WO2012127554A1 - 蛍光体を備えた照明光学系およびプロジェクタ - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system including a phosphor that emits fluorescence by excitation light from a light source, and a projector including the illumination optical system.
  • LED Liquid Crystal Display
  • DLP Digital Light Processing
  • Patent Document 1 JP 2010-237443 A (hereinafter referred to as Patent Document 1) and JP 2010-256457 A (hereinafter referred to as Patent Document 2), the phosphor is irradiated with excitation light from the phosphor.
  • An illumination optical system and a projector that obtain light emission in a predetermined wavelength band are disclosed.
  • the illumination optical system (light source device) described in these patent documents includes: a light source that emits laser light in a blue wavelength region; and a light-emitting wheel that is provided with a light emitter that emits light emitted from the light source as excitation light.
  • the light emitting wheel includes a red region provided with a light emitter that emits light in the red wavelength region when excited by light from a light source, a green region provided with a light emitter that emits light in the green wavelength region, and a blue wavelength. And a blue region that transmits light in the region.
  • the light emitter of the light emitting wheel is formed on the reflective layer.
  • the light emitting wheel is configured to be rotatable.
  • the blue light emitted from the light source by the rotation of the phosphor wheel sequentially irradiates the red region, the green region, and the transmission region of the light emitting wheel. Red light and green light emitted from the light emitter are reflected by the reflective layer.
  • the red light and green light reflected by the reflective layer and the blue light transmitted through the transmission region are synthesized by a dichroic mirror or a relay optical system.
  • the synthesized light is irradiated onto a digital mirror device (DMD).
  • DMD digital mirror device
  • the light of each color emitted in a time-division manner by the light emitting wheel is spatially modulated according to the input image by the DMD, and projected onto the screen through the projection lens.
  • the optical path of blue light is different from the optical paths of red light and green light. This is because blue light is transmitted through the phosphor wheel and red light and green light are reflected by the phosphor wheel. Therefore, an optical system through which blue light passes is different from an optical system through which red light and green light pass.
  • An optical system that synthesizes the optical paths of light of each color is indispensable so that blue light, red light, and green light passing through different optical paths are emitted in the same direction from the illumination optical system.
  • An illumination optical system includes a light source that emits light having a first wavelength, a phosphor unit, an optical element, and an optical path between the optical element and the phosphor unit. / 4 wavelength plate.
  • the phosphor unit includes a phosphor region provided with a phosphor that emits fluorescence having a wavelength different from the first wavelength when irradiated with light having the first wavelength, and a reflection region that reflects light having the first wavelength. .
  • the phosphor unit is movable so that light from the light source is sequentially irradiated onto the phosphor region and the reflection region.
  • the optical element separates light of the first wavelength into a first linearly polarized light component and a second linearly polarized light component orthogonal to the first linearly polarized light component, and the first linearly polarized light of the light emitted from the light source Lead the components to the phosphor unit.
  • the light reflected by the reflection region and the light emitted by the phosphor region are incident on the optical element again.
  • the optical element emits the light having the first wavelength reflected by the reflection region and the fluorescence emitted by the phosphor region in the same direction.
  • the projector of the present invention includes the illumination optical system described above.
  • the light of the first wavelength reflected by the phosphor unit and the fluorescence emitted from the phosphor pass through the same optical path and optical system. Accordingly, the number of components of the illumination optical system is reduced, and the size of the illumination optical system is also reduced.
  • FIG. 1 shows a configuration of a projector including an illumination optical system according to the first embodiment of the present invention.
  • the projector includes an illumination optical system 10, an image forming element 22 that spatially modulates light from the illumination optical system 10, and a projection lens 24 that projects light spatially modulated by the image forming element 22.
  • the illumination optical system 10 includes a light source 11 that emits light having a first wavelength, an optical element 13, a quarter-wave plate 14, and a phosphor unit 16.
  • the phosphor unit 16 has a phosphor that emits fluorescence when irradiated with light of the first wavelength.
  • the light source 11 not only emits light of the first wavelength emitted from the illumination optical system 10, but also functions as a light source that irradiates the phosphor with excitation light.
  • the quarter wavelength plate 14 is provided between the optical element 13 and the phosphor unit 16.
  • the illumination optical system 10 may include collimators 12 and 15 as necessary.
  • FIG. 2 is a plan view of the phosphor unit 16 as viewed from the incident side of the excitation light.
  • the phosphor unit 16 includes a reflection region 16a and phosphor regions 16b and 16c.
  • the reflection region 16a is a region having a reflection film or a mirror that reflects at least light of the first wavelength.
  • the phosphor region includes a first phosphor region 16b provided with a phosphor that emits light having a second wavelength longer than the first wavelength by irradiation with light having the first wavelength. And a second phosphor region 16c provided with a phosphor that emits light having a third wavelength longer than the second wavelength when irradiated with light having the first wavelength.
  • the phosphor is provided on a reflection surface that reflects light.
  • the first wavelength light is blue light
  • the second wavelength light is green light
  • the third wavelength light is red light. It is.
  • the phosphor unit 16 is movable so that the irradiation spot S of the light from the light source 11 irradiates the reflection region 16a and the phosphor regions 16b and 16c in a time-sharing manner.
  • the phosphor unit 16 is configured to be rotatable around a rotation axis 28 orthogonal to one surface on which the reflection region and the phosphor region are provided.
  • the phosphor unit 16 is rotationally driven by a motor 17.
  • the light from the light source 11 sequentially irradiates the reflection region 16 a and the phosphor regions 16 b and 16 c as the phosphor unit 16 rotates.
  • the reflection region 16a and the phosphor regions 16b and 16c are generally fan-shaped regions having a central angle of a predetermined size.
  • the ratio of the central angle of each of the reflection area 16a and the phosphor areas 16b and 16c matches the ratio of the time when the light from the light source 11 is irradiated. Therefore, the size of the reflection region 16a and the phosphor regions 16b and 16c, here the central angle, is set according to the use of the illumination optical system.
  • the sizes of the reflection region 16a and the phosphor regions 16b and 16c can be determined based on the intensity and chromaticity coordinates of light projected on the screen through the projection lens 24 of the projector.
  • the ratio of the central angles of the reflection region 16a and the phosphor regions 16b and 16c is preferably determined in consideration of the intensity and chromaticity of white color formed by combining the light of each color.
  • the optical element 13 guides the first linearly polarized light component of the light emitted from the light source 11 to the phosphor unit 16.
  • the light reflected by the phosphor unit 16 and the light emitted by the phosphor enter the optical element 13 again.
  • the optical element 13 emits the light having the first wavelength reflected by the phosphor unit 16 and the light having the second wavelength generated by the phosphor unit 16 in the same direction.
  • a dichroic mirror having a predetermined spectral transmission characteristic can be used as such an optical element 13.
  • the first linearly polarized light component is the S polarized light component orthogonal to the incident surface with respect to the dichroic mirror 13.
  • the second linearly polarized light component is a P polarized light component parallel to the incident surface with respect to the dichroic mirror 13.
  • FIG. 3 shows the spectral transmittance characteristics of the dichroic mirror 13 and the spectrum of the light emitted from the light source 11.
  • the dichroic mirror 13 has a characteristic of reflecting the S-polarized component of blue light having a wavelength of about 450 nm and transmitting the P-polarized component of blue light. Thereby, the dichroic mirror 13 can separate the light emitted from the light source 11 into an S-polarized component and a P-polarized component orthogonal to the S-polarized component.
  • the dichroic mirror 13 guides only the S-polarized light component to the phosphor unit 16 substantially.
  • the dichroic mirror 13 reflects light having a wavelength shorter than that of blue light with respect to the S-polarized component, and transmits light having a wavelength sufficiently longer than that of blue light. Further, the dichroic mirror 13 reflects light having a wavelength sufficiently shorter than the wavelength of blue light with respect to the P-polarized component, and transmits light having a wavelength equal to or greater than the wavelength of blue light. As a result, the dichroic mirror 13 reflects the S-polarized component and transmits the P-polarized component in the wavelength band of blue light.
  • the spectrum of light emitted from the light source 11 belongs to the wavelength band of this blue light.
  • the dichroic mirror 13 can be composed of dielectric multilayer films having different refractive indexes.
  • the dichroic mirror having the spectral reflection characteristics shown in FIG. 3 is easily manufactured by appropriately adjusting the refractive index and film thickness of each dielectric film, the number of laminated dielectric layers, etc., and determining a desired cutoff wavelength. Is done.
  • the light source 11 emits light having substantially only an S-polarized component. As a result, most of the light from the light source 11 is guided to the phosphor unit 16 via the dichroic mirror 13. Therefore, the light utilization efficiency of the illumination optical system 10 is improved.
  • a blue laser which emits light having a blue wavelength, for example, a wavelength in the vicinity of 450 nm can be used.
  • the irradiation spot S of excitation light can have a very small area. Thereby, the radiation area to the phosphor unit 16 is reduced, and a highly efficient illumination optical system with a small etendue can be configured.
  • the light emitted from the light source 11 is collimated by the collimator 12.
  • the S-polarized component of the parallel light is reflected by the dichroic mirror 13 and guided to the phosphor unit 16.
  • the collimator 12 is composed of a single lens, but the collimator 12 may be a lens system composed of a plurality of lenses.
  • S-polarized light reflected by the dichroic mirror 13 enters the phosphor unit 16 through the quarter-wave plate 14 and the collimator 15.
  • the S-polarized light is made circularly polarized by the quarter-wave plate 14, and this circularly polarized light is condensed on the reflection region 16a or the phosphor regions 16b and 16c of the phosphor unit 16.
  • the collimator 15 is a lens system composed of two lenses, but the collimator 15 may be a single lens or a lens system composed of three or more lenses.
  • the green light converted into parallel light passes through the quarter-wave plate 14 and enters the dichroic mirror 13 again. Since the Lambertian diffused light emitted from the phosphor is unpolarized light, so-called random polarization, the polarization state of the light does not change even if it passes through the quarter-wave plate 14.
  • Green light passes through the dichroic mirror 13 as shown in FIG. Therefore, the green light is emitted in a direction different from the position where the light source 11 is disposed.
  • red light When light having the first wavelength is incident on the second phosphor region 16c of the phosphor unit 16, red light is emitted from the phosphor. This red light enters the dichroic mirror 13 again through the same optical path as that of the green light emitted from the first phosphor region 16b. The red light passes through the dichroic mirror 13 as shown in FIG. Therefore, the red light is emitted in the same direction as the green light.
  • the blue light guided from the light source 11 to the phosphor unit 16 enters the reflection region 16a of the phosphor unit 16, the blue light is reflected.
  • the reflected blue light passes through the collimator lens 15 and the quarter-wave plate 14 through the same optical path as the red light and green light emitted from the phosphor regions 16b and 16c.
  • the blue light reflected by the reflection region 16 a is changed from circularly polarized light to P-polarized light by the 1 ⁇ 4 wavelength plate 14 and enters the dichroic mirror 13.
  • the P-polarized blue light passes through the dichroic mirror as shown in FIG. Therefore, the blue light reflected by the reflection region 16a is emitted from the illumination optical system 10 through the same optical path as the green light and the red light.
  • the dichroic mirror 13 functions as a polarization beam splitter for light in the blue wavelength region.
  • the blue light reflected by the reflection region 16a of the phosphor unit is emitted in a direction different from the light source 11, that is, in the same direction as the green light and the red light.
  • the blue light reflected by the reflection region 16a of the phosphor unit 16 and the red light and green light emitted from the phosphor regions 16b and 16c all pass through the same optical system. Therefore, since it is not necessary to use a separate optical system for each wavelength of light, the number of components of the illumination optical system 10 is reduced, and the size of the illumination optical system is also reduced.
  • the light that has passed through the dichroic mirror 13 of the illumination optical system 10 is irradiated to the image forming element 22 via the integrator 18, the field lens 19, the mirror 20, the condenser lens 21, and the TIR prism 23.
  • the integrator 18, the field lens 19, the condenser lens 21, and the like are provided to illuminate the image forming element 22 with light in a rectangular and uniform manner.
  • the integrator 18, the field lens 19, the mirror 20, and the condenser lens 21 may be components of the illumination optical system.
  • the light incident on the TIR prism 23 is reflected by the air gap surface 23a in the prism, changes its traveling direction, and is emitted toward the image forming element 22.
  • the angle of the light ray incident on the image forming element 22 is appropriately adjusted.
  • the reflective image forming element 22 is used.
  • DMD is used as the reflective image forming element 22.
  • the image forming element 22 may be a liquid crystal panel (LCD) that is a transmissive image forming element instead of the DMD.
  • LCD liquid crystal panel
  • Each mirror element is configured to be rotatable about a rotation angle by a predetermined angle. In this example, the mirror element rotates ⁇ 12 degrees.
  • each mirror element selects whether or not to project light corresponding to each pixel to the outside of the projector.
  • the DMD performs this control on the light of each color, so that the projector can display a color image on the screen.
  • the projection lens 24 can be composed of an enlarged projection optical system.
  • the light of each color from the illumination optical system 10 enters the image forming element 22 in a time division manner.
  • the light of each color incident on the image forming element 22 is spatially modulated in accordance with input image information to be image light.
  • the spatially modulated image light is projected onto the screen by the projection lens 24.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a projector including the illumination optical system 40 according to the second embodiment of the present invention.
  • the projector includes an illumination optical system 40, an image forming element 22 that spatially modulates light from the illumination optical system 40, and a projection lens 24 that projects light spatially modulated by the image forming element 22.
  • the illumination optical system 40 includes a light source 41 that emits light having a first wavelength, an optical element 43, a quarter-wave plate 14, and a phosphor unit 16.
  • the quarter wavelength plate 14 is provided between the optical element 43 and the phosphor unit 16.
  • the illumination optical system 40 may include collimators 12 and 15 as necessary.
  • the light source 41 in the second embodiment is preferably a blue laser that emits P-polarized excitation light.
  • Light from the light source 41 is collimated by the collimator 12 and enters a dichroic mirror 43 as an optical element.
  • FIG. 5 shows the spectral transmittance characteristics of the dichroic mirror 43 and the spectrum of light emitted from the light source 41.
  • the dichroic mirror 43 has a characteristic of transmitting the P-polarized component of blue light and reflecting the S-polarized component of blue light.
  • the dichroic mirror 43 can separate the light emitted from the light source 41 into a P-polarized component as the first linearly polarized component and an S-polarized component as the second linearly polarized component.
  • the dichroic mirror 43 substantially guides only the P-polarized light component as the first linearly polarized light component to the phosphor unit 16.
  • the dichroic mirror 43 transmits light having a wavelength equal to or less than the wavelength of blue light with respect to the P-polarized component, and reflects light having a wavelength sufficiently longer than the wavelength of blue light. Further, the dichroic mirror transmits light having a wavelength sufficiently shorter than the wavelength of blue light with respect to the S polarization component, and reflects light having a wavelength equal to or greater than the wavelength of blue light. Thereby, the dichroic mirror 43 reflects the S-polarized component and transmits the P-polarized component in the wavelength band of blue light. The spectrum of the light emitted from the light source 41 belongs to this blue light wavelength band.
  • the dichroic mirror 43 can be composed of dielectric multilayer films having different refractive indexes.
  • the dichroic mirror 43 having the spectral reflection characteristics shown in FIG. 5 can be easily adjusted by appropriately adjusting the refractive index and film thickness of each dielectric film, the number of laminated dielectric layers, etc., and determining a desired cutoff wavelength. Manufactured.
  • the P-polarized component of the blue light that has passed through the dichroic mirror 43 passes through the quarter-wave plate 14 and the collimator lens 15 and enters the phosphor unit 16.
  • the P-polarized light is made circularly polarized by the 1 ⁇ 4 wavelength plate 14, and this circularly polarized light is condensed on the phosphor unit 16.
  • the configuration of the phosphor unit 16 is the same as that of the first embodiment.
  • blue light from the light source 41 enters the phosphor regions 16b and 16c of the phosphor unit 16
  • light having a wavelength longer than that of the blue light is emitted from the phosphor.
  • the phosphor applied to the phosphor regions 16b and 16c emits green light or red light.
  • the light emitted from the phosphor becomes parallel light by the collimator lens 15, passes through the quarter-wave plate 14, and enters the dichroic mirror 43 again.
  • the dichroic mirror 43 reflects red light and green light. Thereby, the red light and the green light emitted from the phosphor regions 16 b and 16 c are reflected by the dichroic mirror 42 and emitted from the illumination optical system 40 in the same direction.
  • the blue light is changed from circularly polarized light to S-polarized light by the 1 ⁇ 4 wavelength plate 14 and enters the dichroic mirror 43.
  • the dichroic mirror 43 reflects S-polarized excitation light. Therefore, the blue light reflected by the reflection region 16a is emitted from the illumination optical system 40 through the same optical path as the red light and the green light.
  • the number of components of the illumination optical system 40 is reduced, and the size of the illumination optical system is also reduced.
  • the light reflected by the dichroic mirror 43 of the illumination optical system 40 is applied to the image forming element 22 via the integrator 18, the mirror 20, the field lens 19, the condenser lens 21 and the TIR prism 23.
  • the light converted to image light by the image forming element 22 is enlarged and projected onto the screen by the projection lens 24.
  • a DMD can be used as in the first embodiment.
  • the integrator 18, the field lens 19, the condenser lens 21, and the like are provided to illuminate the image forming element 22 with light in a rectangular and uniform manner.
  • the integrator 18, the mirror 20, the field lens 19, and the condenser lens 21 may be components of the illumination optical system 40.
  • the phosphor units 10 and 40 in the first and second embodiments have two types of phosphor regions 16b and 16c. Not limited to this, the phosphor unit may have one type or three or more types of phosphor regions. The wavelength of light emitted from each phosphor region is appropriately selected according to the use of the illumination optical system.
  • an illumination optical system including a phosphor unit having a reflection region and only one type of phosphor region
  • light emitted from the light source and fluorescence emitted by the phosphor can be emitted in the same direction through the same optical path. Therefore, in the illumination optical system that emits two types of light, that is, light emitted from the light source and fluorescence from the phosphor, the number of components can be reduced and the size can be reduced.
  • another light source may be used.

Abstract

　構成部品が少なくサイズが小さい照明光学系が提供される。照明光学系は、第１の波長の光を射出する光源（１１，４１）と、蛍光体ユニット（１６）と、光学素子（１３，４３）と、光学素子と蛍光体ユニットとの間の１／４波長板（１４）と、を備える。蛍光体ユニットは、反射領域と、第１の波長の光の照射によって第１の波長と異なる波長の蛍光を発する蛍光体領域と、を有する。蛍光体ユニットは、光源からの光が蛍光体領域と反射領域に順次照射されるように可動する。光学素子は、第１の波長の光を、第１の直線偏光成分と、第１の直線偏光成分に直交する第２の直線偏光成分と、に分離する。光学素子は、光源から射出された光の第１の直線偏光成分を蛍光体ユニットに導き、反射領域で反射した第１の波長の光および蛍光体領域で発せられた蛍光を同一の方向に出射する。

Description

蛍光体を備えた照明光学系およびプロジェクタ
　本発明は、光源からの励起光により蛍光を発する蛍光体を備えた照明光学系、および該照明光学系を備えたプロジェクタに関する。
　ＬＥＤ（Liquid　Crystal　Display）プロジェクタやＤＬＰ（Digital　Light　Processing）プロジェクタなどのプロジェクタなどに用いられる照明光学系として、現在さまざまな提案がされている。
　特開２０１０－２３７４４３号公報（以下、特許文献１と呼ぶ。）および特開２０１０－２５６４５７号公報（以下、特許文献２と呼ぶ。）には、蛍光体に励起光を照射して蛍光体から所定の波長帯域の発光を得る照明光学系およびプロジェクタが開示されている。
　これらの特許文献に記載の照明光学系（光源装置）は、青色波長域のレーザ光を照射する光源と、光源からの照射光を励起光として発光する発光体が設けられた発光ホイールと、を備えている。発光ホイールは、光源からの光に励起されて赤色波長域の光を発光する発光体が設けられた赤色領域と、緑色波長域の光を発光する発光体が設けられた緑色領域と、青色波長域の光を透過する青色領域と、が配設されている。発光ホイールの発光体は、反射層上に形成されている。
　発光ホイールは回転可能に構成されている。蛍光体ホイールの回転により、光源から射出された青色光は、発光ホイールの赤色領域、緑色領域および透過領域を、順次照射する。発光体から発せられた赤色光および緑色光は反射層で反射する。
　反射層で反射した赤色光および緑色光と、透過領域を透過した青色光とは、ダイクロイックミラーやリレー光学系などによって合成される。合成された光は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）上に照射される。発光ホイールによって時分割的に出射された各色の光は、ＤＭＤにより入力画像に応じて空間変調されて、投写レンズを通ってスクリーンに投写される。
特開２０１０－２３７４４３号公報 特開２０１０－２５６４５７号公報
　特許文献１および特許文献２に記載された照明光学系の場合、青色光の光路と、赤色光および緑色光の光路とは異なる。これは、青色光は蛍光体ホイールを透過し、赤色光および緑色光は蛍光体ホイールで反射するからである。そのため、青色光が通る光学系と赤色光および緑色光が通る光学系とは異なっている。
　異なる光路を通る青色光、赤色光および緑色光が、照明光学系から同一の方向に出射されるように、各色の光の光路を合成する光学系が必要不可欠である。その結果、照明光学系のサイズが大きくなるという問題や、照明光学系を構成する光学部品の数が増えるという問題が生じる。
　したがって、励起光の照射により蛍光を発する蛍光体を有する照明光学系において、光学部品が少なく小型の照明光学系が望まれる。
　本発明の一態様における照明光学系は、第１の波長の光を射出する光源と、蛍光体ユニットと、光学素子と、光学素子と前記蛍光体ユニットとの間の光路上に設けられた１／４波長板と、を備える。蛍光体ユニットは、第１の波長の光の照射によって第１の波長と異なる波長の蛍光を発する蛍光体が設けられた蛍光体領域と、第１の波長の光を反射する反射領域とを有する。蛍光体ユニットは、光源からの光が蛍光体領域および反射領域に順次照射されるように可動する。光学素子は、第１の波長の光を第１の直線偏光成分と第１の直線偏光成分に直交する第２の直線偏光成分とに分離し、光源から射出された光の第１の直線偏光成分を蛍光体ユニットに導く。光学素子には、反射領域で反射された光および蛍光体領域で発せられた光が再び入射する。光学素子は、反射領域で反射した第１の波長の光および蛍光体領域で発せられた蛍光を同一の方向に出射する。
　本発明のプロジェクタは、上記の照明光学系を備えている。
　上記構成によれば、蛍光体ユニットで反射した第１の波長の光と蛍光体から発せられた蛍光とが同一の光路および光学系を通る。したがって、照明光学系の構成部品が少なくなり、照明光学系のサイズも小さくなる。
　本発明の上記及び他の目的、特徴、利点は、本発明を例示した添付の図面を参照する以下の説明から明らかとなろう。
本発明の第１の実施形態に係る照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示す模式図である。 図１に示す蛍光体ユニットにおける、光源からの光が照射される一面を示す平面図である。 第１の実施形態に係る照明光学系が有する光学素子の光の透過特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る照明光学系が有する光学素子の光の透過特性を示すグラフである。
　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、本発明の第１の実施形態における照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示している。プロジェクタは、照明光学系１０と、照明光学系１０からの光を空間変調する画像形成素子２２と、画像形成素子２２によって空間変調された光を投射する投射レンズ２４と、を有する。
　照明光学系１０は、第１の波長の光を射出する光源１１と、光学素子１３と、１／４波長板１４と、蛍光体ユニット１６とを有している。蛍光体ユニット１６は、第１の波長の光の照射により蛍光を発する蛍光体を有する。光源１１は、照明光学系１０から出射される第１の波長の光を射出するだけではなく、蛍光体に励起光を照射する光源としても機能する。
　１／４波長板１４は、光学素子１３と蛍光体ユニット１６との間に設けられている。照明光学系１０は、必要に応じて、コリメータ１２，１５などを有していても良い。
　図２は蛍光体ユニット１６を励起光の入射側から見た平面図である。蛍光体ユニット１６は、反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃを有する。反射領域１６ａは、少なくとも第１の波長の光を反射する反射膜または鏡を有する領域である。
　図２に示す例では、蛍光体領域は、第１の波長の光の照射によって第１の波長よりも長い第２の波長の光を発する蛍光体が設けられた第１の蛍光体領域１６ｂと、第１の波長の光の照射によって第２の波長よりも更に長い第３の波長の光を発する蛍光体が設けられた第２の蛍光体領域１６ｃとを含んでいる。蛍光体領域１６ｂ，１６ｃにおいて、蛍光体は光を反射する反射面上に設けられている。
　本実施形態では、フルカラーの画像を表示できるプロジェクタを構成するため、第１の波長の光は青色光であり、第２の波長の光は緑色光であり、第３の波長の光は赤色光である。
　蛍光体ユニット１６は、光源１１からの光の照射スポットＳが反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃに時分割的に照射するように可動する。具体的には、蛍光体ユニット１６は、反射領域および蛍光体領域が設けられた一面に直交する回転軸２８まわりに回転自在に構成されている。蛍光体ユニット１６は、モータ１７により回転駆動させられる。光源１１からの光は、蛍光体ユニット１６の回転により、反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃを順次照射する。
　図２に示す例では、反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃは、概ね、所定の大きさの中心角を有する扇形の領域になっている。反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃの各々の中心角の割合は、光源１１からの光が照射される時間の割合と一致する。したがって、照明光学系の用途などに応じて、反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃの大きさ、ここでは中心角が設定される。
　本実施形態では、プロジェクタの投射レンズ２４を通ってスクリーンに投写される光の強度および色度座標に基づいて、反射領域１６ａおよび各蛍光体領域１６ｂ，１６ｃの大きさを決定することができる。特に、反射領域１６ａおよび蛍光体領域１６ｂ，１６ｃの中心角の割合は、各色の光が合成されて成る白色の強度および色度を考慮して決定されることが好ましい。
　光学素子１３は、光源１１から射出された光の第１の直線偏光成分を蛍光体ユニット１６に導く。蛍光体ユニット１６で反射された光および蛍光体により発せられた光は、再び光学素子１３に入射する。光学素子１３は、蛍光体ユニット１６で反射した第１の波長の光および蛍光体ユニット１６で発生した第２の波長の光を同一の方向に出射する。
　このような光学素子１３として、所定の分光透過特性を有するダイクロイックミラーを用いることができる。
　上記の実施形態では、第１の直線偏光成分は、ダイクロイックミラー１３に対する入射面に直交するＳ偏光成分である。第２の直線偏光成分は、ダイクロイックミラー１３に対する入射面に平行なＰ偏光成分である。
　図３は、ダイクロイックミラー１３の分光透過率特性と、光源１１から発せられた光のスペクトルを示している。ダイクロイックミラー１３は、４５０ｎｍ程度の波長の青色光のＳ偏光成分を反射し、青色光のＰ偏光成分を透過する特性を持っている。これにより、ダイクロイックミラー１３は、光源１１から射出された光を、Ｓ偏光成分と、該Ｓ偏光成分に直交するＰ偏光成分とに分離することができる。ダイクロイックミラー１３は、実質的にＳ偏光成分のみを蛍光体ユニット１６に導く。
　より具体的には、ダイクロイックミラー１３は、Ｓ偏光成分に関して、青色光の波長以下の波長の光を反射し、青色光よりも十分に長い波長の光を透過する。さらに、ダイクロイックミラー１３は、Ｐ偏光成分に関して、青色光の波長より十分に短い波長の光を反射し、青色光の波長以上の波長の光を透過する。これにより、ダイクロイックミラー１３は、青色光の波長帯において、Ｓ偏光成分を反射してＰ偏光成分を透過する。光源１１から射出される光のスペクトルは、この青色光の波長帯に属する。
　ダイクロイックミラー１３は、屈折率のそれぞれ異なる誘電体の多層膜により構成することができる。図３に示す分光反射特性を有するダイクロイックミラーは、それぞれの誘電体膜の屈折率および膜厚や誘電体の積層数などを適宜調整して、所望のカットオフ波長を決定することで容易に製造される。
　本実施形態では、光源１１は、実質的にＳ偏光成分のみを有する光を射出するものであることが好ましい。これにより、光源１１からの光の大部分が、ダイクロイックミラー１３を介して蛍光体ユニット１６に導かれる。したがって、照明光学系１０の光の利用効率が向上する。このような光源１１として、青色の波長、例えば４５０ｎｍ付近の波長の光を射出する青色レーザを用いることができる。
　蛍光体を励起する青色励起光の光源がレーザであると、励起光の照射スポットＳを非常に小さい面積にすることができる。これにより、蛍光体ユニット１６への放射面積が小さくなり、エテンデューが小さく高効率の照明光学系を構成することができる。
　次に、図１に示す構成の照明光学系における光の光路について説明する。光源１１から発せられた光は、コリメータ１２により平行光にされる。この平行光のＳ偏光成分は、ダイクロイックミラー１３で反射して、蛍光体ユニット１６の方に導かれる。
　図１では、コリメータ１２は１つのレンズにより構成されているが、コリメータ１２は複数のレンズから構成されるレンズ系であっても良い。
　ダイクロイックミラー１３で反射したＳ偏光は、１／４波長板１４およびコリメータ１５を通って蛍光体ユニット１６に入射する。Ｓ偏光は１／４波長板１４により円偏光にされ、この円偏光が蛍光体ユニット１６の反射領域１６ａまたは蛍光体領域１６ｂ，１６ｃに集光される。
　図１では、コリメータ１５は２つのレンズにより構成されたレンズ系であるが、コリメータ１５は、１つのレンズであっても良く、３つ以上のレンズから構成されるレンズ系であっても良い。
　第１の波長の光が蛍光体ユニット１６の第１の蛍光体領域１６ｂに入射すると、蛍光体から緑色光が発せられる。この緑色光は、蛍光体ユニット１６に入射する青色光の光路上を逆方向に進行し、コリメータ１５により平行光にされる。
　平行光にされた緑色光は、１／４波長板１４を透過し、再びダイクロイックミラー１３に入射する。なお、蛍光体から発せられたランバート拡散光は、偏光していない光、いわゆるランダム偏光であるため、１／４波長板１４を透過しても光の偏光状態は変化しない。
　緑色光は、図３に示すようにダイクロイックミラー１３を透過する。したがって、緑色光は、光源１１が配された位置とは異なる方向に出射される。
　第１の波長の光が蛍光体ユニット１６の第２の蛍光体領域１６ｃに入射すると、蛍光体から赤色光が発せられる。この赤色光は、第１の蛍光体領域１６ｂから発せられた緑色光と同じ光路を通って再びダイクロイックミラー１３に入射する。赤色光は、図３に示すようにダイクロイックミラー１３を透過する。したがって、赤色光は、緑色光と同じ方向へ出射される。
　光源１１から蛍光体ユニット１６に導かれた青色光が蛍光体ユニット１６の反射領域１６ａに入射すると、青色光は反射する。反射した青色光は、蛍光体領域１６ｂ，１６ｃで発せられた赤色光および緑色光と同様の光路を通って、コリメータレンズ１５および１／４波長板１４を透過する。
　反射領域１６ａで反射した青色光は、１／４波長板１４により円偏光からＰ偏光とされ、ダイクロイックミラー１３に入射する。Ｐ偏光の青色光は、図３に示すようにダイクロイックミラーを透過する。したがって、反射領域１６ａで反射した青色光は、緑色光および赤色光と同じ光路を通って照明光学系１０から出射される。
　上記のように、青色の波長域の光に対して、ダイクロイックミラー１３は偏光ビームスプリッタとして機能する。これにより、蛍光体ユニットの反射領域１６ａで反射した青色光は、光源１１とは異なる方向、つまり緑色光および赤色光と同一の方向に出射される。
　上記の構成によれば、蛍光体ユニット１６の反射領域１６ａで反射した青色光と、蛍光体領域１６ｂ，１６ｃから発せられた赤色光および緑色光は、全て同一の光学系を通る。したがって、光の波長ごとに別々の光学系を用いる必要が無いため、照明光学系１０の構成部品が少なくなり、照明光学系のサイズも小さくなる。
　照明光学系１０のダイクロイックミラー１３を通過した光は、インテグレータ１８、フィールドレンズ１９、ミラー２０、コンデンサーレンズ２１およびＴＩＲプリズム２３を介して、画像形成素子２２に照射される。インテグレータ１８、フィールドレンズ１９およびコンデンサーレンズ２１などは、画像形成素子２２に矩形かつ均一に光を照明するために設けられている。インテグレータ１８、フィールドレンズ１９、ミラー２０およびコンデンサーレンズ２１は、照明光学系の構成要素であっても良い。
　ＴＩＲプリズム２３に入射した光は、プリズム中のエアギャップ面２３ａで反射して進行方向を変え、画像形成素子２２に向けて出射される。ミラー２０およびＴＩＲプリズム２３により、画像形成素子２２に入射する光線の角度が適宜調整される。
　本実施形態のプロジェクタでは、反射型の画像形成素子２２が用いられている。ここでは、反射型の画像形成素子２２としてＤＭＤを用いる。なお、画像形成素子２２は、ＤＭＤの代わりに、透過型の画像形成素子である液晶パネル（ＬＣＤ）を用いることもできる。
　ＤＭＤは、微小のミラー要素を画素数分有している。各々のミラー要素は、回転軸まわりに所定の角度だけ回動可能に構成されている。本例では、ミラー要素は±１２度回動する。
　＋１２度傾いたミラー要素に入射する光は、投写レンズ２４が配置された方向に反射される。投射レンズ２４に入射した光はプロジェクタの外部へ投射される。－１２度傾いたミラー要素に入射する光は、投写レンズ２４が配置されていない方向に反射される。このようにして、各々のミラー要素は、各画素に対応する光をプロジェクタの外部へ投射するか否かを選択する。ＤＭＤが各色の光に対してこの制御を行うことで、プロジェクタはカラー画像をスクリーンに表示することができる。
　投写レンズ２４は拡大投写光学系から構成することができる。照明光学系１０からの各色の光は時分割的に画像形成素子２２に入射する。画像形成素子２２に入射した各色の光は、入力された画像情報に応じて空間変調されて画像光とされる。空間変調された画像光は投写レンズ２４によりスクリーンに投写される。
　図４は本発明の第２の実施形態に係る照明光学系４０を備えたプロジェクタの構成を示す模式図である。プロジェクタは、照明光学系４０と、照明光学系４０からの光を空間変調する画像形成素子２２と、画像形成素子２２によって空間変調された光を投射する投射レンズ２４と、を有する。
　照明光学系４０は、第１の波長の光を射出する光源４１と、光学素子４３と、１／４波長板１４と、蛍光体ユニット１６とを有している。１／４波長板１４は、光学素子４３と蛍光体ユニット１６との間に設けられている。照明光学系４０は、必要に応じて、コリメータ１２，１５などを有していても良い。
　第２の実施形態における光源４１は、Ｐ偏光の励起光を射出する青色レーザであることが好ましい。光源４１からの光はコリメータ１２により平行光にされて、光学素子としてのダイクロイックミラー４３に入射する。
　図５は、ダイクロイックミラー４３の分光透過率特性と、光源４１から発せられた光のスペクトルを示す。ダイクロイックミラー４３は、青色光のＰ偏光成分を透過し、青色光のＳ偏光成分を反射する特性を持っている。これにより、ダイクロイックミラー４３は、光源４１から射出された光を、第１の直線偏光成分としてのＰ偏光成分と、第２の直線偏光成分としてのＳ偏光成分とに分離することができる。本実施形態では、ダイクロイックミラー４３は実質的に第１の直線偏光成分としてのＰ偏光成分のみを蛍光体ユニット１６に導く。
　具体的一例として、ダイクロイックミラー４３は、Ｐ偏光成分に関して、青色光の波長以下の波長の光を透過し、青色光の波長より十分長い波長の光を反射する。さらに、ダイクロイックミラーは、Ｓ偏光成分に関して、青色光の波長より十分短い波長の光を透過し、青色光の波長以上の波長の光を反射する。これにより、ダイクロイックミラー４３は、青色光の波長帯において、Ｓ偏光成分を反射してＰ偏光成分を透過する。光源４１から射出される光のスペクトルは、この青色光の波長帯に属する。
　ダイクロイックミラー４３は、屈折率のそれぞれ異なる誘電体の多層膜により構成することができる。図５に示す分光反射特性を有するダイクロイックミラー４３は、それぞれの誘電体膜の屈折率および膜厚や誘電体の積層数などを適宜調整して、所望のカットオフ波長を決定することで容易に製造される。
　ダイクロイックミラー４３を透過した青色光のＰ偏光成分は、１／４波長板１４およびコリメータレンズ１５を透過して蛍光体ユニット１６に入射する。Ｐ偏光は１／４波長板１４により円偏光にされ、この円偏光が蛍光体ユニット１６に集光される。
　蛍光体ユニット１６の構成は、第１の実施形態のものと同様である。光源４１からの青色光が、蛍光体ユニット１６の蛍光体領域１６ｂ，１６ｃに入射したとき、青色光の波長よりも長い波長の光が蛍光体から発せられる。本実施形態では、蛍光体領域１６ｂ，１６ｃに塗布された蛍光体は、緑色光または赤色光を発する。
　蛍光体から発せられた光は、コリメータレンズ１５により平行光となり、１／４波長板１４を透過して再びダイクロイックミラー４３に入射する。図５に示すように、ダイクロイックミラー４３は赤色光および緑色光を反射する。これにより、蛍光体領域１６ｂ，１６ｃから発せられた赤色光および緑色光は、ダイクロイックミラー４２で反射して、照明光学系４０から同方向に出射される。
　光源４１からの青色光が蛍光体ユニット１６の反射領域１６ａに入射すると、青色光が反射して、赤色光および緑色光と同様の光路を通って、コリメータレンズ１５および１／４波長板１４を透過する。
　この青色光は、１／４波長板１４により円偏光からＳ偏光の光とされてダイクロイックミラー４３に入射する。図５に示すように、ダイクロイックミラー４３はＳ偏光の励起光を反射する。したがって、反射領域１６ａで反射された青色光は、赤色光および緑色光と同じ光路を通って照明光学系４０から出射される。
　上記の構成によれば、光の波長ごとに別々の光学系を用いる必要が無いため、照明光学系４０の構成部品が少なくなり、照明光学系のサイズも小さくなる。
　照明光学系４０のダイクロイックミラー４３で反射した光は、インテグレータ１８、ミラー２０、フィールドレンズ１９、コンデンサーレンズ２１およびＴＩＲプリズム２３を介して、画像形成素子２２に照射される。画像形成素子２２により画像光とされた光は、投写レンズ２４によりスクリーンに拡大投写される。画像形成素子２２としては、第１の実施形態と同様にＤＭＤを用いることができる。
　インテグレータ１８、フィールドレンズ１９およびコンデンサーレンズ２１などは、画像形成素子２２に矩形かつ均一に光を照明するために設けられている。インテグレータ１８、ミラー２０、フィールドレンズ１９およびコンデンサーレンズ２１は、照明光学系４０の構成要素であっても良い。
　上記第１および第２の実施形態における蛍光体ユニット１０，４０は、２種類の蛍光体領域１６ｂ，１６ｃを有している。これに限らず、蛍光体ユニットは、１種類または３種類以上の蛍光体領域を有していても良い。各蛍光体領域から発せられる光の波長は、照明光学系の用途に応じて適宜選択される。
　反射領域および１種類のみの蛍光体領域を有する蛍光体ユニットを備えた照明光学系では、光源が発する光と蛍光体により発せられる蛍光を同一の光路を通して同一の方向に出射することができる。したがって、光源が発する光と蛍光体からの蛍光との２種類の光を出射する照明光学系において、構成部品の数を低減し、サイズを小さくすることができる。このような照明光学系を用いてフルカラーを表示するプロジェクタを構成する場合、もう１つ別の光源を用いれば良い。
　以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
１０，４０　プロジェクタ
１１，４１　光源
１２　　　　コリメータ
１３，４３　ダイクロイックミラー（光学素子）
１４　　　　１／４波長板
１５　　　　コリメータ
１６　　　　蛍光体ユニット
１６ａ　　　反射領域
１６ｂ　　　蛍光体領域
１６ｃ　　　蛍光体領域
１７　　　　モータ
１８　　　　インテグレータ
１９　　　　フィールドレンズ
２０　　　　ミラー
２１　　　　コンデンサーレンズ
２２　　　　画像形成素子
２３　　　　ＴＩＲプリズム
２３ａ　　　エアギャップ面
２４　　　　投射レンズ

Claims (10)

  1. 　第１の波長の光を射出する光源と、
    　前記第１の波長の光の照射によって前記第１の波長と異なる波長の蛍光を発する蛍光体が設けられた蛍光体領域と前記第１の波長の光を反射する反射領域とを有し、前記光源からの光が前記蛍光体領域および前記反射領域に順次照射されるように可動する蛍光体ユニットと、
    　前記第１の波長の光を第１の直線偏光成分と前記第１の直線偏光成分に直交する第２の直線偏光成分とに分離し、前記光源から射出された光の前記第１の直線偏光成分を前記蛍光体ユニットに導き、前記反射領域で反射された光および前記蛍光体領域で発せられた光が再び入射する光学素子と、
    　前記光学素子と前記蛍光体ユニットとの間の光路上に設けられた１／４波長板と、を備え、
    　前記光学素子は、前記反射領域で反射した前記第１の波長の光および前記蛍光体領域で発せられた前記蛍光を同一の方向に出射する、照明光学系。
  2. 　前記光源からの光の前記第１の直線偏光成分は、前記１／４波長板を通過して円偏光とされ、該円偏光が前記蛍光体ユニットに入射する、請求項１に記載の照明光学系。
  3. 　前記光学素子は、前記第１の波長の光の前記第１の直線偏光成分を反射し、前記第１の波長の光の前記第２の直線偏光成分および前記蛍光を透過する、請求項１または２に記載の照明光学系。
  4. 　前記第１の直線偏光成分は前記光学素子に対する入射面に直交するＳ偏光成分であり、前記第２の直線偏光成分は前記入射面に平行なＰ偏光成分である、請求項３に記載の照明光学系。
  5. 　前記光学素子は、前記第１の波長の光の前記第１の直線偏光成分を透過し、前記第１の波長の光の前記第２の直線偏光成分および前記蛍光を反射する、請求項１または２に記載の照明光学系。
  6. 　前記第１の直線偏光成分は前記光学素子に対する入射面に平行なＰ偏光成分であり、前記第２の直線偏光成分は前記入射面に直交するＳ偏光成分である、請求項５に記載の照明光学系。
  7. 　前記光源は、前記第１の直線偏光成分を有する青色光を射出するレーザである、請求項１から６のいずれか１項に記載の照明光学系。
  8. 　前記反射領域および前記蛍光体領域が設けられた一面に直交する回転軸まわりに前記蛍光体ユニットを回転駆動させるモータを有している、請求項１から７のいずれか１項に記載の照明光学系。
  9. 　前記蛍光体領域は、前記第１の波長の光の照射によって前記第１の波長よりも長い第２の波長の蛍光を発する第１の領域と、前記第１の波長の光の照射によって前記第２の波長よりもさらに長い第３の波長の蛍光を発する第２の領域と、を含んでいる、請求項１から８のいずれか１項に記載の照明光学系。
  10. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の照明光学系を備えたプロジェクタ。
PCT/JP2011/056525 2011-03-18 2011-03-18 蛍光体を備えた照明光学系およびプロジェクタ WO2012127554A1 (ja)

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