JP6575361B2 - 波長変換素子、照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、照明装置及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、固体光源から射出される励起光によって励起された蛍光体から発せられた蛍光と、励起光の一部とを混ぜることで白色光を生成する技術が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１２−４００９号公報

しかしながら、上記照明装置においては、製品出荷前に色バランスを調整できたとしても、使用時の経時変化に起因する色バランスのずれを調整することはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、色バランスを調整できる、波長変換素子、照明装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、光反射面を有する基材と、ダイクロイック膜と、該光反射面と該ダイクロイック膜との間に設けられた波長変換層と、を備え、前記ダイクロイック膜は、前記波長変換層が吸収する波長帯の光の一部を反射させ、かつ、所定の方向に沿って該光に対して反射率分布を有する波長変換素子が提供される。

第１態様に係る波長変換素子が備えるダイクロイック膜は、所定方向に沿って反射率分布を有するので、光照射領域を移動させることでダイクロイック膜による反射光の量を調整できる。これにより、波長変換層から射出された光とダイクロイック膜による反射光とからなる光の色バランスを調整することができる。

上記第１態様において、前記反射率分布の変化は連続的であるのが好ましい。
この構成によれば、色バランスを精度良く調整することができる。

上記第１態様において、前記反射率分布の変化は不連続であるのが好ましい。
この構成によれば、ダイクロイック膜の製造が容易となるので、コスト低減を図ることができる。

上記第１態様において、前記ダイクロイック膜の厚さが、前記所定の方向に沿って分布を持っているのが好ましい。
この構成によれば、所定の方向に沿った反射率分布を有したダイクロイック膜を実現できる。

上記第１態様において、前記波長変換層と前記ダイクロイック膜との間に設けられた拡散手段をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、ダイクロイック膜による反射光は散乱光であるため、拡散手段が設けられていない場合と比較して、その照度分布が波長変換層で生成された光の照度分布に近い。これにより、ダイクロイック膜による反射光と波長変換層で生成された光とによって生成された光の色むらが低減される。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る波長変換素子と、前記波長帯の励起光を射出する発光素子と、前記基材を動かす駆動装置と、を備え、前記ダイクロイック膜は、前記励起光に対する反射率が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを含み、前記駆動装置は、前記励起光の入射位置を前記第１の領域と前記第２の領域との間で移動可能に構成され、前記ダイクロイック膜によって反射された前記励起光の一部の成分と前記波長変換層で生成された蛍光とからなる照明光が射出される照明装置が提供される。

第２態様に係る照明装置によれば、駆動装置により基材を移動させることで、照明光の色バランスを簡便且つ確実に調整することができる。

上記第２態様において、前記照明光の光量を測定する検出部と、前記検出部の測定結果に基づいて、前記駆動装置を制御する制御装置と、をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、照明光の色バランスの変化を小さくすることができる。

上記第２態様において、前記基材を所定の回転中心の周りに回転させる回転装置をさらに備え、前記波長変換層および前記ダイクロイック膜は、前記回転中心の周りに設けられており、前記所定の方向は、前記基材の半径方向であるのが好ましい。
この構成によれば、基材の半径方向に励起光の入射位置を移動させることで、照明光の色バランスを簡便且つ確実に調整することができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第２態様に係る照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形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。

第３態様に係るプロジェクターは上記第２態様に係る照明装置を備えるので、色バランスの変化が小さい表示を行うことができる。

第１実施形態に係るプロジェクターにおける概略構成図。 照明装置の概略構成を示す図。 蛍光体ホイールの要部構成を示す断面図。 蛍光体ホイールの要部構成を示す上面図。 センサーユニットの概略構成を示す図。 偏光変換素子におけるミラーの配置を示す正面図。 色バランスの調整の考え方を示すフローチャート図。 第２実施形態に係るダイクロイック膜の構成を示す図。 図８のＡ−Ａ線矢視による断面図。 第２実施形態に係る励起光の入射位置の移動方向の説明図。 第３実施形態に係るダイクロイック膜の構成を示す図。 第４実施形態に係るダイクロイック膜の構成を示す図。

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）
図１は本実施形態のプロジェクターにおける概略構成図である。
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２の光源として、高輝度・高出力の光が得られる半導体レーザーを用いている。
プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を概略備えている。

照明装置２は、白色の照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２には、後述する本発明の一つの実施形態である波長変換素子が用いられる。

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とに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａと、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧおよび青色光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を透過し、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、第１のダイクロイックミラー７ａで反射した光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されている。第１の反射ミラー８ａは、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、青色光ＬＢの光路中に配置されている。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを青色光用光変調装置４Ｂに向けて反射させる。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂで反射し、緑色光用光変調装置４Ｇに向けて進む。

第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

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

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

赤色光用光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが配置されている。緑色光用光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが配置されている。青色光用光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒは、赤色光用光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。フィールドレンズ１０Ｇは、緑色光用光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。フィールドレンズ１０Ｂは、青色光用光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化する。

合成光学系５は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢのそれぞれに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。

投射光学系６は、複数の投射レンズを含む投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー画像が表示される。

続いて、照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。
照明装置２は、図２に示すように、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１２３と、ホモジナイザ光学系１２４と、偏光分離素子１５０Ａを含む光学素子１２５Ａと、位相差板２６と、ピックアップ光学系２７と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、蛍光体ホイール１１０と、光量モニター用ミラー４２と、センサーユニット（検出部）４３と、駆動装置５０と、制御装置ＣＯＮＴとを備えている。蛍光体ホイール１１０は特許請求の範囲の「波長変換素子」に相当する。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー２１ａが配列されたものからなる。具体的には、光軸と直交する面内に複数の半導体レーザー２１ａがアレイ状に並ぶことによって構成されている。半導体レーザー２１ａの個数は特に限定されない。なお、半導体レーザー２１ａは、例えば青色の励起光ＢＬを射出する。
半導体レーザーは特許請求の範囲の「発光素子」に相当する。

本実施形態において、アレイ光源２１の光軸を光軸ａｘ２とする。また、後述する蛍光体ホイール１１０から射出された光の光軸を光軸ａｘ３とする。光軸ａｘ２と光軸ａｘ３とは同一平面内にあり、且つ互いに直交している。

光軸ａｘ２上においては、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１２３と、ホモジナイザ光学系１２４と、光学素子１２５Ａとが、この順に並んで配置されている。一方、光軸ａｘ３上においては、蛍光体ホイール１１０と、ピックアップ光学系２７と、位相差板２６と、光学素子１２５Ａと、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とが、この順に並んで配置されている。

本実施形態において、アレイ光源２１では、各半導体レーザー２１ａが射出する励起光ＢＬの偏光方向を、偏光分離素子１５０Ａで反射される偏光成分（例えばＳ偏光成分）の偏光方向と一致させている。このアレイ光源２１から射出された励起光ＢＬ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、アレイ光源２１から射出された励起光ＢＬを平行光束に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１ａにそれぞれ対応して配置されている。

このコリメーター光学系２２を通過することにより平行光に変換された励起光ＢＬは、アフォーカル光学系１２３に入射する。

アフォーカル光学系１２３は、励起光ＢＬのサイズ（スポット径）を調整するものであり、例えば２枚のアフォーカルレンズ１２３ａおよびアフォーカルレンズ１２３ｂから構成されている。そして、このアフォーカル光学系１２３を通過することによりサイズが調整された励起光ＢＬは、ホモジナイザ光学系１２４に入射する。

ホモジナイザ光学系１２４は、被照明領域において励起光ＢＬの光強度分布を均一な状態（いわゆるトップハット分布）に変換するものであり、例えば一対のマルチレンズアレイ１２４ａおよびマルチレンズアレイ１２４ｂからなる。そして、このホモジナイザ光学系１２４からの励起光ＢＬは、光学素子１２５Ａに入射する。

光学素子１２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムからなり、このダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。また、この傾斜面Ｋは、光軸ａｘ３に対して４５°の角度をなしている。この傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子１５０Ａが設けられている。

偏光分離素子１５０Ａは、この偏光分離素子１５０Ａに入射した第１の波長帯の励起光ＢＬを、この偏光分離素子１５０Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有している。偏光分離素子１５０Ａは、励起光ＢＬのＳ偏光成分を反射させ、励起光ＢＬ（青色光）のＰ偏光成分を透過させる。

また、偏光分離素子１５０Ａは、この偏光分離素子１５０Ａに入射した光のうち、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光（蛍光ＹＬ）を、その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。なお、光学素子１２５Ａとしては、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状のものに限らず、平行平板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。

そして、この偏光分離素子１５０Ａに入射した励起光ＢＬは、その偏光方向がＳ偏光成分と一致していることから、Ｓ偏光の励起光ＢＬｓとして、蛍光体ホイール１１０に向かって反射される。

位相差板２６は、偏光分離素子１５０Ａと蛍光体ホイール１１０の蛍光体層１１との間の光路中に配置された１／４波長板からなる。この位相差板２６に入射するＳ偏光（直線偏光）の励起光ＢＬｓは、円偏光の励起光ＢＬｃに変換された後、ピックアップ光学系２７に入射する。

ピックアップ光学系２７は、励起光ＢＬｃを蛍光体層１１に向かって集光させるものであり、例えばピックアップレンズ２７ａおよびピックアップレンズ２７ｂから構成されている。

本実施形態の蛍光体ホイール１１０は、いわゆる反射型の回転蛍光板である。
図３は蛍光体ホイール１１０の要部構成を示す断面図であり、図４は蛍光体ホイール１１０の要部構成を示す上面図である。
蛍光体ホイール１１０は、図３、４に示すように、円板状からなる回転基板１１０ａと、回転基板１１０ａ上に設けられた反射膜１５と、反射膜１５上に設けられた蛍光体層１１と、蛍光体層１１上に設けられたマイクロレンズアレイ１４と、マイクロレンズアレイ１４上に設けられたダイクロイック膜１３と、回転基板１１０ａの中心を通る回転軸Ｏの周りに回転基板１１０ａを回転させるモーター１２と、を有している。つまり、反射膜１５とダイクロイック膜１３との間に蛍光体層１１が設けられている。蛍光体層１１は回転軸Ｏの周りにリング状に形成されている。マイクロレンズアレイ１４のレンズ面は、マイクロレンズアレイ１４のダイクロイック膜１３側に設けられている。本実施形態において、回転基板１１０ａの形状は円盤であるが、該回転基板１１０ａの形状は円板状に限るものではない。

回転基板１１０ａは特許請求の範囲の「基材」に相当し、反射膜１５は特許請求の範囲の「光反射面」に相当し、蛍光体層１１は特許請求の範囲の「波長変換素子」に相当し、モーター１２は特許請求の範囲の「回転装置」に相当し、回転軸Ｏは特許請求の範囲の「回転中心」に相当し、マイクロレンズアレイ１４は特許請求の範囲の「拡散手段」に相当し、第１の波長帯は波長変換層が吸収する波長帯に相当する。

蛍光体層１１は、蛍光を発する複数の蛍光体粒子を有している。例えば、蛍光体粒子には、波長が約４５０ｎｍの励起光ＢＬｃ（青色光）によって励起されて黄色の蛍光ＹＬを発する物質が含まれている。
蛍光体粒子としては、通常知られた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種であっても良く、２種以上の形成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ることとしても良い。

ダイクロイック膜１３は黄色の蛍光ＹＬを透過させ、青色の励起光ＢＬｃの一部を反射する。励起光ＢＬｃのうちダイクロイック膜１３を透過した成分は蛍光体層１１に入射し、蛍光ＹＬに変換される。

本実施形態においては、ダイクロイック膜１３と蛍光体層１１との間にマイクロレンズアレイ１４が設けられているため、ダイクロイック膜１３はマイクロレンズアレイ１４のレンズ面の形状をある程度反映している。そのため、励起光ＢＬｃのうちダイクロイック膜１３で反射した成分は散乱光である。当該散乱光を散乱反射光ＢＬｃｓと称する。散乱反射光ＢＬｃｓはピックアップ光学系２７に入射する。

蛍光体層１１で生成された蛍光ＹＬは直接あるいは反射膜１５に反射されることで、蛍光体層１１からピックアップ光学系２７に向かって射出される。

以下、励起光ＢＬｃのうち蛍光ＹＬに変換されなかった成分を励起光ＢＬｃｒと称す。励起光ＢＬｃｒは反射膜１５で反射され、マイクロレンズアレイ１４で拡散された後、ダイクロイック膜１３を透過する。ダイクロイック膜１３を透過した励起光ＢＬｃｒは散乱反射光ＢＬｃｓと合成され、ピックアップ光学系２７へ入射する青色光ＢＬｃ１となる。青色光ＢＬｃ１は、再び位相差板２６を通過することによって、偏光分離素子１５０ＡにＰ偏光として入射する青色光ＢＬｐに変換される。

回転基板１１０ａは、プロジェクター１の使用時において所定の回転数で回転する。これにより、蛍光体層１１の特定の領域に対して励起光ＢＬｃが連続的に入射することが抑制されるので、蛍光体層１１の長寿命化が図られる。

蛍光体層１１から偏光分離素子１５０Ａに向かって射出された蛍光（黄色光）ＹＬは、ピックアップ光学系２７及び位相差板２６を通過する。蛍光ＹＬは非偏光であるため、位相差板２６を通過した後も、非偏光のまま偏光分離素子１５０Ａに入射する。そして、この蛍光ＹＬは、偏光分離素子１５０Ａを透過する。

偏光分離素子１５０Ａを透過した青色光ＢＬｐ及び黄色の蛍光ＹＬが混ざることによって、照明光（白色光）ＷＬが得られる。この照明光ＷＬは、偏光分離素子１５０Ａを透過した後に、インテグレータ光学系３１に入射する。

散乱反射光ＢＬｃｓの照度分布は、マイクロレンズアレイ１４の効果によって、蛍光ＹＬの照度分布に近づいている。励起光ＢＬｃｒもマイクロレンズアレイ１４によって散乱されている。これにより、青色光ＢＬｃ１（青色光ＢＬｐ）と蛍光ＹＬとによって生成された照明光ＷＬの色むらが低減されている。

インテグレータ光学系３１は、照明光ＷＬを複数の小光束に分割する。インテグレータ光学系３１は、例えば、第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ３１ｂから構成されている。第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ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。

インテグレータ光学系３１から射出された照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、照明光ＷＬの偏光方向を揃えるものである。偏光変換素子３２は、例えば、偏光分離膜と位相差板とミラーとから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光である蛍光ＹＬの偏光方向と青色光ＢＬ１の偏光方向とを揃えるため、他方の偏光成分を一方の偏光成分に、例えばＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換する。

インテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上に、光量モニター用ミラー４２が設けられている。光量モニター用ミラー４２は、ハーフミラーであり、光軸ａｘ３に対して４５°の角度をなすように配置されている。光量モニター用ミラー４２は、入射した光の一部を透過し、残りを反射する。光量モニター用ミラー４２を透過した光は偏光変換素子３２に入射し、光量モニター用ミラー４２で反射した光はセンサーユニット４３に入射する。

図５はセンサーユニット４３の概略構成を示す図である。図６は偏光変換素子におけるミラーの配置を示す正面図である。
図５に示すように、センサーユニット４３は、第１センサー４３ａと、第２センサー４３ｂと、ダイクロイックミラー４３ｃとを含む。ダイクロイックミラー４３ｃは、誘電体多層膜から構成され、照明光ＷＬのうち蛍光ＹＬを透過させ、照明光ＷＬのうち青色光ＢＬｐを反射する光学特性を有する。

第１センサー４３ａは、光量モニター用ミラー４２で反射された照明光ＷＬのうち、ダイクロイックミラー４３ｃで反射された青色光ＢＬｐの光量を測定する。第２センサー４３ｂは、光量モニター用ミラー４２で反射された照明光ＷＬのうち、ダイクロイックミラー４３ｃを透過した蛍光ＹＬの光量を測定する。第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂは、制御装置ＣＯＮＴに測定結果を送信する。制御装置ＣＯＮＴは、第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂの測定結果に基づき、後述のように蛍光体ホイール１１０の移動を制御する。

図６に示すように、光量モニター用ミラー４２は、偏光変換素子３２の光入射領域Ｒを避けて配置された保持部材４８によって保持されている。偏光変換素子３２の光入射領域Ｒとは、インテグレータ光学系３１から射出された複数の小光束各々が入射する領域である。

第２レンズアレイ３１ｂはアレイ光源２１と共役関係にあるため、第２レンズアレイ３１ｂが備える複数のレンズ各々には励起光ＢＬの２次光源像Ｚが形成される。光量モニター用ミラー４２は、第２レンズアレイ３１ｂに形成される複数の２次光源像Ｚのうち１つの２次光源像Ｚが入射するように配置されている。そのため、被照明領域である赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂ上において照度ムラが生じることはない。したがって、２次光源像１個分の照度低下を許容できるならば、光量モニター用ミラー４２は、ハーフミラーでなくてもよい。

ここでは、光量モニター用ミラー４２がインテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上に配置された例を示した。この例に代えて、光量モニター用ミラー４２は、偏光変換素子３２と重畳レンズ３３ａとの間の光路上に配置されていてもよい。

偏光変換素子３２を通過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３ａに入射する。重畳レンズ３３ａは、偏光変換素子３２から射出された複数の小光束を照明対象物上で互いに重畳させる。これにより、照明対象物を均一に照明することができる。重畳光学系３３は、第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ３１ｂからなるインテグレータ光学系３１と重畳レンズ３３ａとにより構成される。

続いて、蛍光体ホイール１１０について詳しく説明する。
説明の都合上、図４に示したように、蛍光体層１１上に設けられたダイクロイック膜１３は回転基板１１０ａの回転軸Ｏを中心とする複数のリング状の領域Ａから構成されているとする。複数の領域Ａは、第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２を含む。蛍光体ホイール１１０はモーター１２により回転駆動されるため、励起光ＢＬｃのダイクロイック膜１３への入射位置ＩＰは、回転基板１１０ａの回転軸Ｏの周りに円を描く。

本実施形態において、ダイクロイック膜１３は、所定の方向に沿って励起光ＢＬｃに対する反射率分布を有している。具体的に、反射率分布の方向は回転基板１１０ａの半径方向に一致する。なお、反射率分布の方向とは、反射率が変化する勾配が最大となる方向である。

ダイクロイック膜１３において、回転基板１１０ａの内周側の反射率は外周側の反射率よりも低くなっている。具体的に、反射率分布は回転基板１１０ａの内周側から外周側に向かって高くなるように連続的に変化している。

本実施形態において、ダイクロイック膜１３は、図３に示したように、回転基板１１０ａの内周側から外周側に向かって徐々に厚みを大きくすることで上記反射率分布を実現している。一般的に、ダイクロイック膜１３の厚さが増すと、膜内にて励起光の反射される確率が上がり、結果的に反射率が高くなる。反対に、ダイクロイック膜１３の厚みが小さくなれば、膜中にて励起光の反射される確率が下がり、結果的に反射率が相対的に低くなるからである。

本実施形態において、駆動装置５０は、光軸ａｘ３と交差する方向に蛍光体ホイール１１０を並進移動させることが可能である。駆動装置５０は、制御装置ＣＯＮＴによって制御される。制御装置ＣＯＮＴは、上述のようにセンサーユニット４３（第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂ）から送信された結果に基づいて駆動装置５０を駆動する。そして、駆動装置５０は、蛍光体ホイール１１０を所定の方向に並進移動させる。

駆動装置５０は、励起光ＢＬｃの入射位置ＩＰにおけるダイクロイック膜１３の反射率が変化するように、蛍光体ホイール１１０を並進移動させる。

ここで、ある時刻における入射位置ＩＰが第１の領域Ａ１に位置しているとする。また、駆動装置５０により蛍光体ホイール１１０が所定の方向に並進移動された後には、入射位置ＩＰが第２の領域Ａ２に位置しているとする。図４では、入射位置ＩＰは第２の領域Ａ２に位置している。第１の領域Ａ１におけるダイクロイック膜１３の反射率は第２の領域Ａ２におけるダイクロイック膜１３の反射率より高い。

ここで、プロジェクター使用時の経時変化により半導体レーザー２１ａから射出される光の量が低下した場合を想定する。この場合に生じる色バランスのずれに対する本実施形態の対応策の考え方を、図７のフローチャートに基づいて説明する。

半導体レーザー２１ａの出力が低下すると（図７のステップＳ１）、それに伴って蛍光体層１１を励起させる励起光ＢＬの光量が低下する。励起光ＢＬの光量が低下することは、励起光ＢＬの光密度（単位面積あたりの光量）が低下することと等価である（図７のステップＳ２）。蛍光体層１１は、一般的に、入射する励起光の光密度が低下すると、励起光を蛍光光に変換する際の変換効率が上昇する、という特性を有している。したがって、励起光ＢＬの光量が低下したとしても、変換効率の上昇による蛍光ＹＬの増加率が励起光ＢＬの光量低下による蛍光ＹＬの減少率を上回ったとき、蛍光体層１１から射出される蛍光ＹＬの光量は増加する（図７のステップＳ３）。ここでは、蛍光ＹＬの光量が増加する場合を例にとって説明するが、蛍光ＹＬの光量は減少する場合もある。しかし、いずれの場合も色バランスが崩れる。

ここで、半導体レーザー２１ａの出力の低下に伴って、励起光ＢＬｃ，青色光ＢＬｐの光量はともに低下している。しかしながら、蛍光体層１１の変換効率が上昇しているため、青色光ＢＬｐに対する蛍光ＹＬの光量は相対的に増加する（図７のステップＳ４）。その結果、青色光ＢＬｐと黄色の蛍光ＹＬとの比率が変化し、経時変化前に対して照明光ＷＬの色バランスが崩れる（図７のステップＳ５）。具体的には、青色光ＢＬｐの光量に対する黄色の蛍光ＹＬの光量が相対的に増加するため、照明光ＷＬは黄色味を帯びた白色光に変化する。

本実施形態では、光量モニター用ミラー４２から取り出された光に含まれる青色光ＢＬｐの光量（強度）と黄色の蛍光ＹＬの光量（強度）とが、センサーユニット４３により測定される（図７のステップＳ６）。センサーユニット４３の測定結果は、制御装置ＣＯＮＴに送信される。

制御装置ＣＯＮＴは、プロジェクター１の使用開始時点の初期の強度値に基づいて決定された、青色光強度と黄色光強度との比（強度比）を基準値として記憶している。制御装置ＣＯＮＴは、センサーユニット４３が検出した現在の強度比と基準値とを比較する。現在の強度比と基準値との差が許容範囲を超えている場合、駆動装置５０により蛍光体ホイール１１０を並進移動させることで、強度比が基準値に近づくように、励起光ＢＬｃの入射位置を、ダイクロイック膜１３の反射率が異なる他の領域へ移動させる（図７のステップＳ７）。例えば、励起光ＢＬｃの入射位置を第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２との間で移動させる。

このように励起光ＢＬｃの入射位置における反射率を変化させることで、照明光ＷＬを構成する蛍光ＹＬおよび青色光ＢＬｐの光量の割合を調整することができる。
具体的に、青色光ＢＬｐの光量を増やし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を減らすためには、ダイクロイック膜１３により反射された励起光ＢＬｃｓの量を増やせばよい。すなわち、励起光ＢＬｃがダイクロイック膜１３の厚みが異なる部分、例えば厚い部分に入射するように、蛍光体ホイール１１０を並進移動させる。

これにより、ダイクロイック膜１３により反射された青色光ＢＬｃｓの量が多くなるため、蛍光体層１１から射出される蛍光ＹＬの量が減少して、青色光ＢＬｐの量が相対的に多くなる。これにより、白色光の色バランスが崩れたときと比べて、照明光ＷＬはより白色に近い光となり、色バランスを改善することができる（図７のステップＳ８）。

一方、青色光ＢＬｐの光量を減らし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を増やすためには、ダイクロイック膜１３により反射された励起光ＢＬｃｓの量を減らせばよい。すなわち、励起光ＢＬがダイクロイック膜１３の厚みが異なる部分、例えば薄い部分に入射するように、蛍光体ホイール１１０を並進移動させる。

これにより、ダイクロイック膜１３により反射された青色光ＢＬｃｓの量が少なくなるため、蛍光体層１１から射出される蛍光ＹＬの量が増加して、青色光ＢＬｐの量が相対的に少なくなる。これにより、白色光の色バランスが崩れたときと比べて、照明光ＷＬはより白色に近い光となり、色バランスを改善することができる（図７のステップＳ８）。

上記の説明では、励起光ＢＬｃがダイクロイック膜１３の厚みが厚い部分に入射するように蛍光体ホイール１１０を並進移動させることで、青色光ＢＬｐの光量を増やし、蛍光ＹＬの光量を減らした。しかし、すでに説明したように、蛍光体層１１は、入射する励起光の光密度が低下すると、変換効率が上昇する、という特性を有している。そのため、蛍光体層１１へ入射する励起光の量を減らした分、蛍光ＹＬの量が減るとは限らない。また、ダイクロイック膜１３の設計によっては、ダイクロイック膜１３が厚いほど反射率が高いとは限らない。

したがって、ダイクロイック膜１３の励起光ＢＬｃが入射する領域の厚さの変化量と変化の方向は、ダイクロイック膜１３の設計や、蛍光体層１１へ現在入射している励起光の光密度に応じて設定すればよい。

色バランスの調整を行うタイミングとして、青色光強度と黄色光強度の測定と蛍光体ホイール１１０の並進移動とは、例えばプロジェクター１の主電源投入直後に行う設定とすることが望ましい。その理由は、プロジェクター１の主電源投入直後に調整が行われる構成であれば、使用者に画像の色味の変化が認識されにくいからである。ただし、色バランスの調整をプロジェクター１の主電源投入直後だけに行ったのでは、プロジェクター１の使用中に色バランスがずれた場合に対応できない。したがって、プロジェクター１の使用中であっても所定の時間間隔で色バランスの調整を行う構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態の蛍光体ホイール１１０によれば、所定方向に反射率分布を有したダイクロイック膜１３を備えるので、励起光ＢＬｃの入射位置を変化させることで蛍光ＹＬおよび青色光ＢＬｐとからなる照明光ＷＬの色バランスを調整することができる。また、ダイクロイック膜１３における反射率分布の変化が連続的となっているため、上述した色バランスの調整を精度良く行うことができる。

また、本実施形態の照明装置２によれば、回転基板１１０ａの半径方向に反射率分布が生じているため、励起光ＢＬｃの入射位置を半径方向に移動させることで照明光ＷＬの色バランスを簡便且つ確実に調整することができる。

また、センサーユニット４３が測定した青色光強度と黄色光強度とに基づいてダイクロイック膜１３に対する励起光ＢＬの入射位置を制御することで、色バランスの変化を小さくすることができる。

また、光量モニター用ミラー４２により複数の２次光源像の一部を取り出して測定を行うため、赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂ上での照度ムラを生じさせることなく、色バランスの調整を精度良く行うことができる。

また、本実施形態のプロジェクター１によれば、上記照明装置２を備えるので、色バランスの変化が小さい表示を行うことができる。

（第２実施形態）
上記実施形態では、反射率分布が回転基板１１０ａの内周側から外周側に向かって連続的に変化するダイクロイック膜１３を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、ダイクロイック膜における反射率分布の変化は不連続であっても良い。

図８は第２実施形態に係る蛍光体ホイール２１０の構成を示す図である。図９は図８のＣ−Ｃ線矢視による断面図である。なお、図８，９において、上記実施形態と共通の部材については同じ符号を付している。

図８に示すように、蛍光体ホイール２１０において、ダイクロイック膜１１３は、回転基板１１０ａの回転軸Ｏを中心とする複数のリング状の領域Ｂを含んでいる。
各領域Ｂにおいて反射率は一定であるが、各領域Ｂ毎に反射率は異なっている。外周側に位置する領域Ｂの反射率は、内周側に位置する領域Ｂの反射率よりも高くなっている。すなわち、図９に示すように、ダイクロイック膜１１３は、反射率の変化が不連続となっている。

このように反射率が不連続に変化している場合、反射率が連続的に変化している第１実施形態の構成に比べてダイクロイック膜の製造が容易となるため、コストを抑えることができる。なお、図９に示すダイクロイック膜１１３における各領域Ｂの膜厚は同じとなっているが、これに限定されず、領域Ｂごとに膜厚を異ならせることで各反射率を得るようにしても良い。

第１実施形態では、図１０において２点鎖線で示すように、励起光の入射位置ＩＰを回転基板１１０ａの半径方向に沿って移動させた。しかし、本実施形態では、図１０において実線で示したように入射位置ＩＰを移動させた。要は、入射位置ＩＰと回転基板１１０ａの中心を通る回転軸Ｏとの距離を変化させればよい。ダイクロイック膜１３は、回転基板１１０ａの半径方向に沿って反射率分布を有するため、回転軸Ｏとの距離が変化すれば、入射位置ＩＰにおけるダイクロイック膜１３の反射率が変化するからである。なお、図１０においては図を見易くするため、励起光の入射位置ＩＰのスポット径を大きく示している。

（第３実施形態）
上記実施形態では、蛍光体ホイール１１０を用いる場合を例示したが、照明装置２はこの構成に限定されない。例えば、蛍光体層を回転しない基材上に設けてもよい。

図１１は第３実施形態に係るダイクロイック膜２１３の構成を示す図である。図１１では、図示を省略するものの、ダイクロイック膜２１３は、回転しない基材上に設けられた蛍光体層上に形成されている。なお、図１１においては図を見易くするため、励起光の入射位置ＩＰのスポット径を大きく示している。

図１１に示すように、ダイクロイック膜２１３は、該ダイクロイック膜２１３への励起光の入射位置ＩＰが移動する方向、つまり、ダイクロイック膜２１３（基材）の並進方向に沿って、反射率がそれぞれ異なる領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５をこの順に備えている。例えば、領域Ｄ１は最も反射率が高く、領域Ｄ５が最も反射率が低く、領域Ｄ１と領域Ｄ５との間に挟まれた領域Ｄ２乃至Ｄ４は、順に反射率が低くなっている。

（第４実施形態）
第１〜第３実施形態では、ダイクロイック膜２１３を並進移動させることで励起光の入射位置ＩＰを変更する場合を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図１２に示したように、ダイクロイック膜２１３（基材）を回転させることで励起光の入射位置ＩＰを変更するようにしても良い。この場合、ダイクロイック膜２１３は、該ダイクロイック膜２１３への励起光の入射位置ＩＰが移動する方向、つまり、基材の回転方向に沿って、反射率がそれぞれ異なる領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５をこの順に備えている。例えば、領域Ｅ１は最も反射率が高く、領域Ｅ５が最も反射率が低く、領域Ｅ２乃至Ｅ４は、順に反射率が低くなっている。

また、上記実施形態では、拡散手段としてマイクロレンズアレイを用いたが、これに限られない。例えば、蛍光体層１１のダイクロイック膜１３側の面に形成した凹凸構造を拡散手段として用いることができる。また、蛍光体層１１とダイクロイック膜１３との間に中間層を設け、中間層のダイクロイック膜１３側の面に不規則な凹凸構造を形成してもよい。

また、上記の各実施形態では、本発明による照明装置をプロジェクターに応用する例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置を自動車用ヘッドライトなどの照明器具にも適用できる。

１…プロジェクター、２…照明装置、４Ｒ…赤色光用光変調装置、４Ｇ…緑色光用光変調装置、４Ｂ…青色光用光変調装置、６…投射光学系、１１…蛍光体層（波長変換層）、１３，１１３，２１３…ダイクロイック膜、１４…マイクロレンズアレイ（拡散手段）、２１ａ…半導体レーザー（発光素子）、４３…センサーユニット（検出部）、５０…駆動装置、１１０，２１０…蛍光体ホイール、Ａ１…第１の領域，Ａ２…第２の領域、ＢＬ，ＢＬｃ…励起光、ＣＯＮＴ…制御装置、ＹＬ…蛍光、ＷＬ…照明光、ＩＰ…入射位置。

Claims (9)

1. 光反射面を有する基材と、ダイクロイック膜と、該光反射面と該ダイクロイック膜との間に設けられた波長変換層と、を備え、
   前記ダイクロイック膜は、前記波長変換層が吸収する波長帯の光の一部を反射させ、かつ、所定の方向に沿って該光に対して反射率分布を有する
   波長変換素子。
2. 前記反射率分布の変化は連続的である
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記反射率分布の変化は不連続である
   請求項１に記載の波長変換素子。
4. 前記ダイクロイック膜の厚さが、前記所定の方向に沿って分布を持っている
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記波長変換層と前記ダイクロイック膜との間に設けられた拡散手段をさらに備える
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記波長帯の励起光を射出する発光素子と、
   前記基材を動かす駆動装置と、を備え、
   前記ダイクロイック膜は、前記励起光に対する反射率が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを含み、
   前記駆動装置は、前記励起光の入射位置を前記第１の領域と前記第２の領域との間で移動可能に構成され、
   前記ダイクロイック膜によって反射された前記励起光の一部の成分と前記波長変換層で生成された蛍光とからなる照明光が射出される
   照明装置。
7. 前記照明光の光量を測定する検出部と、
   前記検出部の測定結果に基づいて、前記駆動装置を制御する制御装置と、をさらに備える
   請求項６に記載の照明装置。
8. 前記基材を所定の回転中心の周りに回転させる回転装置をさらに備え、
   前記波長変換層および前記ダイクロイック膜は、前記回転中心の周りに設けられており、
   前記所定の方向は、前記基材の半径方向である
   請求項６又は７に記載の照明装置。
9. 請求項６乃至８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ことにより画像光を形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。