JP2015203857A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率の低下を抑制しつつ、照度分布の均一化やスペックルノイズの改善が図れる照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明装置２０Ａは、第１の波長帯の第１の光を射出する第１の光源と、第２の波長帯の第２の光を射出する第２の光源と、を備える光源装置と、第２の波長帯の光により励起されて第３の波長帯の光を発する蛍光体層３４と、第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有する偏光分離素子５０Ａと、偏光分離素子からの第１の光を偏光分離素子に向けて反射させる拡散反射素子３０と、拡散反射素子と偏光分離素子との間に配置された位相差板２８と、を備え、拡散反射素子３０は、複数の曲面を含む凹凸構造を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

半導体レーザー等の固体光源と、固体光源から射出される光を励起光として蛍光発光を生じる蛍光体層と、を備えた照明装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、半導体レーザー光源と、光分離素子と、蛍光体と、第１の反射素子と、１／４位相差板と、拡散板と、第２の反射素子と、を備えた光源装置が開示されている。

この光源装置においては、半導体レーザー光源から射出された励起光が光分離素子に入射し、偏光分離特性を有する光分離素子により２つの光に分離される。光分離素子により分離された光のうちの一方の光は、励起光として蛍光体に照射され、蛍光が射出される。蛍光は、第１の反射素子により光分離素子に向けて反射され、光分離素子を介して外部に射出される。光分離素子により分離された光のうちの他方の光は、１／４位相差板により偏光状態が調整され、偏光方向が維持された状態で拡散板により拡散されるとともに第２の反射素子により１／４位相差板を介して光分離素子に向けて反射され、光分離素子を介して外部に射出される。

特開２０１３−２５０４９４号公報

上記の光源装置において、固体光源から射出された光のうち、蛍光体層に照射されずに外部に射出される光は、照度分布を均一にするとともにスペックルノイズを解消する目的で、拡散板によって拡散される。ところが、特許文献１の光源装置では、拡散板による光の拡散角度を大きくすると、偏光が乱れて偏光保持率が低下する。偏光保持率が低下すると、光分離素子を介して外部に射出される光の量が減少する。そこで、偏光保持率を９５％以上にするために、拡散角度を１３°以下に設定している。しかしながら、この程度では光の拡散が不足しており、照度分布を均一にする効果やスペックルノイズを改善する効果が充分に得られない。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光の利用効率の低下を抑制しつつ、照度分布の均一化やスペックルノイズの改善が図れ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、上記の照明装置を備えたことで、表示品位に優れたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、第１の波長帯の第１の光を射出する第１の光源と、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の光を射出する第２の光源と、を備える光源装置と、前記第２の波長帯の光により励起されて、前記第１の波長帯および前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯の光を発する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記第２の光が入射する面とは反対側に設けられ、前記蛍光体層で生成された光を反射する反射部と、前記光源装置と前記蛍光体層との間の前記第２の光の光路中に設けられ、前記第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有するとともに、前記第３の波長帯の光を透過もしくは反射させる偏光分離素子と、前記第１の光源から射出され、前記偏光分離素子を経由して進行する前記第１の光を前記偏光分離素子に向けて反射させる拡散反射素子と、前記拡散反射素子と前記偏光分離素子との間の前記第１の光の光路中に配置された位相差板と、を備え、前記拡散反射素子は、複数の曲面を含む凹凸構造を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、第１の光源から射出された第１の光は、偏光分離素子および位相差板を介して拡散反射素子に入射し、拡散反射素子で拡散しつつ反射された後、位相差板および偏光分離素子を介して照明装置から射出される。一方、第２の光源から射出された第２の光は、偏光分離素子を介して蛍光体層に入射し、蛍光体層を励起する。励起された蛍光体層は第３の光を生成する。第３の光の一部は反射部で反射された後に蛍光体層から射出される。第３の光の他の一部は反射部で反射されずに蛍光体層から射出される。蛍光体層から射出された第３の光は、偏光分離素子で透過もしくは反射されることにより照明装置から第１の光と同じ方向に射出される。これにより、第１の波長帯と第３の波長帯とを含む照明光を得ることができる。

上記の構成によれば、拡散反射素子が、複数の曲面を含む凹凸構造を有しているため、第１の光が拡散反射素子によって反射されるときの、その偏光状態の乱れが抑制されるとともに、拡散角度を大きくすることができる。これにより、第１の光の利用効率の低下を抑制しつつ、照度分布の均一化やスペックルノイズの改善が可能な照明装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数の曲面が、平面視でランダムに配置されていてもよい。
この構成によれば、複数の曲面が規則的に配置されている場合に比べて、照度分布の均一化効果やスペックルノイズの改善効果をより高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記拡散反射素子は、前記第１の光が入射する側の面に前記凹凸構造を有し、前記凹凸構造が反射性を有していてもよい。
この構成によれば、例えば第１の光が入射する側の面とは反対側の面で反射する場合と異なり、拡散反射素子による光の損失が少なく、光の利用効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記凹凸構造の表面に金属反射膜が設けられていてもよい。
この構成によれば、例えば誘電体多層膜からなる反射膜を用いた場合と比べて、光の入射角が変化しても反射特性が低下しにくい。その結果、拡散反射素子による光の損失が少なくなり、光の利用効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記拡散反射素子は、前記拡散反射素子に入射する前記第１の光の中心軸に交差する面内で回転可能とされていてもよい。
この構成によれば、拡散反射素子上での第１の光の照射位置が時間的に変化するため、第１の光が照射されることによる拡散反射素子のダメージを低減することができる。また、第１の光の光路上に位置する凹凸構造が時間的に変化するため、照度分布の均一化効果やスペックルノイズの改善効果をより高めることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記凹凸構造は、多重反射が生じない形状を有していてもよい。
この構成によれば、拡散反射素子における偏光保持率をより確実に高められる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、照明光を射出する照明装置と、前記照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、前記照明装置が、本発明の一つの態様の照明装置であることを特徴とする。
本発明の一つの態様によれば、上記本発明の一つの態様の照明装置を備えたことにより、表示品位に優れたプロジェクターを提供することができる。

本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。 一実施形態の照明装置の概略構成を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）拡散反射板の構成例を示す断面図である。 拡散反射板の平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーを用いた照明装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
以下の説明で用いる図面は、特徴を見やすくするために、一部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。

［プロジェクター］
まず、図１に示すプロジェクター１の一例について説明する。
図１は、プロジェクター１の概略構成を示す平面図である。

本実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー映像（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、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（レーザー光源）を用いている。

具体的に、プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置２と、均一照明光学系４０と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，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、照明光ＷＬを均一照明光学系４０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態様を適用した照明装置が用いられている。

均一照明光学系４０は、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、を備える。均一照明光学系４０は、照明装置２から射出された照明光ＷＬの強度分布を被照明領域において均一化する。均一照明光学系４０から射出された照明光ＷＬは色分離光学系３へ入射する。

色分離光学系３は、白色の照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離するためのものである。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａおよび第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂと、を概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光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、分離された赤色光ＬＲを透過するとともに、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、その他の光を緑色光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、分離された緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに向けて反射する。なお、緑色光ＬＧの光路中には、全反射ミラーを配置する必要はなく、緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂにより光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂ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および第２のリレーレンズ９ｂ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。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを通過させる間に、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。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを通過させる間に、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。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを通過させる間に、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。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，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ている。また、液晶パネルの入射側および射出側には、一対の偏光板（図示せず）が配置されており、特定の方向の直線偏光光のみを通過させる構成となっている。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，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，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、それぞれの光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢを平行化するためのものである。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射することにより、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢ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ている。

投射光学系６は、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、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

［照明装置］
次に、照明装置２に用いられる本発明の一つの態様を適用した照明装置の具体的な実施形態について説明する。

図２に示す照明装置２０Ａについて説明する。
図２は、照明装置２０Ａの概略構成を示す平面図である。

照明装置２０Ａは、図２に示すように、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７と、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０と、を概略備えている。
本実施形態の拡散反射素子３０は、特許請求の範囲の拡散反射素子に対応する。本実施形態の偏光分離素子５０Ａは、特許請求の範囲の偏光分離素子に対応する。本実施形態の位相差板２８は、特許請求の範囲の位相差板に対応する。

これらの構成要素のうち、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、光学素子２５Ａと、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０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。一方、蛍光発光素子２７と、第１のピックアップ光学系２６と、光学素子２５Ａとは、それぞれの光学中心を図２中に示す光軸ａｘ２に一致させた状態で、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する位置関係にある。

アレイ光源２１Ａは、本発明における光源装置に相当する。アレイ光源２１Ａは、第１の光源である第１の半導体レーザー２１１と、第２の光源である第２の半導体レーザー２１２と、を備えている。複数の第１の半導体レーザー２１１および複数の第２の半導体レーザー２１２は、光軸ａｘ１と直交する同一面内において、アレイ状に並んで配置されている。

第１の半導体レーザー２１１は、第１の波長帯の第１の光である青色光ＢＬ’を射出する。第１の半導体レーザー２１１は、青色光ＢＬ’として、例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する。第２の半導体レーザー２１２は、第２の波長帯の第２の光である励起光ＢＬを射出する励起光用のレーザー光源である。第２の半導体レーザー２１２は、励起光ＢＬとして、例えばピーク波長が４４６ｎｍのレーザー光を射出する。

励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、アレイ光源２１Ａから偏光分離素子５０Ａに向けて射出される。

アレイ光源２１Ａから射出された励起光ＢＬおよび青色光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２１Ａから射出された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’を平行光束に変換するものである。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から構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の第１の半導体レーザー２１１および複数の第２の半導体レーザー２１２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を通過することにより平行光束に変換された各励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’の光束径を調整するものである。アフォーカル光学系２３は、例えばアフォーカルレンズ２３ａ，アフォーカルレンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過することにより光束径が調整された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、ホモジナイザー光学系２４に入射する。ホモジナイザー光学系２４は、励起光ＢＬおよび青色光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る。ホモジナイザー光学系２４は、例えばマルチレンズアレイ２４ａ，マルチレンズアレイ２４ｂから構成されている。

ホモジナイザー光学系２４により光強度分布が均一な状態に変換された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、光学素子２５Ａに入射する。光学素子２５Ａ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構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。光学素子２５Ａは、互いに直交する光軸ａｘ１，ａｘ２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。なお、光学素子２５Ａ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。

傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子５０Ａが設けられている。偏光分離素子５０Ａは、励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’を、偏光分離素子５０Ａ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。具体的に、偏光分離素子５０Ａは、励起光ＢＬのＳ偏光成分および青色光ＢＬ’のＳ偏光成分を反射させ、励起光ＢＬのＰ偏光成分および青色光ＢＬ’のＰ偏光成分を透過させる。

また、偏光分離素子５０Ａは、後述する励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは波長帯が異なる第３の光である蛍光光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

ここで、励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、コヒーレントな直線偏光光である。また、励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは、偏光分離素子５０Ａに入射する際の互いの偏光方向が異なっている。

具体的に、励起光ＢＬの偏光方向は、偏光分離素子５０Ａで反射される一方の偏光成分（例えばＳ偏光成分）の偏光方向と一致している。一方、青色光ＢＬ’の偏光方向は、偏光分離素子５０Ａで透過される他方の偏光成分（例えばＰ偏光成分）の偏光方向と一致している。このように、偏光分離素子５０Ａに入射するとき、励起光ＢＬの偏光方向と青色光ＢＬ’の偏光方向とは、互いに直交する。この構成を実現するためには、青色光ＢＬ’が第１の半導体レーザー２１１から射出されたときの偏光方向が、励起光ＢＬが第２の半導体レーザー２１２から射出されたときの偏光方向と直交するように、第１の半導体レーザー２１１と第２の半導体レーザー２１２とを配置すればよい。

したがって、偏光分離素子５０Ａ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、蛍光発光素子２７に向けて反射される。一方、偏光分離素子５０Ａに入射した青色光ＢＬ’は、その偏光方向がＰ偏光成分と一致していることから、Ｐ偏光の青色光ＢＬｐ’として、拡散反射素子３０に向けて透過される。

ここで、偏光分離素子５０Ａに入射するとき、励起光ＢＬの偏光方向が青色光ＢＬ’の偏光方向と同じ場合について考察する。この場合、青色光ＢＬ’はＰ偏光であるため、励起光ＢＬもＰ偏光である。偏光分離素子５０ＡがＰ偏光の励起光ＢＬを反射させるためには、偏光分離素子５０Ａはピーク波長４６０ｎｍの青色光ＢＬ’に対しては偏光分離機能を持ちながら、ピーク波長４４６ｎｍの励起光ＢＬに対しては偏光分離機能を持ってはいけない。しかし、このような特性の偏光分離素子を製造することは困難である。

一方、本実施形態では、励起光ＢＬはＳ偏光であり、青色光ＢＬ’はＰ偏光である。この場合、偏光分離素子５０Ａは、ピーク波長４６０ｎｍの青色光ＢＬ’に対してだけでなく、ピーク波長４４６ｎｍの励起光ＢＬに対しても偏光分離機能を持っていてもよい。そのため、偏光分離素子の製造は容易である。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＳ偏光の励起光ＢＬｓは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。第１のピックアップ光学系２６は、励起光ＢＬｓを蛍光発光素子２７の蛍光体層３４に向けて集光させるものである。第１のピックアップ光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，ピックアップレンズ２６ｂから構成されている。

第１のピックアップ光学系２６から射出された励起光ＢＬｓは、蛍光発光素子２７に入射する。蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４を基板３５に固定する固定部材３６と、を有している。

蛍光発光素子２７においては、蛍光体層３４の励起光ＢＬｓが入射する側と反対側の面を基板３５に接触させた状態で、蛍光体層３４の側面と基板３５との間に設けられた固定部材３６によって、蛍光体層３４が基板３５に固定支持されている。

蛍光体層３４は、波長４４６ｎｍの励起光ＢＬｓを吸収して励起される蛍光体を含む。励起光ＢＬｓにより励起された蛍光体は、第３の光として、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光光（黄色光）ＹＬを生成する。

蛍光体層３４には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。

蛍光体層３４の励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側には、反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬを反射する機能を有している。
本実施形態の反射部３７は特許請求の範囲の反射部に対応する。

反射部３７は、鏡面反射面からなることが好ましい。蛍光発光素子２７においては、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬを反射部３７で鏡面反射させることにより、蛍光体層３４から効率的に蛍光光ＹＬを射出することができる。

具体的に、反射部３７は、蛍光体層３４の励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側の面に反射膜３７ａを設けることによって構成することができる。この場合、反射膜３７ａの蛍光体層３４と対向する面が鏡面反射面となる。反射部３７は、基板３５が光反射特性を有する基材からなる構成であってもよい。この場合、反射膜３７ａを省略し、基板３５の蛍光体層３４と対向する面を鏡面化することにより、この面を鏡面反射面とすることができる。

固定部材３６には、光反射特性を有する無機接着剤を用いることが好ましい。この場合、光反射特性を有する無機接着剤によって蛍光体層３４の側面から漏れ出す光を蛍光体層３４内へと反射させることができる。これにより、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬの光取り出し効率を更に高めることができる。

基板３５の蛍光体層３４を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３８が配置されている。蛍光発光素子２７においては、ヒートシンク３８を介して放熱できるため、蛍光体層３４の熱劣化を防ぐことができる。

蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。また、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。このようにして、蛍光光ＹＬが蛍光体層３４から射出される。

蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、偏光方向が揃っていない非偏光光のため、第１のピックアップ光学系２６を通過した後、非偏光の状態のまま偏光分離素子５０Ａに入射する。蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａからインテグレータ光学系３１に向けて透過される。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬｐ’は、位相差板２８に入射する。位相差板２８は、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板（λ／４板）から構成されている。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬｐ’は、位相差板２８を透過することによって、円偏光の青色光ＢＬｃ’に変換された後、第２のピックアップ光学系２９に入射する。

第２のピックアップ光学系２９は、青色光ＢＬｃ’を拡散反射素子３０に向けて集光させるものである。第２のピックアップ光学系２９は、例えばピックアップレンズ２９ａ、ピックアップレンズ２９ｂから構成されている。

拡散反射素子３０は、第２のピックアップ光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ’を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させるものである。その中でも、拡散反射素子３０としては、拡散反射素子３０に入射した青色光ＢＬｃ’をランバート反射させるものを用いることが好ましい。

拡散反射素子３０は、拡散反射板３０Ａと、拡散反射板３０Ａを回転させるためのモーター等の駆動源３０Ｍと、を備えている。駆動源３０Ｍの回転軸は、光軸ａｘ１と略平行に配置されている。これにより、拡散反射板３０Ａは、拡散反射板３０Ａに入射する青色光ＢＬｃ’の中心軸に交差する面内で回転可能に構成されている。拡散反射板３０Ａは、回転軸の方向から見て例えば円形に形成されている。

図３（ａ）は、拡散反射板３０Ａの断面図である。
例えば図３（ａ）に示す拡散反射板３０Ａは、基材４３と、反射膜４４と、を備えている。基材４３は、例えばガラス等の任意の材料で構成されている。

基材４３の２つの面のうち、青色光ＢＬｃ’が入射する側の面に、ランダムに配置された複数の曲面を含む凹凸構造４３ａが設けられている。本実施形態では、凹凸構造４３ａは複数の凹部からなり、個々の凹部は略球面状に形成されている。凹部の深さは、例えば球面全体の径の１／４程度である。

図４に示すように、拡散反射板３０Ａを光の入射方向から見て、複数の凹部はランダムに配置されている。図４の符号Ｃは各凹部の中心を示し、複数の凹部の中心Ｃがランダムに配置されている。

反射膜４４は、例えば銀、アルミニウム等の光反射率の高い金属で形成された金属反射膜である。反射膜４４は凹凸構造４３ａの形状に沿って形成されており、反射膜４４の表面も略球面状の形状を呈している。凹凸構造４３ａの表面に反射膜４４が形成されたことにより、凹凸構造４３ａは反射性を有する。拡散反射板３０Ａの反射膜４４の形成面に青色光ＢＬｃ’が入射したとき、青色光ＢＬｃ’は１回の反射で射出され、多重反射は生じない。これにより、青色光ＢＬｃ’ が拡散反射板３０Ａによって反射されるときの、その偏光状態の乱れが抑制される。

反射膜４４として、金属反射膜に限らず、例えば誘電体多層膜を用いることも可能である。しかしながら、反射膜４４として金属反射膜を用いた場合、誘電体多層膜からなる反射膜を用いた場合と比べて、光の入射角が変化しても反射特性が低下しにくい。その結果、拡散反射板３０Ａによる光の損失が少なくなり、光の利用効率を高めることができる。

上記の拡散反射板３０Ａを製造する際は、まず、ガラス等の基材の一面に、例えばクロム等のエッチング防止膜を形成する。
次に、エッチング防止膜に、レーザー加工等により複数の孔を形成する。このとき、レーザー加工機において、形成する複数の孔の位置がランダムに配置されるように形成位置の座標を設定する。これにより、ランダムに配置された複数の孔がエッチング防止膜に形成される。

次に、エッチング防止膜をマスクとして、基材の一面を例えばウエットエッチングによりエッチングする。このとき、ウエットエッチングの条件を等方エッチングとなるように調整する。このようにしてエッチングすると、エッチング液がエッチング防止膜の孔の部分から浸透し、孔に対応した位置に凹部が形成される。エッチングは等方エッチングであるため、孔を中心としてエッチングが等方的に進行する結果、凹部の断面形状は略球状となる。
次に、凹凸構造が形成された基材の一面に、銀、アルミニウム等の金属膜をスパッタ法、蒸着法等により形成する。
以上の方法により、拡散反射板３０Ａが完成する。

図３（ｂ）、（ｃ）は、拡散反射板の他の例（拡散反射板３０Ｂ、拡散反射板３０Ｃ）の断面図である。拡散反射板３０Ａに代えて、拡散反射板３０Ｂもしくは拡散反射板３０Ｃが用いられてもよい。
図３（ｂ）に示す拡散反射板３０Ｂは、基材４５が銀、アルミニウム等の金属で形成されている。基材４５の２つの面のうち、青色光ＢＬｃ’が入射する側の面に、ランダムに配置された複数の曲面を含む凹凸構造４５ａが設けられている。凹凸構造４５ａの形状は、図３（ａ）の凹凸構造４３ａの形状と同様である。この構成では、基材４５自体が光反射性を有しているため、基材４５上に金属膜を形成する必要がない。

図３（ｃ）に示す拡散反射板３０Ｃは、基材４６と、反射膜４７と、を備えている。基材４６は、例えばガラス等の任意の材料で構成されている。基材４６の２つの面のうち、青色光ＢＬｃ’が入射する側の面に、ランダムに配置された複数の曲面を含む凹凸構造４６ａが設けられている。凹凸構造４６ａの形状は、図３（ａ）の凹凸構造４３ａの形状と同様である。基材４６の２つの面のうち、青色光ＢＬｃ’が入射する側の面と反対側の面に、銀、アルミニウム等の金属からなる反射膜４７が形成されている。

本実施形態の拡散反射板としては、図３（ａ）〜（ｃ）に示したいずれの拡散反射板を用いてもよい。しかしながら、光の損失が少ないという観点では、図３（ａ）の拡散反射板３０Ａ、もしくは図３（ｂ）の拡散反射板３０Ｂのように、青色光ＢＬｃ’が入射する側の面が光反射性を有するものが好ましい。図３（ｃ）の拡散反射板３０Ｃのように、青色光ＢＬｃ’が基材４６中に入射する構成であると、光の損失がある虞があるためである。

また、図３（ａ）〜（ｃ）に示した拡散反射板は、ランダムに配置された複数の凹部を備えているが、規則的に配置された複数の凹部を備えてもよい。ただし、複数の凹部が規則的に配置されている場合、回折現象が起こる虞があるが、第１の光の利用効率の低下を抑制する、という効果は得られる。

照明装置２０Ａにおいては、このような拡散反射素子３０を用いることにより、青色光ＢＬｃ’を拡散反射させて、略均一な照度分布を有する青色光ＢＬｃ’を得ることができる。

図２に示すように、拡散反射素子３０で拡散反射された青色光ＢＬｃ’は、再び第２のピックアップ光学系２９を通り、位相差板２８に入射することにより、青色光ＢＬｓ’に変換される。青色光ＢＬｓ’は偏光分離素子５０Ａに入射する。前述したように、拡散反射素子３０に入射する前の青色光ＢＬｃ’は円偏光である。青色光ＢＬｃ’の偏光状態が拡散反射素子３０によって全く乱されなければ、青色光ＢＬｓ’はＳ偏光であって、Ｐ偏光成分を含まない。青色光ＢＬｃ’の偏光状態が拡散反射素子３０によってある程度乱されたとしても、青色光ＢＬｓ’の主成分はＳ偏光成分である。青色光ＢＬｓ’のＳ偏光成分は、偏光分離素子５０Ａによって反射される。

これにより、青色光ＢＬｓ’は、偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光光ＹＬとともに、照明光ＷＬとして照明装置２０Ａから射出される。すなわち、青色光ＢＬｓ’および蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａから互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色光ＢＬｓ’と蛍光光（黄色光）ＹＬとが合成された照明光（白色光）ＷＬが得られる。

照明装置２０Ａから射出された照明光ＷＬは、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、輝度分布（照度分布）を均一化するためのものである。インテグレータ光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，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を通過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、照明光ＷＬの偏光方向を揃えるものである。偏光変換素子３２は、例えば、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、偏光方向が揃っていない蛍光光ＹＬと、Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ’の偏光方向との偏光方向を揃えるため、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。

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、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬを重畳させるものである。重畳光学系３３は、例えば、重畳レンズから構成されている。インテグレータ光学系３１と重畳光学系３３とによって、被照明領域における照度分布が均一化される。

以上のような構成を有する照明装置２０Ａにおいては、拡散反射板３０Ａが、ランダムに配置された複数の曲面を含む凹凸構造を有しているため、青色光ＢＬｃ’が拡散反射板３０Ａによって反射されるときの、その偏光状態の乱れが抑制されるとともに、拡散角度を大きくすることができる。

青色光ＢＬｃ’の偏光状態が拡散反射板３０Ａによって大きく乱されると、青色光ＢＬｓ’に含まれるＰ偏光成分が多くなるため、偏光分離素子５０Ａによって反射される成分が少なくなる。しかし、本発明によれば、青色光ＢＬｓ’に含まれるＰ偏光成分を少なくすることができるため、照明装置２０Ａから射出される青色光ＢＬｓ’の光量の低下を抑えることができる。その結果、第１の光の利用効率の低下を抑制しつつ、照度分布の均一化やスペックルノイズの改善が可能な照明装置２０Ａを実現できる。

特に本実施形態の場合、拡散反射素子３０が回転可能とされた拡散反射板３０Ａを備えているため、拡散反射素子３０上での青色光ＢＬｃ’の照射位置が時間的に変化する。そのため、青色光ＢＬｃ’が照射されることによる拡散反射板３０Ａのダメージを低減することができる。また、青色光ＢＬｃ’ の光路上に位置する凹凸構造が時間的に変化するため、照度分布の均一化効果やスペックルノイズの改善効果をより高めることができる。

照明装置２０Ａにおいては、励起光ＢＬｓにより蛍光体層３４を励起することによって生成された蛍光光ＹＬと、青色光ＢＬｐ’を拡散反射素子３０で拡散反射することにより得られた青色光ＢＬｓ’とを用いて、色純度や色再現性に優れた照明光ＷＬを得ることができる。

すなわち、ピーク波長が４６０ｎｍの青色光ＢＬ’は、ピーク波長が４４６ｎｍの励起光ＢＬよりも視感度が高い青色光である。また、ピーク波長が４６０ｎｍの光を用いた方が、ピーク波長が４４６ｎｍの光を用いるよりも広い色域を得ることができる。すなわち、ピーク波長が４６０ｎｍの光の方が、ピーク波長が４４６ｎｍの光よりもカラー画像の形成に適している。したがって、ピーク波長が４６０ｎｍの青色光ＢＬ’と蛍光光ＹＬとを用いて照明光ＷＬを得る場合の方が、ピーク波長が４４６ｎｍの励起光ＢＬと蛍光光ＹＬとを用いて照明光ＷＬを得る場合よりも、照明光ＷＬの色域（色の再現範囲）を向上させることが可能である。

また、励起光ＢＬを射出する第２の半導体レーザー２１２は、青色光ＢＬ’を射出する第１の半導体レーザー２１１よりも一般的に安価である。したがって、照明装置２０Ａでは、励起光用のレーザー光源にピーク波長が４４６ｎｍのレーザー光を射出する第２の半導体レーザー２１２を用い、青色光用のレーザー光源にピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する第１の半導体レーザー２１１を用いることによって、より安価に色域の向上を図ることが可能である。

以上のようにして、このような照明装置２０Ａを備えたプロジェクター１によれば、装置の小型化、軽量化を図りつつ、画像品質に優れた表示を行うことが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に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用いた拡散反射板では、凹凸構造は曲面からなる複数の凹部によって構成されていたが、曲面からなる複数の凸部によって構成されていてもよい。すなわち、図３に示した拡散反射板に対して、凹凸形状が反転した拡散反射板を用いてもよい。また、凹凸構造は曲面からなる複数の凹部と曲面からなる複数の凸部によって構成されていてもよい。また、上記実施形態では、回転可能とされた拡散反射板を備えた拡散反射素子の例を挙げたが、拡散反射板のダメージが問題にならない場合、拡散反射板は必ずしも回転しなくてもよい。また、上記実施形態では、第１の波長帯が第２の波長帯とは異なる例を挙げたが、第１の波長帯は第２の波長帯と一致していてもよい。その他、照明装置およびプロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。

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搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…プロジェクター、２，２０Ａ…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、２１Ａ…アレイ光源（光源装置）、２８…位相差板、３０…拡散反射素子、３４…蛍光体層、３７…反射部、４３ａ，４５ａ，４６ａ…凹凸構造、４４，４７…反射膜、５０Ａ…偏光分離素子、２１１…第１の半導体レーザー（第１の光源）、２１２…第２の半導体レーザー（第２の光源）。

Claims (7)

1. 第１の波長帯の第１の光を射出する第１の光源と、第２の波長帯の第２の光を射出する第２の光源と、を備える光源装置と、
   前記第２の波長帯の光により励起されて、前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯の光を発する蛍光体層と、
   前記蛍光体層の前記第２の光が入射する面とは反対側に設けられ、前記蛍光体層で生成された光を反射する反射部と、
   前記光源装置と前記蛍光体層との間の前記第２の光の光路中に設けられ、前記第１の波長帯の光に対して偏光分離機能を有するとともに、前記第３の波長帯の光を透過もしくは反射させる偏光分離素子と、
   前記第１の光源から射出され、前記偏光分離素子を経由して進行する前記第１の光を前記偏光分離素子に向けて反射させる拡散反射素子と、
   前記拡散反射素子と前記偏光分離素子との間の前記第１の光の光路中に配置された位相差板と、
   を備え、
   前記拡散反射素子は、複数の曲面を含む凹凸構造を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記複数の曲面が、平面視でランダムに配置されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記拡散反射素子は、前記第１の光が入射する側の面に前記凹凸構造を有し、
   前記凹凸構造が反射性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記凹凸構造の表面に金属反射膜が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記拡散反射素子は、前記拡散反射素子に入射する前記第１の光の中心軸に交差する面内で回転可能とされたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記凹凸構造は、多重反射が生じない形状を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の照明装置。
7. 照明光を射出する照明装置と、
   前記照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記照明装置が、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の照明装置であることを特徴とするプロジェクター。