子３６を透過した青色光ＢＬが光軸ａｘ４から離れる方向に広がることが抑えられる。これにより、ダイクロイックミラー２１のサイズをより確実に小さくすることができる。

［第１実施形態の効果］
本実施形態の照明装置２は、青色光ＢＬを射出する第１発光素子３１１と、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬを平行化する第１平行化素子３１２と、青色光ＢＬが入射する第１面２３３ａと、第１面２３３ａとは異なる第２面２３３ｂと、を有する波長変換層２３３を有し、青色光ＢＬを黄色の蛍光ＹＬに変換する波長変換素子２３と、青色光ＢＬと蛍光ＹＬとのうちの一方を反射し、他方を透過するダイクロイックミラー２１と、第１平行化素子３１２とダイクロイックミラー２１との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系３５と、第１集光光学系３５とダイクロイックミラー２１との間に設けられ、第１集光光学系３５から射出される青色光ＢＬを拡散させる拡散素子３６と、ダイクロイックミラー２１と波長変換素子２３との間に設けられ、正のパワーを有する第２集光光学系２２と、を備え、第２集光光学系２２は、第２集光光学系２２の主点と波長変換層２３３の第２面２３３ｂとの間に焦点を有する。

上記構成の照明装置２によれば、ダイクロイックミラー２１のサイズを小さくすることによって、ダイクロイックミラー２１で反射され、損失となる青色光ＢＬを少なくすることができ、青色光ＢＬの利用効率を高めることができる。また、波長変換素子２３上の青色光ＢＬの光密度を低減することができるため、波長変換効率を高められるとともに、波長変換素子２３の破損や損傷を抑えることができる。これにより、青色光ＢＬの利用効率が高く、かつ、波長変換効率および信頼性に優れた照明装置２を実現することができる。

また、本実施形態の照明装置２は、第１集光光学系３５の焦点距離をＦとし、第１集光光学系３５の主点Ｇからダイクロイックミラー２１における青色光ＢＬの入射点Ｎまでの光軸ａｘ４に沿う方向の距離をＬとしたとき、以下の（１）式を満たしている。
Ｌ≦Ｆ …（１）
この構成によれば、各種光学素子の製作誤差、組み立て誤差等の要因を考慮した場合であっても、ダイクロイックミラー２１のサイズの増加を極力小さく抑えることができる。

また、本実施形態の照明装置２は、第１集光光学系３５の焦点距離をＦとし、第１集光光学系３５に入射する青色光ＢＬの光軸高さをＨとし、拡散素子３６の拡散角をα（ｒａｄ）としたとき、以下の（２）式を満たしている。
α≦２・ｔａｎ^−１（Ｈ／Ｆ）（ただし、α＜π） …（２）
この構成によれば、ダイクロイックミラー２１のサイズをより確実に小さくすることができる。

また、本実施形態の照明装置２において、ダイクロイックミラー２１は、波長変換素子２３の光軸ａｘ５と交差する位置に設けられている。
従来例の照明装置の場合、ダイクロイックミラーが波長変換素子の光軸と交差する位置に設けられていると、当該ダイクロイックミラーによって青色光の多くが第１発光素子の側に戻るおそれがある。これに対して、本実施形態の照明装置２によれば、第１発光素子３１１の側に戻る青色光ＢＬを極力少なくでき、青色光ＢＬの利用効率を高めることができる。

また、本実施形態の照明装置２において、波長変換素子２３は、青色光ＢＬを蛍光ＹＬに変換する波長変換層２３３と、波長変換層２３３の第１面２３３ａに設けられた反射層２３２と、波長変換層２３３の第２面２３３ｂに設けられた構造体２３４と、を有する。
この構成によれば、波長変換層２３３に入射する前の青色光ＢＬの一部を構造体２３４によって後方散乱させることができるため、青色光ＢＬの一部を照明光として有効に利用することができる。

本実施形態のプロジェクター１は、本実施形態の照明装置２を備えているため、光利用効率に優れる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１５〜図１７を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターの構成は第１実施形態と同様であり、光源装置の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび照明装置の全体構成の説明は省略する。
図１５は、第２実施形態の光源装置の概略構成図である。
図１５において、第１実施形態で用いた図面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１５に示すように、本実施形態の光源装置２８は、第１発光素子３１１と、第１平行化素子３１２と、第２発光素子３２１と、第２平行化素子３２２と、第１合成ミラー３３と、第２合成ミラー３４と、第１集光光学系３５と、拡散素子３６と、を備えている。

第２発光素子３２１は、第１実施形態で説明した第１発光素子３１１と同様の構成を有する。すなわち、第２発光素子３２１は、青色光ＢＬ２を射出する青色半導体レーザーから構成されている。青色半導体レーザーは、例えば３８０ｎｍ〜４９５ｎｍにピーク波長を有する青色光ＢＬ２を射出する。なお、第１発光素子３１１と第２発光素子３２１とは、同じピーク波長を有する青色光を射出する青色半導体レーザーから構成されていてもよいし、互いに異なるピーク波長を有する青色光を射出する青色半導体レーザーから構成されていてもよい。青色光ＢＬ２は、青色光ＢＬ１とともに第１集光光学系３５に入射する。本実施形態の青色光ＢＬ１は、特許請求の範囲の第１光に相当する。本実施形態の青色光ＢＬ２は、特許請求の範囲の第３光に相当する。

第２平行化素子３２２は、第２発光素子３２１に対応して設けられている。第２平行化素子３２２は、第２発光素子３２１から射出される青色光ＢＬ２を平行化する。

第１合成ミラー３３は、反射面が第２発光素子３２１から射出される青色光ＢＬ２の主光線に沿う光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなすように配置されている。これにより、青色光ＢＬ２は、第２発光素子３２１から＋Ｘ方向に向かって射出された後、第１合成ミラー３３で反射して−Ｚ方向に向かって進行する。また、第２合成ミラー３４は、反射面が第１合成ミラー３３によって反射される青色光ＢＬ２の主光線に沿う光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。これにより、青色光ＢＬ２は、第１合成ミラー３３から−Ｚ方向に向かって進んだ後、第２合成ミラー３４で反射して＋Ｘ方向に向かって光軸ａｘ３に沿って進行する。

一方、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬ１は、第１合成ミラー３３および第２合成ミラー３４に入射することなく、第１発光素子３１１から＋Ｘ方向に向かって光軸ａｘ３に沿って直進する。青色光ＢＬ２の光路が第１合成ミラー３３および第２合成ミラー３４で折り曲げられることにより、青色光ＢＬ２が第２合成ミラー３４で反射した後の位置における青色光ＢＬ１と青色光ＢＬ２との間の間隔Ｓ１は、第１発光素子３１１および第２発光素子３２１からの射出直後の位置における青色光ＢＬ１と青色光ＢＬ２との間の間隔Ｓ２に比べて狭くなる。このように、青色光ＢＬ１と青色光ＢＬ２とは、第１合成ミラー３３および第２合成ミラー３４によって合成され、光束ＢＬとなる。

すなわち、第１合成ミラー３３および第２合成ミラー３４は、第１発光素子３１１および第２発光素子３２１とダイクロイックミラー２１との間に設けられ、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬ１と第２発光素子３２１から射出される青色光ＢＬ２との少なくとも一方が入射され、青色光ＢＬ１と青色光ＢＬ２とを合成する。合成された光束ＢＬは、第１集光光学系３５および拡散素子３６に順次入射する。
光源装置２８のその他の構成は、第１実施形態の光源装置２０と同様である。

［第２実施形態の効果］
本実施形態においても、青色光ＢＬの利用効率が高く、かつ、波長変換効率および信頼性に優れた照明装置を実現することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態において、光源装置２８は、第１発光素子３１１および第１平行化素子３１２に加えて、第２発光素子３２１および第２平行化素子３２２を備えている。
この構成によれば、光源装置２８からの青色光ＢＬの光出力を増やすことができる。その結果、照明装置から射出される白色の照明光ＷＬの光出力を増やすことができる。

図１６は、図１５の構成から拡散素子３６を排除した場合の波長変換素子２３上の光束ＢＬの像を示す図である。図１６において、白く見える個所は光強度が高い個所である。
本実施形態の場合、図１６に示すように、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬ１と第２発光素子３２１から射出される青色光ＢＬ２とは、各光の光軸に垂直な断面形状である楕円形の短軸方向に並ぶように配置されている。したがって、青色光ＢＬ１と青色光ＢＬ２とからなる光束ＢＬの光軸に垂直な断面形状は、断面形状の長手方向の寸法に対する短手方向の寸法の比が１：１に近い形状、すなわち円形や正方形に近い形状となっている。

図１７は、図１５の構成における波長変換素子２３上の光束ＢＬの像を示す図である。図１７において、白く見える個所は光強度が高い個所である。
拡散素子３６を有する場合、光束ＢＬが拡散素子３６によって拡散された後に波長変換素子２３に入射するため、図１７に示すように、波長変換素子２３に入射する光束ＢＬの像は、略円形となる。その結果、円形に近い断面形状を有する青色光ＢＬおよび蛍光ＹＬが波長変換素子２３から射出されるため、照明光ＷＬを波長変換素子２３の後段の光学系に効率良く入射させることができる。これにより、光利用効率の高い照明装置を実現することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１８を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターの構成は第１実施形態と同様であり、照明装置の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体構成の説明は省略する。
図１８は、第３実施形態の照明装置の概略構成図である。
図１８において、第１実施形態で用いた図面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１８に示すように、本実施形態の照明装置５０は、光源装置２０と、光学素子５３と、第２集光光学系２２と、波長変換素子２３と、インテグレーター光学系２４と、偏光変換素子２５と、重畳レンズ２６と、を備えている。光源装置２０は、第１発光素子３１１と、第１平行化素子３１２と、第１集光光学系３５と、拡散素子３６と、を備えている。

第１実施形態の照明装置２においては、光源装置２０の光軸ａｘ４と波長変換素子２３の光軸ａｘ５とが直交していた。これに対して、本実施形態の照明装置５０においては、光源装置２０の光軸ａｘ４と波長変換素子２３の光軸ａｘ５とが同一直線上に配置されている。したがって、本実施形態の場合、第１発光素子３１１、第１平行化素子３１２、第１集光光学系３５、拡散素子３６、光学素子５３、第２集光光学系２２、および波長変換素子２３は、同一の光軸上に配置されている。また、光軸ａｘ４および光軸ａｘ５は、インテグレーター光学系２４、偏光変換素子２５および重畳レンズ２６を含む後段の光学系の光軸ａｘ７と直交する。

光学素子５３は、光軸ａｘ４および光軸ａｘ５と光軸ａｘ７のそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。光学素子５３は、透光性を有する基板５５と、基板５５の一面に設けられた光学膜と、を有する。光学膜として、光軸ａｘ４および光軸ａｘ５と光軸ａｘ７とが交差する光学素子５３の中央部には、青色波長帯の光を透過させ、黄色波長帯の光を反射させる特性を有するダイクロイックミラー５７が設けられている。すなわち、本実施形態のダイクロイックミラー５７は、透過波長帯および反射波長帯が第１実施形態のダイクロイックミラー２１とは逆である。また、ダイクロイックミラー５７の両側には、青色波長帯の光および黄色波長帯の光をともに反射させるミラー５８が設けられている。

本実施形態の場合、第１発光素子３１１から射出される青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー５７を透過し、第２集光光学系２２を介して波長変換素子２３に入射する。このとき、本実施形態においても、第１実施形態と同様、第１発光素子３１１と光学素子５３との間に第１集光光学系３５と拡散素子３６とが設けられているため、光学素子５３上のダイクロイックミラー５７を小型化することができる。

また、ダイクロイックミラー５７を小型化することにより、波長変換素子２３で後方散乱した青色光ＢＬのうち、青色光ＢＬの中央部は、ダイクロイックミラー５７に入射するが、青色光ＢＬの周縁部はダイクロイックミラー５７の両側のミラー５８で反射する。ダイクロイックミラー５７に入射する青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー５７を透過するため、損失となるが、ミラー５８に入射する青色光ＢＬは、蛍光ＹＬとともに照明光ＷＬとして利用される。また、ダイクロイックミラー５７を小型化することにより、ダイクロイックミラー５７を透過し、損失となる青色光ＢＬを少なくすることができる。

［第３実施形態の効果］
本実施形態においても、青色光ＢＬの利用効率が高く、かつ、波長変換効率および信頼性に優れた照明装置５０を実現することができる、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。
例えば上記第２実施形態の照明装置においては、第１発光素子から射出される青色光と第２発光素子から射出される青色光とを合成ミラーを用いて合成した後、第１集光光学系に入射させる構成を有しているが、合成ミラーを用いることなく、第１発光素子から射出される青色光と第２発光素子から射出される青色光とを並列に第１集光光学系に入射させる構成を有していてもよい。

また、上記実施形態では、ダイクロイックミラーは、波長変換素子の光軸と交差する位置に設けられているが、波長変換素子の光軸からオフセットされた位置に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、回転可能とされていない固定型の波長変換素子の例を挙げたが、本発明は、モーターによって回転可能とされた波長変換素子を有する照明装置にも適用が可能である。また、回転可能とされていない固定型の拡散素子の例を挙げたが、本発明は、モーターによって回転可能とされた拡散素子を有する照明装置にも適用が可能である。

その他、照明装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。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。本発明による照明装置を、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適用してもよい。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、１つの光変調装置のみを有していてもよい。

上記実施形態では、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明の照明装置は、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。

本発明の一つの態様の照明装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の照明装置は、第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、前記第１発光素子から射出される前記第１光を平行化する第１平行化素子と、前記第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する波長変換層を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換素子と、前記第１波長帯の光と前記第２波長帯の光とのうちの一方を反射し、他方を透過する光学素子と、前記第１平行化素子と前記光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、前記第１集光光学系と前記光学素子との間に設けられ、前記第１集光光学系から射出される前記第１光を拡散させる拡散素子と、前記光学素子と前記波長変換素子との間に設けられ、正のパワーを有する第２集光光学系と、を備え、前記第２集光光学系は、前記第２集光光学系の主点と前記波長変換層の前記第２面との間に焦点を有する。

本発明の一つの態様の照明装置は、前記第１波長帯の第３光を射出する第２発光素子と、前記第２発光素子から射出される前記第３光を平行化する第２平行化素子と、をさらに備え、前記第２平行化素子から射出される前記第３光は、前記第１集光光学系に入射してもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１集光光学系の焦点距離をＦとし、前記第１集光光学系の主点と前記光学素子における前記第１光の入射点との距離をＬとしたとき、以下の（１）式を満たしてもよい。
Ｌ≦Ｆ …（１）

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１集光光学系の焦点距離をＦとし、前記第１集光光学系に入射する前記第１光の最外光線の光軸からの距離をＨとし、前記拡散素子の拡散角をα（ｒａｄ）としたとき、以下の（２）式を満たしてもよい。
α≦２・ｔａｎ^−１（Ｈ／Ｆ）（ただし、α＜π） …（２）

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光学素子は、前記波長変換素子の光軸と交差する位置に設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記波長変換素子は、前記第１光を前記第２光に変換する波長変換層と、前記波長変換層の第１面に設けられた反射層と、前記波長変換層の第２面に設けられた構造体と、を有していてもよい。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
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、前記照明装置からの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装置と、を備える。

１…プロジェクター、２，５０…照明装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、２１，５７…ダイクロイックミラー（光学素子）、２２…第２集光光学系、２３…波長変換素子、３５…第１集光光学系、３６…拡散素子、５３…光学素子、２３２…反射層、２３３…波長変換層、２３３ａ…第１面、２３３ｂ…第２面、２３４…構造体、３１１…第１発光素子、３１２…第１平行化素子、３２１…第２発光素子、３２２…第２平行化素子、ＢＬ，ＢＬ１…青色光（第１光）、ＢＬ２…青色光（第３光）、Ｅ…焦点、ＹＬ…蛍光（第２光）。

Claims (7)

1. 第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、
   前記第１発光素子から射出される前記第１光を平行化する第１平行化素子と、
   前記第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する波長変換層を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換素子と、
   前記第１波長帯の光と前記第２波長帯の光とのうちの一方を反射し、他方を透過する光学素子と、
   前記第１平行化素子と前記光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、
   前記第１集光光学系と前記光学素子との間に設けられ、前記第１集光光学系から射出される前記第１光を拡散させる拡散素子と、
   前記光学素子と前記波長変換素子との間に設けられ、正のパワーを有する第２集光光学系と、
   を備え、
   前記第２集光光学系は、前記第２集光光学系の主点と前記波長変換層の前記第２面との間に焦点を有する、照明装置。
2. 前記第１波長帯の第３光を射出する第２発光素子と、
   前記第２発光素子から射出される前記第３光を平行化する第２平行化素子と、
   をさらに備え、
   前記第２平行化素子から射出される前記第３光は、前記第１集光光学系に入射する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１集光光学系の焦点距離をＦとし、前記第１集光光学系の主点と前記光学素子における前記第１光の入射点との距離をＬとしたとき、以下の（１）式を満たす、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
   Ｌ≦Ｆ …（１）
4. 前記第１集光光学系の焦点距離をＦとし、前記第１集光光学系に入射する前記第１光の最外光線の光軸からの距離をＨとし、前記拡散素子の拡散角をα（ｒａｄ）としたとき、以下の（２）式を満たす、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。
   α≦２・ｔａｎ^−１（Ｈ／Ｆ）（ただし、α＜π） …（２）
5. 前記光学素子は、前記波長変換素子の光軸と交差する位置に設けられている、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. 前記波長変換素子は、
   前記第１光を前記第２光に変換する波長変換層と、
   前記波長変換層の第１面に設けられた反射層と、
   前記波長変換層の第２面に設けられた構造体と、
   を有する、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. 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と、
   前記照明装置からの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装置と、
   を備える、プロジェクター。

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