JP6292523B2 - 波長変換デバイス、照明光学系およびこれを用いた電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、青色帯域のレーザ光を発するレーザ光源を用いた照明光学系に関し、特にプロジェクタや光学機器等の電子装置等の光源に用いられる照明光学系に関する。

プロジェクタの光源ユニットに、青色レーザ発光器を光源に利用したのが知られている（特許文献１）。この光源ユニットは、青色レーザ発光器と、蛍光体ホイールと、複数の反射ミラーやダイクロイックミラーとを備えて構成される。蛍光体ホイールは、モータによって回転される円板形状を有し、蛍光体ホイールには、青色帯域の光を透過する透過部、および青色帯域の光を赤色帯域および緑色帯域の光を発する蛍光体層がそれぞれ形成されている。

特許第４７１１１５４号公報

上記特許文献１に示される光源ユニットは、蛍光体ホイールが青色帯域の光を透過する構成であるため、その光学系のレイアウト等に制約が生じてしまい、必ずしも光源ユニットの小型化、省スペース化に適しているとはいえなかった。

そこで、本発明は、光学部品の点数を減らし、省スペース、軽量化、低コスト化を図る波長変換デバイス、照明光学系およびこれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

本発明に係る波長変換デバイスは、照明光学系に用いられるものであって、入射された青色帯域の光に基づき青色帯域と異なる波長の光を発光する波長変換領域を含み、１つの波長変換領域は、回転中心に同心円状に形成され、前記波長変換領域は、半径方向にｎ組（ｎは、２以上の整数）形成される。好ましくは前記１つの波長変換領域は、青色帯域の光に基づき赤色帯域の光を発光する第１の蛍光体領域と、青色帯域の光に基づき緑色帯域の光を発光する第２の蛍光体領域とを含む。

さらなる本発明に係る波長変換デバイスは、第１の波長帯域の光を反射する反射領域、少なくとも第１の波長帯域の光に基づき第２の波長帯域の光を発光する第１の蛍光体領域および第３の波長帯域の光を発光する第２の蛍光体領域を含む第１の回転部材と、前記反射領域から反射された第１の波長帯域の光を透過する第１の透過領域、前記第１の蛍光体領域から出力された第２の波長帯域の光を透過する第２の透過領域、および前記第２の蛍光体領域から出力された第３の波長帯域の光を透過する第３の透過領域を含む第２の回転部材とを含む。

さらなる本発明に係る波長変換デバイスは、第１の波長帯域の光を反射する反射領域、少なくとも第１の波長帯域の光に基づき第２の波長帯域の光を発光する第１の蛍光体領域を含む第１の回転部材と、前記反射領域から反射された第１の波長帯域の光を透過する第１の透過領域、前記第１の蛍光体領域から出力された第２の波長帯域の光から第３の波長帯域の光を抽出する第１の抽出領域、および第２の波長帯域の光から第４の波長帯域の光を抽出する第２の抽出領域とを含む第２の回転部材とを含む。

本発明に係る照明光学系は、上記構成の波長変換デバイスと、波長変換デバイスにｎ組の青色帯域の光線束を入射させる光学系とを有する。好ましくは、前記光学系は、ｎ組の波長変換領域の各々に青色帯域の光線束を集光させるｎ組のレンズを含み、青色帯域の光線束の光軸は、レンズの光軸と異なる。本発明に係るプロジェクタおよび内視鏡は、上記構成の照明光学系を用いて構成される。

本発明によれば、部品点数を削減し、小型化、軽量化、低コスト化を図った照明光学系およびそれを用いた電子装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。 図１に示すアレイ光源の構成例を示す概略断面図である。 図３（Ａ）は、本実施例の蛍光体ホイールの平面図、図３（Ｂ）は、そのＸ−Ｘ線断面図である。 図４（Ａ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより青色帯域の光が反射される様子を説明する図、図４（Ｂ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより赤色帯域／緑色帯域の光が反射される様子を説明する図である。 図５（Ａ）は、本発明の第２の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図、図５（Ｂ）は、第２の実施例に用いられる蛍光体ホイールの平面図、図５（Ｃ）は、第２の実施例により合成されるＲ、Ｇ、Ｂの光の合成輝度を説明する図である。 蛍光体の発光変化効率と照射エネルギー密度との関係を示すグラフである。 本発明の第１、第２の実施例に適用可能な蛍光体ホイールの変形例を説明する図である。 本発明の第１、第２の実施例に適用可能な蛍光体ホイールの変形例を説明する図である。 本発明の第３の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。 本発明の第４の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。 図１０の蛍光体ホイールの構成を示し、図１０（Ａ）は、第２のホイール部材の平面図、図１０（Ｂ）は、第１のホイール部材の平面図、図１０（Ｃ）は、第２のホイール部材の変形例を示す平面図である。 緑色帯域とそこに含まれる青色帯域の光強度と角度との関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施例による蛍光体ホイールを用いたときの緑色帯域と青色帯域の光の光強度と角度との関係を示すグラフである。 第２のホイール部材の青色透過領域、赤色透過領域および緑色透過領域における選択される波長の一例を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る第２のホイール部材の変形例を説明する図である。 本発明の第４の実施例に係る第２のホイール部材の変形例を説明する図である。 本発明の第４の実施例に係る第２のホイール部材の変形例を説明する図である。 本発明の第４の実施例に係る照明光学系の変形例を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る照明光学系の変形例を示す図である。 本発明の第５の実施例に係る照明光学系を示す図である。 図２１（Ａ）は、第５の実施例による第１のホイール部材の平面図、図２１（Ｂ）は、第２のホイール部材の平面図である。 本発明の第６の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。 図２３（Ａ）は、第６の実施例の蛍光体ホイールの平面図、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第７の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。 本発明の第７の実施例に係る蛍光体ホイールの概略断面図である。 レーザ光を分割する他の方法を説明する図である。 本発明の第６の実施例に係る照明光学系の変形例を説明する図である。

次に、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。本発明の好ましい態様では、照明光学系には、波長が短い青色光を発する半導体発光素子として、青色レーザ素子または青色発光ダイオードをアレイ化したアレイ光源が利用される。さらに好ましい態様では、照明光学系は、ＤＬＰまたはＤＭＤのような光変調デバイスにより光を反射するプロジェクタに利用される。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１は、本発明の第１の実施例に係る照明光学系の基本原理を説明する図である。なお、以下の説明で、赤色帯域の光、緑色帯域の光、青色帯域の光を、便宜上、Ｒ、Ｇ、Ｂと略すことがある。

本実施例の照明光学系１０は、励起光としての青色帯域のレーザ光を出射するアレイ光源２０と、アレイ光源２０からのレーザ光を集光する前群レンズＬ１、Ｌ２と、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光されたレーザ光を蛍光体ホイール５０上に集光する後群レンズＬ３、Ｌ４と、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイックミラー３０と、ダイクロイックミラー３０の後部に配され、ダイクロイックミラー３０と同一角度に配された反射ミラー４０と、円板状の蛍光体ホイール５０と、蛍光体ホイール５０を回転するモータ６０と、ダイクロイックミラー３０によって反射された赤色帯域および緑色帯域の光、および反射ミラー４０によって反射された青色帯域の光を集光するレンズＬ５と、集光レンズＬ５によって集光された光を透過するライトトンネル７０とを含んで構成される。ライトトンネル７０を出射した光は、図示しないＤＭＤ等の空間変調デバイスや光ファイバ等へと導かれる。なお、集光レンズＬ５およびライトトンネル７０は、必ずしも必須ではなく、適用される電子装置の光源に応じた光学系に置換または変更することができる。

アレイ光源２０は、青色帯域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子（または青色発光ダイオード）をアレイ状に複数含んで構成される。複数の半導体レーザ素子は、一次元または二次元に配列され、複数の半導体レーザ素子を同時に駆動することで、各半導体レーザ素子から一斉にレーザ光が出射される。

図２は、アレイ光源の一構成例を示す概略断面図である。同図に示すように、複数の半導体レーザ素子を搭載する基板は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムのような材料によって構成された支持部材２２によって支持される。また、支持部材２２の表面には、各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれコリメートするレンズ２４が取り付けられる。さらに支持部材２２と対向する側には、反射ミラー２６が配置され、反射ミラー２６は、各半導体レーザ素子から出射された青色帯域の光を一定方向に反射し、レーザ光線束Ｌｂを生成する。

前群レンズＬ１は、例えば平凸レンズから構成され、アレイ光源２０からのレーザ光線束Ｌｂを集光し、前群レンズＬ２は、例えば凹レンズから構成され、前群レンズＬ１、Ｌ２によりアレイ光源２０からのレーザ光線Ｌｂを平行光に集光する。前群レンズＬ１、Ｌ２の光軸Ｃ１は、レンズＬ１、Ｌ２の中心である。前群レンズＬ１、Ｌ２は、アレイ光源２０からのレーザ光線束Ｌｂを集光することができる光学系であれば良く、前群レンズを構成するレンズの数は、１つであってもよいし、あるいは３つ以上であってもよい。さらにレンズは、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。

後群レンズＬ３、Ｌ４は、例えば凸レンズ、凹レンズ等の球面レンズや非球面レンズの組合せから構成され、前群レンズＬ１、Ｌ２で集光されたレーザ光線束Ｌｂを蛍光体ホイール５０上にさらに集光する。後群レンズＬ３、Ｌ４の光軸Ｃ２は、レンズＬ３、Ｌ４の中心である。後群レンズＬ３、Ｌ４は、レーザ光線束Ｌｂを蛍光体ホイール５０上に集光することができる光学系であれば良く、後群レンズを構成するレンズの数は、１つであってもよいし、あるいは３つ以上であってもよい。ここで留意すべき点は、本実施例の照明光学系１０は、後群レンズＬ３、Ｌ４の光軸Ｃ２を、前群レンズＬ１、Ｌ２の光軸Ｃ１からシフトさせた光学系であり、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光されたレーザ光は、後群レンズＬ３の片側半分に入射されるように、光軸Ｃ１、Ｃ２のシフトが調整される。

ダイクロイックミラー３０は、光軸Ｃ１、Ｃ２上に配され、光軸Ｃ１、Ｃ２に対しほぼ４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー３０は、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射する光学的性質を有する。このため、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光された青色帯域の光は、ダイクロイックミラー３０を透過し、後群レンズＬ３、Ｌ４の片側半分に入射される。また、ダイクロイックミラー３０は、後述するように蛍光体ホイール５０によって反射された赤色帯域および緑色帯域の光を光軸に対しほぼ直角に反射する。

ダイクロイックミラー３０と同角度で配された反射ミラー４０は、ダイクロイックミラー３０の後部に位置し、蛍光体ホイール５０で正規反射された青色帯域の光を、光軸Ｃ１、Ｃ２と直交する方向に反射する。反射ミラー４０は、すべての波長を反射する全反射ミラー、もしくは青色帯域の光を反射し赤色および緑色帯域の光を透過するダイクロイックミラーによって構成することができる。反射ミラー４０を後者のダイクロイックミラーから構成した場合には、反射ミラー４０をダイクロイックミラー３０の後方に配置してもよいし、その前方に配置してもよい。より好ましくは、反射ミラー４０は、前群レンズＬ１、Ｌ２により集光されたレーザ光Ｌｂを遮らないように位置され、かつ集光レンズＬ５の光軸に一致する。但し、レーザ光Ｌｂが反射ミラー４０にオーバーラップする位置関係であってもよい。

集光レンズＬ５は、ダイクロイックミラー３０および反射ミラー４０で反射された光を集光し、集光した光をライトトンネル７０へ入射させる。レンズＬ５の光軸Ｃ３は、レンズＬ５の中心であり、光軸Ｃ３は、反射ミラー４０とダイクロイックミラー３０の光軸と同一であり、かつ光軸Ｃ１、Ｃ２と直交する。従って、ダイクロイックミラー３０および反射ミラー４０で反射された光は、集光レンズＬ５によって同一光路上に集光される。

上記したように後群レンズＬ３、Ｌ４は、ダイクロイックミラー３０と蛍光体ホイール５０との間に配され、ダイクロイックミラー３０を透過した青色帯域の光を、蛍光体ホイール５０の表面に集光する。蛍光体ホイール５０は、図３に示すように、モータ６０によって一定速度で回転される円板状の回転体であって、その表面には、円周方向に、青色帯域の光を反射する反射領域５２、青色帯域の光によって励起されて赤色帯域の光を発光する第１の蛍光体領域５４、青色帯域の光によって励起されて緑色帯域の光を発光する第２の蛍光体領域５６を含んでいる。反射領域５２、第１の蛍光体領域５４、および第２の蛍光体領域５６は、半径方向に一定の幅を有し、この幅は、後群レンズＬ３、Ｌ４によって集光されたスポットＰの径よりも幾分大きい。また、反射領域５２、第１の蛍光体領域５４、および第２の蛍光体領域５６の円周方向の長さ、すなわちそれぞれの内角は、要求されるＲ、Ｇ、Ｂの輝度等に応じて適宜選択される。

好ましい態様では、蛍光体ホイール５０は、ガラス、樹脂または金属から構成された基材を含む。好ましい例では、回転体の表面は、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の光を反射する反射鏡を構成し、第１の蛍光体領域５４および第２の蛍光体領域５６は、当該反射鏡の表面に積層された蛍光体層５４ａ、５４ｂを含んで構成される。また、基材の表面に少なくとも青色帯域の光を反射する反射層を形成してもよい。さらに、反射領域５２は、入射した青色帯域の光を微小に拡散させるようにするため、その表面に凹凸を形成するものであってもよい。

第１の蛍光体領域５４は、上記したように、基材の表面に、青色帯域のレーザ光によって励起され、赤色帯域の光を発光する蛍光体層５４ａを含む。蛍光体層５４ａは、基材の表面に形成されてもよいし、基材の表面に反射層を形成し、当該反射層上に形成されるものでもよい。なお、図３（Ｂ）に示される蛍光体層５４ａは、その厚さがより誇張して示されていることに留意すべきである。同様に、第２の蛍光体領域５６は、青色帯域の光によって励起され、緑色帯域の光を発光する蛍光体層５６ａを含む。蛍光体層５４ａ、５６ａを構成する蛍光体材料には、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、TAG（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、BOS（バリウム・オルソシリケート）系、窒化化合物系が知られている。蛍光体層５４ａ、５６ａは、例えば、蛍光体材料と樹脂材料やセラミック材料に混ぜ合わせたものを基材表面の塗布したり、蛍光体材料を混ぜ合わせたシート状のものと基材表面に貼り付けるようにしてもよい。こうして、蛍光体ホイール５０の表面には、スポットＰの青色帯域の光が照射され、蛍光体ホイール５０が回転されることで、反射領域５２、第１および第２の蛍光体領域５４、５６がスポットＰで光学的に走査される。

なお、上記の例では、蛍光体ホイール５０には、赤色帯域および緑色帯域の光を発光させるための蛍光体層５４ａ、５６ａが形成されたが、青色レーザ光によって励起される光は、必ずしも赤色帯域および緑色帯域の光に限定されるものではない。例えば、黄色、マゼンタ、シアンの帯域の光が励起されるような蛍光体層を形成するものであってもよい。

次に、Ｒ、Ｇ、Ｂの光がシーケンシャルに生成される動作を図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、蛍光体ホイール５０の反射領域５２によって青色帯域の光が正規反射された状態を示している。すなわち、前群レンズＬ１、Ｌ２からの平行な光線束Ｌｂは、ダイクロイックミラー３０を透過し、後群レンズＬ３、Ｌ４の光軸Ｃ２からシフトされた片側半分に入射される。この光線束Ｌｂは、後群レンズＬ３、Ｌ４によって蛍光体ホイール５０の反射領域５２を照射する。このとき、光線束Ｌｂは正規反射され、すなわち光軸Ｃ２に対する光線束Ｌｂの入射角と反射角は略等しい。従って、蛍光体ホイール５０で反射された光線束Ｌｂは、後群レンズＬ３、Ｌ４の反対側から出射され、さらにその光Ｌｂは、ダイクロイックミラー３０を透過して、反射ミラー４０によってほぼ直角に反射され、集光レンズＬ５によって集光される。

図４（Ｂ）は、蛍光体ホイール５０の第１または第２の蛍光体領域５４、５６によって赤色帯域または緑色帯域の光が反射される状態を示している。すなわち、図４（Ａ）のときと同様に、青色帯域の光線束Ｌｂが第１の蛍光体領域５４を照射する。光線束Ｌｂによって励起された蛍光体層５４ａは、赤色帯域の光を発光する。このとき、赤色帯域の光は、ランバーシアン状（均一拡散）に広がる光となる。ランバーシアン状に反射された赤色帯域の光Ｌｒは、レンズＬ４、Ｌ３によって集光され、さらにその光は、ダイクロイックミラー３０によってほぼ直角に反射され、集光レンズＬ５に入射される。この動作は、第２の蛍光体領域５６が緑色帯域の光Ｌｇを発光するときも同様である。

こうして、青色帯域のレーザ光源を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光線束がシーケンシャルに生成され、これがライトトンネル７０からデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等に向けられる。ここには詳細に示さないが、ＤＭＤは、複数のミラー素子が二次元アレイ状に形成され、各ミラー素子は、デジタル画像データに従い第１の角度または第２の角度に傾斜され、ＤＭＤによって反射されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、投射画像を生成する。

このように、本実施例によれば、蛍光体ホイール５０が、Ｒ、Ｇ、Ｂのすべてを反射させ、かつダイクロイックミラー３０および反射ミラー４０が選択的にＲ、Ｇ、Ｂの光を反射させるようにしたので、照明光学系１０に必要な光学部材を低減させ、コンパクトな構成を得ることができる。特に、ダイクロイックミラー３０と反射ミラー４０は、同方向に重複するように配置され、ダイクロイックミラー３０と蛍光体ホイール５０の間に後群レンズＬ３、Ｌ４を介在させる構成であるため、省スペース化がより促進される。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例に係る照明光学系１０Ａの原理を示す図である。第２の実施例は、第１の実施例で用いたダイクロイックミラー３０、反射ミラー４０および後群レンズＬを２組備え、ビームスプリッターで分離された２つの光線束からそれぞれＲ、Ｇ、Ｂを生成し、それらを最後に合成するものである。但し、蛍光体ホイールは、複数用いるのではなく単数であり、その表面には、円周方向に２組の反射領域、第１および第２の蛍光体領域が形成される。また、後群レンズＬは、単一のレンズによって構成されている。

同図に示すように、前群レンズＬ１、Ｌ２からの平行な光線束Ｌｂは、ビームスプリッター２００によって２つの光線束Ｌｂ１、Ｌｂ２に分離される。分離された光線束Ｌｂ１については、第１の実施例のときと同様に、ダイクロイックミラー３０、後群レンズＬ、蛍光体ホイール５０Ａ、ダイクロイックミラー３０または反射ミラー４０を経由して、Ｒ、Ｇ、Ｂの光が集光レンズＬ５に入射される。光線束Ｌｂ１は、図５（Ｂ）に示すように、蛍光体ホイール５０Ａの外周側にフォーカスされ、そのスポットＰで反射領域５２、第１および第２の蛍光体領域５４、５６を光学的に走査する。

もう一方の光線束Ｌｂ２は、反射ミラー２１０によってほぼ直角に反射され、光線束Ｌｂ１と平行にされる。反射ミラー２１０の中心または光軸Ｃ４は、後群レンズＬＡの光軸Ｃ２からシフトされ、光線束Ｌｂ２は、ダイクロイックミラー３０Ａを介して後群レンズＬＡの片側半分に入射される。入射した光線束Ｌｂ２は、後群レンズＬＡによって蛍光体ホール５０Ａの内周側のスポットＱにフォーカスされ、スポットＱによって、反射領域８２、第１および第２の蛍光体領域８４、８６を光学的に走査する。蛍光体ホイール５０Ａで反射された青色帯域の光Ｌｂ２は、ダイクロイックミラー３０Ａを介して反射ミラー４０Ａによってほぼ直角に反射され、蛍光体ホイール５０Ａで反射された赤色帯域の光および緑色帯域の光は、ダイクロイックミラー３０Ａによってほぼ直角に反射され、集光レンズＬ５に入射される。図５（Ｃ）は、スポットＰおよびスポットＱのＲ、Ｇ、Ｂの輝度を合成したときの合成輝度を表している。蛍光体ホイール８０Ａ上の外周側の反射領域５２、第１および第２の蛍光体領域５４、５６の配列と、内周側の反射領域８２、第１および第２の蛍光体領域８４、８６の配列は、Ｒ、Ｇ、Ｇが生成されるタイミングが同期するように調整される。

図６に、蛍光体の発光変換量と励起光の照射エネルギー密度との関係を示す。蛍光体の特性として、光の照射エネルギー密度の増加に伴い、発光変換効量が増加する線形領域（変換効率が一定）、発光変換量が飽和する飽和領域（変換効率が低下）、発光変換量が劣化する劣化領域をもつことが知られている。このため、第１および第２の蛍光体層５４、５６、８４、８６に一定以上のエネルギーの青色光が照射されると、発光変換量が飽和ないし劣化し、蛍光体が熱損傷または熱劣化してしまう。熱損傷等を防止するためには、蛍光体層ないし蛍光体ホイールを冷却する必要がある。さらに、蛍光体は、経時変化によっても発光変換効率が劣化する。

第２の実施例では、励起光としての青色帯域の光の照射エネルギーを高くしても、青色帯域の光を２分割し、蛍光体ホイール上に２組の蛍光体層を形成するようにしたので、蛍光体層に照射される照射エネルギーを実質的に半減させることができる。これにより、蛍光体を線形領域で使用することが可能になり、発光変換量が劣化するのを防止することができる。同時に、蛍光体層の熱損傷または熱劣化を抑制することができ、蛍光体の寿命を延ばすことが可能になる。

なお、第２の実施例では、光線束Ｌｂを２つに分離する例を示したが、光線束Ｌｂをｎ個に分割し、ｎ組のダイクロイックミラー、反射ミラー、レンズ、ｎ組の反射領域および蛍光体領域が形成された蛍光体ホイールにより照明光学系を形成するようにしてもよい。

次に、本実施例の蛍光体ホイールのいくつかの構成例について図７を参照して説明する。
図７（Ａ）は、蛍光体ホイール３００の平面図、図７（Ｂ）は、そのＸ−Ｘ線断面図である。図７（Ｃ１）ないし（Ｃ４）は、第１の蛍光体領域３２０の種々の変形例を示し、図７（Ｄ１）ないし（Ｄ３）は、反射領域３１０の種々の変形例を示している。

図７（Ｃ１）において、蛍光体ホイール３００を構成する円板状のガラスまたは樹脂等の基材３２２には、ドーナツ形状の反射層３２４が形成され、反射層３２４上には、第１の蛍光体３２０Ａが形成される。第１の蛍光体３２０Ａは、青色光で励起されて赤色光を発光する。反射層３２４を設けることで蛍光体の発光効率は向上するが、反射層３２４がＲ、Ｇ、Ｂのすべての波長を反射するものであると、第１の蛍光体３２０Ａを透過した青色光が反射層３２４によって反射され、赤色と青色が混色してしまうおそれがある。

そこで、図７（Ｃ２）に示すように、第１の蛍光体３２０Ａの直下には、蛍光発光色を反射し、青色光を吸収するかまたは透過するダイクロイックミラー３２６をコーティングする。より好ましくは、Ｒ、Ｇ、（Ｙ）を反射し、青色光を透過または吸収する層３２６を形成する。第２の蛍光体３３０の場合も同様である。これにより、蛍光発光色と青色光との混色を防止することができる。

また、図７（Ｃ３）に示すように、基材３２２Ａの端部が厚くなるようにし反射層３２４に傾斜を持たせるようにしてもよい。このような傾斜を持たせることで、第１の蛍光体３２０Ａを透過した青色光が蛍光発光色と混色しないようにすることができる。すなわち、レンズ７０の半面から入射された青色光は、一定の大きさの入射角を有するため、反射層３２４が傾斜されることで、青色光は、入射した方向に向けて反射されることになるため、反射ミラー６０に入射されない。第２の蛍光体領域３３０の場合も同様である。

また、図７（Ｃ４）に示すように、基材３２２の側面に、蛍光体層３２０Ａを超える高さの反射部材３２８を形成するようにしてもよい。この場合、蛍光体層３２０Ａを透過した青色光は、反射層３２４によって反射されるが、反射部材３２８によって反射ミラー６０へ向かう青色光が反射されるため、蛍光発光色との混色が防止される。第２の蛍光体領域３３０の場合も同様である。

他方、図７（Ｄ１）に示すように、青色光を反射する反射領域３１０は、基材３１２の表面に反射層３１４を形成することで、基材３１２の材料にかかわらず、青色光が効率よく反射される。また、図７（Ｄ２）に示すように、反射領域３１０の表面には、拡散領域３１６が形成されるようにしてもよい。青色レーザ光がコヒーレント光であるため、スペックルが発生する。これを除去するために、凹凸を有する拡散面にすることでコヒーレント成分を除去することができる。さらに、図７（Ｄ３）に示すように、反射領域３１０の基材３１２Ａの厚さが端部に向けて薄くなるように傾斜を持たせることで反射面３１４を傾斜させ、青色光と蛍光体発光色の光軸をできるだけ離し、混色を防止することができる。

なお、上記図７（Ｃ１）ないし（Ｄ３）に示す１つもしくはそれ以上の組合せにより蛍光体ホイールを構成することが可能である。

蛍光体ホイールのさらなる変形例を図８に示す。図８（Ａ）に示すように、蛍光体ホイールの基材４００上に赤、緑、または黄色等を発光させるための蛍光体層４１０が形成されるが、その表面が滑らかであると、励起光である青色帯域の光線束Ｌｂがその表面で正規反射（光軸Ｃ２に関し、入射角θ１＝出射角θ２）が生じしまう。正規反射が生じると、その光Ｌｂ’は、ダイクロイックミラー３０を介して反射ミラー４０によって反射されるため、赤色帯域や緑色帯域の光に青色帯域の光が混色してしまう。

その対策として、図８（Ｂ）に示すように、蛍光体層４１０の表面に、凹凸状の起伏を有する拡散面４２０を形成することで、青色帯域の光が正規反射されるのを防止する。あるいは、他の対策として、図８（Ｃ）に示すように、蛍光体層４１０の表面に、青色帯域の光の反射を防止する反射防止膜４３０を形成したり、図８（Ｄ）に示すように、蛍光体層４１０上に、拡散面もしくは反射防止膜が表面に形成された透明部材４４０を形成することが望ましい。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。第１、第２の実施例では、ダイクロイックミラー３０によって反射されたＲ、Ｇの光と、反射ミラー４０によって反射されたＢの光とが同一光路を進行するように構成したが、第３の実施例では、反射ミラーの光軸がダイクロイックミラーの光軸からシフトされたものである。

蛍光体ホイールによって正規反射された青色帯域の光は、レーザ光そのものの光であり、スペックルが発生する。これを抑制するため、青色帯域の光Ｌｂを反射する反射ミラー４０の光軸をダイクロイックミラー３０の光軸からずらし、青色帯域の光の光路上にスペックル除去光学系を設け、その光学系を通過後に、ダイクロイックミラー等で同一光路に合成する。

図９は、第３の実施例の原理を説明する図である。同図に示すように、反射ミラー４０は、その光軸がダイクロイックミラー３０の光軸からシフトされるように配置される。反射ミラー４０で反射された青色帯域の光Ｌｂは、スペックル除去光学系５００を介して、反射ミラー５１０によって直角に反射され、さらにその光Ｌｂは、ダイクロイックミラー５２０によって直角に反射され、集光レンズＬ５に入射される。ダイクロイックミラー５２０は、ダイクロイックミラー３０と同一の光軸を有し、ダイクロイックミラー５２０は、ダイクロイックミラー３０で反射された赤色帯域の光Ｌｒおよび緑色帯域の光Ｌｇを透過し、青色帯域の光Ｌｂを反射する。こうして、スペックル除去された青色帯域の光Ｌｂ、および蛍光光Ｌｒ、Ｌｇが集光レンズＬ５を介してライトトンネル７０に集光される。

なお、図９に示す例では、スペックル除去光学系５００を、反射ミラー４０と反射ミラー５１０の間に介在させたが、スペックル除去光学系５００を省略してもよい。この場合、反射ミラー４０を拡散面にしたり、蛍光体ホイールの青色帯域の光を反射する面を拡散面にすることが望ましい。

次に、本発明の第４の実施例に係る照明光学系について説明する。図１０は、第３の実施例に係る照明光学系１０Ｂの原理を説明する図である。本実施例に係る照明光学系１０Ｂは、第１の実施例で説明したアレイ光源２０（図１を参照）からの青色帯域のレーザ光Ｌｂを反射するダイクロイックミラー６００と、集光レンズ６１０と、蛍光体ホイール６２０と、蛍光体ホイール６２０を回転するモータ６０と、蛍光体ホイール６２０から出力された青色帯域のレーザ光Ｌｂを反射し、赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇを透過するダイクロイックミラー６３０と、蛍光体ホイール６２０で蛍光発色された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇを反射し、青色帯域の光を透過するダイクロイックミラー６４０とを含んで構成される。

本実施例において特徴的な点は、蛍光体ホイール６２０が２枚のホイール部材を含み、一方のホイール部材６２０−１によって青色帯域、赤色帯域および緑色帯域の光を発生させ、他方のホイール部材６２０−２によって蛍光発色された赤色帯域および緑色帯域の光に含まれる青色帯域の光を効果的に除去する。これにより、赤色帯域および緑色帯域の光に青色帯域の光が混色するのを防止する。

アレイ光源２０から出力された青色帯域のレーザ光Ｌｂは、ダイクロイックミラー６００によってほぼ直角に反射される。ダイクロイックミラー６００によって反射された青色帯域のレーザ光Ｌｂは、シフト光学系となるように集光レンズ６１０の光軸からシフトされて集光レンズ６１０の片側半分に入射され、入射された光Ｌｂは、蛍光体ホイール６２０上に集光される。これにより、回転される蛍光体ホイール６２０は青色帯域のレーザ光Ｌｂによって光学的に走査され、その結果、蛍光体ホイール６２０からは、青色帯域の光Ｌｂ、赤色帯域の光Ｌｒ、緑色帯域の光Ｌｇが順次出力される。蛍光体ホイール６２０によって正規反射された青色帯域の光Ｌｂは、集光レンズ６１０の反対側の半分に入射され、ダイクロイックミラー６３０に集光される。ダイクロイックミラー６３０は、青色帯域の光Ｌｂをほぼ直角方向に反射する。蛍光体ホイール６２０で蛍光発色された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇは、ランバーシアン状に均一に拡散された光となって集光レンズ６１０によって集光される。集光された光Ｌｇ、Ｌｒは、ダイクロイックミラー６００、６３０を透過し、ダイクロイックミラー６４０によってほぼ直角方向に反射される。

蛍光体ホイール６２０は、同期して回転される２つの第１および第２のホイール部材６２０−１、６２０−２を含み、両ホイール部材は連結部材６２２によって連結される。これらのホイール部材６２０−１、６２０−２の平面図を図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す。第１のホイール部材６２０−１は、実質的に第１の実施例の蛍光体ホイールと同様の構成を有しており、すなわち、青色帯域の光を反射する青色反射領域６２０−１Ｂ、青色帯域の光によって励起されて赤色帯域の光を蛍光発色する赤色蛍光領域６２０−１Ｒ、および青色帯域の光によって励起されて緑色帯域の光を蛍光発色する緑色蛍光領域６２０−１Ｇを含んで構成される。

第２のホイール部材６２０−２は、第１のホイール部材６２０−１と同軸上に取付けられ、第１のホイール部材６２０−１と一緒に回転される。好ましくは、第２のホイール部材６２０−２は、第１のホイール部材６２０−１よりも半径（または直径）が小さく、第２のホイール部材６２０−２の周縁が集光レンズ６１０の光軸Ｃ１に重複しないように、第２のホイール部材６２０の外径が選択される。第２のホイール部材６２０−２のエッジが、第１のホイール部材６２０−１から出射された光の光路上に存在すると、当該エッジが映し出されてしまうことがある。これを解消するために、他の好ましい例では、第２のホイール部材６２０−２’は、その周縁が集光レンズ６１０の光軸Ｃ１を越えてもよく、その場合には、図１１（Ｃ）に示すように、第２のホイール部材６２０の円周部分は、Ｒ、Ｇ、Ｂお光を透過する透明領域６２０−２Ｃから構成され、この透明領域６２０−２Ｃは、青色帯域の光Ｌｂを透過し、かつ第１のホイール部材で蛍光発色された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇを透過する。

第２のホイール部材６２０−２には、第１のホイール部材６２０−１の青色反射領域６２０−１Ｂ、赤色蛍光領域６２０−１Ｒ、緑色蛍光領域６２０−１Ｇにそれぞれ対応する位置に、青色帯域の光を透過する青色透過領域６２０−２Ｂ、青色帯域の光を反射し赤色帯域の光を透過する赤色透過領域６２０−２Ｒ、青色帯域の光を反射し緑色帯域の光を透過する緑色透過領域６２０−２Ｇとが形成される。好ましい態様では、青色反射領域６２０−１Ｂ、赤色蛍光領域６２０−１Ｒ、緑色蛍光領域６２０−１Ｇのそれぞれの内角は、青色透過領域６２０−２Ｂ、赤色透過領域６２０−２Ｒ、緑色透過領域６２０−２Ｇの内角に等しく、すなわち、青色反射領域６２０−１Ｂで反射された青色帯域の光が青色透過領域６２０−２Ｂに入射され、赤色蛍光領域６２０−１Ｒで蛍光発色された赤色帯域の光が赤色透過領域６２０−２Ｒに入射され、緑色蛍光領域６２０−１Ｇで蛍光発色された緑色帯域の光が緑色透過領域６２０−２Ｇに入射されるような関係にある。

図１１（Ｂ）の第１のホイール部材６２０−１上のＰ１は、集光レンズ６１０によって集光された青色帯域のレーザ光Ｌｂのスポット径を表している。図１１（Ａ）の第２のホイール部部材６２０−２上のＰ２は、第１のホイール部材６２０−１から出力された光のスポット径を表している。赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇは、蛍光発色により均一に拡散されるため、それらのスポットＰ２の径は、青色帯域の光Ｌｂのスポット径Ｐ２よりも大きくなる。また、図１１（Ｃ）に示すＰ３は、集光レンズ６１０から第２のホイール部材に入射される青色帯域の光Ｌｂを表している。

青色透過領域６２０−２Ｂは、第１のホイール部材６２０−１で反射された青色帯域の光Ｌｂをそのまま透過する透明な材料から構成されるか、あるいは開口ないし貫通孔であることができる。赤色透過領域６２０−２Ｒは、蛍光発色された赤色帯域の光を透過し、少なくとも青色帯域の光を反射する光学フィルタ（例えば、ダイクロイックミラーやダイクロイックフィルタ）から構成される。緑色透過領域６２０−２Ｇは、蛍光発色された緑色帯域の光を透過し、少なくとも青色帯域の光を反射する光学フィルタ（例えば、ダイクロイックミラーやダイクロイックフィルタ）から構成される。例えば、第２のホイール部材６２０−２は、ガラス基板上に、赤色帯域、緑色帯域の光をそれぞれ透過する光学フィルムや光学ミラーを貼付したり、あるいは、ガラス基板上にそのような光学フィルタを構成する材料を蒸着することで形成されすることができる。

赤色蛍光領域６２０−１Ｒ、緑色蛍光領域６２０−１Ｇは、青色帯域のレーザ光Ｌｂによって励起された赤色帯域の光、緑色帯域の光を蛍光発色するが、青色帯域の光Ｌｂの変換効率は１００％ではない。すなわち、青色帯域のレーザ光Ｌｂの一部は、赤色蛍光領域６２０−１Ｒの表面で正規反射され、さらには赤色蛍光領域６２０−１Ｒの内部に進行したレーザ光Ｌｂの一部は、蛍光発色に利用されずに赤色蛍光領域６２０−１Ｒの表面から反射される。これは、緑色蛍光領域６２０−１Ｇについても同様である。その結果、蛍光発色された赤色帯域の光が第１のホイール部材６２０−１から出力されるとき、その表面で正規反射された青色帯域の光、および蛍光発色に利用されなかった青色帯域の光も同時に出力される。緑色帯域の光が出力されるときも、その表面で正規反射された青色帯域の光、および蛍光発色に利用されなかった青色帯域の光が同時に出力される。

図１２は、緑色帯域の光が出力されたときに含まれる青色帯域の光を説明するグラフであり、縦軸は光強度比率、横軸は、蛍光体ホイールの表面と成す角度（表面と直角方向が９０度）である。但し、図１２は、蛍光体ホイールが第１のホイール部材のみを含むときの緑色帯域の光成分を示すものであり、本実施例のような第２のホイール部材を含む蛍光体ホイールから出力される緑色帯域の光成分を表すものではないことに留意すべきである。

図１２に示すように、蛍光体ホイールから蛍光発色される緑色帯域の光Ｌｇは、ランバーシアン状に均一拡散される光となるため、角度依存性が少ないことがわかる。このような均一拡散された緑色帯域の光Ｌｇは、集光レンズ６１０によって集光される。これに対し、蛍光体ホイールから出力される不所望な青色帯域の光Ｌｎは、上記したように蛍光領域の表面で正規反射された角度依存性のある光成分と、蛍光領域内で蛍光発色に利用されなかった拡散された光の成分の合成である。このため、不所望な青色帯域の光Ｌｎは、角度依存性のある光強度を有し、すなわち、正規反射される方向（角度９０度の近傍）の近傍に大きな光強度を有する。なお、Ｌｇ＋Ｌｎは、両成分の光が合成されたときの強度を表している。

本実施例では、このような不所望な青色帯域の光Ｌｎを効果的に除去するため、蛍光体ホイール６２０は、青色帯域の光Ｌｎをカットするための第２のホイール部材６２０−２を含む。第１のホイール部材６２０−１の緑色蛍光領域６２０−１Ｇから出力された緑色帯域の光Ｌｇは、第２のホイール部材６２０−２の緑色透過領域６２０−２Ｇを透過するが、緑色帯域の光Ｌｇに含まれる不所望な青色帯域の光Ｌｎは、緑色透過領域６２０−２Ｇによって反射される。同様に、赤色蛍光領域６２０−１Ｒから出力された赤色帯域の光Ｌｒは、赤色透過領域６２０−２Ｒを透過するが、赤色帯域の光Ｌｒに含まれる不所望な青色帯域の光Ｌｎは、赤色透過領域６２０−２Ｒによって反射される。

図１３は、本実施例による第２のホイール部材６２０−２を設けたときのダイクロイックミラー６３０、６４０から出力される緑色帯域の光Ｌｇの成分を示すグラフである。蛍光発色される緑色帯域の光Ｌｇの光強度はほとんど変わらないが、不所望の青色帯域の光Ｌｎのうち、約０〜９０度の範囲内の正規反射された光、および蛍光発色に利用されなかった光の成分が第２のホイール部材６２０−２によって取り除かれる。さらに、約９０〜１８０度の範囲内の不所望の青色帯域の光Ｌｎは、第２のホイール部材６２０−２を透過するが、これらの光は、ダイクロイックミラー６００によって反射され、かつダイクロイックミラー６４０を透過するため、緑色帯域の光Ｌｇに混色されない。この原理は、赤色帯域の光Ｌｒについても同様である。このように本実施例では、蛍光発色される赤色帯域および緑色帯域の光に不所望な青色帯域の光Ｌｎが混色されるのを効果的に防止することができる。

次に、第２のホイール部材の種々の変形例について説明する。上記の例では、第２のホイール部材６２０−２の機能は、青色帯域の光の混色を防止することを主としたが、第２のホイール部材は、同時に、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの色を補正する機能を備えることができる。

第２のホイール部材６２０−２に形成される青色透過領域６２０−２Ｂは、開口または貫通孔から構成される例を示したが、色の補正機能を持たせる場合には、青色透過領域６２０−２Ｂは、青色帯域内の選択された波長範囲λｂ１〜λｂ２を透過する光学フィルタまたは光学ミラー等から構成される。赤色透過領域６２０−２Ｒ、および緑色透過領域６２０−２Ｇも同様に、それぞれ選択された波長範囲λｒ１〜λｒ２、λｇ１〜λｇ２を透過するような光学フィルタまたは光学ミラーから構成される。例えば、図１４に示すように、青色透過領域６２０−２Ｂは、４５０ｎｍ帯域を選択的に透過し、赤色透過領域６２０−２Ｒは、６３０ｎｍ帯域を選択的に透過し、緑色透過領域６２０−２Ｇは、５２０ｎｍ帯域を選択的に透過するように構成される。もし、蛍光体ホイール６２０が黄色帯域の光を蛍光発色する蛍光領域を含むならば、第２のホイール部材の黄色透過領域は、５５０ｎｍ帯域を選択的に透過するように構成される。

また、上記実施例では、第２のホイール部材６２０−２を第１のホイール部材６２０−１に近接させ、かつ集光レンズ６１０の入射面側に配置する例を示したが、第２のホイール部材６２０−２は、赤色帯域および緑色帯域の光路上であれば任意の位置に挿入されてもよい。図１５は、第２のホイール部材６２０−２を、集光レンズ６１０とダイクロイックミラー６３０との間に配置した例を示す。この場合にも、第１および第２のホイール部材６２０−１、６２０−２は、連結部材６２２によって結合され同時に回転される。

図１６は、本実施例の照明光学系の他の構成例である。第２のホイール部材６２０−２を、集光レンズ６１０とダイクロイックミラー６３０との間に配置させた場合、第２のホイール部材６２０−２に入射される光のスポット径が大きくなり、その分だけ光量の損失が増える。そこで、図１６に示すように、２つの集光レンズ６５０、６６０の間に第２のホイール部材６２０−２を配置させ、第２のホイール部材６２０−２へ入射される光のスポット径を小さくすることで、光量の損出を抑制することが可能になる。

図１７は、第２のホイール部材の他の変形例を示している。図１７（Ａ）に示すように、第２のホイール部材６２０−２は、半径方向に複数の組の透過領域を備える。図示する例では、最外周の第１組が、第１の青色透過領域６２０−２Ｂ、緑色透過領域６２０−２Ｇ、および赤色透過領域６２０−２Ｒを含み、それより内周の第２組が、第２の青色透過領域６２０−２Ｂ’、緑色透過領域６２０−２Ｇ’、および赤色透過領域６２０−２Ｒ’を含んでいる。例えば、第１組と第２組の透過領域は、それぞれが異なる波長帯域を選択するように構成される。

蛍光体ホイール６２０は、図１７（Ｂ）に示すように水平方向Ｈに移動可能であり、蛍光体ホイール６２０が位置ｄ１にあるとき、第１のホイール部材６２０−１から出射された光は、第２のホイール部材６２０−２の第１組の透過領域にスポットＰ２で照射され、蛍光体ホイール６２０が位置ｄ２にあるとき、第１のホイール部材６２０−１から出射された光は、第２のホイール部材６２０−２の第２組の透過領域にスポットＰ２’で照射される。このような切替を可能にすることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの色の選択ないし微調整を容易に行うことができる。

なお上記実施例では、アレイ光源２０からのレーザ光Ｌｂが入射される側と、レーザ光Ｌｂ、Ｌｒ、Ｌｇが出射される側とが対向する例を示しているが、図１８に示すようにダイクロイックミラー６００の向きを反転させれば、レーザ光Ｌｂの入射側とレーザ光Ｌｂ、Ｌｒ、Ｌｇの出射側とを同一側にできることは勿論である。さらに他の光学系を用いることで、当業者であれば、レーザ光Ｌｂの入射方向、レーザ光Ｌｂ、Ｌｒ、Ｌｇの出射方向を適宜変更可能であることを理解し得る。また上記実施例では、ダイクロイックミラー６３０を前側に、ダイクロイックミラー６４０を後側に配置したが、この順序は逆であってもよい。さらに第４の実施例に係る照明光学系は、第１ないし第３の実施例で説明した照明光学系と組み合わせて用いることも勿論可能である。

また、上記実施例では、第１のホイール部材６２０−１が青色帯域の光Ｌｂを第２のホイール部材側に向けて反射させる例を示したが、これに限らず、青色帯域の光Ｌｂは、第１のホイール部材６２０−１を透過されてもよい。この場合、第１のホイール部材６２０−１の青色反射領域６２０−１Ｂは、青色帯域の光ｌｂを透過する材料、もしくは貫通孔ないし開口から構成される。図１９は、第１のホイール部材６２０−１が青色帯域の光Ｌｂを透過するときの照明光学系を示している。第１のホイール部材６２０−１を透過した青色帯域の光Ｌｂは、例えば全反射ミラー６３０Ａによって所望の方向に取り出される。

次に、本発明の第５の実施例について説明する。上記実施例では、蛍光体ホイールは、青色帯域のレーザ光によって励起される複数の光（上記実施例では、赤色帯域の光および緑色帯域の光）を出力する例を示したが、第５の実施例では、第１のホイール部材によって単一の光が蛍光発色されるようにし、当該蛍光発色された光から複数の光を第２のホイール部材によって分離または抽出するものである。好ましい態様では、第１のホイール部材は、アレイ光源からの青色帯域のレーザ光Ｌｂを反射しまたは透過するような青色発生領域と、青色帯域のレーザ光Ｌｂによって励起されることで黄色帯域の光を蛍光発色する黄色蛍光領域とを含む。黄色帯域の光を発色させる蛍光物質は、赤色帯域または緑色帯域を蛍光発色させる蛍光物質よりも比較的変換効率が高く、そのため、黄色帯域の光の出力が高い利点がある。但し、本発明は、蛍光発色する物質は、黄色帯域に限らず、他の帯域であってもよく、シアン、またはマゼンタであってもよい。

図２０は、本発明の第５の実施例に係る照明光学系を示す図である。第５の実施例に係る照明光学系１０Ｃでは、上記したように、蛍光体ホイール７２０は、単一の蛍光色を出力する第１のホイール部材７２０−１と、単一の蛍光色から複数の波長帯域の光を分離または抽出する第２のホイール部材７２０−２とを含んでいる。これ以外の構成は、図１０（第４の実施例）と同一であるので、説明を省略する。図２０（Ｂ）は、蛍光体ホイール７２０の部分拡大図であり、第１および第２のホイール部材７２０−１、７２０−２は、それぞれほぼ同径を有している。蛍光体ホイールの回転中心をＣ６、第１および第２のホイール部材７２０−１、７２０−２の中心Ｃ６からエッジまでの半径をｒ１、青色帯域の光Ｌｂが第１のホイール部材７２０−１を照射したときのスポット径のほぼ中心から回転中心Ｃ６までの半径をｒ２、回転中心Ｃ６から第２のホイール部材７２０−２の波長を選択する領域のエッジまでの半径をｒ３とする。７２２は、第１および第２のホイール部材７２０−１、７２０−２の連結部材である。

図２１（Ａ）は、第１のホイール部材の平面図、図２０（Ｂ）は、第２のホイール部材の平面図である。第１のホイール部材７２０−１には、青色帯域の光を反射する青色反射領域７２０−１Ｂと、青色帯域の光によって励起され黄色帯域の光を蛍光発色する黄色蛍光領域７２０−１Ｙとが形成される。従って、アレイ光源２０からのレーザ光Ｌｂは、回転される第１のホイール部材７２０−１の青色反射領域７２０−１Ｂおよび黄色蛍光領域７２０−１Ｙを光学的に走査し、第１のホイール部材７２０−１からは青色帯域の光と黄色帯域の光が順次出力される。

第２のホイール部材７２０−２は、アレイ光源からの青色帯域の光および青色反射領域７２０−１Ｂからの青色帯域の光を透過する青色透過領域７２０−２Ｂと、黄色帯域の光から赤色帯域の光を発生させる赤色発生領域７２０−２Ｒ、および黄色帯域の光から緑色帯域の光を発生させる緑色発生領域７２０−２Ｇとを含んでいる。

青色透過領域７２０−２Ｂは、例えば、開口または貫通孔、あるいは少なくとも青色帯域の光を透過する透明な材料から構成される。赤色発生領域７２０−２Ｒは、少なくとも２つの特性の異なる領域を含む。すなわち、赤色発生領域７２０−２Ｒは、ｒ１−ｒ２間の領域では青色帯域の光を透過し、かつ黄色帯域に含まれる赤色帯域の光を透過する光学フィルタから構成され、ｒ２−ｒ３間の領域では青色帯域の光を反射し、かつ黄色帯域に含まれる緑色帯域の光を反射し、かつ黄色帯域に含まれる赤色帯域の光を透過する光学フィルタから構成される。
緑色発生領域７２０−２Ｇは、ｒ１−ｒ２間の領域では青色帯域の光を透過し、かつ黄色帯域に含まれる緑色帯域の光を透過する光学フィルタから構成され、ｒ２−ｒ３間の領域では青色帯域の光を反射し、かつ黄色帯域に含まれる赤色帯域の光を反射し、かつ黄色帯域に含まれる緑色帯域の光を透過する光学フィルタから構成される。

このように第５の実施例によれば、蛍光発色の強度が大きな蛍光材料を利用し、かつ混色の少ないＲ、Ｇ、Ｂの光を得ることができる。なお、本発明の第５の実施例は、第１ないし第４の実施例と組み合わせることが可能であり、またそこに記載した技術を適用することが可能である。

次に、本発明の第６の実施例について説明する。本実施例の照明光学系１０Ｄは、アレイ光源（図２を参照）から出射される励起光としての青色帯域のレーザ光Ｌｂを集光する前群レンズＬ１、Ｌ２と、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光されたレーザ光Ｌｂの一部を透過し、残りを直角方向に反射する第１のビームスプリッターＢＳ１と、青色帯域の光を透過し少なくとも赤色帯域の光を反射する第１のダイクロイックミラー８２０と、集光レンズＬ３と、第１のビームスプリッターＢＳ１で反射されたレーザ光Ｌｂの一部を透過し、残りを直角方向に反射する第２のビームスプリッターＢＳ２と、青色帯域の光および赤色帯域の光を透過し少なくとも緑色帯域の光を反射する第２のダイクロイックミラー８３０と、集光レンズＬ４と、青色帯域の光を透過し赤色帯域および緑色帯域の光を反射する第３のダイクロイックミラー８４０と、少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を反射する反射ミラー８５０と、集光レンズＬ３、Ｌ４と対向する位置に配された蛍光体ホイール８６０と、蛍光体ホイール８６０を回転駆動させる駆動モータ８７０とを含んで構成される。

前群レンズＬ１は、例えば凸レンズ等から構成され、前群レンズＬ２は、例えば凹レンズから構成され、前群レンズＬ１、Ｌ２は、アレイ光源からのレーザ光線Ｌｂを平行光に集光する。前群レンズＬ１、Ｌ２の光軸Ｃ１は、レンズＬ１、Ｌ２の中心である。この例では、前群レンズとして２つの組合せレンズを用いているが、前群レンズは、アレイ光源からのレーザ光Ｌｂを集光することができる光学系であれば良く、前群レンズを構成するレンズの数は、１つであってもよいし、あるいは３つ以上であってもよい。さらに前群レンズは、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。さらに前群レンズは、プリズム等の光学部材を含むものであってもよい。

第１のビームスプリッターＢＳ１は、光軸Ｃ１上に配置され、レーザ光Ｌｂの一部、例えば、１／３の光を光軸Ｃ１の方向に透過し、残りの２／３の光を光軸Ｃ１と直角の方向に反射する。

第１のダイクロイックミラー２０は、光軸Ｃ１上に配置され、第１のビームスプリッターＢＳ１を透過したレーザ光Ｌｂを光軸Ｃ１の方向に透過する。また、後述するように、第１のダイクロイックミラー８２０は、蛍光体ホイール８６０によって発光された赤色帯域の光を光軸Ｃ１と直交する光軸Ｃ４の方向に反射する。

集光レンズＬ３は、第１のダイクロイックミラー８２０と蛍光体ホイール８６０との間に配置され、集光レンズＬ３の中心は、光軸Ｃ１に一致する。集光レンズＬ３は、第１のダイクロイックミラー８２０を透過したレーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール８６０上に集光する。また、蛍光体ホイール８６０によって発せられた赤色帯域の光Ｌｒを第１のダイクロイックミラー８２０上に集光する。図の例では、集光レンズＬ３は、１つのレンズを用いて構成されるが、集光レンズＬ３は、レーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール８６０に集光しかつ蛍光体ホイール８６０から発せられる赤色帯域の光Ｌｒを集光できる光学系であれば良く、集光レンズＬ３を構成するレンズの数は、複数の組合せレンズであってもよい。さらに集光レンズＬ３は、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。さらに集光レンズは、プリズム等の光学部材を含むものであってもよい。

第２のビームスプリッターＢＳ２は、光軸Ｃ１と直交する光軸Ｃ３上に配置され、第１のビームスプリッターＢＳ１で反射されたレーザ光Ｌｂの一部、例えば、１／３の光を光軸Ｃ３の方向に透過し、残りの２／３の光を光軸Ｃ３と直交する方向に反射する。

第２のダイクロイックミラー８３０は、光軸Ｃ４上に配置され、第２のビームスプリッターＢＳ２で反射されたレーザ光Ｌｂを光軸Ｃ４と直交する方向に透過し、かつ第１のダイクロイックミラー８２０で反射された赤色帯域の光Ｌｒを光軸Ｃ４の方向に透過する。また、後述するように、第２のダイクロイックミラー８３０は、蛍光体ホイール８６０によって発光された緑色帯域の光を光軸Ｃ４の方向に反射する。

集光レンズＬ４は、第２のダイクロイックミラー８３０と蛍光体ホイール８６０との間に配置され、集光レンズＬ４の光軸Ｃ２は、集光レンズＬ４の中心である。この光軸Ｃ２は、光軸Ｃ１と平行である。集光レンズＬ４は、第２のダイクロイックミラー８３０を透過したレーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール８６０上に集光し、蛍光体ホイール８６０によって発せられた緑色帯域の光Ｌｇを第２のダイクロイックミラー８３０上に集光する。図の例では、集光レンズＬ４は、１つのレンズを用いて構成されるが、集光レンズＬ４は、レーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール８６０に集光しかつ蛍光体ホイール８６０からの緑色帯域の光Ｌｇを集光できる光学系であれば良く、集光レンズＬ４を構成するレンズの数は、複数の組合せレンズであってもよい。さらに集光レンズＬ４は、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。さらに集光レンズは、プリズム等の光学部材を含むものであってもよい。

反射ミラー８５０は、第２のダイクロイックミラー３０を透過した赤色帯域の光Ｌｒおよび第２のダイクロイックミラー８３０で反射された緑色帯域の光Ｌｇを光軸Ｃ４と直交する方向に反射する。

第３のダイクロイックミラー８４０は、光軸Ｃ３上に配置され、第２のビームスプリッターＢＳ２を透過したレーザ光Ｌｂを光軸Ｃ３の方向に透過し、反射ミラー８５０で反射された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇを光軸Ｃ３の方向に反射する。これにより、第３のダイクロイックミラー８４０からは、Ｒ、Ｇ、Ｂの光が取り出され、これを合成することで白色光を得ることができる。第３のダイクロイックミラー８４０から出射された白色光は、その後、Ｒ、Ｇ、Ｂに分離され、例えば液晶プロジェクタの光源に利用することができる。なお、図２２の例では、光軸Ｃ３の方向にＲ／Ｇ／Ｂの光を取り出しているが、ミラー等の光学部材を用いて光軸Ｃ３と直交する方向、あるいはその他の任意の方向にＲ／Ｇ／Ｂの光を取り出すことが可能である。

次に、蛍光体ホイールについて説明する。蛍光体ホイール８６０は、集光レンズＬ４、Ｌ５と対向する位置に配され、青色レーザ光Ｌｂが照射されたとき赤色帯域および緑色帯域の光を発光する。蛍光体ホイール８６０の表面には、青色帯域のレーザ光によって励起され、赤色帯域の光を発光する環状の第１の蛍光体領域８６２Ｒと、青色帯域のレーザ光によって励起され、緑色帯域の光を発光する環状の第２の蛍光体領域８６２Ｇとが形成される。第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｂは、同心円状に配置され、図の例では、第１の蛍光体領域８６２Ｒは、第２の蛍光体領域８６２Ｇよりも外周側に形成されるが、この関係は、反対であってもよい。

第１の蛍光体領域８６２Ｒは、半径方向に一定の幅を有し、好ましくは、当該半径方向の幅の中心が光軸Ｃ１に一致する。集光レンズＬ３は、青色帯域のレーザ光Ｌｂが第１の蛍光体領域８６２Ｒの幅内に収まるように、レーザ光ＬｂのスポットＰのサイズを調整する。第２の蛍光体領域８６２Ｇも同様に、半径方向に一定の幅を有し、好ましくは、当該半径方向の幅の中心が光軸Ｃ２に一致する。集光レンズＬ４は、青色帯域のレーザ光Ｌｂが第２の蛍光体領域８６２Ｇの幅内に収まるように、レーザ光ＬｂをスポットＱのサイズを調整する。

蛍光体ホイール８６０は、駆動モータ８７０により一定速度で回転され、第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２ＧがスポットＰ、Ｑによって光学的に連続的に走査される。第１の蛍光体領域８６２Ｒは、レーザ光Ｌｂによって励起された赤色帯域の光Ｌｒをランバーシアン状（均一拡散）に放射する。その放射された光Ｌｒは、集光レンズＬ３によって第１のダイクロイックミラー８２０に集光され、そこで光軸Ｃ１と直交する光軸Ｃ４の方向に反射される。第２の蛍光体領域８６２Ｇは、レーザ光Ｌｂによって励起された緑色帯域の光Ｌｇをランバーシアン状（均一拡散）に放射する。その放射された光Ｌｇは、集光レンズＬ４によって第２のダイクロイックミラー８３０へ集光され、そこで光軸Ｃ２と直交する光軸Ｃ４の方向に反射される。

第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇを構成する蛍光体材料には、例えば、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、TAG（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、BOS（バリウム・オルソシリケート）系、窒化化合物系が知られている。第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇは、例えば、蛍光体材料と樹脂材料やセラミック材料に混ぜ合わせたものを基材表面の塗布したり、蛍光体材料を混ぜ合わせたシート状のものと基材表面に貼り付けるようにしてもよい。

図２３（Ａ）は、蛍光体ホイールの平面図、図２３（Ｂ）は、蛍光体ホイールのＸ−Ｘ線断面図である。図中のＰ、Ｑで示す円は、集光レンズＬ３、Ｌ４によって集光された青色帯域の光Ｌｂのスポットを表している。

蛍光体ホイール８６０は、円盤状の支持基板８６６の表面に、青色帯域、赤色帯域および緑色帯域の光を反射する反射層８６４と、反射層８６４上に形成された第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇとを含む。支持基板８６６は、特にその材料を制限されないが、例えば、金属材料、樹脂材料、ガラス材料などから構成される。なお、蛍光体ホイール８６０は、レーザ光Ｌｂの照射により温度が高くなるため、支持基板８６６は、放熱特性に優れた材料または形状を有することが望ましい。また、支持基板８６６は、円形状であることが望ましいが、必ずしもこのような形状に限定されるものではなく、例えば、多角形上、楕円形状であってもよい。

第１の蛍光体領域８６２Ｒがレーザ光Ｌｂによって照射されると、蛍光体材料がレーザ光Ｌｂによって励起され、赤色帯域の光Ｌｒが発光される。赤色帯域の光Ｌｒは、発光点から等方的にランバーシアン状に拡散するため、その一部の光が支持基板８６６へ向けて進行する。しかし、このような光Ｌｒは、蛍光体ホイール８６０の裏面側に透過することなく反射層８６４によって反射されため、赤色帯域の光Ｌｒを効率よく取り出すことができる。第２の蛍光体領域８６２Ｂで発光された緑色帯域の光Ｌｇもまた同様に反射層８６４によって反射されるので、緑色帯域の光Ｌｇを効率よく取り出すことができる。

また、青色帯域の光Ｌｂの一部は、第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇにおいて赤色帯域および緑色帯域の波長変換に寄与することなく、第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇを透過するものがある。しかし、このような透過したレーザ光Ｌｂは、反射層８６４によって反射されて、再び第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇに戻され、波長変換に利用されることになるので、変換効率を向上させることができる。

さらに、図２３（Ｃ）に示すように、蛍光体ホイール８６０の表面の全面、または第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇ上に、青色帯域Ｌｂの光の反射を防止する反射防止膜８６８を形成することができる。これにより、青色帯域の光Ｌｂが、第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇの表面で反射されるのが抑制され、蛍光体による変換効率を向上させることができる。

このように本実施例によれば、アレイ光源から発せられた青色帯域の光を利用して、赤色帯域および緑色帯域の光を生成することができる。蛍光体ホイールに形成される蛍光体材料を適宜選択することで、波長変換される光は、黄色帯域や他の帯域の光であることができる。さらに、青色帯域の光Ｌｂは、レーザ光そのものでありコヒーレント光であるため、スペックルが発生する。このスペックル対策として、青色帯域のレーザ光の光路上に、拡散板等の光学部材を設置することができる。拡散板は、例えば、表面に凹凸が形成された拡散面を含み、コヒーレント成分を除去または緩和することができる。例えば、第１のビームスプリッターの表面に拡散面を形成したり、あるいはレーザ光Ｌｂの光路上にスペックル除去光学系を追加することができる。

さらに上記実施例では、図２３に示すように、スポットＰ、Ｑの位置で蛍光体ホイール６０を光学的に走査する例を示したが、ビームスプリッター等を追加することで、分割される青色帯域の光Ｌｂの数をさらに増加し（例えば、４つ）、スポットＰ、Ｑの数を増加させることが可能である。この場合、追加されたスポットＰ、Ｑの照射によって発光されたＲ、Ｇの光を集光するための光学系を追加する必要があるが、他方、蛍光体ホイール８６０の蛍光体材料は熱等によって劣化するため、レーザ光Ｌｂの分割する数を増加させることで１つのスポットの照射エネルギーを低減し、蛍光体ホイールの寿命を向上させることができる。

次に、本発明の第７の実施例に係る照明光学系の原理について図２４を参照して説明する。第１の照明光学系１０Ｅでは、蛍光体ホイール８６０は、青色帯域の光によって励起された赤色帯域および緑色帯域の光を入射面側から反射するように構成されたが、第７の照明光学系１０Ｅでは、青色帯域の光によって励起された赤色帯域および緑色帯域の光を出射面側から放射するように構成される。なお、図２２に示す構成と同一のものについては同一参照番号を附し、その説明を省略する。

図２４に示すように、蛍光体ホイール８６０Ａの表面は、集光レンズＬ３によって青色帯域のレーザ光Ｌｂによって照射される。このレーザ光Ｌｂは、蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側に形成された第１の蛍光体領域８６２Ｒに入射され、そこで赤色帯域の光を励起させる。その結果、蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から赤色帯域の光Ｌｒがランバーシアン状に放射される。同様に集光レンズＬ４によって集光された青色帯域の光は、第２の蛍光体領域８６２Ｇを照射し、第２の蛍光体領域８６２Ｇで励起された緑色帯域の光が蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から出射される。

図２５は、第８の実施例による蛍光体ホイールの構成を示す概略断面図である。蛍光体ホイール８６０Ａは、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイックミラー８６４Ａと、ダイクロイックミラー８６４Ａの裏面に形成された第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇとを有する。青色帯域の光Ｌｂは、ダイクロイックミラー８６４Ａを介して、第１の蛍光体領域８６２Ｒに入射され、そこで励起された赤色帯域の光Ｌｒが蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から放出される。一部の赤色帯域の光Ｌｒは、ダイクロイックミラー８６４Ａによって反射され、蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から放出される。第２の蛍光体領域８６２Ｇで励起された緑色帯域の光も同様に、蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から取り出される。

蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から放出された赤色帯域の光Ｌｒは、集光レンズＬ５によって集光された後、少なくとも赤色帯域の光を反射する反射ミラー８２０Ａによって光軸Ｃ４方向に反射される。反射ミラー８２０Ａは、第６の実施例のときと同様にダイクロイックミラーから構成されてもよい。また、蛍光体ホイール８６０Ａの出射面側から放出された緑色帯域の光Ｌｂは、集光レンズＬ６によって集光された後、第２のダイクロイックミラー８３０によって光軸Ｃ４方向に反射される。こうして、第３のダイクロイックミラー８４０は、光軸Ｃ３方向に、Ｒ／Ｇ／Ｂの光を放射する。

次に、レーザ光を分離する他の方法を図２６に示す。図２２、図２４に示す照明光学系では、ビームスプリッターによりレーザ光を分離したが、レーザ光の分離は、これ以外の光学系を用いて行うことが可能である。図２６に示すように、レーザ光Ｌｂが光軸Ｃに向かって進行するとき、光軸Ｃに対し、それらの光軸が平行となるように２つの凸レンズ９００、９１０を配置させ、レーザ光Ｌｂを、それぞれのレンズ９００、９１０の片側半分に入射させる。これにより、レーザ光Ｌｂは、レンズ９００、９１０によってそれぞれ集光され、レーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２に分離される。レンズ９００、９１０の大きさが同一であり、かつレンズ９００、９１０が光軸Ｃに関して線対称に配置されれば、レーザ光Ｌｂは、それぞれ１／２のレーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２に分離される。

次に、第６の実施例の変形例について図２７を参照して説明する。第６および第７の実施例では、青色帯域、赤色帯域および緑色帯域の光を合成する例を示したが、本発明は、このような照明光学系に限定されるものではない。すなわち、図２７に示すように、本発明の照明光学系１０Ｆは、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれ個別に取り出すように構成するものであってもよい。

図２７に示す照明光学系１０Ｆでは、第１のダイクロイックミラー８２０は、図２２のときの向きを１８０度回転させている。従って、蛍光体ホイール８６０で発光された赤色帯域の光Ｌｒは、第１のダイクロイックミラー８２０によって光軸Ｃ４の方向に反射する。つまり、図２２のときと１８０度反対の方向に赤色帯域の光Ｌｒが反射される。また、図２７に示すように、反射ミラー８５０および第３のダイクロイックミラー８４０を省略すれば、それぞれ青色帯域の光Ｌｂ、および緑色帯域の光Ｌｇを個別に取り出すことができる。なお、当業者であれば明らかであるように、個別に取り出された青色帯域の光Ｌｂ、赤色帯域の光Ｌｒおよび緑色帯域の光Ｌｇは、レンズ、ミラー、プリズム等の光学系を用いて所望の方向へ向けられたり、あるいはそれらの光を合成することも可能である。

上記実施例では、蛍光体ホイール８６０／８６０Ａには、赤色帯域および緑色帯域の光を発光させるための第１および第２の蛍光体領域８６２Ｒ、８６２Ｇが形成されたが、青色レーザ光によって励起され、波長変換される光は、必ずしも赤色帯域および緑色帯域の光に限定されるものではない。例えば、黄色、マゼンタ、シアンの帯域の光が励起されるような蛍光体層を含むものであってもよい。また、ダイクロイックミラーは、ダイクロイックフィルターと同義であり、反射層、反射ミラー、反射防止膜は、反射部材、反射フィルターなどと同義である。

本発明に係る照明光学系は、種々の電子装置の光源に適用することができる。例えば、プロジェクタ、リアプロジェクタ、内視鏡、照明機器などの光源に用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：照明光学系、２０：アレイ光源、３０、３０Ａ：ダイクロイックミラー、４０：反射ミラー、５０、５０Ａ：蛍光体ホイール、５２、８２：反射領域、５４、８４：蛍光体領域（Ｒ）、５６、８６：蛍光体領域（Ｇ）、６０：モータ、７０：ライトトンネル、２００：ビームスプリッター、２１０：反射ミラー、Ｌ１、Ｌ２：前群レンズ、Ｌ３、Ｌ４：後群レンズ、Ｌ５：集光レンズ、３１２、３２２：基材、３１６：拡散面、３２４、３１４：反射層、３２６：ダイクロイックミラー、３２８：反射部材、６００：ダイクロイックミラー、６１０：集光レンズ、６２０：蛍光体ホイール、６２０−１：第１のホイール部材、
６２０−１Ｂ：青色反射領域、６２０−１Ｒ：赤色蛍光領域、６２０−１Ｇ：緑色蛍光領域、
６２０−２：第２のホイール部材、６２０−２Ｂ：青色透過領域、６２０−２Ｒ：赤色透過領域、６２０−２Ｇ：緑色透過領域、６３０：ダイクロイックミラー、６４０：ダイクロイックミラー、７２０：蛍光体ホール、７２０−１：第１のホイール部材、７２０−１Ｂ：青色反射領域、７２０−１Ｙ：黄色蛍光領域、７２０−２：第２のホイール部材、７２０−２Ｂ：青色透過領域、７２０−２Ｒ：赤色発生領域、７２０−２Ｇ：緑色発生領域

Claims (2)

1. 第１の波長帯域の光を反射する反射領域、少なくとも第１の波長帯域の光に基づき第２の波長帯域の光を発光する第１の蛍光体領域を含む第１の回転部材と、
   前記反射領域から反射された第１の波長帯域の光を透過する第１の透過領域、前記第１の蛍光体領域から出力された第２の波長帯域の光から第３の波長帯域の光を抽出する第１の抽出領域、および第２の波長帯域の光から第４の波長帯域の光を抽出する第２の抽出領域とを含む第２の回転部材と、
   を含む波長変換デバイス。
2. 請求項１に記載の波長変換デバイスと、
   前記波長変換デバイスに第１の波長帯域の光を供給する第１の光学系と、
   前記波長変換デバイスからの光を出力する第２の光学系と、
   を有する照明光学系。

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