WO2012053057A1 - 照明装置およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

照明装置およびそれを用いた投射型表示装置 Download PDF

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excitation light
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excitation
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正晃 松原
裕之 斉藤
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • G03B33/12—Simultaneous recording or projection using beam-splitting or beam-combining systems, e.g. dichroic mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an illumination device for a projection display device.
  • Patent Document 1 describes a projector using a phosphor as a light source.
  • the projector described in Patent Document 1 combines a light emitting device whose fluorescent color is red, a light emitting device whose fluorescent color is green, a light emitting device whose fluorescent color is blue, and the fluorescence of each color from these light emitting devices.
  • a light source device having first and second dichroic mirrors is provided.
  • Each light-emitting device includes a cylindrical rotating body having a phosphor layer formed on the outer peripheral surface, a drive source that rotates the rotating body, a collimator lens that converts the luminous flux emitted from the phosphor layer into a parallel beam, An excitation light source and a mirror that reflects the excitation light from the excitation light source toward the phosphor layer.
  • the excitation light reflected by the mirror is irradiated onto the phosphor layer through a collimator lens.
  • the fluorescence emitted from the phosphor layer is converted into a parallel light beam by a collimator lens.
  • the blue fluorescence emitted from the blue light emitting device is incident on one surface of the first dichroic mirror, and the green fluorescence emitted from the green light emitting device is incident on the other surface of the first dichroic mirror.
  • the first dichroic mirror has characteristics of transmitting blue light and reflecting green light, and synthesizes incident blue and green fluorescence.
  • the fluorescence (green and blue) synthesized by the first dichroic mirror is incident on one surface of the second dichroic mirror, and the red fluorescence emitted from the red light emitting device is the other surface of the second dichroic mirror. Is incident on.
  • the second dichroic mirror has characteristics of transmitting blue and green light and reflecting red light, and synthesizes incident blue, green, and red fluorescence.
  • light from the light source device is irradiated onto the display element, and an image formed by the display element is projected onto the screen by the projection side optical system.
  • Patent Document 2 describes a projector using a light emitting diode (LED) as a light source.
  • LED light emitting diode
  • the projector described in Patent Document 2 includes a red LED array in which a plurality of red LEDs are arranged, a green LED array in which a plurality of green LEDs are arranged, a blue LED array in which a plurality of blue LEDs are arranged, and these LEDs
  • An illumination optical system having a cross dichroic prism for combining light beams of red, green, and blue from the array is provided.
  • DMD digital micro device
  • an illumination device (a light source device described in Patent Document 1 or an illumination optical system described in Patent Document 2) is used. There is a demand for miniaturization and high brightness.
  • a high-luminance light-emitting device can be provided by using a phosphor as a light source.
  • a light-emitting device is compared with a solid-state light source such as a semiconductor laser or an LED. Because of the large size, it is difficult to reduce the size of the light source device.
  • etendue determined by the area of the light source and the divergence angle. If the product of the area of the light source and the divergence angle is not less than the product of the area of the display element and the capture angle (solid angle) determined by the F-number of the projection lens, the light from the light source will be used as projection light Not. Therefore, even if a large number of LEDs are arranged in an array, the brightness cannot be improved beyond the limitation of etendue.
  • An object of the present invention is to provide a small and high-luminance illumination device and a projection display device including the same.
  • the lighting device of the present invention includes: An excitation light source unit that outputs excitation light; A phosphor part that emits fluorescence when excited by excitation light output from the excitation light source part; A collimator lens that converts the fluorescence emitted from the phosphor portion into a parallel light beam; A first solid-state light source that outputs first light having a peak wavelength in a first wavelength range longer than the wavelength of fluorescence emitted from the phosphor portion; A second solid-state light source that outputs a second light having a peak wavelength in a second wavelength region different from the first wavelength region; A dichroic mirror that synthesizes the excitation light output from the excitation light source unit and the light output from the first solid-state light source and emits the combined light; The first to fourth surfaces are provided, the light synthesized by the dichroic mirror is supplied to the first surface, and among the synthesized light supplied to the first surface, the excitation light is the first light The first light is emitted from the second
  • the projection display device of the present invention is The lighting device described above; A display element that spatially modulates the light emitted from the illumination device; A projection optical system that projects image light formed by the display element.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the structure of the illuminating device which is one Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows the structure of the excitation light source part of the illuminating device shown in FIG. It is a graph which shows the spectral transmission characteristic with respect to P polarized light and S polarized light of the 1st dichroic surface (film
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a lighting device according to an embodiment of the present invention.
  • the illumination device is used in a projection display device such as a projector, and includes a red laser 10, a blue laser 11, excitation light sources 12, 13, a phosphor wheel 14, collimator lenses 15-19, It has a cross dichroic prism 20, a mirror 21, and a dichroic mirror 22.
  • FIG. 1 shows only the optical path of the excitation light output from the excitation light sources 12 and 13, the optical path of the red laser light output from the red laser 10, and the blue light output from the blue laser 11.
  • the optical path of the laser light and the optical path of the green fluorescence emitted from the phosphor wheel 14 are not shown.
  • the optical path of the excitation light shown in FIG. 1 shows only the optical path of the central light beam, and actually the excitation light is composed of a light beam bundle composed of a plurality of light beams.
  • the red laser 10 and the blue laser 11 are solid light sources such as semiconductor lasers and LEDs typified by laser diodes.
  • the red laser 10 outputs S-polarized laser light (hereinafter referred to as red laser light) having a peak wavelength in the red wavelength region.
  • the blue laser 11 outputs S-polarized laser light having a peak wavelength in the blue wavelength region (hereinafter referred to as blue laser light).
  • the phosphor wheel 14 is a wheel in which a phosphor region is formed along the circumferential direction of one surface.
  • the central portion of the phosphor wheel 14 is supported by, for example, a rotation shaft (or output shaft) connected to an output shaft of a motor (not shown), and the phosphor wheel 14 receives a rotational drive by the motor and has a constant speed. Rotate with.
  • the emission color of the phosphor forming the phosphor region is green, and green fluorescence is emitted from the phosphor region by exciting the phosphor with excitation light having a wavelength shorter than the green wavelength.
  • the excitation light sources 12 and 13 are light sources that output S-polarized excitation light having a wavelength shorter than the wavelength of green fluorescence, and are, for example, solid light sources typified by a blue laser or a blue LED.
  • the peak wavelength of the output light from the excitation light sources 12 and 13 may be the same as that of the blue laser 11 or may be different.
  • the collimator lens 15 converts green fluorescence (diverged light) emitted from the phosphor region of the phosphor wheel 14 into a parallel light beam, and includes two convex lenses 15a and 15c and one concave shape. Lens 15c.
  • the collimator lens 15 is not limited to the lens configuration shown in FIG. 1, and any lens configuration can be used as long as the green fluorescence emitted from the phosphor region can be converted into a parallel luminous flux. Also good.
  • the collimator lens 16 converts the red laser light (diverged light) output from the red laser 10 into a parallel light beam.
  • the collimator lens 17 converts blue laser light (diverged light) output from the blue laser 11 into a parallel light beam.
  • the collimator lens 18 converts the excitation light (divergent light) output from the excitation light source 12 into a parallel light beam.
  • the collimator lens 19 converts the excitation light (divergent light) output from the excitation light source 13 into a parallel light beam.
  • the excitation light sources 12 and 13 do not intersect each other in the same plane but intersect each other with a predetermined distance (more desirably, the first plane including one optical axis and the other optical axis).
  • the two optical axes are parallel to each other, and the two optical axes are orthogonal to each other when viewed from a direction perpendicular to the first and second planes.
  • a mirror 21 is provided at the position.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the excitation light source unit (excitation light sources 12 and 13, collimator lenses 18 and 19 and mirror 21) surrounded by a broken line in FIG. 1 when viewed from the direction along the optical axis of the excitation light source 13. is there.
  • the excitation light output from the excitation light source 12 and converted into a parallel light beam by the collimator lens 18 enters the mirror 21.
  • the excitation light output from the excitation light source 13 and converted into a parallel beam by the collimator lens 19 passes through the space outside the mirror 21.
  • these optical axes are separated by a distance d.
  • the distance d is set so that the excitation light output from the excitation light source 13 and converted into a parallel light beam by the collimator lens 19 is not blocked by the mirror 21 and enters the dichroic mirror 22.
  • the optical axis of the red laser 10 is parallel to the optical axis of the excitation light source 12.
  • the dichroic mirror 22 is provided at a position where the optical axis of the red laser 10 and the optical axis of the excitation light source 13 intersect (same as the position where the central beam of the red laser beam intersects the central beam of the excitation light from the excitation light source 12). It has been.
  • the optical axis of the red laser 10 is separated from the optical axis of the excitation light source 12 and the optical axis of the excitation light source 13 by a distance d / 2, respectively. .
  • the optical axis of the red laser 10 is located between the optical axis of the excitation light source 12 and the optical axis of the excitation light source 13.
  • the red laser light output from the red laser 10 and converted into a parallel beam by the collimator lens 16 is incident on one surface of the dichroic mirror 22.
  • the incident angle of the red laser beam on one surface of the dichroic mirror 22 is approximately 45 °.
  • the reflected light of the excitation light from the mirror 21 is incident on the other surface of the dichroic mirror 22.
  • the excitation light output from the excitation light source 13 and converted into a parallel beam by the collimator lens 19 is also incident on the other surface of the dichroic mirror 22, and the incident position is the same as the incident position of the reflected light of the excitation light from the mirror 21.
  • the incident angle of the excitation light on the other surface of the dichroic mirror 22 is approximately 45 °.
  • the red laser light from the red laser 10 is reflected on one surface of the dichroic mirror 22, and the reflected light travels toward the cross dichroic prism 20. Both the reflected light of the excitation light from the mirror 21 and the excitation light from the excitation light source 13 pass through the dichroic mirror 22, and the transmitted excitation light travels toward the cross dichroic prism 20.
  • the cross dichroic prism 20 is composed of four right-angle prisms 20a to 20d whose surfaces forming right angles are joined to each other.
  • a uniform first plane is formed by the joint surfaces of the right-angle prisms 20a and 20b and the joint surfaces of the right-angle prisms 20c and 20d.
  • a first dichroic surface made of a dielectric multilayer film ( Film) 1a is formed on the first plane.
  • a uniform second plane intersecting the first plane is formed by the junction surfaces of the right-angle prisms 20a and 20d and the junction surfaces of the right-angle prisms 20b and 20c.
  • a dielectric multilayer film is formed on the second plane.
  • a second dichroic surface (film) 1b is formed.
  • the first dichroic surface 1a and the second dichroic surface 1b are arranged so that their film surfaces intersect each other (preferably orthogonally).
  • the first dichroic surface 1a transmits red laser light and reflects blue laser light and excitation light.
  • the second dichroic surface 1b reflects red laser light and transmits blue laser light and excitation light.
  • FIG. 3 is a graph showing spectral transmission characteristics of the first dichroic surface 1a with respect to P-polarized light and S-polarized light.
  • the alternate long and short dash line indicates the spectral transmission characteristic for S-polarized light
  • the broken line indicates the spectral transmission characteristic for P-polarized light.
  • B-LD is the spectrum of the blue laser light output from the blue laser 11
  • the spectrum (Excitation) on the lower wavelength side is the spectrum of the excitation light output from the excitation light sources 12 and 13. Note that the spectrum of the blue laser light may be in the same wavelength range as the spectrum of the excitation light.
  • the cut-off wavelength is defined as the wavelength at which the transmittance is 50%.
  • the cut-off wavelength of the first dichroic surface 1a with respect to light incident as S-polarized light reflects light in the blue wavelength region or less and transmits light in other wavelength regions (including green and red wavelength regions). Is set to The cut-off wavelength of the first dichroic surface 1a for light incident as P-polarized light is set to be shorter than the cut-off wavelength for S-polarized light.
  • the setting of the cutoff wavelength can be adjusted by the material of the dielectric multilayer film, the number of stacked layers, the film thickness, the refractive index, and the like.
  • FIG. 4 is a graph showing spectral transmission characteristics of the second dichroic surface 1b with respect to P-polarized light and S-polarized light.
  • the solid line indicates the spectral transmission characteristic for S-polarized light
  • the dotted line indicates the spectral transmission characteristic for P-polarized light.
  • R-LD is a spectrum of red laser light output from the red laser 10.
  • the cut-off wavelength of the second dichroic surface 1b with respect to light incident as S-polarized light reflects light in the red wavelength region or more and transmits light in other wavelength regions (including green and blue wavelength regions).
  • Is set to The cutoff wavelength of the second dichroic surface 1b for light incident as P-polarized light is set longer than the cutoff wavelength for S-polarized light.
  • the setting of the cutoff wavelength can be adjusted by the material of the dielectric multilayer film, the number of stacked layers, the film thickness, the refractive index, and the like.
  • the red laser beam from the red laser 10 and the excitation light from the excitation light sources 12 and 13 are incident on the cross dichroic prism 20 from the side surface constituted by the right-angle prism 20c among the four side surfaces of the cross dichroic prism 20.
  • the blue laser light from the blue laser 11 enters the cross dichroic prism 20 from the side surface constituted by the right-angle prism 20a (the side surface opposite to the side surface constituted by the right-angle prism 20c) among these four side surfaces. .
  • the excitation light from the excitation light sources 12, 13 is reflected by the first dichroic surface 1a.
  • the reflected light of the excitation light reflected by the first dichroic surface 1a is emitted from the side surface constituted by the right-angle prism 20b among the four side surfaces.
  • the blue laser light from the blue laser 11 is reflected by the first dichroic surface 1a.
  • the traveling direction of the reflected light is the same as the traveling direction of the red laser light reflected by the second dichroic surface 1b.
  • the reflected light of the blue laser light reflected by the first dichroic surface 1a is emitted from the side surface constituted by the right-angle prism 20d.
  • Excitation light emitted from the side surface constituted by the right-angle prism 20 b is condensed on the phosphor region of the phosphor wheel 14 via the collimator lens 15. In the phosphor region, the phosphor is excited by irradiation with excitation light. Green fluorescence is emitted from the excited phosphor.
  • FIG. 5 schematically shows an optical path of the excitation light from the excitation light sources 12 and 13 when the illumination device is viewed from the side surface constituted by the right-angle prism 20a among the four side surfaces of the cross dichroic prism 20.
  • the red laser 10, the blue laser 11, the collimator lens 16, and the mirror 21 are omitted.
  • the upper optical path toward the drawing is the optical path of the central ray of the excitation light 13 a from the excitation light source 13, and the lower optical path is from the excitation light source 12. This is the optical path of the central ray of the excitation light 12a.
  • the excitation light 12a, 13a is actually a light beam.
  • the excitation lights 12a and 13a from the excitation light sources 12 and 13 reflected by the first dichroic surface 1a are reflected on the phosphor wheel 14 by the collimator lens 15 including three lenses 15a to 15c. It is condensed on the phosphor region.
  • the central ray of the excitation light 12a from the first dichroic surface 1a and the central ray of the excitation light 13a from the first dichroic surface 1a are in a substantially line-symmetrical positional relationship across the optical axis of the collimator lens 15. . Therefore, the central light beam of the excitation light 12a and the central light beam of the excitation light 13a are collected at one point on the phosphor region by the collimator lens 15, and the spot of the light beam of the excitation light 12a is reflected on the phosphor region. It just overlaps the spot of the luminous flux of the excitation light 13a.
  • the green fluorescence (diverging light) emitted from the phosphor region of the phosphor wheel 14 is converted into a parallel beam by the collimator lens 15, and then the side surface constituted by the right-angle prism 20 b among the four side surfaces of the cross dichroic prism 20. Enters the cross dichroic prism 20.
  • FIG. 6 shows the transmittance characteristic of the first dichroic surface 1a superimposed on the transmittance characteristic of the second dichroic surface 1b.
  • the dotted line indicates the spectral transmission characteristic with respect to S-polarized light
  • the alternate long and short dash line indicates the spectral transmission characteristic with respect to P-polarized light.
  • a curve indicated by a solid line at the center in FIG. 6 is a spectrum of green fluorescence from the phosphor wheel 14.
  • the green fluorescence from the phosphor wheel 14 is randomly polarized light (including S-polarized light and P-polarized light), most of which is transmitted through the first dichroic surface 1a and the second dichroic surface 1b.
  • the transmitted green fluorescent light beam is emitted from the side surface constituted by the right-angle prism 20d among the four side surfaces.
  • the excitation light from the excitation light sources 12 and 13 is incident on the cross dichroic prism 20 from the side surface constituted by the right-angle prism 20c of the cross dichroic prism 20.
  • the excitation light is reflected by the first dichroic surface 1 a, and the reflected light of the excitation light is collected on the phosphor region of the phosphor wheel 14 by the collimator lens 15.
  • the phosphor In the phosphor wheel 14, the phosphor is excited in the region irradiated with the excitation light, and green fluorescence is emitted from the phosphor.
  • the green fluorescence from the phosphor wheel 14 is converted into a parallel beam by the collimator lens 15, and the parallel beam enters the cross dichroic prism 20 from the side surface constituted by the right-angle prism 20b.
  • the red laser beam from the red laser 10 is converted into a parallel beam by the collimator lens 16, and the parallel beam enters the cross dichroic prism 20 from the side surface constituted by the right-angle prism 20c.
  • the excitation light from the excitation light sources 12 and 13 and the red laser light from the red laser 10 are configured by the right-angle prism 20c of the cross dichroic prism 20 from the same direction. Incident on the side. According to this configuration, as compared with the configuration in which the optical path of the excitation light is provided independently of the optical path of the red laser light, the above-described hybrid is equivalent to the amount of the excitation light optical path superimposed on the optical path of the red laser light.
  • the light source can be miniaturized.
  • the following effects can also be obtained.
  • the excitation light is condensed on the phosphor region of the phosphor wheel 14 via the collimator lens 15, so that the intensity of the excitation light that irradiates the phosphor region by the condensing action.
  • the luminance of green fluorescence emitted from the phosphor region can be increased.
  • the fluorescence size in the phosphor region is determined depending on the condensing size of the excitation light applied to the phosphor. Therefore, the fluorescence size can be reduced by condensing and irradiating.
  • the excitation light from one excitation light source is set as S-polarized light
  • the excitation light from the other excitation light source is set as P-polarized light.
  • polarization conversion for aligning one polarization component of S-polarization and P-polarization with the other polarization component is performed.
  • An element that performs such polarization conversion is expensive and causes an increase in size of the apparatus.
  • the excitation light from the excitation light source 12 is reflected by the mirror 21 toward the cross dichroic prism 20. Passes through the space outside the mirror 21.
  • the excitation light reflected by the mirror 21 and the excitation light that has passed through the space outside the mirror 21 are respectively on the phosphor region of the phosphor wheel 14 via the dichroic mirror 22, the first dichroic surface 1a, and the collimator lens 15. It is focused on.
  • the phosphor wheel 14 is disposed at the combined focal position of the collimator lens 15. Therefore, by making a plurality of excitation lights incident on different positions of the collimator lens 15, they can be condensed at the same place on the phosphor wheel. In other words, the excitation light is synthesized by the incidence of the excitation light at different positions of the collimator lens.
  • the collimator lens 15 for converting the green fluorescence emitted from the phosphor wheel 14 into a parallel light beam collects the excitation light from the excitation light sources 12 and 19 on the phosphor region of the phosphor wheel 14. It is used together as a condenser lens. This can further reduce the cost and size of the apparatus.
  • the number of excitation light sources is not limited to two, and one or three or more excitation light sources may be used.
  • the excitation light source portion shown in FIGS. 8 and 9 includes a collimator lens 23 and an excitation light source in addition to the configuration of the excitation light source portion including the excitation light sources 12 and 13, the collimator lenses 18 and 19 and the mirror 21 shown in FIGS. It has a light source 24 and a mirror 25.
  • the mirror 25 when viewed from above, is disposed so as to intersect the mirror 21 at approximately 90 ° at the portion where the optical axes of the excitation light sources 12, 13, and 24 intersect. As shown in FIG. 9, when viewed from the side, the mirror 25 is arranged at an interval so as not to overlap the mirror 21.
  • the collimator lens 23 converts the excitation light (divergent light) output from the excitation light source 24 into a parallel light beam.
  • the excitation light output from the excitation light source 12 and converted into a parallel beam by the collimator lens 18 enters the mirror 21.
  • the excitation light output from the excitation light source 24 and converted into a parallel beam by the collimator lens 23 enters the mirror 25.
  • the excitation light output from the excitation light source 13 and converted into a parallel light beam by the collimator lens 19 passes through the space between the mirrors 21 and 25.
  • the optical axis of the excitation light source 24 and the optical axis of the excitation light source 13 do not intersect within the same plane but intersect with a distance d (more preferably, one of the optical axes is
  • the first plane including the second plane and the second plane including the other optical axis are parallel to each other, and the two optical axes are orthogonal to each other when viewed from a direction perpendicular to the first and second planes.
  • the light enters the dichroic mirror 22 shown in FIG.
  • the first point where the central ray of the excitation light from the mirror 21 is incident and the second point where the central ray of the excitation light from the mirror 25 is incident are the center of the excitation light from the excitation light source 13. It is point-symmetrical with respect to the third point where the light beam is incident.
  • Excitation light from the excitation light sources 12, 13, and 24 that has passed through the dichroic mirror 22 is reflected by the first dichroic surface 1 a shown in FIG. Focused on one point.
  • the excitation light source unit is composed of one excitation light source, for example, the excitation light source 12, the collimator lens 18, and the mirror 21 shown in FIG. 1 are unnecessary.
  • the excitation light source 13 and the red laser 10 may be arranged so that their optical axes are orthogonal to each other.
  • an optical system or a light guide means for guiding the light output from the cross dichroic prism 20 may be provided.
  • a phosphor portion including a region where the phosphor is formed on the substrate surface may be used.
  • excitation light having a shorter wavelength than green is used.
  • the characteristics of the reflection surface of the cross dichroic prism are designed so that the red laser light and the excitation light can be separated. Since the wavelength of the red laser beam is sufficiently far from the wavelength of the excitation light, the design of the characteristics of such a reflecting surface is easy.
  • the optical path of the excitation light it is possible to configure the optical path of the excitation light to overlap the optical path of the blue laser light.
  • the characteristics of the reflection surface of the wavelength cross dichroic prism are designed so as to separate the blue laser light and the excitation light.
  • the wavelength of the blue laser light is close to the wavelength of the excitation light, it is difficult to obtain a reflecting surface that can reliably separate these lights.
  • the wavelength of the excitation light is shorter than the wavelength of the blue laser light, for example, ultraviolet light.
  • the first dichroic surface 1a has characteristics of reflecting blue laser light and transmitting excitation light (ultraviolet light).
  • the second dichroic surface 1b has characteristics of reflecting the wavelength of the red laser light, transmitting the blue laser light, and reflecting the excitation light (ultraviolet light).
  • the second dichroic surface 1b is a bandpass filter. Reflective characteristics of the dichroic surface are simpler when the optical path of the excitation light is superimposed on the optical path of the red laser light than when the optical path of the excitation light is superimposed on the optical path of the blue laser light .
  • An illumination device includes an excitation light source unit that outputs excitation light, a phosphor unit that emits fluorescence by being excited by the excitation light output from the excitation light source unit, and the phosphor unit.
  • a collimator lens that converts the emitted fluorescence into a parallel light beam, and a first solid-state light source that outputs first light having a peak wavelength in a first wavelength range that is longer than the wavelength of the fluorescence emitted from the phosphor portion.
  • a second solid-state light source that outputs second light having a peak wavelength in a second wavelength range different from the first wavelength range, excitation light output from the excitation light source unit, and the first solid state
  • a dichroic mirror that synthesizes the light output from the light source and emits the combined light, and first to fourth surfaces, and the light combined by the dichroic mirror is supplied to the first surface, and the first surface
  • the above synthetic light beam supplied to the surface of The excitation light is emitted from the second surface toward the phosphor portion, the first light is emitted from the fourth surface, and the fluorescence emitted from the phosphor portion is The fluorescent light supplied to the second surface and emitted from the fourth surface is emitted from the fourth surface, and the second light output from the second solid light source is the third surface.
  • color synthesizing means for emitting the second light supplied to the third surface from the fourth surface.
  • the collimator lens condenses the excitation light emitted from the second surface of the color synthesizing unit on the
  • the phosphor portion may be the phosphor wheel 14 shown in FIG.
  • the first solid light source may be composed of the red laser 10 and the collimator lens 16 shown in FIG.
  • the second solid light source may be composed of the blue laser 11 and the collimator lens 17 shown in FIG.
  • the excitation light source unit may be configured to include two excitation light sources as shown in FIG. 2, or may be configured to include three excitation light sources as shown in FIG.
  • the color synthesizing means may be the cross dichroic prism 20 shown in FIG.
  • the dichroic mirror may be the dichroic mirror 22 shown in FIG.
  • the illumination device of the present invention described above can be applied to all projection display devices typified by projectors.
  • the projection display device includes the illumination device of the present invention, a display element that spatially modulates light output from the illumination device, and a projection optical system that projects image light formed by the display element.
  • the display element is a DMD or a liquid crystal panel.
  • FIG. 10 shows an example of a projection display device provided with the illumination device of the present invention.
  • the optical path of the excitation light is omitted for convenience.
  • the projection display device includes a DMD 33 as a display element, the illumination device shown in FIG. 1, an optical system for guiding light from the illumination device to the DMD 33, and an image formed by the DMD 33.
  • a projection optical system 34 that projects light onto a screen (not shown).
  • the optical system includes mirrors 26 and 30, fly-eye lenses 27 and 28, a field lens 29, a condenser lens 31, and an internal total reflection (TIR) prism 32.
  • TIR total reflection
  • the fly-eye lenses 27 and 28 are for obtaining rectangular illumination and uniform illumination light on the irradiation surface of the DMD 33, and each of the fly-eye lenses 27 and 28 includes a plurality of minute lenses so that the minute lenses correspond one-to-one. Has been placed.
  • the light that has passed through the fly-eye lenses 27 and 28 enters the TIR prism 32 via the field lens 29, the mirror 30 and the condenser lens 31.
  • the TIR prism 32 is composed of two triangular prisms, and the light condensed by the condenser lens 31 enters the TIR prism 32 from the side surface of one triangular prism.
  • the incident light is totally reflected by the inclined surface of the triangular prism, and the reflected light is emitted toward the DMD 33 from the other surface of one triangular prism. Since the surface where the two triangular prisms are combined is also a total reflection surface, an air layer is required between the two surfaces. Therefore, an air layer is provided between the two triangular prisms by interposing a spacer or the like when bonding the two triangular prisms.
  • the DMD 33 spatially modulates light incident from the TIR prism 32.
  • the modulated light (image light) from the DMD 33 enters the TIR prism 32 again from the other surface of one of the triangular prisms, and the incident image light passes through the joint surface of the triangular prism as it is, and the other triangular prism. It is emitted from the side.
  • the image light emitted from the side surface of the other triangular prism of the TIR prism 32 is enlarged and projected on the external screen by the projection optical system 34.
  • each color of red, green and blue can be obtained from the side surface (exiting surface) formed by the right-angle prism 20 d of the cross dichroic prism 20.
  • the luminous flux is emitted in a time division manner.
  • Image light of each color can be obtained by spatially modulating the light flux of each color emitted in this time division using the DMD 33.

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Abstract

　照明装置は、励起光源（１２、１３）と、緑色の蛍光を放出する蛍光体ホイール（１４）と、放出された蛍光を平行光束に変換するコリメータレンズ（１５）と、赤色レーザ（１０）と、青色レーザ（１１）と、励起光源（１２、１３）から出力された励起光と赤色レーザ（１０）から出力された光を合成するダイクロイックミラー（２２）と、蛍光体ホイール（１４）から放出された蛍光と赤色レーザ（１０）から出力された光と青色レーザ（１１）から出力された光とを合成するクロスダイクロイックプリズム（２０）と、を有する。クロスダイクロイックプリズム（２０）は、励起光源（１２、１３）から出力された励起光をコリメータレンズ（１５）に向けて出射し、コリメータレンズ（１５）は、入射した励起光を蛍光体ホイール（１４）上に集光する。

Description

照明装置およびそれを用いた投射型表示装置
　本発明は、投射型表示装置の照明装置に関する。
　特許文献１には、光源として蛍光体を用いたプロジェクタが記載されている。
　特許文献１に記載のプロジェクタは、蛍光色が赤色である発光装置と、蛍光色が緑色である発光装置と、蛍光色が青色である発光装置と、これら発光装置からの各色の蛍光を合成する第１および第２のダイクロイックミラーとを有する光源装置を備える。
　各発光装置は、外周面に蛍光体層が形成された円柱形状の回転体と、回転体を回転させる駆動源と、蛍光体層から放出された蛍光の光束を平行光束化するコリメータレンズと、励起光源と、励起光源からの励起光を蛍光体層の方向へ向けて反射するミラーとを有する。ミラーで反射された励起光は、コリメータレンズを介して蛍光体層上に照射される。蛍光体層から放出された蛍光は、コリメータレンズにて平行光束化される。
　青色の発光装置から放出された青色の蛍光は第１のダイクロイックミラーの一方の面に入射し、緑色の発光装置から放出された緑色の蛍光は第１のダイクロイックミラーの他方の面に入射する。第１のダイクロイックミラーは、青色の光を透過し、緑色の光を反射する特性を有しており、入射した青色および緑色の蛍光を合成する。
　第１のダイクロイックミラーで合成された蛍光（緑色および青色）は第２のダイクロイックミラーの一方の面に入射し、赤色の発光装置から放出された赤色の蛍光は第２のダイクロイックミラーの他方の面に入射する。第２のダイクロイックミラーは、青色および緑色の光を透過し、赤色の光を反射する特性を有しており、入射した青色、緑色および赤色の蛍光を合成する。
　上記のプロジェクタでは、光源装置からの光が表示素子に照射され、その表示素子で形成された画像が投影側光学系によりスクリーン上に投影される。
　上記の他、特許文献２には、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたプロジェクタが記載されている。
　特許文献２に記載のプロジェクタは、複数の赤色ＬＥＤが配置された赤色ＬＥＤアレイと、複数の緑色ＬＥＤが配置された緑色ＬＥＤアレイと、複数の青色ＬＥＤが配置された青色ＬＥＤアレイと、これらＬＥＤアレイからの赤、緑、青の各色の光束を合成するクロスダイクロイックプリズムとを有する照明光学系を備える。
　上記のプロジェクタでは、照明光学系からの光がデジタルマイクロデバイス（ＤＭＤ）に照射され、ＤＭＤで形成された画像が投写レンズによりスクリーン上に投写される。
特開２０１０－１９７４９７号公報 特開２００３－１８６１１０号公報
　最近では、小型で高輝度のプロジェクタの開発が進められており、そのようなプロジェクタを実現するために、照明装置（特許文献１に記載の光源装置や特許文献２に記載の照明光学系）の小型化および高輝度化が求められている。
　特許文献１に記載のプロジェクタにおいては、蛍光体を光源として用いることで高輝度の発光装置を提供することができるが、このような発光装置は、半導体レーザやＬＥＤなどの固体光源と比較して大型のものとなるため、光源装置の小型化を図ることは困難である。
　一方、特許文献２に記載のプロジェクタにおいては、光源としてＬＥＤを用いているので、特許文献１に記載のものと比較して、照明光学系（照明装置）の小型化を図ることができるものの、以下のような問題が生じる。
　緑色レーザや緑色ＬＥＤとして高輝度のものは、これまで量産化されておらず、現状では、低輝度のものが使用されている。このため、特許文献２に記載のプロジェクタでは、ＬＥＤをアレイ状に配置することで高輝度化を図っている。
　しかし、光源からの光を表示素子に照射し、表示素子で形成された画像を投射レンズによって投射する投射型表示装置においては、光源の面積と発散角とで決まるエテンデューと呼ばれる制約がある。光源の面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしないと、光源からの光が投射光として利用されない。したがって、ＬＥＤをアレイ状に数多く配列しても、エテンデューの制約以上には、明るさを向上することはできない。
　特許文献２に記載の照明光学系では、上記のエテンデューの制約により、ＬＥＤの半導体チップの面積あるいはＬＥＤの個数が制限されるため、十分な光量の出力光を得ることは困難である。このように、特許文献２に記載の照明光学系では、高輝度化を図ることは困難である。
　本発明の目的は、小型で高輝度の照明装置およびそれを備える投射型表示装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、
　励起光を出力する励起光源部と、
　前記励起光源部から出力された励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、
　前記蛍光体部から放出された蛍光を平行光束に変換するコリメータレンズと、
　前記蛍光体部から放出される蛍光の波長より長い第１の波長域にピーク波長を有する第１の光を出力する第１の固体光源と、
　前記第１の波長域とは異なる第２の波長域にピーク波長を有する第２の光を出力する第２の固体光源と、
　前記励起光源部から出力された励起光と前記第１の固体光源から出力された光を合成して合成光として出射するダイクロイックミラーと、
　第１から第４の面を備え、前記ダイクロイックミラーで合成された光が前記第１の面に供給され、前記第１の面に供給された前記合成光のうち、前記励起光については前記第２の面より前記蛍光体部に向けて出射し、前記第１の光については前記第４の面より出射し、前記蛍光体部から放出された前記蛍光が前記第２の面に供給され、前記第２の面に供給された前記蛍光を前記第４の面より出射し、前記第２の固体光源から出力された前記第２の光が前記第３の面に供給され、前記第３の面に供給された前記第２の光を前記第４の面より出射する色合成手段と、を有し、
　前記コリメータレンズは、前記色合成手段の前記第２の面より出射した前記励起光を前記蛍光体部上に集光する。
　本発明の投射型表示装置は、
　上述した照明装置と、
　前記照明装置から出射した光を空間的に変調する表示素子と、
　前記表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。
本発明の一実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。 図１に示す照明装置の励起光源部の構成を示す模式図である。 図１に示す照明装置の第１のダイクロイック面（膜）のＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図１に示す照明装置の第２のダイクロイック面（膜）のＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。 図１に示す照明装置の一部を側面から見た場合の励起光の光路を示す模式図である。 図３に示す第１のダイクロイック面の透過率特性に図４に示す第２のダイクロイック面の透過率特性を重ねたものを示すグラフである。 図１に示す照明装置における緑色の蛍光、赤色のレーザ光および青色のレーザ光の光路を示す模式図である。 ３つの励起光源を備える照明装置の励起光源部分の上面図である。 ３つの励起光源を備える照明装置の励起光源部分の側面図である。 本発明の照明装置を備える投射型表示装置の一例を示す模式図である。
１０　赤色レーザ
１１　青色レーザ
１２、１３　励起光源
１４　蛍光体ホイール
１５～１９　コリメータレンズ
２０　クロスダイクロイックプリズム
２１　ミラー
２２　ダイクロイックミラー
　次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。
　図１を参照すると、照明装置は、プロジェクタ等の投射型表示装置に用いられるものであって、赤色レーザ１０、青色レーザ１１、励起光源１２、１３、蛍光体ホイール１４、コリメータレンズ１５～１９、クロスダイクロイックプリズム２０、ミラー２１、およびダイクロイックミラー２２を有する。
　なお、図１には、便宜上、励起光源１２、１３から出力された励起光の光路のみが示され、赤色レーザ１０から出力された赤色のレーザ光の光路、青色レーザ１１から出力された青色のレーザ光の光路、および蛍光体ホイール１４から放出された緑色の蛍光の光路は示されていない。また、図１に示した励起光の光路は、中心光線の光路のみを示したものであり、実際は、励起光は、複数の光線からなる光線束よりなる。
　赤色レーザ１０および青色レーザ１１は、レーザダイオードに代表される半導体レーザやＬＥＤなどの固体光源である。赤色レーザ１０は、赤色の波長域にピーク波長を有するＳ偏光のレーザ光（以下、赤色のレーザ光と記す）を出力する。青色レーザ１１は、青色の波長域にピーク波長を有するＳ偏光のレーザ光（以下、青色のレーザ光と記す）を出力する。
　蛍光体ホイール１４は、一方の面の周方向に沿って蛍光体領域が形成されたホイールよりなる。蛍光体ホイール１４の中心部は、例えば、不図示のモータの出力軸に連結された回転軸（または出力軸）により支持されており、蛍光体ホイール１４はモータによる回転駆動を受けて一定の速度で回転する。蛍光体領域を形成する蛍光体の発光色は緑色であり、この緑色の波長より短い波長の励起光で蛍光体を励起することで、緑色の蛍光が蛍光体領域から放出される。
　励起光源１２、１３は、緑色の蛍光の波長より短い波長のＳ偏光の励起光を出力する光源であって、例えば青色レーザや青色ＬＥＤに代表される固体光源よりなる。励起光源１２、１３の出力光のピーク波長は、青色レーザ１１と同じであってもよく、また、異なっていてもよい。
　コリメータレンズ１５は、蛍光体ホイール１４の蛍光体領域から放出される緑色の蛍光（発散光）を平行光束に変換するものであって、２枚の凸状のレンズ１５ａ、１５ｃと１枚の凹状のレンズ１５ｃからなる。コリメータレンズ１５は、図１に示したレンズ構成に限定されるものではなく、蛍光体領域から放出される緑色の蛍光を平行光束化することができるのであれば、どのようなレンズ構成であってもよい。
　コリメータレンズ１６は、赤色レーザ１０から出力された赤色のレーザ光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１７は、青色レーザ１１から出力された青色のレーザ光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１８は、励起光源１２から出力された励起光（発散光）を平行光束に変換する。コリメータレンズ１９は、励起光源１３から出力された励起光（発散光）を平行光束に変換する。
　励起光源１２、１３は、互いの光軸が同一平面内で交差せず、所定の距離だけ離れた状態で交差する（より望ましくは、一方の光軸を含む第１の平面と他方の光軸を含む第２の平面とが平行であり、第１および第２の平面に垂直な方向から見た場合に、両光軸が直交する）ように配置されており、これらの光軸が交差する位置に、ミラー２１が設けられている。
　図２は、図１中の破線で囲んだ励起光源部（励起光源１２、１３、コリメータレンズ１８、１９およびミラー２１）を励起光源１３の光軸に沿った方向から見た場合の模式図である。
　図２に示すように、励起光源１２から出力され、コリメータレンズ１８で平行光束化された励起光は、ミラー２１に入射する。一方、励起光源１３から出力され、コリメータレンズ１９で平行光束化された励起光は、ミラー２１外の空間を通過する。励起光源１２の光軸と励起光源１３の光軸が交差する位置において、これら光軸は距離ｄだけ離れている。
　距離ｄは、励起光源１３から出力され、コリメータレンズ１９で平行光束化された励起光が、ミラー２１にて遮られることがなく、かつ、ダイクロイックミラー２２に入射するように設定される。
　赤色レーザ１０の光軸は、励起光源１２の光軸と平行である。ダイクロイックミラー２２は、赤色レーザ１０の光軸と励起光源１３の光軸が交差する位置（赤色のレーザ光の中心光線が励起光源１２からの励起光の中心光線と交差する位置と同じ）に設けられている。赤色レーザ１０の光軸と励起光源１３の光軸が交差する位置において、赤色レーザ１０の光軸は、励起光源１２の光軸および励起光源１３の光軸とそれぞれ距離ｄ／２だけ離れている。換言すると、赤色レーザ１０の光軸は、励起光源１２の光軸と励起光源１３の光軸の中間に位置する。
　赤色レーザ１０から出力され、コリメータレンズ１６で平行光束化された赤色のレーザ光は、ダイクロイックミラー２２の一方の面に入射する。赤色のレーザ光の、ダイクロイックミラー２２の一方の面への入射角度は略４５°である。
　一方、ミラー２１からの励起光の反射光は、ダイクロイックミラー２２の他方の面に入射する。励起光源１３から出力され、コリメータレンズ１９で平行光束化された励起光も、ダイクロイックミラー２２の他方の面に入射するが、その入射位置は、ミラー２１からの励起光の反射光の入射位置と異なる。これら励起光のダイクロイックミラー２２の他方の面への入射角度は略４５°である。
　ダイクロイックミラー２２の一方の面では、赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光が反射され、その反射光はクロスダイクロイックプリズム２０に向かって進行する。ミラー２１からの励起光の反射光および励起光源１３からの励起光はともに、ダイクロイックミラー２２を透過し、この透過した励起光はクロスダイクロイックプリズム２０に向かって進行する。
　クロスダイクロイックプリズム２０は、直角を成す面が互いに接合された４つの直角プリズム２０ａ～２０ｄからなる。
　直角プリズム２０ａ、２０ｂの接合面と直角プリズム２０ｃ、２０ｄの接合面により一様な第１の平面が形成されており、この第１の平面に、誘電体多層膜からなる第１のダイクロイック面（膜）１ａが形成されている。
　直角プリズム２０ａ、２０ｄの接合面と直角プリズム２０ｂ、２０ｃの接合面により、第１の平面と交差する一様な第２の平面が形成されており、この第２の平面に、誘電体多層膜からなる第２のダイクロイック面（膜）１ｂが形成されている。
　第１のダイクロイック面１ａと第２のダイクロイック面１ｂは、互いの膜面が交差（望ましくは直交）するように配置されている。第１のダイクロイック面１ａは、赤色のレーザ光を透過し、青色のレーザ光および励起光を反射する。第２のダイクロイック面１ｂは、赤色のレーザ光を反射し、青色のレーザ光および励起光を透過する。
　図３は、第１のダイクロイック面１ａのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図３において、一点鎖線はＳ偏光に対する分光透過特性を示し、破線はＰ偏光に対する分光透過特性を示す。Ｂ－ＬＤは、青色レーザ１１から出力される青色のレーザ光のスペクトラムであり、それより低波長側にあるスペクトラム（Excitation）は、励起光源１２、１３から出力される励起光のスペクトラムである。なお、青色のレーザ光のスペクトラムは、励起光のスペクトラムと同じ波長域であってもよい。
　カットオフ波長を透過率が５０％になる波長と定義する。Ｓ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイック面１ａのカットオフ波長は、青色の波長域以下の光を反射し、それ以外の波長域（緑色および赤色の波長域を含む）の光を透過するように設定されている。Ｐ偏光で入射する光に対する第１のダイクロイック面１ａのカットオフ波長は、Ｓ偏光に対するカットオフ波長より短波長側に設定されている。カットオフ波長の設定は、誘電体多層膜の材料、積層数、膜厚、屈折率などにより調整することができる。
　図３に示した分光透過特性を有する第１のダイクロイック面１ａにおいては、青色の波長域以下のＳ偏光は反射され、緑色および赤色の波長域のＳ偏光は透過する。
　図４は、第２のダイクロイック面１ｂのＰ偏光およびＳ偏光に対する分光透過特性を示すグラフである。図４において、実線はＳ偏光に対する分光透過特性を示し、点線はＰ偏光に対する分光透過特性を示す。Ｒ－ＬＤは、赤色レーザ１０から出力される赤色のレーザ光のスペクトラムである。
　Ｓ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイック面１ｂのカットオフ波長は、赤色の波長域以上の光を反射し、それ以外の波長域（緑色および青色の波長域を含む）の光を透過するように設定されている。Ｐ偏光で入射する光に対する第２のダイクロイック面１ｂのカットオフ波長は、Ｓ偏光に対するカットオフ波長よりも長波長側に設定されている。この場合も、カットオフ波長の設定は、誘電体多層膜の材料、積層数、膜厚、屈折率などにより調整することができる。
　図４に示した分光透過特性を有する第２のダイクロイック面１ｂにおいては、赤色の波長域以上のＳ偏光は反射され、緑色および青色の波長域のＳ偏光は透過する。
　赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光および励起光源１２、１３からの励起光は、クロスダイクロイックプリズム２０の４つの側面のうち直角プリズム２０ｃにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。一方、青色レーザ１１からの青色のレーザ光は、それら４つの側面のうち直角プリズム２０ａにより構成される側面（直角プリズム２０ｃにより構成される側面と対向する側面）からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　クロスダイクロイックプリズム２０では、励起光源１２、１３からの励起光は、第１のダイクロイック面１ａにて反射される。第１のダイクロイック面１ａで反射された励起光の反射光は、上記４つの側面のうち直角プリズム２０ｂにより構成される側面から出射される。
　また、クロスダイクロイックプリズム２０では、赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光は、第２のダイクロイック面１ｂにて反射される。この反射光の進行方向は、第１のダイクロイック面１ａで反射された励起光の進行方向と逆の方向である。第２のダイクロイック面１ｂで反射された赤色のレーザ光の反射光は、上記４つの側面のうち直角プリズム２０ｄにより構成される側面（直角プリズム２０ｂにより構成される側面と対向する側面）から出射される。
　また、クロスダイクロイックプリズム２０では、青色レーザ１１からの青色のレーザ光は、第１のダイクロイック面１ａにて反射される。この反射光の進行方向は、第２のダイクロイック面１ｂで反射された赤色のレーザ光の進行方向と同じである。第１のダイクロイック面１ａで反射された青色のレーザ光の反射光は、直角プリズム２０ｄにより構成される側面から出射される。
　直角プリズム２０ｂにより構成される側面から出射された励起光は、コリメータレンズ１５を介して蛍光体ホイール１４の蛍光体領域に集光される。蛍光体領域では、励起光の照射により蛍光体が励起される。励起された蛍光体から、緑色の蛍光が放出される。
　図５に、クロスダイクロイックプリズム２０の４つの側面のうち直角プリズム２０ａにより構成される側面側から照明装置を見た場合の、励起光源１２、１３からの励起光の光路を模式的に示す。便宜上、赤色レーザ１０、青色レーザ１１、コリメータレンズ１６、およびミラー２１は省略されている。
　図５中、太線（実線）で示した光路のうち、図面に向かって上側の光路が、励起光源１３からの励起光１３ａの中心光線の光路であり、下側の光路が、励起光源１２からの励起光１２ａの中心光線の光路である。図５では、励起光１２ａ、１３ａの中心光線の光路を示しているが、実際は、励起光１２ａ、１３ａは光束である。
　図５に示すように、第１のダイクロイック面１ａで反射された、励起光源１２、１３からの励起光１２ａ、１３ａは、３枚のレンズ１５ａ～１５ｃからなるコリメータレンズ１５によって蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上に集光される。
　第１のダイクロイック面１ａからの励起光１２ａの中心光線と、第１のダイクロイック面１ａからの励起光１３ａの中心光線とは、コリメータレンズ１５の光軸を挟んでほぼ線対称な位置関係にある。よって、励起光１２ａの中心光線と励起光１３ａの中心光線は、コリメータレンズ１５によって蛍光体領域上の一点に集光されることとなり、蛍光体領域上では、励起光１２ａの光束のスポットが、励起光１３ａの光束のスポットと丁度重なる。
　蛍光体ホイール１４の蛍光体領域から放出された緑色の蛍光（発散光）は、コリメータレンズ１５によって平行光束化された後、クロスダイクロイックプリズム２０の４つの側面のうち直角プリズム２０ｂにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　図６に、第１のダイクロイック面１ａの透過率特性に第２のダイクロイック面１ｂの透過率特性を重ねたものを示す。図６において、点線はＳ偏光に対する分光透過特性を示し、一点鎖線はＰ偏光に対する分光透過特性を示す。図６中の中央部の実線で示した曲線は、蛍光体ホイール１４からの緑色の蛍光のスペクトラムである。
　蛍光体ホイール１４からの緑色の蛍光は、ランダム偏光（Ｓ偏光およびＰ偏光を含む）であり、そのほとんどが、第１のダイクロイック面１ａおよび第２のダイクロイック面１ｂをそれぞれ透過する。緑色の蛍光の透過光束は、上記４つの側面のうち直角プリズム２０ｄにより構成される側面から出射される。
　次に、本実施形態の照明装置の動作を説明する。
　図１に示したように、励起光源１２、１３からの励起光は、クロスダイクロイックプリズム２０の直角プリズム２０ｃにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　クロスダイクロイックプリズム２０では、第１のダイクロイック面１ａにて励起光が反射され、この励起光の反射光は、コリメータレンズ１５によって蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上に集光される。
　蛍光体ホイール１４では、励起光が照射された領域において、蛍光体が励起され、その蛍光体から緑色の蛍光が放出される。
　図７に示すように、蛍光体ホイール１４からの緑色の蛍光は、コリメータレンズ１５によって平行光束化され、その平行光束が、直角プリズム２０ｂにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光は、コリメータレンズ１６によって平行光束化され、その平行光束が、直角プリズム２０ｃにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　青色レーザ１１からの青色のレーザ光は、コリメータレンズ１７によって平行光束化され、その平行光束が、直角プリズム２０ａにより構成される側面からクロスダイクロイックプリズム２０内に入射する。
　クロスダイクロイックプリズム２０では、第１のダイクロイック面１ａが、赤色のレーザ光および緑色の蛍光を透過し、青色のレーザ光を反射し、第２のダイクロイック面１ｂが、青色のレーザ光および緑色の蛍光を透過し、赤色のレーザ光を反射する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム２０では、赤色および青色のレーザ光および緑色の蛍光が合成され、その合成された光（赤、青、緑）が、直角プリズム２０ｄにより構成される側面から出射される。
　以上説明した本実施形態の照明装置によれば、以下のような作用効果を奏する。
　特許文献１に記載の発光装置では、赤色、緑色、青色の各色の光源としてそれぞれ蛍光体を用いた光源（発光装置）が用いられているために、発光装置が大型なものになるという問題があった。これに対して、本実施形態の照明装置では、赤色および青色の光源は固体光源とされ、緑色の光源は蛍光体を用いた光源とされている。このように固体光源と蛍光体を用いた光源とを混載したハイブリット光源を採用することで、小型で高輝度の照明装置を実現している。
　また、本実施形態の照明装置によれば、励起光源１２、１３からの励起光と赤色レーザ１０からの赤色のレーザ光とは、同じ方向から、クロスダイクロイックプリズム２０の直角プリズム２０ｃにより構成される側面に入射する。この構成によれば、励起光の光路が赤色のレーザ光の光路と独立して設けられた構成と比較して、励起光の光路を赤色のレーザ光の光路に重ねた分だけ、上記のハイブリット光源の小型化を図ることができる。
　また、本実施形態の照明装置によれば、以下のような効果も得ることができる。
　一般に、蛍光体に照射される励起光の強度が大きければ大きいほど、蛍光体から放出される蛍光の輝度は高くなる。本実施形態の照明装置によれば、励起光はコリメータレンズ１５を介して蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上に集光されるので、その集光作用により蛍光体領域を照射する励起光の強度を大きくすることができ、蛍光体領域から放出される緑色の蛍光の輝度を高くすることができる。また、蛍光体へ照射する励起光の集光サイズに依存して蛍光体領域での蛍光サイズが決定される。そのため集光させて照射することで蛍光サイズを小さくすることができる。
　さらに、本実施形態の照明装置によれば、以下のような効果をさらに得ることができる。
　通常、２つの励起光源からの励起光を蛍光体領域上の一点に集光する場合、一方の励起光源からの励起光をＳ偏光とし、他方の励起光源からの励起光をＰ偏光として、それら励起光を偏光ビームスプリッタで合成した後に、Ｓ偏光およびＰ偏光の一方の偏光成分を他方の偏光成分に揃えるための偏光変換が行われる。そのような偏光変換を行う素子は、高価であり、また、装置の大型化を招く。
　これに対して、本実施形態の照明装置では、図２に示したように、励起光源１２からの励起光はミラー２１でクロスダイクロイックプリズム２０の方向に反射されるが、励起光源１９の励起光はミラー２１外の空間を通過する。そして、ミラー２１で反射された励起光およびミラー２１外の空間を通過した励起光はそれぞれ、ダイクロイックミラー２２、第１のダイクロイック面１ａおよびコリメータレンズ１５を介して蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上に集光される。蛍光体ホイール１４はコリメータレンズ１５の合成焦点位置に配置されている。よって、複数の励起光をコリメータレンズ１５の異なる位置に入射させることにより、蛍光体ホイール上の同じ場所に集光できる。換言すると、コリメータレンズの異なる位置への励起光の入射により励起光の合成を実現している。
　上記の構成によれば、偏光変換素子は不要であるので、その分、装置の低コスト化および小型化を図ることができる。加えて、蛍光体ホイール１４から放出された緑色の蛍光を平行光束化するためのコリメータレンズ１５が、励起光源１２、１９からの各励起光を蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上に集光するための集光レンズとして併用される。これにより、装置の低コスト化および小型化をさらに図ることができる。
　上述した本実施形態の照明装置は、本発明の一例であり、その構成については、発明の趣旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る様々な変更を加えることができる。
　例えば、励起光源の数は２個に限定されるものではなく、１個または３個以上の励起光源が用いられてもよい。
　図８に、３つの励起光源を備える照明装置の励起光源部分の上面図を示し、図９に、その励起光源部分を側面から見た図（励起光源１３の光軸に沿った方向から見た図）を示す。
　図８および図９に示す励起光源部分は、図１および図２に示した励起光源１２、１３、コリメータレンズ１８、１９およびミラー２１からなる励起光源部分の構成に加えて、コリメータレンズ２３、励起光源２４およびミラー２５を有する。
　図８に示すように、上面から見た場合、励起光源１２、１３、２４の各光軸が交差する部分で、ミラー２５は、ミラー２１と略９０°で交差するように配置されている。図９に示すように、側面から見た場合、ミラー２５は、ミラー２１とは重ならないように間隔をあけて配置されている。
　コリメータレンズ２３は、励起光源２４から出力された励起光（発散光）を平行光束に変換する。
　励起光源１２から出力され、コリメータレンズ１８で平行光束化された励起光は、ミラー２１に入射する。励起光源２４から出力され、コリメータレンズ２３で平行光束化された励起光は、ミラー２５に入射する。励起光源１３から出力され、コリメータレンズ１９で平行光束化された励起光は、ミラー２１、２５の間の空間を通過する。
　励起光源１２、１３と同様、励起光源２４の光軸と励起光源１３の光軸も、同一平面内で交差せず、距離ｄだけ離れた状態で交差する（より望ましくは、一方の光軸を含む第１の平面と他方の光軸を含む第２の平面とが平行であり、第１および第２の平面に垂直な方向から見た場合に、両光軸が直交する）。
　ミラー２１で反射された励起光源１２からの励起光、ミラー２５で反射された励起光源２４からの励起光、およびミラー２１、２５の間の空間を通過した励起光源１３からの励起光はそれぞれ、図１に示したダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２において、ミラー２１からの励起光の中心光線が入射する第１の点とミラー２５からの励起光の中心光線が入射する第２の点とは、励起光源１３からの励起光の中心光線が入射する第３の点を中心に点対称な位置関係にある。
　ダイクロイックミラー２２を通過した励起光源１２、１３、２４からの励起光は、図１に示した第１のダイクロイック面１ａにて反射され、さらにコリメータレンズ１５を介して蛍光体ホイール１４の蛍光体領域上の一点に集光される。
　図８および図９に示したように３つの励起光源を用いた構成によれば、２個の励起光源を用いた構成と比較して、より強度の高い励起光を得ることができるので、緑色の蛍光の輝度をさらに高くすることができる。
　なお、励起光源部が１個の励起光源よりなる場合は、例えば図１に示した励起光源１２、コリメータレンズ１８およびミラー２１は不要である。この場合、励起光源１３および赤色レーザ１０は互いの光軸が直交するように配置されてもよい。
　また、本実施形態の照明装置において、クロスダイクロイックプリズム２０から出力された光を導くための光学系や導光手段などを設けてもよい。
　また、蛍光体ホイール１４に代えて、基板面上に蛍光体が形成された領域を含む蛍光体部を用いてもよい。
　蛍光色が緑色である蛍光体を励起する場合、緑色より波長が短い励起光が使用される。本実施形態では、赤色のレーザ光の光路に励起光の光路を重ねるように構成されているので、赤色のレーザ光と励起光を分離できるようにクロスダイクロイックプリズムの反射面の特性を設計する。赤色のレーザ光の波長は励起光の波長と十分に離れているので、そのような反射面の特性の設計は容易である。
　なお、青色のレーザ光の光路に励起光の光路を重ねるように構成することは可能である。この場合は、青色のレーザ光と励起光を分離すように波長クロスダイクロイックプリズムの反射面の特性を設計する。ただし、青色のレーザ光の波長は励起光の波長と近いため、これらの光を確実に分離することができる反射面を得ることは困難である。
　なお、青色のレーザ光の光路に励起光の光路を重ねるように構成することは可能である。この場合は、励起光の波長は青色のレーザ光の波長よりさらに短波長の光、例えば、紫外光を使用する。第１のダイクロイック面１ａは、青色のレーザ光は反射し、かつ、励起光（紫外光）は透過する特性を有する。さらに、第２のダイクロイック面１ｂは、赤色のレーザ光の波長は反射し、かつ青色のレーザ光は透過し、かつ、励起光（紫外光）は反射する特性を有する。換言すると、第２のダイクロイック面１ｂはバンドパスフィルターとなる。赤色のレーザ光の光路に励起光の光路を重ねるように構成した方が、青色のレーザ光の光路に励起光の光路を重ねるように構成した方よりも、ダイクロイック面の反射特性が単純になる。
　（他の実施形態）
　本他の実施形態の照明装置は、励起光を出力する励起光源部と、上記励起光源部から出力された励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、上記蛍光体部から放出された蛍光を平行光束に変換するコリメータレンズと、上記蛍光体部から放出される蛍光の波長より長い第１の波長域にピーク波長を有する第１の光を出力する第１の固体光源と、上記第１の波長域とは異なる第２の波長域にピーク波長を有する第２の光を出力する第２の固体光源と、上記励起光源部から出力された励起光と上記第１の固体光源から出力された光を合成して合成光として出射するダイクロイックミラーと、第１から第４の面を備え、上記ダイクロイックミラーで合成された光が上記第１の面に供給され、上記第１の面に供給された上記合成光のうち、上記励起光については上記第２の面より上記蛍光体部に向けて出射し、上記第１の光については上記第４の面より出射し、上記蛍光体部から放出された上記蛍光が上記第２の面に供給され、上記第２の面に供給された上記蛍光を上記第４の面より出射し、上記第２の固体光源から出力された上記第２の光が上記第３の面に供給され、上記第３の面に供給された上記第２の光を上記第４の面より出射する色合成手段と、を有する。上記コリメータレンズは、上記色合成手段の上記第２の面より出射した上記励起光を上記蛍光体部上に集光する。
　蛍光体部は、図１に示した蛍光体ホイール１４であってもよい。第１の固体光源は、図１に示した赤色レーザ１０およびコリメータレンズ１６から構成されてもよい。第２の固体光源は、図１に示した青色レーザ１１およびコリメータレンズ１７から構成されてもよい。
　励起光源部は、図２に示したような２個の励起光源を含む構成であってもよく、また、図８に示したような３個の励起光源を含む構成であってもよい。色合成手段は、図１に示したクロスダイクロイックプリズム２０であってもよい。ダイクロイックミラーは、図１に示したダイクロイックミラー２２であってもよい。
　本他の実施形態の照明装置においても、前述した実施形態の照明装置と同様に作用効果を奏する。
　以上説明した本発明の照明装置は、プロジェクタに代表される投射型表示装置全般に適用することができる。
　投射型表示装置は、本発明の照明装置と、この照明装置から出力された光を空間的に変調する表示素子と、表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。表示素子は、ＤＭＤや液晶パネルなどである。
　図１０に、本発明の照明装置を備える投射型表示装置の一例を示す。図１０では、便宜上、励起光の光路は省略されている。
　図１０を参照すると、投射型表示装置は、表示素子であるＤＭＤ３３と、図１に示した照明装置と、この照明装置からの光をＤＭＤ３３に導くための光学系と、ＤＭＤ３３で形成された画像光を不図示のスクリーン上に投射する投射光学系３４とを有する。
　光学系は、ミラー２６、３０、フライアイレンズ２７、２８、フィールドレンズ２９、コンデンサレンズ３１、内部全反射（ＴＩＲ）プリズム３２を有する。
　ミラー２６は、クロスダイクロイックプリズム２０の出射面（直角プリズム２０ｄの面）から出射される光（赤、緑、青）の進行方向に配置されており、その出射面からの光を反射する。ミラー２６で反射された光の進行方向に、フライアイレンズ２７、２８、フィールドレンズ２９およびミラー３０がこの順番で配置されている。
　フライアイレンズ２７、２８は、ＤＭＤ３３の照射面上で矩形照明および均一な照明光を得るためのものであり、それぞれが複数の微小レンズからなり、互いの微小レンズが一対一で対応するように配置されている。
　フライアイレンズ２７、２８を通過した光は、フィールドレンズ２９、ミラー３０およびコンデンサレンズ３１を介してＴＩＲプリズム３２に入射する。ＴＩＲプリズム３２は、２個の三角プリズムから構成され、コンデンサレンズ３１で集光された光が一方の三角プリズムの側面からＴＩＲプリズム３２内に入射する。ＴＩＲプリズム３２では、入射光は、三角プリズムの斜面で全反射し、その反射光が、一方の三角プリズムの他方の面からＤＭＤ３３に向けて出射される。２個の三角プリズムが合わさっている面は全反射面でもあるため、２つの面の間には空気層が必要である。したがって２個の三角プリズムを合わせる際にスペーサー等を挟み接着することで２個の三角プリズム間に空気層を持たせている。
　ＤＭＤ３３は、ＴＩＲプリズム３２からの入射する光を空間的に変調する。ＤＭＤ３３からの変調光（画像光）は、一方の三角プリズムの他方の面から再びＴＩＲプリズム３２内に入射し、その入射した画像光は、三角プリズムの接合面をそのまま透過し、他方の三角プリズムの側面から出射される。
　ＴＩＲプリズム３２の他方の三角プリズムの側面から出射された画像光は、投射光学系３４によって外部スクリーン上に拡大投射される。
　励起光源１２、１３と赤色レーザ１０と青色レーザ１１との点灯タイミングを制御することで、クロスダイクロイックプリズム２０の直角プリズム２０ｄにより構成される側面（出射面）から、赤色、緑色および青色の各色の光束が時分割で出射される。この時分割で出射される各色の光束を、ＤＭＤ３３を用いて空間的に変調することで、各色の画像光を得ることができる。

Claims (5)

  1. 　励起光を出力する励起光源部と、
    　前記励起光源部から出力された励起光により励起されることで蛍光を放出する蛍光体部と、
    　前記蛍光体部から放出された蛍光を平行光束に変換するコリメータレンズと、
    　前記蛍光体部から放出される蛍光の波長より長い第１の波長域にピーク波長を有する第１の光を出力する第１の固体光源と、
    　前記第１の波長域とは異なる第２の波長域にピーク波長を有する第２の光を出力する第２の固体光源と、
    　前記励起光源部から出力された励起光と前記第１の固体光源から出力された光を合成して合成光として出射するダイクロイックミラーと、
    　第１から第４の面を備え、前記ダイクロイックミラーで合成された光が前記第１の面に供給され、前記第１の面に供給された前記合成光のうち、前記励起光については前記第２の面より前記蛍光体部に向けて出射し、前記第１の光については前記第４の面より出射し、前記蛍光体部から放出された前記蛍光が前記第２の面に供給され、前記第２の面に供給された前記蛍光を前記第４の面より出射し、前記第２の固体光源から出力された前記第２の光が前記第３の面に供給され、前記第３の面に供給された前記第２の光を前記第４の面より出射する色合成手段と、を有し、
    　前記コリメータレンズは、前記色合成手段の前記第２の面より出射した前記励起光を前記蛍光体部上に集光する、照明装置。
  2. 　前記励起光源部は、
    　互いの光軸が所定の距離だけ離れた状態で交差するように設けられた、それぞれが第１の偏光の励起光を出力する第１および第２の励起光源と、
    　前記第１および第２の励起光源の各光軸が交差する位置に設けられ、前記第１の励起光源から出力された前記第１の偏光の励起光を前記ダイクロイックミラーに向けて反射する第１のミラーと、を有し、
    　前記第２の励起光源から出力された前記第１の偏光の励起光は、前記第１の偏光ビームスプリッタ外の空間を通過して前記ダイクロイックミラーに入射する、請求の範囲第１項に記載の照明装置。
  3. 　前記励起光源部は、
    　光軸が前記第２の励起光源の光軸と所定の距離だけ離れた状態で交差するように設けられた、前記第１の偏光の励起光を出力する第３の励起光源と、
    　前記第２および第３の励起光源の各光軸が交差する位置に設けられ、前記第３の励起光源から出力された前記第１の偏光の励起光を前記ダイクロイックミラーに向けて反射する第２のミラーと、をさらに有し、
    　前記第１および第２のミラーは、一方のミラーの膜面を含む第１の平面が他方のミラーの膜面を含む第２の平面と直交するように設けられており、これら第１および第２の平面の一方に垂直な方向から見た場合に、前記第１および第２のミラーは所定の間隔をあけて配置されており、
    　前記第２の励起光源から出力された前記第１の偏光の励起光は、前記第１および第２の偏光ビームスプリッタの間の空間を通過する、請求の範囲第２項に記載の照明装置。
  4. 　前記蛍光体部は、緑色の蛍光を放出し、
    　前記第１の固体光源は、赤色の波長域にピーク波長を有する前記第１の偏光の光を出力し、
    　前記第２の固体光源は、青色の波長域にピーク波長を有する前記第１の偏光の光を出力し、
    　前記励起光源部は、前記青色の波長域にピーク波長を有する励起光を出力し、
    　前記色合成手段は、互いの膜面が直交するように設けられた第１および第２の膜を有し、
    　前記第１の膜の前記第１の偏光に対するカットオフ波長は、前記緑色および赤色の波長域の光を透過し、前記青色の波長域の光を反射するように設定され、
    　前記第２の膜の前記第１の偏光に対するカットオフ波長は、前記緑色および青色の波長域の光を透過し、前記赤色の波長域の光を反射するように設定され、
    　前記色合成手段は、前記第１の面から入射した前記第１の光と前記第２の面から入射した前記蛍光と前記第３の面から入射した前記第２の光とを前記第１および第２の膜により合成して合成光として前記第４の面から出射し、前記第１の面から入射した前記励起光を前記第１の膜により前記蛍光体部に向けて反射する、請求の範囲第２項または第３項に記載の照明装置。
  5. 　請求の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の照明装置と、
    　前記照明装置から出射した光を空間的に変調する表示素子と、
    　前記表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。
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