JP2015155958A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】使用時の経時変化に伴うホワイトバランスのずれを調整できる照明装置を提供する。
【解決手段】第１の波長帯の励起光を射出する励起光源と、励起光によって励起されることで、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光を射出する蛍光体粒子を含む蛍光体層と、蛍光体層を支持する基材と、基材を並進移動させる移動装置と、を備え、蛍光体層は、蛍光体粒子の量に分布を有し、移動装置は、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が変化するように基材を並進移動させるように構成され、励起光の一部の成分と蛍光とからなる白色の照明光が射出される照明装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。

プロジェクターは、光源部から射出される光を、光変調装置で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。近年、このようなプロジェクターに用いられる照明装置として、固体光源から射出される励起光によって励起した蛍光体から発せられた蛍光と、励起光の一部とを混ぜることで白色光を生成する技術がある（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１２−３９２３号公報

しかしながら、上記照明装置においては、製品出荷前にホワイトバランスのずれを補正できたとしても、使用時の経時変化に起因するホワイトバランスのずれを補正することはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、使用時の経時変化に伴うホワイトバランスのずれを調整することができる照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、この種の照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、第１の波長帯の励起光を射出する励起光源と、前記励起光によって励起されることで、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光を射出する蛍光体粒子を含む蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する基材と、前記基材を並進移動させる移動装置と、を備え、前記蛍光体層は、前記蛍光体粒子の量に分布を有し、前記移動装置は、前記励起光の光路中に含まれる前記蛍光体粒子の量が変化するように前記基材を並進移動させるように構成され、前記励起光の一部の成分と前記蛍光とからなる白色の照明光が射出される照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置の構成によれば、使用時の経時変化に伴って励起光の光量が変化した場合、励起光の入射位置を、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が異なる領域へ移動させることで、蛍光と励起光の一部の成分との光量バランスを調整することができる。これにより、照明光のホワイトバランスのずれを調整することができる。

上記第１態様において、前記蛍光体層は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の濃度とのうち少なくとも一方に分布を有する構成としてもよい。
この構成によれば、励起光の入射位置を移動させることで蛍光体層から射出される蛍光の光量を簡便且つ確実に調整することができる。

上記第１態様において、前記蛍光体粒子の濃度は均一であり、前記蛍光体層は、前記蛍光体層の厚みに分布を有する構成としてもよい。
この構成によれば、蛍光体層の厚みを場所によって異ならせることで、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量を場所によって異ならせることが容易にできる。

上記第１態様において、前記蛍光体層の厚みは均一であり、前記蛍光体層は、前記蛍光体粒子の濃度に分布を有する構成としてもよい。
この構成によれば、蛍光体粒子の濃度を場所によって異ならせることで、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量を場所によって異ならせることが容易にできる。

上記第１態様において、前記照明光の光量を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記移動装置の移動を制御する制御装置と、を備える構成としてもよい。
この構成によれば、照明光のホワイトバランスを一定に保つことができる付加価値の高い照明装置が提供される。

上記第１態様において、前記基材は、所定の回転軸の周りに回転可能である構成としてもよい。
この構成によれば、蛍光体層の特定の領域に対して励起光が連続的に照射されることが抑制されるので、蛍光体の寿命を延ばすことができる。

本発明の第２態様に従えば、本発明の第１態様に係る照明装置と、前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えたプロジェクターが提供される。

第２態様に係るプロジェクターの構成によれば、本発明の第１態様の照明装置を備えているため、ホワイトバランスが一定に保持され、表示品質に優れたプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 第１実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 （ａ）は蛍光体ホイールの構成を示す平面図であり、（ｂ）は断面図である。 センサーユニットの概略構成を示す図である。 偏光変換素子におけるミラーの配置を示す正面図である。 ホワイトバランスの調整の考え方を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）は照明光のホワイトバランス調整の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は変形例に係る蛍光体ホイールの構成図である。 （ａ）、（ｂ）は変形例における照明光のホワイトバランス調整の説明図である。 第２実施形態の照明装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクター１は、照明装置２の光源として、高輝度・高出力の光が得られる半導体レーザーを用いている。
プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を概略備えている。

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

色分離光学系３は、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａと、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

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

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

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

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

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

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

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

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

続いて、照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。
照明装置２は、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、集光レンズ２３と、蛍光体ホイール１０と、ピックアップレンズ４０と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、光量モニター用ミラー４２と、センサーユニット（検出部）４３と、駆動部（移動装置）５０と、制御装置ＣＯＮＴとを備えている。

上記の構成要件のうち、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、集光レンズ２３と、ピックアップレンズ４０と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とは、それぞれの光学中心を図２中に示す光軸ａｘ１に一致させた状態で、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー（励起光源）２１ａを備える。複数の半導体レーザー２１ａは、光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１ａの個数は特に限定されない。

半導体レーザー２１ａは、例えば青色の励起光を射出する。励起光ＢＬは、アレイ光源２１からコリメーター光学系２２に向けて射出される。本実施形態における励起光ＢＬは、特許請求の範囲における第１の波長帯の励起光に対応する。

アレイ光源２１から射出された励起光ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。
コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された励起光ＢＬを平行光束に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１ａにそれぞれ対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を透過することにより平行光束に変換された励起光ＢＬは、集光レンズ２３に入射する。集光レンズ２３は、励起光ＢＬを集光させて蛍光体ホイール１０の所定位置に入射させる。

図３は、蛍光体ホイール１０の一例を示す構成図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は断面図である。
蛍光体ホイール１０は透過型の回転蛍光板である。蛍光体ホイール１０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、モーター１２により回転駆動される円盤状の回転基板（基材）１０ａと、回転基板１０ａの一方の面において周方向（回転方向）に沿って形成された誘電体多層膜１６と、誘電体多層膜１６上に形成されたリング状の蛍光体層１１とを有する。

本実施形態において、回転基板１０ａの他方の面には、周方向に沿って反射防止膜１７が形成されている。反射防止膜１７は、平面視した状態において、誘電体多層膜１６の形成領域と重なるように配置されている。反射防止膜１７は、誘電体多層膜から構成され、励起光ＢＬが回転基板１０ａに入射した際に、その入射面による励起光ＢＬの反射を防止する。

回転基板１０ａは、プロジェクター１の使用時において所定の回転数で回転する。これにより、蛍光体層１１の特定の領域に対して励起光ＢＬが連続的に入射することが抑制されるので、蛍光体層１１の長寿命化が図られる。ここで、所定の回転数とは、励起光ＢＬの照射により蛍光体層１１に蓄積される熱を放熱することが可能な回転数である。この所定の回転数は、アレイ光源２１から射出される励起光ＢＬの強度、回転基板１０ａの直径、回転基板１０ａの熱伝導率、などのデータに基づいて設定される。所定の回転数は、安全率等を考慮して設定される。所定の回転数は、蛍光体層１１を変質させたり、回転基板１０ａを溶融させたりするような熱エネルギーが蓄積されないように、十分大きい値に設定される。

回転基板１０ａの回転軸Ｏは、回転基板１０ａの厚さ方向（回転基板１０ａの板面の法線方向）に平行な方向である。モーター１２により回転基板１０ａが回転されることにより、蛍光体層１１における励起光の入射位置ＩＰが時間的に変動する。なお、回転基板１０ａの形状は、円盤状に限るものではない。

回転基板１０ａは、励起光ＢＬを透過する材料からなる。回転基板１０ａの材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。本実施形態では、回転基板１０ａとして、円盤状のガラス基板を使用する。

蛍光体層１１は、蛍光を発する蛍光体粒子を有しており、励起光ＢＬ（青色光）を吸収し、黄色の蛍光ＹＬに変換する機能を有する。本実施形態における蛍光ＹＬは、特許請求の範囲における第２の波長帯の蛍光に対応する。蛍光体層１１の構成については後で説明する。

蛍光体粒子は、励起光ＢＬを吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子には、波長が約４５０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、励起光ＢＬを黄色の蛍光ＹＬに変換して射出する。
蛍光体粒子としては、通常知られたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であっても良く、２種以上の形成材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いることとしても良い。

誘電体多層膜１６はダイクロイックミラーとして機能し、励起光ＢＬを透過させ、蛍光体層１１から射出される蛍光ＹＬを反射させる特性を有する。

蛍光体層１１に入射した励起光ＢＬの一部は、蛍光体粒子に吸収されることで蛍光ＹＬに変換される。蛍光ＹＬは直接あるいは誘電体多層膜１６に反射されることで蛍光体層１１から外部に射出される。一方、励起光ＢＬのうち蛍光体粒子に吸収されなかった成分（励起光ＢＬのうちの一部の成分）は蛍光体層１１から外部に射出される。

図２に戻り、蛍光体ホイール１０の蛍光体層１１から射出された蛍光ＹＬと励起光ＢＬの一部の成分である青色光ＢＬ１とは白色の照明光ＷＬを構成する。照明光ＷＬは、ピックアップレンズ４０を介してインテグレータ光学系３１に入射する。インテグレータ光学系３１は、照明光ＷＬを複数の小光束に分割する。インテグレータ光学系３１は、例えば、第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ３１ｂから構成されている。第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ３１ｂは、複数のマイクロレンズがアレイ状に配列されたものからなる。

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

インテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上に、光量モニター用ミラー４２が設けられている。光量モニター用ミラー４２は、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなすように配置されている。光量モニター用ミラー４２は、入射した光の一部を透過し、残りを反射する。光量モニター用ミラー４２を透過した光は偏光変換素子３２に入射し、光量モニター用ミラー４２で反射した光はセンサーユニット４３に入射する。センサーユニット４３の詳細な構成については後述する。

図４はセンサーユニット４３の概略構成を示す図である。図５は偏光変換素子におけるミラーの配置を示す正面図である。
図４に示すように、センサーユニット４３は、第１センサー４３ａと、第２センサー４３ｂと、ダイクロイックミラー４３ｃとを含む。ダイクロイックミラー４３ｃは、誘電体多層膜から構成され、照明光ＷＬのうち蛍光ＹＬの成分を透過させ、照明光ＷＬのうち青色光ＢＬ１の成分を反射する光学特性を有する。

第１センサー４３ａは、光量モニター用ミラー４２で反射された照明光ＷＬのうち、ダイクロイックミラー４３ｃで反射されることで分離された青色光ＢＬ１の光量を検出する。第２センサー４３ｂは、光量モニター用ミラー４２で反射された照明光ＷＬのうち、ダイクロイックミラー４３ｃを透過することで分離された蛍光ＹＬの光量を検出する。第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂは、制御装置ＣＯＮＴと電気的に接続されており、検出結果を送信する。制御装置ＣＯＮＴは、第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂの検出結果に基づき、後述のように蛍光体ホイール１０の移動を制御する。

図５に示すように、光量モニター用ミラー４２は、偏光変換素子３２の光入射領域Ｒを避けて配置された保持部材４８によって保持されている。偏光変換素子３２の光入射領域Ｒとは、インテグレータ光学系３１から射出された複数の小光束各々が入射する領域である。

第２レンズアレイ３１ｂはアレイ光源２１と共役関係にあるため、第２レンズアレイ３１ｂが備える複数のマイクロレンズ各々には励起光ＢＬの２次光源像Ｚが形成される。光量モニター用ミラー４２は、第２レンズアレイ３１ｂに形成される複数の２次光源像Ｚのうち１つの２次光源像Ｚが入射するように配置されている。
ここでは、光量モニター用ミラー４２がインテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上に配置された例を示した。この例に代えて、光量モニター用ミラー４２は、偏光変換素子３２と重畳レンズ３３ａとの間の光路上に配置されていてもよい。

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

本実施形態において、光量モニター用ミラー４２は、インテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上の２次光源像Ｚが入射する位置に配置されている。そのため、光路中に光量モニター用ミラー４２を配置して光の一部を取り出したとしても、被照明領域である赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂ上において照度ムラが生じることはない。したがって、２次光源像１個分の照度低下を許容できるならば、光量モニター用ミラー４２は、必ずしも一部の光を透過し、残りを反射するミラーでなくてもよく、全ての光を反射するミラーであってもよい。

次に、蛍光体層１１について詳しく説明する。説明の都合上、図３（ａ）に示したように、蛍光体層１１は回転基板１０ａの回転軸Ｏを中心とする複数のリング状の領域Ａから構成されているとする。蛍光体ホイール１０はモーター１２により回転駆動されるため、励起光ＢＬの蛍光体層１１への入射位置ＩＰは、回転基板１０ａの回転軸Ｏの周りに円を描く。
本実施形態において、駆動部５０により、光軸ａｘ１と交差する方向に蛍光体ホイール１０を並進移動させることができる。駆動部５０は、制御装置ＣＯＮＴと電気的に接続されており、その動作が制御される。制御装置ＣＯＮＴは、上述のようにセンサーユニット４３（第１センサー４３ａおよび第２センサー４３ｂ）から送信された結果に基づいて駆動部５０を駆動する。そして、駆動部５０は、蛍光体ホイール１０を所定の方向に並進移動させる。

蛍光体層１１は、蛍光体粒子の量に分布を有している。そして、駆動部５０は、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が変化するように、蛍光体ホイール１０を並進移動させる。

ここで、ある時刻における入射位置ＩＰが第１の領域Ａ１に位置しているとする。また、駆動部５０により蛍光体ホイール１０が所定の方向に並進移動された後には、入射位置ＩＰが第２の領域Ａ２に位置しているとする。図３（ａ）では、入射位置ＩＰは第２の領域Ａ２に位置している。

第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２とでは、励起光ＢＬが蛍光体層１１を透過する際の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が異なっている。具体的には、第１の領域Ａ１における蛍光体粒子の濃度は第２の領域Ａ２における蛍光体粒子の濃度と同じであるが、蛍光体層１１の厚みが第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２とで異なっている。

上記の説明では、蛍光体層１１の厚みが複数の領域Ａ毎に不連続的に変化している、とした。しかし実際には蛍光体粒子の濃度は均一であるが、蛍光体層１１は、蛍光体層１１の厚みに分布を有する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、蛍光体層１１の厚みは回転基板１０ａの径方向内側から外側に向かって連続的に厚くなっている。すなわち、励起光ＢＬが蛍光体層１１を透過する際の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が、径方向内側から外側に向かって多くなっている。

ここで、プロジェクター使用時の経時変化により半導体レーザー２１ａから射出される光の量が低下した場合を想定する。この場合に生じるホワイトバランスのずれに対する本実施形態の対応策の考え方を、図６のフローチャートに基づいて説明する。

半導体レーザー２１ａの出力が低下すると（図６のステップＳ１）、それに伴って蛍光体層１１を励起させる励起光ＢＬの光量が低下する。励起光ＢＬの光量が低下することは、励起光ＢＬの光密度（単位面積あたりの光量）が低下することと等価である（図６のステップＳ２）。蛍光体層１１は、一般的に、励起光ＢＬの光密度が低下すると、励起光ＢＬを蛍光光に変換する際の変換効率が上昇する、という特性を有している。したがって、励起光ＢＬの光量が低下したとしても、変換効率の上昇による蛍光ＹＬの増加率が励起光ＢＬの光量低下による蛍光ＹＬの減少率を上回ったとき、蛍光体層１１から射出される蛍光ＹＬの光量は増加する（図６のステップＳ３）。ここでは、蛍光ＹＬの光量が増加する場合を例にとって説明するが、蛍光ＹＬの光量は減少する場合もある。しかし、いずれの場合もホワイトバランスが崩れる。

ここで、半導体レーザー２１ａの出力の低下に伴って、励起光ＢＬ，青色光ＢＬ１の光量はともに低下している。しかしながら、蛍光体層１１の変換効率が上昇しているため、青色光ＢＬ１に対する蛍光ＹＬの光量は相対的に増加する（図６のステップＳ４）。その結果、青色光ＢＬ１と黄色の蛍光ＹＬとの比率が変化し、経時変化前に対して青色光ＢＬ１と黄色の蛍光ＹＬとの合成光である白色の照明光ＷＬのホワイトバランスが崩れる（図６のステップＳ５）。具体的には、青色光ＢＬ１の光量に対する黄色の蛍光ＹＬの光量が相対的に増加するため、合成光である照明光ＷＬは黄色味を帯びた白色光に変化する。

本実施形態では、光量モニター用ミラー４２から取り出された光に含まれる青色光ＢＬ１の光量（強度）と黄色の蛍光ＹＬの光量（強度）とが、センサーユニット４３により測定される（図６のステップＳ６）。センサーユニット４３の測定結果は、制御装置ＣＯＮＴに送信される。

制御装置ＣＯＮＴは、プロジェクター１の使用開始時点の初期の強度値に基づいて決定された、青色光強度と黄色光強度との比（強度比）を基準値として予め記憶している。制御装置ＣＯＮＴは、センサーユニット４３が検出した現在の強度比と基準値とを比較する。現在の強度比と基準値との差が許容範囲を超えている場合、駆動部５０により蛍光体ホイール１０を並進移動させることで、強度比が基準値に近づくように、励起光ＢＬの入射位置を、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が異なる他の領域へ移動させる（図６のステップＳ７）。例えば、励起光ＢＬの入射位置を第１の領域Ａ１から第２の領域Ａ２へ移動させる。

このように励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を変化させることで、照明光ＷＬを構成する蛍光ＹＬおよび青色光ＢＬ１の光量の割合を調整することができる。具体的に、青色光ＢＬ１の光量を増やし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を減らすためには、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を減らせばよい。すなわち、図７（ａ）に示すように、励起光ＢＬが蛍光体層１１の厚みが薄い部分（蛍光体層１１の径方向内側）に入射するように、蛍光体ホイール１０を矢印の方向に並進移動させる。これにより、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が少なくなり、蛍光ＹＬに変換されずに蛍光体層１１を透過して射出される青色光ＢＬ１の量が相対的に多くなる。これにより、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる（図６のステップＳ８）。

一方、青色光ＢＬ１の光量を減らし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を増やすためには、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を増やせばよい。すなわち、図７（ｂ）に示すように、励起光ＢＬが蛍光体層１１の厚みが厚い部分（蛍光体層１１の径方向外側）に入射するように、蛍光体ホイール１０を矢印の方向に並進移動させる。これにより、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が多くなり、蛍光ＹＬに変換されずに蛍光体層１１を透過して射出される青色光ＢＬ１の量が相対的に少なくなる。これにより、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる（図６のステップＳ８）。

以上説明したように、本実施形態の照明装置２によれば、センサーユニット４３が検出した青色光強度と黄色光強度とに基づいて蛍光体層１１に対する励起光ＢＬの入射位置を制御することで、蛍光ＹＬおよび青色光ＢＬ１の光量バランスを調整することができる。したがって、照明光ＷＬのホワイトバランスのずれを補正してホワイトバランスの調整を行うことができる。

また、光量モニター用ミラー４２により複数の２次光源像の一部を取り出して検出を行うため、赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂ上での照度ムラを生じさせることなく、ホワイトバランスの調整を精度良く行うことができる。本実施形態によれば、この種の照明装置２を備えたことにより、画像のホワイトバランスに優れ、表示品質の高いプロジェクター１を実現することができる。

なお、ホワイトバランスの調整を行うタイミングとして、青色光強度と黄色光強度の検出と蛍光体ホイール１０の並進移動とは、例えばプロジェクター１の主電源投入直後に行う設定とすることが望ましい。その理由は、プロジェクター１の主電源投入直後に調整が行われる構成であれば、使用者に画像の色味の変化が認識されにくいからである。ただし、ホワイトバランスの調整をプロジェクター１の主電源投入直後だけに行ったのでは、プロジェクター１の使用中にホワイトバランスがずれた場合に対応できない。したがって、プロジェクター１の使用中であっても所定の時間間隔でホワイトバランスの調整を行う構成としてもよい。

（変形例）
続いて、蛍光体ホイール１０の変形例について説明する。図８は変形例に係る蛍光体ホイール１０の構成を示す図であり、図８（ａ）は蛍光体ホイールの構成を示す平面図であり、（ｂ）は断面図である。

変形例において、蛍光体ホイール１０は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、モーター１２により回転駆動される回転基板１０ａと、誘電体多層膜１６と、リング状の蛍光体層１１とを有する。

本変形例においても、説明の都合上、図３（ａ）に示したように、蛍光体層１１ａは回転基板１０ａの回転軸Ｏを中心とする複数のリング状の領域Ｂから構成されているとする。第１の領域Ｂ１と第２の領域Ｂ２とでは、励起光ＢＬが蛍光体層１１ａを透過する際の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が異なっている。具体的には、第１の領域Ｂ１における蛍光体層１１ａの厚みは第２の領域Ｂ２における蛍光体層１１ａの厚みと同じであるが、蛍光体粒子の濃度が第１の領域Ｂ１と第２の領域Ｂ２とで異なっている。
上記の説明では、蛍光体粒子の濃度が複数の領域Ｂ毎に不連続的に変化している、とした。しかし実際には、蛍光体層１１ａの厚みは均一であるが、蛍光体層１１は、蛍光体粒子の濃度に分布を有する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、蛍光体粒子の濃度が回転基板１０ａの径方向内側から外側に向かって連続的に高くなっている。つまり、蛍光体層１１ａは、蛍光体粒子の量に分布を有しており、励起光ＢＬが蛍光体層１１ａを透過する際の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が、径方向内側から外側に向かって多くなっている。

本変形例においても、駆動部５０は、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が変化するように、蛍光体ホイール１０を並進移動させる。つまり、青色光強度と黄色光強度との比が基準値に近づくように、駆動部５０は励起光ＢＬの入射位置を、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が異なる他の領域へ移動させる。

このように励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を変化させることで、照明光ＷＬを構成する蛍光ＹＬおよび青色光ＢＬ１の光量の割合を調整することができる。具体的に、青色光ＢＬ１の光量を増やし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を減らすためには、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を減らせばよい。すなわち、図９（ａ）に示すように、励起光ＢＬが蛍光体層１１ａにおける蛍光体粒子の濃度が低い部分（蛍光体層１１の径方向内側）に入射するように、蛍光体ホイール１０を矢印の方向に並進移動させる。これにより、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が少なくなり、蛍光ＹＬに変換されずに蛍光体層１１を透過して射出される青色光ＢＬ１の量が相対的に多くなる。これにより、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる。

一方、青色光ＢＬ１の光量を減らし、黄色光である蛍光ＹＬの光量を増やすためには、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を増やせばよい。すなわち、図９（ｂ）に示すように、励起光ＢＬが蛍光体層１１における蛍光体粒子の濃度が高い部分（蛍光体層１１の径方向外側）に入射するように、蛍光体ホイール１０を矢印の方向に並進移動させる。これにより、励起光ＢＬの光路中に含まれる蛍光体粒子の量が多くなり、蛍光ＹＬに変換されずに蛍光体層１１を透過して射出される青色光ＢＬ１の量が相対的に少なくなる。これにより、白色光のホワイトバランスが崩れたときと比べて、合成光である照明光ＷＬはより白色に近い光となり、ホワイトバランスを改善することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、図１０を用いて説明する。第２実施形態と第１実施形態との違いは、照明装置が蛍光体ホイールとして反射型の回転蛍光板を備える点である。
図１０は、第２実施形態の照明装置の概略構成図である。なお、図１０において、第１実施形態で用いた図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態に係る照明装置２Ａは、図１０に示すように、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系１２３と、ホモジナイザ光学系１２４と、偏光分離素子１５０Ａを含む光学素子１２５Ａと、位相差板２６と、ピックアップ光学系２７と、蛍光体ホイール１１０と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とを概略備えている。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー２１ａが配列されたものからなる。具体的には、光軸と直交する面内に複数の半導体レーザー２１ａがアレイ状に並ぶことによって構成されている。本実施形態において、アレイ光源２１の光軸を光軸ａｘ２とする。また、後述する蛍光体ホイール１１０から射出される光の光軸を光軸ａｘ３とする。光軸ａｘ２と光軸ａｘ３とは同一平面内にあり、且つ互いに直交している。光軸ａｘ２上においては、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系１２３と、ホモジナイザ光学系１２４と、光学素子１２５Ａとが、この順に並んで配置されている。一方、光軸ａｘ３上においては、蛍光体ホイール１１０と、ピックアップ光学系２７と、位相差板２６と、光学素子１２５Ａと、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とが、この順に並んで配置されている。

本実施形態において、アレイ光源２１では、各半導体レーザー２１ａが射出する励起光ＢＬの偏光方向を、偏光分離素子１５０Ａで反射される偏光成分（例えばＳ偏光成分）の偏光方向と一致させている。そして、このアレイ光源２１から射出された励起光ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。このコリメーター光学系２２を通過することにより平行光に変換された励起光ＢＬは、アフォーカル光学系１２３に入射する。

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

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

光学素子１２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムからなり、このダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。また、この傾斜面Ｋは、光軸ａｘ３に対して４５°の角度をなしている。さらに、光学素子１２５Ａは、互いに直交する光軸ａｘ２，ａｘ３の交点と傾斜面Ｋの光学中心とが一致するように配置されている。そして、この傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子１５０Ａが設けられている。

偏光分離素子１５０Ａは、この偏光分離素子１５０Ａに入射した第１の波長帯の励起光ＢＬを、この偏光分離素子１５０Ａに対するＳ偏光成分（一方の偏光成分）とＰ偏光成分（他方の偏光成分）とに分離する偏光分離機能を有している。そして、この偏光分離素子１５０Ａは、励起光ＢＬのＳ偏光成分を反射させ、励起光ＢＬ（青色光）のＰ偏光成分を透過させる。また、偏光分離素子１５０Ａは、この偏光分離素子１５０Ａに入射した光のうち、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光（蛍光ＹＬ）を、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。なお、光学素子１２５Ａとしては、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状のものに限らず、平行平板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。

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

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

ピックアップ光学系２７は、励起光ＢＬｃを蛍光体層１１に向かって集光させるものであり、例えばピックアップレンズ１７ａおよびピックアップレンズ２７ｂから構成されている。

本実施形態において、蛍光体ホイール１１０は、いわゆる反射型の回転蛍光板であり、蛍光ＹＬを発するリング状の蛍光体層１１と、蛍光ＹＬを反射する反射膜６０と、蛍光体層１１を支持する回転基板１１０ａと、回転基板１１０ａを回転駆動するモーター１２と、を有している。本実施形態では図３に示した蛍光体層１１を用いているが、図８に示した蛍光体層１１ａを用いてもよい。

蛍光体層１１で生成された一部の蛍光ＹＬは、反射膜６０によって反射され、蛍光体層１１の外部へと射出される。また、蛍光体層１１で生成された他の一部の蛍光ＹＬは、反射膜６０を介さずに蛍光体層１１の外部へと射出される。このようにして、蛍光体層１１から偏光分離素子１５０Ａに向かって蛍光（黄色光）ＹＬが射出される。

反射膜６０で反射された励起光（青色光）ＢＬｃ１は、再びピックアップ光学系２７及び位相差板２６を通過する。また、この光ＢＬｃ１は、位相差板２６を通過することによって、円偏光からＰ偏光（直線偏光）の光ＢＬｐに変換される。そして、この光ＢＬｐは、偏光分離素子１５０Ａを透過する。

蛍光体層１１から偏光分離素子５０Ａに向かって射出された蛍光（黄色光）ＹＬは、ピックアップ光学系２７及び位相差板２６を通過する。このとき、蛍光ＹＬは、偏光方向が揃っていない光束のため、位相差板２６を通過した後も、偏光方向が揃っていない状態のまま偏光分離素子１５０Ａに入射する。そして、この蛍光ＹＬは、偏光分離素子１５０Ａを透過する。

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

以上のような構成を有する照明装置２Ａでは、反射膜６０で反射された光（励起光ＢＬの一部の成分である青色光）ＢＬｃ１と、蛍光体層１１から射出された蛍光（黄色光）ＹＬが混ざった照明光（白色光）ＷＬを得ることができる。

本実施形態においても第１実施形態と同様、蛍光体ホイール１１０は、駆動部５０により光軸ａｘ３と交差する所定の方向に並進移動可能である。また、インテグレータ光学系３１と偏光変換素子３２との間の光路上の２次光源像Ｚが入射する位置に配置されている。

以上の構成を有する照明装置２Ａによれば、第１実施形態と同様、駆動部５０により、励起光ＢＬｃの光路中に含まれる蛍光体粒子の量を変化させることで、黄色の蛍光ＹＬの光量に対する青色の光ＢＬｃ１の光量を相対的に増加或いは減少させることができる。これにより、合成光である照明光ＷＬにおけるホワイトバランスを調整することができる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、蛍光ＹＬを射出させる蛍光体層１１が回転基板に配置された蛍光体ホイールを備える場合を例示したが、照明装置２、２Ａとしては、このような構成に限らない。蛍光体層を固定された（回転しない）基材上に設けてもよい。この場合、基材の並進移動によって蛍光体層への励起光の入射位置が移動する方向に沿って、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量を異ならせればよい。
また、上記実施形態では、励起光の光路中に含まれる蛍光体粒子の量が連続的に変化していたが、これに限られない。蛍光体粒子の量は不連続的に変化していてもよい。そのためには、蛍光体粒子の濃度が互いに異なる複数の領域で蛍光体層を構成してもよい。また、厚さが互いに異なる複数の領域で蛍光体層を構成してもよい。

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

ＢＬ…励起光、ＹＬ…蛍光、ＷＬ…照明光、ＣＯＮＴ…制御装置、２，２Ａ…照明装置、４Ｒ…赤色光用光変調装置、４Ｇ…緑色光用光変調装置、４Ｂ…青色光用光変調装置、６…投写光学系、１０ａ，１１０ａ…回転基板（基材）、１１，１１１…蛍光体層、２１ａ…半導体レーザー（励起光源）、４３…センサーユニット（検出部）、５０…駆動部（移動装置）。

Claims (7)

1. 第１の波長帯の励起光を射出する励起光源と、
   前記励起光によって励起されることで、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光を射出する蛍光体粒子を含む蛍光体層と、
   前記蛍光体層を支持する基材と、
   前記基材を並進移動させる移動装置と、を備え、
   前記蛍光体層は、前記蛍光体粒子の量に分布を有し、
   前記移動装置は、前記励起光の光路中に含まれる前記蛍光体粒子の量が変化するように前記基材を並進移動させるように構成され、
   前記励起光の一部の成分と前記蛍光とからなる白色の照明光が射出される照明装置。
2. 前記蛍光体層は、前記蛍光体層の厚みと前記蛍光体粒子の濃度とのうち少なくとも一方に分布を有する
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記蛍光体粒子の濃度は均一であり、
   前記蛍光体層は、前記蛍光体層の厚みに分布を有する
   請求項２に記載の照明装置。
4. 前記蛍光体層の厚みは均一であり、
   前記蛍光体層は、前記蛍光体粒子の濃度に分布を有する
   請求項２に記載の照明装置。
5. 前記照明光の光量を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて、前記移動装置の移動を制御する制御装置と、を備える
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記基材は、所定の回転軸の周りに回転可能である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクター。

Images