JP6701775B2 - 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。

照明装置として、ＬＥＤ等の固体光源から射出される励起光によって励起し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の照明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）。

この照明装置では、蛍光体光学濃度が互いに異なる２種類の蛍光体領域を有している。２種類の蛍光体領域の境界線は曲線状であるため、回転軸を中心としてある半径で円弧を描くとき、２種類の蛍光体領域各々に対応する円弧の長さの比率が半径によって異なる。よって、この照明装置は励起光の照射位置を半径方向にずらすことでホワイトバランスを調整可能である。

特開２０１１−１１３７７９号公報

しかしながら、上記照明装置においては、２種類の蛍光体層の形状をそれぞれ加工する工程が必要となるため、製造工程が煩雑となっていた。

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、簡素な構成によりホワイト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、光反射面を有し、回転軸の周りに回転可能な基板と、前記光反射面に支持された波長変換層と、を備え、前記波長変換層は、前記回転軸の周りにリング状に設けられた１つの蛍光体層と、前記蛍光体層上に設けられたダイクロイック層と、を含み、前記波長変換層は、前記回転軸を中心とする円に沿って、前記蛍光体層を励起する励起光に対する反射率の分布を規定する、高反射率領域と、前記高反射率領域よりも前記反射率が小さい低反射率領域と、を有し、前記ダイクロイック層は、前記高反射率領域に設けられる第１のダイクロイック層と、前記低反射率領域に設けられる第２のダイクロイック層と、を含み、前記波長変換層の、前記円の一周あたりの前記励起光に対する平均反射率は、前記円の半径によって異なってい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によれば、励起光の入射位置を円の半径方向に移動させることで、波長変換層から射出される光の色バランスを調整することが可能である。よって、波長変換層として複数種類の蛍光体層を組み合わせたものを用いる必要が無くなるので、波長変換層の構成を簡素化することができる。

上記第１態様において、前記波長変換層は、前記円に沿って、高反射率領域と、該高反射率領域よりも前記反射率が小さい低反射率領域と、を有し、前記円の一周あたりに前記高反射率領域が占める割合と、前記円の一周あたりに前記低反射率領域が占める割合とは、前記円の半径によって異なっているのが好ましい。
この構成によれば、円の一周あたりの平均反射率を簡便且つ確実に異ならせることができる。

上記第１態様において、前記高反射率領域と前記低反射率領域との境界を含む直線は、前記円の中心とは異なる点を通るのが好ましい。
この構成によれば、円の一周あたりの平均反射率を異ならせる構成を容易に実現することができる。

上記第１態様において、前記波長変換層は、前記高反射率領域において前記波長変換層の前記光反射面とは反対側に設けられた第１のダイクロイック層を含み、前記第１のダイクロイック層は、前記励起光の一部を反射させるとともに、前記波長変換層で生成された蛍光を透過させるのが好ましい。
この構成によれば、高反射領域において励起光を高い反射率で反射させつつ、第１のダイクロイック層により蛍光を外部に良好に射出させることができる。

上記第１態様において、前記波長変換層は、前記低反射率領域において前記波長変換層の前記光反射面とは反対側に設けられた第２のダイクロイック層を含み、前記第２のダイクロイック層は、前記励起光の一部を反射させるとともに、前記蛍光を透過させるのが好ましい。
この構成によれば、低反射領域において励起光を低い反射率で反射させつつ、第２のダイクロイック層により蛍光を外部に良好に射出させることができる。
また、低反射領域及び高反射領域それぞれの反射率を調整することで円の一周あたりの平均反射率を調整することが、容易である。

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、前記基板を前記回転軸の周りに回転させる第１の駆動装置と、前記基板を前記回転軸と交差する方向に移動させる第２の駆動装置と、前記波長変換層に入射する前記励起光を射出する発光素子と、を備え、前記波長変換層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、第２の駆動装置により基板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検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第２の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を一定に保つことができる。

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、ホワイトバランスが一定に保持された表示を行うことができる。

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。 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。 蛍光体ホイールの要部構成を示す上面図。 ホワイトバランスの調整の考え方を示すフローチャート図。 変形例に係る蛍光体ホイールの要部構成を示す上面図。

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。

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。本実施形態のプロジェクターには、本発明の一つの実施形態である照明装置が用いられる。また、本実施形態の照明装置には、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。

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。

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。図２に示すように、照明装置２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、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、例えばピーク波長が４５０ｎｍのレーザー光からなる励起光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から射出される光の光軸を光軸ａｘ１とする。光軸ａｘ２と光軸ａｘ１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ａｘ１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、各半導体レーザー２１ａが射出する励起光ＢＬは、偏光分離素子１５０Ａで反射されるＳ偏光である。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、半導体レーザー２１ａ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を通過した励起光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を通過した励起光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る。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ａｘ１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、Ｓ偏光である励起光ＢＬを反射させる。

また、偏光分離素子１５０Ａは、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光（蛍光光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Ｓ偏光である励起光ＢＬは、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。
蛍光体ホイール１１０は、円板状からなる基板１１０ａと、基板１１０ａに支持された波長変換層２０と、基板１１０ａの中心を通る回転軸Ｏの周りに回転駆動するモーター１２と、を有している。本実施形態において、基板１１０ａの形状は円板状であるが、該基板１１０ａの形状は円板状に限るものではない。モーター１２は特許請求の範囲の「第１の駆動装置」に相当する。

本実施形態において、基板１１０ａは、その主面に光反射面１５が形成されている。光反射面１５は、少なくとも基板１１０ａにおける波長変換層２０の支持領域に設けられている。光反射面１５は、例えば、Ａｇ膜などにより構成される。

波長変換層２０は、回転軸Ｏの周りにリング状に設けられる。波長変換層２０は、蛍光体層１１と、蛍光体層１１の基板１１０ａとは反対側の面（上面）に設けられたダイクロイック膜１３とを含む。

蛍光体層１１は、回転軸Ｏの周りにリング状に設けられ、蛍光を発する蛍光体粒子を有している。蛍光体層１１は、励起光ＢＬｃ（青色光）を吸収し、黄色の蛍光光ＹＬに変換する。蛍光体粒子は、励起光ＢＬｃを吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子には、波長が約４５０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、励起光ＢＬｃを黄色の蛍光光ＹＬに変換して射出する。

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が、これに限定されない。また、蛍光体層１１としては、セラミック蛍光体層を用いても良い。

本実施形態において、蛍光体層１１の表面には、拡散部１４が形成されている。拡散部１４は、蛍光体層１１の表面に形成した凹凸構造からなる。そのため、拡散部１４上に形成されたダイクロイック膜１３は、表面形状が凹凸構造の凹凸を反映した形状となっている。

ダイクロイック膜１３は、青色の励起光ＢＬｃの一部をピックアップ光学系２７に向けて反射し、黄色の蛍光光ＹＬを透過させる。蛍光体ホイール１１０に入射した励起光ＢＬｃの一部はダイクロイック膜１３で反射され、ピックアップ光学系２７に向かう。ダイクロイック膜１３で反射された励起光ＢＬｃは、拡散部１４に起因した凹凸形状により拡散反射される。一方、ダイクロイック膜１３を透過した一部の励起光ＢＬｃは蛍光体層１１に入射する。

蛍光体層１１に入射した励起光ＢＬｃの一部は、蛍光体粒子によって蛍光光ＹＬに変換される。蛍光光ＹＬは直接あるいは光反射面１５で反射されることで蛍光体層１１からダイクロイック膜１３を透過して外部に射出される。このようにして、蛍光体層１１からピックアップ光学系２７に向かって蛍光光ＹＬが射出される。

なお、割合としてはかなり少ないものの蛍光光ＹＬに変換されなかった励起光ＢＬｃは光反射面１５で反射され、拡散部１４で拡散された後、再びピックアップ光学系２７及び位相差板２６を通過する。

蛍光体ホイール１１０から射出された励起光ＢＬｃは拡散部１４で拡散されているため、照度分布が均一化されて蛍光光ＹＬの照度分布に近い。よって、照明光ＷＬにおける色ムラは低減されている。

また、ピックアップ光学系２７に向けて蛍光体ホイール１１０から射出された励起光ＢＬｃ（以下、青色光ＢＬｃ１と称す）は、位相差板２６によって、偏光分離素子１５０Ａを透過できるＰ偏光の光ＢＬｐに変換される。

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ＢＬ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。蛍光光ＹＬは非偏光であるため、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を透過する青色の光ＢＬｐ（以下、青色光ＢＬｐと称す）及び黄色の蛍光光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。

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各々は、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。

以上のような構成を有する照明装置２は白色の照明光ＷＬを射出する。

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、光軸ａｘ１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。センサーユニット４３の詳細な構成については後述する。

図３はセンサーユニット４３の概略構成を示す図である。図４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３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のうち蛍光光ＹＬを透過させ、照明光ＷＬのうち青色光ＢＬｐを反射する。

第１センサー４３ａは、ダイクロイックミラー４３ｃで反射された青色光ＢＬｐの光量を検出する。第２センサー４３ｂは、ダイクロイックミラー４３ｃを透過した蛍光光ＹＬの光量を検出する。第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂは、制御装置ＣＯＮＴと電気的に接続されており、制御装置ＣＯＮＴへ検出結果を送信する。制御装置ＣＯＮＴは、第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂの検出結果に基づき、後述のように蛍光体ホイール１１０の移動を制御する。

図４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の複数の光入射領域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。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を通過することにより偏光方向が揃えられた照明光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。

本実施形態において、光量モニター用ミラー４２は、インテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上の２次光源像Ｚが入射する位置に配置されている。そのため、光路中に光量モニター用ミラー４２を配置して光の一部を取り出したとしても、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、必ずしも一部の光を透過し、残りを反射するミラーでなくてもよく、全ての光を反射するミラーであってもよい。

続いて、蛍光体ホイール１１０について詳しく説明する。
本実施形態において、蛍光体ホイール１１０の波長変換層２０は、回転軸Ｏを中心とする円に沿って、励起光ＢＬｃに対する反射率の分布を有している。励起光ＢＬｃに対する反射率の分布は後述のダイクロイック膜１３により規定される。

図５は蛍光体ホイール１１０の要部構成を示す上面図である。図５では、波長変換層２０の平面構成を示している。
本実施形態において、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への入射位置は、基板１１０ａの回転軸Ｏを中心とする円を描く。説明の都合上、図５において、第１入射位置を符号ＩＰ１で示し、該第１入射位置ＩＰ１が描く円を円Ｃ１で示している。

図５に示すように、波長変換層２０は、高反射率領域６０Ａと、該高反射率領域６０Ａよりも反射率が小さい低反射率領域６０Ｂとを有している。高反射率領域６０Ａ及び低反射率領域６０Ｂはダイクロイック膜１３により構成される。

図５に示すように、ダイクロイック膜１３は、高反射率領域６０Ａに設けられる第１ダイクロイック膜１３Ａと、低反射率領域６０Ｂに設けられる第２ダイクロイック膜１３Ｂとを含む。本実施形態において、第１ダイクロイック膜１３Ａは特許請求の範囲の「第１のダイクロイック層」に相当し、第２ダイクロイック膜１３Ｂは特許請求の範囲の「第２のダイクロイック層」に相当する。

第１ダイクロイック膜１３Ａの膜構成は、第２ダイクロイック膜１３Ｂの膜構成とは異なっている。ダイクロイック膜の膜構成を変えることで反射率を高くしたり、低くしたりすることが可能であるため、容易に必要な反射率を実現することができる。
円Ｃ１の一周あたりの励起光ＢＬｃに対する平均反射率は、円Ｃ１の一周あたりにおいて第１ダイクロイック膜１３Ａが占める割合及び第２ダイクロイック膜１３Ｂが占める割合から求めることができる。

次に、励起光ＢＬｃのダイクロイック膜１３への入射位置を、第１入射位置ＩＰ１から第２入射位置ＩＰ２へ移動させた場合について考える。図５において、第２入射位置ＩＰ２が描く円を円Ｃ２で示す。円Ｃ１の中心と円Ｃ２の中心とは、回転軸Ｏと一致している。

高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの間には２つの境界が存在する。一方の境界を含む直線を直線Ｌ１とし、他方の境界を含む直線を直線Ｌ２とする。直線Ｌ１と直線Ｌ２とはそれぞれ回転軸Ｏとは異なる点を通る。

そのため、図５に示すように、円Ｃ１の一周あたりに高反射率領域６０Ａが占める割合は、円Ｃ２の一周あたりに高反射率領域６０Ａが占める割合とは異なっている。また、円Ｃ１の一周あたりに低反射率領域６０Ｂが占める割合は、円Ｃ２の一周あたりに低反射率領域６０Ｂが占める割合とは異なっている。つまり、円Ｃ１における高反射率領域６０Ａの長さと低反射率領域６０Ｂの長さとの比は、円Ｃ２における高反射率領域６０Ａの長さと低反射率領域６０Ｂの長さとの比とは異なっている。

高反射率領域６０Ａの占める割合が相対的に大きい円Ｃ２の一周あたりの平均反射率は、円Ｃ１の一周あたりの平均反射率よりも高い。つまり、本実施形態においては、円の半径が大きい程平均反射率が高くなるように、高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとを設けている。

以上のように、波長変換層２０において、回転軸Ｏを中心とする円の一周あたりの励起光ＢＬｃに対する平均反射率は、円の半径に応じて異なっている。
本実施形態において、高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの間の境界が直線であるため、上記平均反射率は円の半径に応じて連続的に変化する。

図２に戻り、駆動装置５０は、光軸ａｘ１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と電気的に接続されており、その動作が制御される。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、蛍光体ホイール１１０を回転軸Ｏと交差する方向に並進移動させる。駆動装置５０は、蛍光体ホイール１１０を並進移動させることで、励起光ＢＬｃの入射位置が異なる円上に位置させることが可能である。なお、駆動装置５０は、特許請求の範囲の「第２の駆動装置」に相当する。

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。この場合に生じるホワイト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６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６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６のステップＳ２）。

半導体レーザー２１ａの出力が低下すると、青色光ＢＬｐの光量も低下する。一方で、半導体レーザー２１ａの出力が低下して励起光ＢＬｃの光密度が低下すると、一般的に、蛍光体層１１が励起光ＢＬcを蛍光光ＹＬに変換する際の変換効率が上昇する。したがって、半導体レーザー２１ａの出力が低下すると、照明光ＷＬに占める蛍光光ＹＬの比率が上昇する（図６のステップＳ３）。ここでは、照明光ＷＬに占める蛍光光ＹＬの比率が上昇する場合を例にとって説明するが、比率が減少する場合もある。しかし、いずれの場合もホワイトバランスが崩れることとなる（図６のステップＳ４）。照明光ＷＬに占める蛍光光ＹＬの比率が上昇すると、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６のステップＳ５）。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ＢＬｐの強度と蛍光光ＹＬの強度との比（強度比）を基準値として予め記憶している。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の入射位置を半径の異なる円上に移動させる（図６のステップＳ６）。例えば、励起光ＢＬｃの入射位置を円Ｃ１上から円Ｃ２上に移動させる。

このように、励起光ＢＬｃの入射位置を蛍光体ホイール１１０の半径方向に移動させることで、照明光ＷＬを構成する蛍光光ＹＬの光量と青色光ＢＬｐの光量との比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、蛍光光ＹＬの光量を減らすためには、ダイクロイック膜１３により反射される励起光ＢＬｃの量を増やせばよい。すなわち、励起光ＢＬｃの入射位置がダイクロイック膜１３の平均反射率が高くなる領域（半径が大きい円上）となるように、蛍光体ホイール１１０を並進移動させる。つまり、励起光ＢＬｃの入射位置が円Ｃ１上から円Ｃ２上に移動するように基板１１０ａを移動させる。

これにより、ダイクロイック膜１３により反射される青色光ＢＬｃ１の量が多くなるため、蛍光体層１１から射出される蛍光光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、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる（図６のステップＳ８）。

一方、青色光ＢＬｐの光量を減らし、蛍光光ＹＬの光量を増やすためには、ダイクロイック膜１３により反射される励起光ＢＬｃの量を減らせばよい。すなわち、励起光ＢＬｃの入射位置がダイクロイック膜１３の平均反射率が低くなる領域（半径が小さい円上）となるように、蛍光体ホイール１１０を並進移動させる。つまり、励起光ＢＬｃの入射位置が円Ｃ２上から円Ｃ１上に移動するように基板１１０ａを移動させる。

これにより、ダイクロイック膜１３により反射される青色光ＢＬｃ１の量が少なくなるため、蛍光体層１１から射出される蛍光光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、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる（図６のステップＳ８）。

なお、ホワイト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検出と蛍光体ホイール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、ホワイト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の使用中にホワイト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ホワイト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、２種類の蛍光体層を蛍光体ホイール１１０の円周方向に並べて配置しなくても、励起光の入射位置を円の半径方向に移動させることで、波長変換層２０から射出される光の色バランスの調整することができる。
よって、例えば、複数種類の蛍光体層を加工して貼り合せて蛍光体層を形成する必要が無く、１種類の蛍光体層のみで波長変換層２０を形成すれば良いので、該波長変換層２０の構成を簡素化することができる。
特に、セラミック蛍光体層を用いる場合、所望の形状に加工して貼り合せることは非常に困難となるが、本実施形態のように蛍光体層１１が１種類のみから構成される場合は、製造が非常に容易となる。

また、本実施形態の蛍光体ホイール１１０は、励起光ＢＬｃの入射位置を蛍光体ホイール１１０の半径方向に移動させることで照明光ＷＬの色バランスを調整することができる。また、蛍光体ホイール１１０の半径方向において、励起光ＢＬｃに対するダイクロイック膜１３の反射率が連続的に変化しているため、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、センサーユニット４３が検出した青色光ＢＬｐの光強度と蛍光光ＹＬの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ＢＬｃの入射位置を制御することで、ホワイトバランスを調整することができる。

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検出を行うため、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、ホワイト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、ホワイトバランスが一定に保持された表示を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態のもの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、上記実施形態では、高反射率領域６０Ａ及び低反射率領域６０Ｂの境界を含む直線が円の中心を通らない場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、境界を含む直線が円の中心を通る構成でも良い。

図７は変形例に係る蛍光体ホイール２１０の要部構成を示す上面図である。なお、図７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７において、蛍光体ホイール２１０のダイクロイック膜１１３は、基板１１０ａの回転軸Ｏを中心とするリング状の複数の領域Ａを含んでいる。各領域Ａは、高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとで構成される。各領域Ａの半径は、それぞれ異なっている。ここで、領域Ａの半径は、回転軸Ｏと領域Ａの径方向中心との距離で規定される。

励起光ＢＬｃのダイクロイック膜１１３への入射位置は、基板１１０ａの回転軸Ｏを中心とする円を描く。図７において、励起光ＢＬｃの第３入射位置を符号ＩＰ３で示し、励起光ＢＬｃの第４入射位置を符号ＩＰ４で示し、第３入射位置が描く円を円Ｃ３で示し、第４入射位置が描く円を円Ｃ４で示す。

蛍光体ホイール２１０の周方向における高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの間の一方の境界を含む直線を直線Ｌ３とする。本変形例においては、直線Ｌ３は回転軸Ｏを通る。一方、高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの間の他方の境界は階段状の形状を有している。１つの領域Ａにおいて該他方の境界を含む直線を直線Ｌ４とする。直線Ｌ４も回転軸Ｏを通る。

本変形例において、各領域Ａにおいて、高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの比率は異なっている。具体的に、図７に示すように、複数の領域Ａのうち、径方向外側に位置する第２領域Ａ２は、径方向内側に位置する第１領域Ａ１に比べて、高反射率領域６０Ａの占める割合が大きくなっている。

そのため、第２領域Ａ２において第４入射位置ＩＰ４が描く円Ｃ４の一周あたりの平均反射率は、第１領域Ａ１において第３入射位置ＩＰ３が描く円Ｃ３の一周あたりの平均反射率よりも高くなる。

以上のように、本変形例によれば、波長変換層２０における励起光ＢＬｃに対する平均反射率は、波長変換層２０の径方向外側ほど高くなる。つまり、本変形例では、励起光ＢＬｃの入射位置を複数の領域Ａの間で移動させることで上述の実施形態のように照明光ＷＬのホワイトバランスを調整することができる。

また、上記実施形態では、ダイクロイック膜１３の周方向における高反射率領域６０Ａと低反射率領域６０Ｂとの間の２つの境界が直線の場合（図５参照）を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、両方の境界を、図７で示した他方側の境界のような階段状に形成しても良い。

また、上記実施形態では、高反射率領域６０Ａ及び低反射率領域６０Ｂがそれぞれダイクロイック膜１３から構成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、高反射率領域６０Ａのみにダイクロイック膜を配置し、低反射率領域６０Ｂにはダイクロイック膜を配置しないようにしても良い。

プロジェクターにおける光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスなどを用いてもよい。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、１２…モーター（第１の駆動装置）、１３，１１３…ダイクロイック膜、１３Ａ…第１ダイクロイック膜、１３Ｂ…第２ダイクロイック膜、１５…光反射面、２０…波長変換層、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（第２の駆動装置）、６０Ａ…高反射率領域、６０Ｂ…低反射率領域、１１０，２１０…蛍光体ホイール（波長変換素子）、１１０ａ…基板、ＢＬ，ＢＬｃ１…励起光、ＣＯＮＴ…制御装置、ＹＬ…蛍光、ＷＬ…照明光、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…円、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…直線。

Claims (8)

1. 光反射面を有し、回転軸の周りに回転可能な基板と、
   前記光反射面に支持された波長変換層と、を備え、
   前記波長変換層は、前記回転軸の周りにリング状に設けられた１つの蛍光体層と、前記蛍光体層上に設けられたダイクロイック層と、を含み、
   前記波長変換層は、前記回転軸を中心とする円に沿って、前記蛍光体層を励起する励起光に対する反射率の分布を規定する、高反射率領域と、前記高反射率領域よりも前記反射率が小さい低反射率領域と、を有し、
   前記ダイクロイック層は、前記高反射率領域に設けられる第１のダイクロイック層と、前記低反射率領域に設けられる第２のダイクロイック層と、を含み、
   前記波長変換層の、前記円の一周あたりの前記励起光に対する平均反射率は、前記円の半径によって異なっている
   波長変換素子。
2. 前記円の一周あたりに前記高反射率領域が占める割合と、前記円の一周あたりに前記低反射率領域が占める割合とは、前記円の半径によって異なっている
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記高反射率領域と前記低反射率領域との境界を含む直線は、前記円の中心とは異なる点を通る
   請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記高反射率領域と前記低反射率領域との境界は、階段状の形状を有する
   請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子。
5. 前記ダイクロイック層は、前記励起光の一部を反射させるとともに、前記蛍光体層で生成された蛍光を透過させる
   請求項１から請求項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、
   前記基板を前記回転軸の周りに回転させる第１の駆動装置と、
   前記基板を前記回転軸と交差する方向に移動させる第２の駆動装置と、
   前記波長変換層に入射する前記励起光を射出する発光素子と、を備え、
   前記波長変換層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検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて、前記第２の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. 請求項６又は７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。

Images