JP5861348B2 - 照明光学系及び投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光を出射する照明光学系、及び前記照明光学系を有する投射装置に関する。

近年、大画面のディスプレイ装置が急速に普及してきており、それらを用いて会議やプレゼンテーション、研修等が行われている。

ディスプレイ装置としては液晶やプラズマ等様々なものがあり、場所の広さや参加人数等によって適当なものが選択されている。中でもスクリーン等の投影面に画像を投影して拡大表示できる投射装置（以降、「プロジェクタ」と称する場合がある）は比較的安価で可搬性にも優れているため（すなわち、小型軽量で持ち運びやすいため）、最も広く普及している大画面ディスプレイ装置といえる。

そのような背景の中で、最近ではコミュニケーションの必要な場面や状況が益々増えている。例えば、オフィスにおいても小さな会議室や、パーテイション等で仕切られた打合せスペースが数多く設けられ、プロジェクタを使った会議や打合せ等が頻繁に行われるようになった。更には、会議室等が空いていなくても、例えば通路等の空きスペースの壁等にプロジェクタで情報を投射表示しながら打合せをしたいという要求も多い。

このようなプロジェクタにおいて、従来は例えば超高圧水銀ランプなど高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であった。しかし、近年、光源として赤、緑、青の発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬ等の固体発光素子を用いたものも多数提案されている。

例えば、青色の蛍光体、緑色の蛍光体、及び青色の蛍光体をそれぞれ励起させる発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源を複数用意し、各色の蛍光色を独立に生成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、光源と、光源から照射される光を受けて所定の波長域光を発光する蛍光体の層が配置された回転体と、回転体を回転させる駆動源と、回転体の回転数を可変制御する回転数制御手段と、回転体の温度を測定する温度測定手段と、を備えた発光装置（照明光学系）が提案されている。この発光装置では、回転数制御手段が、温度測定手段からの温度情報に基づいて、回転体の温度を所定値に保つように、回転体の回転数を可変制御可能に構成されている。

しかしながら、上記発光装置は、励起光源が蛍光体の種類だけ必要である。つまり、光源の数が照明光の数と同じだけ必要となり、発光装置を小型化することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、小型化できる照明光学系を提供することを課題とする。

本照明光学系は、第１の波長の光束を出射する光源と、前記第１の波長の光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光路分割素子と、前記第１の光束と前記第２の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長の第２の波長の光束を発光する蛍光体と、を有し、前記第１の光束と前記第２の光束のうち他方の光束を、前記第２の波長の光束とともに照明光とし、前記光路分割素子は、入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持された１／２波長板と、偏光分離素子と、を含み、前記１／２波長板を前記光軸回りに回転させることにより、前記入射光束の分割比を調整可能に構成されていることを要件とする。

開示の技術によれば、小型化できる照明光学系を提供できる。

第１の実施の形態に係る照明光学系を例示する図である。 ダイクロイックミラーの反射透過特性を例示する図（その１）である。 第２の実施の形態に係る投射装置を例示する図である。 第３の実施の形態に係る照明光学系を例示する図である。 第４の実施の形態に係る投射装置を例示する図である。 ダイクロイックミラーの反射透過特性を例示する図（その２）である。 第４の実施の形態の変形例に係る投射装置を例示する図である。 １／２波長板と偏光ビームスプリッタを用いた光路分割素子を例示する図（その１）である。 １／２波長板と偏光ビームスプリッタを用いた光路分割素子を例示する図（その２）である。 １／２波長板の回転角と偏光ビームスプリッタのＰ偏光成分の透過率との概略関係を例示する図である。 ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタを用いた光路分割素子を例示する図（その１）である。 ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタを用いた光路分割素子を例示する図（その２）である。 入射側の全面に反射領域が形成された光路分割素子を配置した光路を例示する図である。 入射側の一部に反射領域が形成された光路分割素子を配置した光路を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る照明光学系を例示する図である。図１を参照するに、照明光学系１０は、大略すると、光源１１と、コリメートレンズ１２と、ハーフミラー１３と、ダイクロイックミラー１４と、集光レンズ１５と、回転体１６と、緑蛍光体１７と、ミラー１８と、ダイクロイックミラー１９とを有する。

照明光学系１０において、光源１１は、青色帯域（例えば、４００〜４５０ｎｍ）の波長を含む光束を出射する機能を有する。光源１１としては、例えば、青色帯域（例えば、４００〜４５０ｎｍ）の波長を含む光束を出射するレーザや発光ダイオード等を用いることができる。

なお、以降、青色帯域（例えば、４００〜４５０ｎｍ）の波長を含む光束を単に青色光と称する場合がある。又、緑色帯域（例えば、４９５〜５７０ｎｍ）の波長を含む光束を単に緑色光と称する場合がある。又、赤色帯域（例えば、６２０〜７５０ｎｍ）の波長を含む光束を単に赤色光と称する場合がある。

光源１１から出射された光束１１ａは、コリメートレンズ１２により集光され、ハーフミラー１３に入射する。そして、ハーフミラー１３に入射した光束１１ａの一部はハーフミラー１３を透過して直進し（光束１１ｂ）、一部はでハーフミラー１３で光路変換される（光束１１ｃ）。ハーフミラー１３は、透過光である光束１１ｂと反射光である光束１１ｃとが所望の光量比となるように、入射した光束１１ａを分割する機能を有する。ハーフミラー１３は、本発明に係る光路分割素子の代表的な一例である。

光路分割素子としてハーフミラー１３を用いることにより、光源１１から発する光束１１ａを、光束１１ａの形状を保ったままパワーのみを調整した光束１１ｂ及び１１ｃに分離できる。すなわち、コリメートレンズ１２から出た平行光のプロファイルを変形せずに、光束１１ａを光束１１ｂ及び１１ｃに分離できる。

光束１１ｃは、ダイクロイックミラー１４を透過して、集光レンズ１５により緑蛍光体１７上に集光され、緑蛍光体１７を略垂直方向から照射する。緑蛍光体１７は、例えば、円盤状の回転体１６上に円環状に形成されており、円環状の緑蛍光体１７の中心を回転中心として回転体１６とともに駆動部（図示せず）に回転駆動される。回転体１６の回転駆動により、緑蛍光体１７上の励起光である光束１１ｃの照射位置が刻々と変化するため、励起光が一箇所に集中することによる緑蛍光体１７の損傷を防ぐことができる。

緑蛍光体１７は、青色以下の短波長の光の照射によって励起され、緑色光（蛍光１１ｄ）を発生する。蛍光１１ｄは、光束１１ｃと逆の光路を通って、集光レンズ１５により集光される。集光された蛍光１１ｄは、ダイクロイックミラー１４によって反射されてダイクロイックミラー１９に入射する。

ダイクロイックミラー１４は、例えば、図２（ａ）に示すように、緑色光を反射し、青色光及び赤色光を透過する反射透過特性を有している。そのため、青色光である光束１１ｃを透過し、緑色光である蛍光１１ｄを反射するので、光束１１ｃと蛍光１１ｄとを分離できる。

一方、ハーフミラー１３を透過した光束１１ｂは、ミラー１８で折り返されて、ダイクロイックミラー１９に入射する。

光源２１は、赤色光を出射する機能を有する。光源２１としては、例えば、赤色光を出射するレーザや発光ダイオード等を用いることができる。光源２１から出射された光束２１ａは、コリメートレンズ２２により集光されダイクロイックミラー１４に入射する。そして、光束２１ａは、ダイクロイックミラー１４を透過して直進し、ダイクロイックミラー１９に入射する。

ダイクロイックミラー１９に入射した光束１１ｂ、蛍光１１ｄ、及び光束２１ａは、ダイクロイックミラー１９で合成される。ダイクロイックミラー１９は、例えば、図２（ｂ）に示すように、青色光を透過し、それ以外の波長の光を反射する反射透過特性を有している。そのため、青色光である光束１１ｂを透過し、緑色光である蛍光１１ｄ及び赤色光である光束２１ａを反射するので、光束１１ｂ、蛍光１１ｄ、及び光束２１ａを合成できる。

このようにして、ダイクロイックミラー１９により、青色光である光束１１ｂ、緑色光である蛍光１１ｄ、及び赤色光である光束２１ａが合成され、カラー照明光を得ることができる。

なお、図１では、励起光（光束１１ｃ）を緑蛍光体１７が反射する反射型の実施形態としたが、透明基板上に緑蛍光体１７を設け、緑蛍光体１７に光束１１ｃを照射して、緑蛍光体１７を透過した光を照射光側と反対側から取り出すようにしてもよい。この場合は、光束１１ｃと蛍光１１ｄを分離するダイクロイックミラー１４は不要となり、緑蛍光体１７を透過した光をダイクロイックミラー１９へ導いて光束１１ｂ及び２１ａと合成すればよい。

このように、本実施の形態は、緑蛍光体１７が励起光（光束１１ｃ）を反射する場合には限定されず、緑蛍光体１７が励起光（光束１１ｃ）を透過する場合にも適用できる。

なお、緑蛍光体１７を透過した蛍光１１ｄを照明光として利用する場合は、励起光（光束１１ｃ）と蛍光１１ｄとが混ざり合う虞がある。そのような場合は、励起光（光束１１ｃ）と蛍光１１ｄとを分離する別のダイクロイックミラー等を用いることにより、蛍光１１ｄの純度を上げることができる。

ここで、ハーフミラー１３へ入射する入射光束の分割比について説明する。緑蛍光体１７への励起光（光束１１ｃ）のパワーＩｉｎに対して、緑蛍光体１７の発光パワーＩｏｕｔの比率、η＝Ｉｉｎ／Ｉｏｕｔが発光効率として予め与えられるとする。発光効率は、蛍光体の特性や環境温度により変化する。従って、蛍光体の特性や環境温度に応じて設定するべき値であり、照明光学系を構築する上での設計条件の１つとなる。蛍光体の特性や環境温度の条件に応じ、つまり、ηの値に応じて、光束１１ｂと光束１１ｃとが所望の割合となるように、光束１１ａを分割することができる。

具体例として、本実施の形態では、η＝６０％とした場合を想定して説明する。ハーフミラー１３の透過率特性については、青色光についての透過と反射を所望の割合に設定している。例えば、ハーフミラー１３は、青色光について透過率２０％、反射率８０％の特性を有している。

ハーフミラー１３は、例えば、入射面側に金属や誘電体を成膜することにより作製できるが、成膜技術の向上により、損失を限りなく低く押さえることができる。現実には製造ばらつき等により、透過光と反射光の合計が１００％にならない場合もあるが、本発明の本質ではないので、ここでは透過光と反射光の合計が１００％になるとする。

このとき、光源１１のパワーが１０Ｗであるとすると、光束１１ａは１０Ｗとなる。反射光である光束１１ｃは１０Ｗ×０．８（８０％）＝８Ｗとなり、８Ｗが緑蛍光体１７の励起光として利用される。又、透過光である光束１１ｂは１０Ｗ×０．２（２０％）＝２Ｗとなり、２Ｗが青色帯域の波長の照明光として利用される。実際は、光学系の損失等があり、緑蛍光体１７上ではこの値以下となるが、本発明の本質ではないため、ここでは損失分は無視する。

以上の条件で、光源１１のパワーが１０Ｗであれば、損失を無視すると、青色光のパワーが２Ｗ、緑蛍光体１７の励起光パワーが８Ｗとなるように、入射光束がハーフミラー１３で分割される。このエネルギー値で実際の発光波長に応じた視感度特性を加味して必要な明るさを得るようにしている。

ダイクロイックミラー１９で合成された青色光である光束１１ｂ、緑色光である蛍光１１ｄ、及び赤色光である光束２１ａを全体で白色とするためには、光束１１ｂ及び蛍光１１ｄのそれぞれの出力に応じて、赤色光の光源である光源２１の出力を設定すればよい。

非常に単純な見積もりを行うと、光源１１の発光中心波長が４５０ｎｍであれば、青色光（光束１１ｂ）の最大の明るさは、２Ｗ×０．０３８×６３８（ｌｍ／Ｗ）＝４８．５ｌｍとなる。ここで、０．０３８は４５０ｎｍの時のＹ刺激値である。

一方、緑蛍光体１７への励起光（光束１１ｃ）のパワーは８Ｗとなるが、変換効率η＝６０％であること、及び、蛍光波長はブロードな特性を有することを考慮して緑色のＹ刺激値を０．７５程度として見積もることができる。その結果、緑色光（蛍光１１ｄ）の最大の明るさは、８Ｗ×６０％×０．７５×６３８（ｌｍ／Ｗ）＝２２９７ｌｍとなる。

光源２１から出射される赤色光の明るさは、青色光（光束１１ｂ）の最大の明るさ＝４８．５ｌｍと、緑色光（蛍光１１ｄ）の最大の明るさ＝２２９７ｌｍとを考慮して、ホワイトバランスが取れるように設定することができる。実際は、青色光と緑色光とは照明効率が異なる場合があるので、必要に応じて、照明効率を考慮してハーフミラー１３の透過率及び反射率の配分を設定すればよい。

このように、第１の実施の形態に係る照明光学系１０では、光源１１から出射される青色光をハーフミラー１３により分割する。そして、分割された一方の光束１１ｂを波長変換せずに照明光の１つとして用い、分割された他方の光束１１ｃを励起光として緑蛍光体１７に照射して波長変換された蛍光１１ｄ（緑色光）を照明光の１つとして用いている。そのため、光源の数を照明光の数よりも少なくすることが可能となり、照明光学系１０の小型化を実現できる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、投射装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る投射装置を例示する図である。図３を参照するに、投射装置３０は、大略すると、光源１１と、コリメートレンズ１２と、ハーフミラー１３と、ダイクロイックミラー１４と、集光レンズ１５と、回転体１６と、緑蛍光体１７と、ミラー１８と、緑パネル３１と、青パネル３２と、赤パネル３３と、ダイクロイックプリズム３４と、投射レンズ３５とを有する。

投射装置３０において、第１の実施の形態と同様にして生成された蛍光１１ｄは、青色光である光束１１ｃと逆の光路をたどって、集光レンズ１５により集光され、ダイクロイックミラー１４によって反射され、緑パネル３１（液晶パネル等の画像パネル）に入射する。緑パネル３１には、入射側及び出射側にそれぞれ偏光板３１ａ及び３１ｂが配置されており、偏光板３１ａ及び３１ｂで偏光を整形し、画像信号に対応して画素毎に偏光方向を回転させて画素毎の明暗を制御し、画像形成している。

又、ハーフミラー１３を透過した光束１１ｂは、ミラー１８で折り返されて、青パネル３２（液晶パネル等の画像パネル）に入射する。青パネル３２には、入射側及び出射側にそれぞれ偏光板３２ａ及び３２ｂが配置されており、偏光板３２ａ及び３２ｂで偏光を整形し、画像信号に対応して画素毎に偏光方向を回転させて画素毎の明暗を制御し、画像形成している。

光源２１の配置は、第１の実施の形態とは異なる。光源２１から出射された光束２１ａは、コリメートレンズ２２により集光されて、赤パネル３３（液晶パネル等の画像パネル）に入射する。

赤パネル３３には、入射側及び出射側にそれぞれ偏光板３３ａ及び３３ｂが配置されており、偏光板３３ａ及び３３ｂで偏光を整形し、画像信号に対応して画素毎に偏光方向を回転させて画素毎の明暗を制御し、画像形成している。

緑パネル３１上、青パネル３２上、及び赤パネル３３上に形成された各変調光はダイクロイックプリズム３４に入射し、ダイクロイックプリズム３４により３色の光束が合成され、投射レンズ３５により被投斜面（図示せず）に拡大投射される。投射レンズ３５は、複数のレンズを含む光学部品から構成されてもよい。投射レンズ３５は、本発明に係る投射光学系の代表的な一例である。

なお、照明効率を上げるために、各色の光路中の入射側偏光板の前に、偏光を揃える所謂偏光変換素子を設けると好適である。特に、緑色光である蛍光１１ｄは無偏光であり、そのまま偏光板を通過させると光量が半減するので、緑の光路中に偏光変換素子を設けると好適である。

但し、光源１１及び２１がレーザ光源であり、偏光が保たれている場合は、特に偏光変換素子は不要である。光源１１及び２１がＬＥＤ光源の場合は、無偏光であるため、蛍光１１ｄと同様に光路に偏光変換素子を設けると好適である。偏光変換素子は、無偏光の光を直線偏光に変換する機能を有しており、例えば、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）と反射ミラー、１／２波長板を組み合わせることで実現できる。

例えば、ＰＢＳの特性や１／２波長板の特性は、利用する可視光の領域に渡ってバランスよく設定する必要がある。しかしながら、偏光変換素子を各色の照明光路にそれぞれ設けることによって、ＰＢＳの特性や１／２波長板の特性をより高めることが可能となる。つまり、各色の波長に最適化した偏光分離機能を有するＰＢＳや１／２波長板を設けることが可能となり、より偏光変換の効率を上げることができる。

なお、図１のごとく、青色光である光束１１ｂ、緑色光である蛍光１１ｄ、及び赤色光である光束２１ａをダイクロイックミラー１９により合成した後の光路中に偏光変換素子を配置してもよい。この構成では、偏光変換素子を１つにできるため、低コスト化と更なる装置の小型化が可能となる。なお、画素毎にマトリックス状に配列したデジタルミラーデバイス（テキサスインスツルメント社製のＤＭＤ等）に適用する場合は、必ずしも偏光を揃える必要はない。

このように、第２の実施の形態に係る投射装置３０では、照明光学系１０と同様の構成により光源の数を照明光の数よりも少なくしているため、投射装置３０の小型化を実現できる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、１つの光源のみを用いた照明光学系の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図４は、第３の実施の形態に係る照明光学系を例示する図である。図４を参照するに、照明光学系４０は、大略すると、光源１１と、コリメートレンズ１２と、ハーフミラー１３と、ダイクロイックミラー１４と、集光レンズ１５と、回転体１６と、緑蛍光体１７と、ハーフミラー４３と、ダイクロイックミラー４４と、集光レンズ４５と、回転体４６と、赤蛍光体４７と、ハーフミラー４８と、ダイクロイックミラー４９とを有する。

照明光学系４０において、第１の実施の形態と同様にして生成された蛍光１１ｄは、光束１１ｃと逆の光路をたどって、集光レンズ１５により集光され、ダイクロイックミラー１４によって反射される。そして、ダイクロイックミラー４４に入射し、ダイクロイックミラー４４を透過して、ダイクロイックミラー４９に入射する。

なお、ダイクロイックミラー４４は、青色光及び緑色光を透過し、赤色光を反射する反射透過特性を有している。又、ダイクロイックミラー４９は、青色光を透過し、緑色光及び赤色光を反射する反射透過特性を有している。

又、ハーフミラー１３を透過した光束１１ｂの一部はハーフミラー４３を透過して直進し（光束１１ｅ）、一部はハーフミラー４３で光路変換される（光束１１ｆ）。ハーフミラー４３は、透過光である光束１１ｅと反射光である光束１１ｆとが所望の光量比となるように、入射した光束１１ｂを分割する機能を有する。ハーフミラー１３及び４３のそれぞれの反射と透過の配分は、蛍光体で必要な励起パワーや青色照明光として必要なパワー等を考慮して、適宜決定できる。

光束１１ｅは、ミラー４８で折り返されて、ダイクロイックミラー４９に入射する。一方、光束１１ｆは、ダイクロイックミラー４４を透過して、集光レンズ４５により赤蛍光体４７上に集光され、赤蛍光体４７を略垂直方向から照射する。赤蛍光体４７は、例えば、円盤状の回転体４６上に円環状に形成されており、円環状の赤蛍光体４７の中心を回転中心として回転体４６とともに駆動部（図示せず）に回転駆動される。回転体４６の回転駆動により、赤蛍光体４７上の励起光である光束１１ｆの照射位置が刻々と変化するため、励起光が一箇所に集中することによる赤蛍光体４７の損傷を防ぐことができる。

赤蛍光体４７は、青色以下の短波長の光の照射によって励起され、赤色光（蛍光１１ｇ）を発生する。蛍光１１ｇは、光束１１ｆと逆の光路を通って、集光レンズ４５により集光される。集光された蛍光１１ｇは、ダイクロイックミラー４４によって反射されてダイクロイックミラー４９に入射する。

ダイクロイックミラー４９に入射した緑色光である蛍光１１ｄ、青色光である光束１１ｅ、及び赤色光である蛍光１１ｇは、ダイクロイックミラー４９により合成され、カラー照明光を得ることができる。

このように、第３の実施の形態に係る照明光学系４０では、光源１１から出射される青色光をハーフミラー１３により一方の光束１１ｂと他方の光束１１ｃとに分割する。そして、分割された他方の光束１１ｃを励起光として緑蛍光体１７に照射して波長変換された蛍光１１ｄ（緑色光）を照明光の１つとして用いている。

又、分割された一方の光束１１ｂを、更にハーフミラー４３により一方の光束１１ｅと他方の光束１１ｆとに分割する。そして、分割された一方の光束１１ｅを波長変換せずに照明光の１つとして用い、分割された他方の光束１１ｆを励起光として赤蛍光体４７に照射して波長変換された蛍光１１ｇ（赤色光）を照明光の１つとして用いている。

そのため、光源の数を照明光の数よりも少なくすることが可能となり、照明光学系４０の小型化を実現できる。特に、１つの光源からの出射光を分割して２種類の蛍光体に照射して照明光である緑色光及び赤色光を生成すると共に、光源からの出射光も波長変換せずに照明光の１つとして用いているため、より一層、照明光学系４０を小型化できる。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、投射装置の他の例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図５は、第４の実施の形態に係る投射装置を例示する図である。図５を参照するに、投射装置５０は、大略すると、光源１１と、コリメートレンズ１２と、集光レンズ１５と、回転体１６と、緑蛍光体１７と、集光レンズ４５と、回転体４６と、赤蛍光体４７と、ダイクロイックミラー５１と、集光レンズ５２と、ミラー５３と、ダイクロイックミラー５４と、集光レンズ５５と、ミラー５６と、集光レンズ５７と、ミラー５８とを有する。

投射装置５０において、光源１１から出射された光束１１ａは、コリメートレンズ１２により集光され、ダイクロイックミラー５１に入射する。ダイクロイックミラー５１は、図６（ａ）に示すように、青色光の透過率がＴ１であり、緑色光及び赤色光の透過率がほぼ１である特性を有している。

従って、青色光である光束１１ａの（１−Ｔ１）分がダイクロイックミラー５１で反射し（光束１１ｈ）、コリメートレンズ４５により集光され、赤蛍光体４７を照射する。赤蛍光体４７で発生した蛍光１１ｇは、光束１１ｈと逆の光路をたどって、集光レンズ４５により集光されダイクロイックミラー５１に入射し、ダイクロイックミラー５１をほぼ１００％透過する。ダイクロイックミラー５１を透過した蛍光１１ｇは、コリメートレンズ５２により集光され、ミラー５３により反射されて、赤パネル３３上に照明される。

青色光である光束１１ａのＴ１分はダイクロイックミラー５１を透過し（光束１１ｉ）、ダイクロイックミラー５４に入射する。ダイクロイックミラー５４は、図６（ｂ）に示すように、青色光の透過率がＴ２であり、緑色光及び赤色光の透過率がほぼ１である特性を有している。

従って、青色光である光束１１ａの（Ｔ１×（１−Ｔ２））分がダイクロイックミラー５４で反射し（光束１１ｊ）、コリメートレンズ１５により集光され、緑蛍光体１７を照射する。緑蛍光体１７で発生した蛍光１１ｄは、光束１１ｊと逆の光路をたどって、集光レンズ１５により集光されダイクロイックミラー５４に入射し、ダイクロイックミラー５４をほぼ１００％透過する。ダイクロイックミラー５４を透過した蛍光１１ｄは、コリメートレンズ５５により集光されて、緑パネル３１上に照明される。

青色光である光束１１ｉの（Ｔ１×Ｔ２）％分はダイクロイックミラー５４を透過し（光束１１ｋ）、ミラー５６により反射され、コリメートレンズ５７により集光され、ミラー５８により反射されて、青パネル３２上に照明される。

緑パネル３１上、青パネル３２上、及び赤パネル３３上に形成された各変調光はダイクロイックプリズム３４に入射し、ダイクロイックプリズム３４により３色の光束が合成され、投射レンズ３５により被投斜面（図示せず）に投射される。赤色光（蛍光１１ｇ）や緑色光（蛍光１１ｄ）は蛍光なので無偏光である。そこで、第２の実施の形態と同様に、それぞれの光路中に偏光変換素子を設けると好適である。

なお、図５の構成は一例であって、例えば、図７に示すように、最初の分割光で緑蛍光体１７を照射して緑色光である蛍光１１ｄを得るようにしてもよい。

図７に示す投射装置６０では、青色光である光束１１ａをハーフミラー６１で所望の割合で光路分割する。ハーフミラー６１で反射した光束１１ｍは、図５と同様の光路を通って青パネル３２上に照明される。ハーフミラー６１を透過した光束１１ｎの一部は、ダイクロイックミラー５４で反射し（光束１１ｏ）、コリメートレンズ１５により集光され、緑蛍光体１７を照射する。

緑蛍光体１７で発生した蛍光１１ｄは、光束１１ｏと逆の光路をたどって、集光レンズ１５により集光されダイクロイックミラー５４に入射し、ダイクロイックミラー５４をほぼ１００％透過する。ダイクロイックミラー５４を透過した蛍光１１ｄは、コリメートレンズ５５により集光されて、緑パネル３１上に照明される。

ハーフミラー６１を透過した光束１１ｎの一部は、ダイクロイックミラー５４を透過し（光束１１ｐ）、ダイクロイックミラー５１でほぼ１００％反射し（光束１１ｑ）、コリメートレンズ４５により集光され、赤蛍光体４７を照射する。

赤蛍光体４７で発生した蛍光１１ｇは、光束１１ｑと逆の光路をたどって、集光レンズ４５により集光されダイクロイックミラー５１に入射し、ダイクロイックミラー５１をほぼ１００％透過する。ダイクロイックミラー５１を透過した蛍光１１ｇは、図５と同様の光路を通って赤パネル３３上に照明される。

〈変形例１〉
変形例１では、図１等で示したハーフミラーに代替え可能な光路分割素子の例を示す。なお、変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

光源として半導体レーザを用いる場合には、出射光が偏光特性を有するので、出射光が有する偏光特性を利用して、反射光と透過光の比率を自在に変えることができる。以下に、具体的に説明する。

図８及び図９は、１／２波長板と偏光分離素子である偏光ビームスプリッタを用いた光路分割素子を例示する図である。図８及び図９において、（ａ）は光路分割素子を正面方向（光束の入射方向）から見た状態、（ｂ）は光路分割素子を側面方向から見た状態を示している。

通常、半導体レーザから出射された光束は直線偏光である。図８に示すように、１／２波長板７１の偏光軸の方向が偏光ビームスプリッタ７２の偏光軸の方向と一致している場合、半導体レーザからの直線偏光の光束の偏光軸７３は１／２波長板７１を透過後に回転せず、光束は偏光ビームスプリッタ７２を１００％透過する。

一方、図９に示すように、１／２波長板７１の偏光軸を偏光ビームスプリッタ７２の偏光軸に対して回転角θだけ回転させると、半導体レーザからの直線偏光の光束の偏光軸７３は１／２波長板７１を透過後、回転角２θだけ回転する。つまり、１／２波長板７１の偏光軸を偏光ビームスプリッタ７２の偏光軸に対して回転角θだけ回転させると、その回転角の２倍だけ直線偏光の光束の偏光軸７３を回転させることができる。

例えば、１／２波長板７１の偏光軸を偏光ビームスプリッタ７２の偏光軸に対して２２．５度回転させると、半導体レーザからの直線偏光の光束の偏光軸７３は１／２波長板７１を透過後、その２倍の角度である４５度傾く。この光束を偏光ビームスプリッタ７２に入射させると、Ｐ成分として５０％が透過し、Ｓ成分として５０％が反射する。

このように、偏光軸７３が回転した直線偏光を偏光ビームスプリッタ７２に入射させると、偏光軸７３の回転角に応じてＰ偏光成分とＳ偏光成分に光束を分割できる。従って、光路分割素子を１／２波長板と偏光分離素子とで構成し、１／２波長板の回転角を調整することにより、透過光と反射光の割合を調整できる。

図１０は、１／２波長板の回転角と偏光ビームスプリッタのＰ偏光成分の透過率との概略関係を例示する図である。図１０から、必要な透過光（Ｐ偏光成分）の比率に応じて１／２波長板７１の回転角を設定すればよいことがわかる。

ハーフミラーでは、予め透過率が決められているので、設計時と装置構築時のばらつきを吸収できず、設計からずれた配分となる可能性があった。図９に示した光路分割素子を用い、１／２波長板７１が入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持される構造とし、１／２波長板７１を光軸回りに回転させることにより、入射光束の分割比を調整可能となる。これにより、装置を組み上げる際に、１／２波長板７１の回転調整を行い、任意に透過光と反射光の配分を調整できる。

又、１／２波長板７１の回転調整は、照明光の色バランス調整時等、製造時の初期調整にも用いることができる。

又、照明光学系において、経時変化で色バランスが狂った場合、例えば、緑蛍光体の劣化等で緑色出力が低下して青色出力が相対的に上昇した場合等に、１／２波長板７１の回転調整を行うことで、緑蛍光体への励起光のパワーの比率を容易に上げることができる。

〈変形例２〉
変形例２では、図１等で示したハーフミラーに代替え可能な光路分割素子の他の例を示す。なお、変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

変形例１では１／２波長板及びプリズム形の偏光ビームスプリッタを例示したが、変形例２では、これらに代えて、平板型のワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ_ＰＢＳ）を用いる例を示す。ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ_ＰＢＳ）は、平板ガラス上に金線格子等を配置して偏光分離機能を持たせた平板の偏光子である。なお、１／２波長板は必要ない。

図１１及び図１２は、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ_ＰＢＳ）を用いた光路分割素子を例示する図である。図１１及び図１２において、（ａ）は光路分割素子を正面方向（光束の入射方向）から見た状態、（ｂ）は光路分割素子を側面方向から見た状態を示している。

図１１ではＷＧ_ＰＢＳ７５に入射する直線偏光の偏光軸７６に対してＷＧ_ＰＢＳ７５が回転していない状態を示している。図１２ではＷＧ_ＰＢＳ７５に入射する直線偏光の偏光軸７６に対してＷＧ_ＰＢＳ７５が回転角２θだけ回転している状態を示している。この状態で、ＷＧ_ＰＢＳ７５に直線偏光が入射すると、Ｐ偏光成分７６ａはＷＧ_ＰＢＳ７５を透過し、Ｓ偏光成分７６ｂはＷＧ_ＰＢＳ７５で反射する。

このように、ＷＧ_ＰＢＳ７５は、定められた振動方向の直線偏光を透過し、それ以外の振動方向の直線偏光を反射させることができる。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すように、ＷＧ_ＰＢＳ７５は、透過光と反射光を分離するために、入射光の光路に対して４５度傾斜した状態で配置されている。ＷＧ_ＰＢＳ７５を入射光の光路に対して４５度傾斜した面内で回転させることにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを分離できる。

すなわち、図１２（ｂ）に示すようにＷＧ_ＰＢＳ７５を入射光の光路に対して４５度傾斜した状態で、図１２（ａ）に示すように直線偏光の偏光軸７６に対して回転角２θだけ回転させると、その回転角に応じてＳ偏光成分が反射される。回転角２θ＝９０度の場合には、透過光はなくなる。

例えば、透過光と反射光の割合を１：１とするには、ＷＧ_ＰＢＳ７５の回転角を４５度近傍とすればよいが、実際は、ＷＧ_ＰＢＳ７５の吸収等により僅かなＰ偏光の反射成分が存在する場合もあり、透過光と反射光の割合が計算どおりになるとは限らない。そこで、ＷＧ_ＰＢＳ７５が入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持される構造とし、ＷＧ_ＰＢＳ７５を光軸回りに回転させることにより、入射光束の分割比を調整可能となる。これにより、変形例１の効果に加えて、更に、以下の効果を奏する。すなわち、変形例２では１／２波長板を用いる必要がないため、光路分割素子の部品点数を変形例１よりも削減可能となり、光路分割素子の低コスト化及び軽量化に貢献できる。

〈変形例３〉
変形例３では、図１等で示したハーフミラーに代替え可能な光路分割素子の更に他の例を示す。なお、変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

変形例３では、入射側の全面に反射領域が形成された光路分割素子を用いる例を示す。図１３は、入射側の全面に反射領域が形成された光路分割素子を配置した光路を例示する図である。光路分割素子８１は、入射側に反射領域が形成された平板状の部材である。

図１３に示すように、光源１１から出射されコリメートレンズ１２で略平行光となった光束１１ｒの光路上に、光束１１ｒの一部を遮るように光路分割素子８１を所定の角度（例えば、斜め４５度）で配置する。これにより、光束１１ｒのうち光路分割素子８１に入射した部分は光路分割素子８１で反射されて反射光１１ｓとなり、光束１１ｒのうち光路分割素子８１に入射しない部分はそのまま直進し透過光１１ｔとなる。

このように、非常に簡単な構成で、光源１１から出射された光束１１ｒを反射光１１ｓと透過光１１ｔとに分離できる。光路分割素子８１が光束１１ｒの一部を遮る面積を変化させることにより（例えば、光路分割素子８１を図１３の上下方向に移動させることにより）、容易に反射光１１ｓと透過光１１ｔとの割合を調整できる。

なお、光源１１から出射された光束１１ｒは、コリメータレンズ１２により略平行光束となるように集光されることが望ましい。光路分割素子８１の位置が光軸方向にずれた場合にも、反射光１１ｓと透過光１１ｔとの割合が一定に保てるからである。光路分割素子８１は、例えば、透明基板にアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）の反射膜を形成して反射領域を設けたものを用いてもよいし、アルミニウム（Ａｌ）等の光反射率の高い金属プレートを用いてもよい。

光路分割素子８１を用いることにより、非常に安価な構成で光路の分割ができ、更に、容易に反射光１１ｓと透過光１１ｔとの割合を調整できるため、装置全体のコストを低減できる。

但し、透明基板の一部に反射領域を形成した光路分割素子８１を光束１１ｒの光路を全て遮るように斜めに配置し、光束１１ｒを光路分割素子８１の反射領域に反射された反射光１１ｓと、透明基板（反射領域未形成部分）を透過する透過光１１ｔに分割してもよい。この場合には、光路分割素子８１は、例えば、透明基板の一部にアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）の反射膜を形成して反射領域を設けたものを用いることができる。

〈変形例４〉
変形例４では、図１等で示したハーフミラーに代替え可能な光路分割素子の更に他の例を示す。なお、変形例４において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

変形例４では、入射側の一部に反射領域が形成された光路分割素子を用いる例を示す。図１４は、入射側の一部に反射領域が形成された光路分割素子を配置した光路を例示する図である。光路分割素子９１は、入射側の一部に反射領域が形成された平板状の部材である。図１４の例では、光路分割素子９１の入射側の中心部近傍を除く領域（周辺部）には、反射領域が形成されている。つまり、光路分割素子９１の入射側の中心部近傍は透過領域となる。

但し、図１４の例とは反対に、光路分割素子９１の入射側の中心部近傍に反射領域を形成してもよい。この場合には、光路分割素子９１の入射側の中心部近傍を除く領域（周辺部）が透過領域となる。

図１４では透過領域を円形としているが、半導体レーザのファーフィールドパターンは楕円形である場合が多いので、それに合わせて透過領域を楕円形にしてもよい。透過領域を楕円形にすることにより、光束のパワー分布に一定の対称性を持たせることができる。蛍光体への集光素子は通常回転対称形状の曲面をもつレンズであるので、集光スポットを対称形状にしやすい。集光スポットを対称形状にすることで、集光性能を上げることができる。

以上、好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、３０ 照明光学系
１１、２１ 光源
１１ａ〜１１ｗ、２１ａ 光束
１２、２２ コリメートレンズ
１３、４３、６１ ハーフミラー
１４、１９、４４、４９、５１、５４ ダイクロイックミラー
１５、４５、５２、５５、５７ 集光レンズ
１６、４６ 回転体
１７ 緑蛍光体
１８、４８、５３、５６、５８ ミラー
３０、５０、６０ 投射装置
３１ 緑パネル
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ 偏光板
３２ 青パネル
３３ 赤パネル
３４ ダイクロイックプリズム
３５ 投射レンズ
４７ 赤蛍光体
８１、９１ 光路分割素子

特開２０１０‐２１７５６６公報

Claims (5)

1. 第１の波長の光束を出射する光源と、
   前記第１の波長の光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長の第２の波長の光束を発光する蛍光体と、を有し、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち他方の光束を、前記第２の波長の光束とともに照明光とし、
   前記光路分割素子は、入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持された１／２波長板と、偏光分離素子と、を含み、前記１／２波長板を前記光軸回りに回転させることにより、前記入射光束の分割比を調整可能に構成されている照明光学系。
2. 第１の波長の光束を出射する光源と、
   前記第１の波長の光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長の第２の波長の光束を発光する蛍光体と、を有し、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち他方の光束を、前記第２の波長の光束とともに照明光とし、
   前記光路分割素子は、入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持された平板型のワイヤーグリッド偏光子であり、前記ワイヤーグリッド偏光子を前記光軸回りに回転させることにより、前記入射光束の分割比を調整可能に構成されている照明光学系。
3. 第１の波長の光束を出射する光源と、
   前記第１の波長の光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長の第２の波長の光束を発光する蛍光体と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち他方の光束を第３の光束と第４の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第３の光束と前記第４の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長であり、前記第２の波長とは異なる第３の波長の光束を発光する蛍光体と、を有し、
   前記第３の光束と前記第４の光束のうち他方の光束を、前記第２の波長の光束及び前記第３の波長の光束とともに照明光とし、
   夫々の前記光路分割素子は、入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持された１／２波長板と、偏光分離素子と、を含み、前記１／２波長板を前記光軸回りに回転させることにより、前記入射光束の分割比を調整可能に構成されている照明光学系。
4. 第１の波長の光束を出射する光源と、
   前記第１の波長の光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長の第２の波長の光束を発光する蛍光体と、
   前記第１の光束と前記第２の光束のうち他方の光束を第３の光束と第４の光束とに分割する光路分割素子と、
   前記第３の光束と前記第４の光束のうち一方の光束を励起光として、前記第１の波長よりも長波長であり、前記第２の波長とは異なる第３の波長の光束を発光する蛍光体と、を有し、
   前記第３の光束と前記第４の光束のうち他方の光束を、前記第２の波長の光束及び前記第３の波長の光束とともに照明光とし、
   夫々の前記光路分割素子は、入射光束の光軸回りに回転調整可能な状態で保持された平板型のワイヤーグリッド偏光子であり、前記ワイヤーグリッド偏光子を前記光軸回りに回転させることにより、前記入射光束の分割比を調整可能に構成されている照明光学系。
5. 請求項１乃至４の何れか一項記載の照明光学系と、
   前記照明光学系から出射される前記照明光の波長に対応した画像パネルと、
   前記画像パネルで変調された画像情報を拡大投射する投射光学系と、を有する投射装置。

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