JP6251868B2

JP6251868B2 - 照明光学系およびこれを用いた電子装置

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Publication number: JP6251868B2
Application number: JP2013138706A
Authority: JP
Inventors: 古賀　律生; 律生古賀
Original assignee: Zero Lab Co Ltd
Current assignee: Zero Lab Co Ltd
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: JP2015011302A

Description

本発明は、青色帯域の波長の光を発する光源を用いた照明光学系に関し、特にプロジェクタや光学機器等の電子装置等の光源に用いられる照明光学系に関する。

プロジェクタの光源ユニットに、青色レーザ発光器を光源に利用したのが知られている（特許文献１）。この光源ユニットは、青色レーザ発光器と、蛍光体ホイールと、複数の反射ミラーやダイクロイックミラーとを備えて構成される。蛍光体ホイールは、モータによって回転される円板形状を有し、蛍光体ホイールには、青色帯域の光を透過する透過部、および青色帯域の光を赤色帯域および緑色帯域の光を発する蛍光体層がそれぞれ形成されている。

特許第４７１１１５４号公報

上記特許文献１に示されるような光源ユニットは、青色帯域、緑色帯域および赤色帯域の混色防止が不十分であり、また演色性も不十分であった。

そこで、本発明は、出力される光の混色を防止し、かつ演色性を改善した照明光学系およびこれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

本発明の照明光学系は、第１の波長帯域の光を発する光源と、第１の半径の円周方向に、少なくとも第１の波長帯域の光を反射する反射領域および第１の波長帯域の光に基づき第２の波長帯域の光を発する蛍光体領域を含み、さらに第２の半径方向の円周方向に、少なくとも第１の波長帯域の光を透過する第１の透過領域および第２の波長帯域の光を透過する第２の透過領域を含む回転部材と、前記光源から発せられる第１の波長帯域の主光線の光軸からシフトされた光軸を有し、前記光源から発せられる第１の波長帯域の光を前記回転部材の第１の半径の領域に集光する第１の光学手段と、前記回転部材の前記反射領域で反射された第１の波長帯域の光および前記蛍光体領域で発せられた第２の波長帯域の光を、前記回転部材の第２の半径方向の領域に集光する第２の光学手段とを有し、前記反射領域で反射された第１の波長帯域の光が前記第１の透過領域を透過され、前記蛍光体領域で発せられた第２の波長帯域の光が前記第２の透過領域を透過されるように、前記反射領域、前記蛍光体領域、前記第１および第２の透過領域が配置されている。

好ましい態様では、前記光源と第１の光学手段との間に第１のミラー手段を含み、第１のミラー手段は、前記光源から発せられた第１の波長帯域の光を第１の光学手段の光軸の片側に概ね入射させる。好ましい態様では、照明光学系はさらに、第１の光学手段と第２の光学手段との間に、第２および第３のミラー手段を含み、第２および第３のミラー手段は、第１の光学手段から出射された第１および第２の波長帯域の光を第２の光学手段に入射させる。好ましい態様では、照明光学系はさらに、前記第２のミラー手段を透過した第１の波長帯域の光を前記第３のミラー手段へ向けて反射する第４のミラー手段を含み、前記第２のミラー手段は、第１の波長帯域の光を透過し第２の波長帯域の光を反射するダイクロイックミラーである。好ましい態様では、前記第１の光学手段による第１の走査領域と、第２の光学手段による第２の走査領域との角度差は１８０度よりも小さい。好ましい態様では、前記第１の透過領域は、第１の波長帯域の光を拡散する拡散部を含む。好ましい態様では、第１の波長帯域は、青色帯域であり、第２の波長帯域は、赤色帯域、緑色帯域、または黄色帯域のいずれかである。好ましい態様では、前記第２の波長帯域の光が黄色帯域の光であり、前記第２の透過領域は、蛍光発色された黄色帯域の光から赤色帯域の光と緑色帯域の光を選別する赤色透過領域と緑色透過領域とをそれぞれ含む。好ましい態様では、前記回転部材の裏面であって前記蛍光体領域と対応する領域に環状の放熱部材が設けられる。好ましい態様では、前記第１の光学手段は、少なくとも１つのレンズを含み、前記第２の光学手段は、少なくとも１つのレンズを含む。好ましい態様では、前記回転部材は、第１の基材と、第２の基材とを含み、第１の基材は、金属から構成され、前記反射領域および前記蛍光体領域が前記第１の基材に形成され、前記第１および第２の透過領域が前記第２の基材に形成される。

本発明によれば、回転部材から出力される第１の波長帯域の光と第２の波長帯域の光の混色を防止し、また演色性を改善することができる。

本発明の第１の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。照明光学系に適用可能なアレイ光源の構成例を示す概略断面図である。図３（Ａ）は、本実施例の蛍光体ホイールの平面図、図３（Ｂ）、（Ｃ）は、そのＸ−Ｘ線断面図である。図４（Ａ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより青色帯域の光が正規反射される様子を説明する図、図４（Ｂ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより赤色帯域／緑色帯域／黄色帯域の光が出射される様子を説明する図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本実施例の照明光学系に用いられる他の蛍光体ホイールの構成例を示す平面図である。本発明の第２の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。本発明の第３の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。本発明の第４の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。本発明の第５の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。本発明の第６の実施例に係る照明光学系の構成を示す図である。

次に、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。本発明の好ましい態様では、照明光学系には、波長が短い青色光を発する半導体発光素子として、青色レーザ素子または青色発光ダイオードをアレイ化したアレイ光源が利用される。さらに好ましい態様では、照明光学系は、ＤＬＰまたはＤＭＤのような光変調デバイスにより光を反射するプロジェクタに利用される。但し、本発明の照明光学系は、家電製品、内視鏡、車両の点灯装置など種々の電子装置や電子機器へ適用することができる。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１は、本発明の第１の実施例に係る照明光学系の基本原理を説明する図である。なお、以下の説明で、赤色帯域の光、緑色帯域の光、青色帯域の光、黄色帯域の光を、便宜上、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙと略すことがある。

本実施例の照明光学系１０は、励起光としての青色帯域のレーザ光を出射するアレイ光源（図示省略）からのレーザ光を反射する第１のダイクロイックミラーＭ１と、第１のレンズＬ１と、円板状の蛍光体ホイール２０と、蛍光体ホイール２０を回転させる回転駆動部３０と、蛍光体ホイール２０から発せられた光を反射する第２のミラーＭ２と、第２のミラーＭ２で反射された光を反射する第３のミラーＭ３と、第３のミラーＭ３で反射された光を蛍光体ホイール２０へ向けて集光する第２のレンズＬ２と、蛍光体ホイール２０の裏面側に配置されたライトトンネルＬＴとを含んで構成される。ライトトンネルＬＴを出射した光は、図示しないリレー光学系等を介してＤＭＤ等の空間変調デバイスや光ファイバ等へと導かれる。

図２は、アレイ光源の一構成例を示す概略断面図である。アレイ光源４０は、青色帯域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子（または青色発光ダイオード）をアレイ状に複数含んで構成される。青色レーザ素子は、例えば、４４５ｎｍの波長の光を出力する。複数の半導体レーザ素子は、一次元または二次元に配列され、複数の半導体レーザ素子を同時に駆動することで、各半導体レーザ素子から一斉にレーザ光が出射される。図２に示すように、複数の半導体レーザ素子を搭載する基板は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムのような材料によって構成された支持部材４２によって支持される。また、支持部材４２の表面には、各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれコリメートするレンズ４４が取り付けられる。さらに支持部材４２と対向する側には、反射ミラー４６が配置され、反射ミラー４６は、各半導体レーザ素子から出射された青色帯域の光を一定方向に反射し、レーザ光線束Ｌｂを生成する。なお、図２の構成は一例であり、アレイ光源４０は他の構成であってもよい。

第１のミラーＭ１は、青色帯域の光を反射し、それ以外の帯域の光を透過するダイクロイックミラーである。第１のミラーＭ１は、第１のレンズＬ１と第２のミラーＭ２との間に配置され、図２に示すようなアレイ光源４０からの青色帯域の光Ｌｂを入射しこれを第１のレンズＬ１に向けて反射する。図の例では、第１のミラーＭ１は、４５度に傾斜して示されるが、必ずしも４５度に傾斜されなくてもよい。

第１のレンズＬ１は、アレイ光源４０からのレーザ光線束Ｌｂを蛍光体ホイール２０の第１の走査領域Ｆ１に集光させる。第１のレンズＬ１は、アレイ光源４０からのレーザ光線束Ｌｂを集光することができる光学系であれば良く、第１のレンズＬ１を構成するレンズの数は、１つであってもよいし複数であってもよい。図には、平凸レンズが示されているが、第１のレンズＬ１は、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。第２のレンズＬ２は、第３のミラーＭ３で反射された光を蛍光体ホイール２０の第２の走査領域Ｆ２に集光させる。第２のレンズＬ２は、入射した光を第２の走査領域Ｆ２に集光することができる光学系であれば良く、第２のレンズＬ２を構成するレンズの数は、１つであってもよいし複数であってもよい。図には、平凸レンズが示されているが、第２のレンズＬ２は、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。

ここで留意すべき点は、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂの光軸が第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１からオフセット（離間）されたシフト光学系を形成することである。図１の例では、第１のミラーＭ１の中心または光線束Ｌｂの光軸Ｃ０が第１のレンズＬ１の光軸Ｌ１と一致せず、そこからオフセットまたはシフトされている。このため、第１のミラーＭ１によって反射された青色帯域の光線束Ｌｂの全部または大部分は、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１の片側半分に入射される（図の例では、第１のレンズＬ１の左側に入射される）。好ましい態様では、第１のミラーＭ１によって反射された青色帯域の光線束Ｌｂは、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１に重複しないが、青色帯域の光線束Ｌｂのごく一部が光軸Ｃ１に重複してもよい。

蛍光体ホイール２０は、モータ等を含む回転駆動部３０によって回転される円板状の回転体であって、第１の半径（ｒ１）の円周方向に、青色帯域の光を反射する反射領域と、青色帯域のレーザ光によって励起された蛍光色を発光する蛍光体領域とを含んでいる。また、蛍光体ホイール２０は、第２の半径（ｒ２＜ｒ１）の円周方向に、青色帯域の光および蛍光体領域によって発せられた蛍光色をそれぞれ選択的にフィルタリングする透過フィルタ領域とを含んでいる。透過フィルタ領域は、第１の半径の円周方向を走査したときに発せられた光の波長の中から特定の波長を選択的に透過させ、演色性の向上を図り、かつ他の波長が混色することを防止する。

図３に、本実施例の蛍光体ホイールの具体的な構成を示す。図３（Ａ）は、蛍光体ホイールの平面図、図３（Ｂ）は、そのＸ−Ｘ線断面図である。蛍光体ホイール２０は、第１の半径ｒ１の円周方向に、青色帯域の光を反射する青色反射領域２２Ｂ、青色帯域の光によって励起されて赤色帯域の蛍光色を発する赤色蛍光体領域２２Ｒ、青色帯域の光によって励起されて緑色帯域の蛍光色を発する緑色蛍光体領域２２Ｇ、青色帯域の光によって励起されて黄色帯域の蛍光色を発する黄色蛍光体領域２２Ｙとを含んで構成される。また、第１の半径ｒ１よりも内側の第２の半径ｒ２の円周方向に、青色帯域の波長を選択的に透過する青色透過フィルタ２４Ｂ、赤色帯域の波長を選択的に透過する赤色透過フィルタ２４Ｒ、緑色帯域の波長を選択的に透過する緑色透過フィルタ２４Ｇ、黄色帯域の波長を選択的に透過する黄色透過フィルタ２４Ｙとを含んで構成される。

図３に示す例では、青色反射領域２２Ｂ、赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇおよび黄色蛍光体領域２２Ｙの内角は、それぞれ９０度であり、また、青色透過フィルタ２４Ｂ、赤色透過フィルタ２４Ｒ、緑色透過フィルタ２４Ｇおよび黄色透過フィルタ２４Ｙの内角もそれぞれ９０度である。そして、青色反射領域２２Ｂの対向する側、すなわち青色反射領域２２Ｂを１８０度回転させた位置に青色透過フィルタ２４Ｂが位置し、同様に、赤色蛍光体領域２２Ｒの対向する側に赤色透過フィルタ２４Ｒが位置し、緑色蛍光体領域２２Ｇの対向する側に緑色透過フィルタ２４Ｇが位置し、黄色蛍光体領域２２Ｙの対向する側に黄色透過フィルタ２４Ｙが位置する関係にある。

蛍光体ホイール２０は、図３（Ｂ）に示すように、ガラス、樹脂または金属から構成された基材２６を含み、第１の半径ｒ１の円周方向には、反射層２７が形成され、その上に蛍光体層２８が形成される。好ましい態様では、反射層２７は、青色帯域以外の波長の光を反射するダイクロイックコートにより形成される。蛍光体層２８が青色帯域のレーザ光線束Ｌｂによって照射されたとき、蛍光発色されたＲ、Ｇ、Ｙの光は、全方位に広がるため、反射層２７を下層に形成することで、蛍光体ホイール２０の表面側から効率良くＲ、Ｇ、Ｙの光が取り出される。また、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂの変換効率は１００％ではなく、つまり、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂの一部は、蛍光発色に利用されないので、反射層２７によって青色帯域の光を吸収させることで、波長変換に利用されなかった青色帯域の光がＲ、Ｇ、Ｙの蛍光色に混色されるのを抑制する。

また、青色反射領域２２Ｂについて、基材２６がガラスや樹脂から構成される場合には、基材２６の上に青色帯域の光を反射する反射層２７が形成される。基材２６が金属から構成される場合には、金属表面を鏡面状態とすることで、必ずしも反射層２７を要しない。なお、図３（Ｂ）に示される反射層２７、蛍光体層２８は、その厚さが誇張して示されていることに留意すべきである。

蛍光体層２８は、公知の材料を用いて構成される。赤色帯域の蛍光を発色する蛍光体材料として、例えば、CaAlSiN₃:Eu²⁺、Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺、SrAlSi₄N₇:Eu²⁺など知られている。また、緑色帯域や黄色帯域の蛍光を発する蛍光体材料として、例えば、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、TAG（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、BOS（バリウム・オルソシリケート）系、窒化化合物系が知られている。蛍光体層２８は、例えば、蛍光体材料と樹脂材料やセラミック材料に混ぜ合わせたものを塗布したり、蛍光体材料を混ぜ合わせたシート状のものを貼り付けるようにしてもよい。

また、図３（Ｂ）に示すように、蛍光体層２８よりも内側の第２の半径ｒ２の領域には、青色透過フィルタ２４Ｂ、赤色透過フィルタ２４Ｒ、緑色透過フィルタ２４Ｇおよび黄色透過フィルタ２４Ｙを形成するための透過フィルタ領域２９が形成される。好ましい態様では、基材２６がガラスから構成される場合、ガラス表面にＢ、Ｒ、Ｇ、Ｙの波長帯域を選択するためのダイクロイックコートが施される。あるいは、ガラス自身がＢ、Ｒ、Ｇ、Ｙの波長を選択する光学フィルタであってもよい。青色透過フィルタ２４Ｂは、例えば、約５００ｎｍ以下の波長帯域を高透過し、それより大きい波長帯域を高反射する。赤色透過フィルタ２４Ｒは、例えば、約５８０ｎｍ以上の波長帯域を高透過し、それより小さい波長帯域を高反射する。緑色透過フィルタ２４Ｇは、例えば、約４８０ｎｍと約６００ｎｍの間の波長帯域を高透過し、それ以外の波長を高反射する。黄色透過フィルタ２４Ｙは、例えば、約４８０ｎｍ以上の波長帯域を高透過し、それより小さい波長を高反射する。また、黄色透過フィルタ２４Ｙは、赤色透過フィルタ２４Ｒまたは緑色透過フィルタ２４Ｇに置換されてもよい。

さらに好ましい態様として、青色透過フィルタ２４Ｂは、青色帯域のレーザ光のスペックルを抑制するため、拡散板または拡散層２９ａを含む。例えば、青色透過フィルタ２４Ｂの表面に凹凸を形成することで青色帯域の光を拡散させるようにしてもよい。

さらに好ましい態様として、蛍光体ホイール２０は、図３（Ｃ）に示すように、裏面に放熱部材２５が形成されるようにしてもよい。放熱部材２５は、熱伝導率が高い材料、例えばアルミ、鉄、銅などの金属から構成され、熱導電性の優れた接着剤等によって蛍光体ホイール２０に貼り付けることができる。放熱部材２５は、好ましくは、蛍光体層２８の位置に対応するように環状に形成されるが、これ以外の形状であってもよい。蛍光体層２８は、励起光として青色帯域のレーザ光線束Ｌｂが照射されると発熱し、温度が増加すると発光変換光量が低下する。放熱部材２５を形成することで、蛍光体層２８の温度上昇が抑制され、発光変換光量の低下を防止することができる。

第１のレンズＬ１は、青色帯域のレーザ光Ｌｂを、蛍光体ホイール２０の第１の半径ｒ１の近傍の走査位置Ｆ１に集光し、これにより、蛍光体ホイール２０の第１の半径ｒ１の領域が円周方向が光学的に走査される。また、後述するように、第２のレンズＬ２は、蛍光体ホイール２０の第２の半径ｒ２の近傍の走査位置Ｆ２に集光し、これにより、蛍光体ホイール２０の第２の半径ｒ２の領域が円周方向に光学的に走査される。

なお、上記の例では、蛍光体ホイール２０には、赤色帯域、緑色帯域および緑色帯域の光を発光させるための蛍光体層２８が形成されたが、蛍光体ホイール２０からＲ、Ｇ、Ｂの光を得たい場合には、蛍光体層は、赤色蛍光体領域と緑色蛍光体領域を含むものであってもよいし、勿論、これ以外の蛍光発色の組合せとなる蛍光体領域が形成されるようにしてもよい。さらに、上記の例では、青色反射領域２２Ｂ、赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇ、および黄色帯域蛍光体領域２２Ｙの内角が９０度の例を示したが、これは一例であり、要求される輝度やその他の設計事項に応じて適宜変更することが可能である。この場合、例えば、青色反射領域２２の内角が６０度であれば、それに対応して青色透過フィルタ２４Ｂの内角も６０度にされ、同様に、赤色蛍光体領域２２Ｒの内角が１２０度であれば、それに対応して赤色透過フィルタ２２Ｒの内角も１２０度にされる。

図４（Ａ）は、蛍光体ホイール２０の青色反射領域２２Ｂが青色帯域のレーザ光によって照射された状態を示している。第１のミラーＭ１によって反射された青色帯域の光線束Ｌｂは、第１のレンズＬ１の片側半分に入射され、蛍光体ホイール２０の走査領域Ｆ１を走査する。光線束Ｌｂが青色反射領域２２Ｂを走査する間、光線束Ｌｂは、青色反射領域２２Ｂで正規反射される。すなわち、青色反射領域２２Ｂに対する光線束Ｌｂの入射角θ１と反射角θ２は略等しい。従って、青色反射領域２２Ｂで正規反射された光線束Ｌｂ’は、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１の反対側から出射され、ほぼ平行光に集光される。

図４（Ｂ）は、蛍光体ホイール２０の赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇおよび黄色蛍光体領域２２Ｙを走査したときの状態を示している。青色帯域の光線束Ｌｂが赤色蛍光体領域２２Ｒを照射したとき、光線束Ｌｂによって励起された赤色帯域の光が蛍光する。蛍光発色された赤色帯域の光は、蛍光体ホイール２０の表面からランバーシアン状（均一拡散）に放射される。ランバーシアン状に発せられた赤色帯域の光Ｌｒは、第１のレンズＬ１によってほぼ平行な光線束に集光される。緑色蛍光体領域２２Ｇおよび黄色蛍光体領域２２Ｙが青色帯域のレーザ光によって照射されたときも同様に、蛍光発色された緑色帯域の光Ｌｇおよび黄色帯域の光Ｌｙがランバーシアン状に発せられる。

再び図１を参照する。第２のミラーＭ２は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙの波長帯域の光を反射するように、例えば全反射ミラーで構成され、光軸Ｃ１に対しほぼ４５度に傾斜される。第３のミラーＭ３もまた、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙの波長帯域の光を反射するように、例えば全反射ミラーで構成され、光軸Ｃ１に対しほぼ１３５度に傾斜される。こうして、蛍光体ホイール２０から発せられた青色帯域の光線束Ｌｂは、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１の反対側から出射されて第２のミラーＭ２へ向かい、第２および第３のミラーＭ２、Ｍ３によって直角に反射され、再び、第２のレンズＬ２の光軸Ｃ２の片側に入射され、蛍光体ホイール２０の第２の走査領域Ｆ２上に集光される。また、蛍光体ホイール２０から発せられたＲ、Ｇ、Ｙの光は、第１のダイクロイックミラーＭ１を透過し、第２および第３のミラーＭ２、Ｍ３によって直角に反射され、第２のレンズＬ２によって蛍光体ホイール２０の第２の走査領域Ｆ２上に集光される。

第１の走査領域Ｆ１は、図３（Ａ）に示すように、第１の半径ｒ１の円周方向の領域であり、第２の走査領域Ｆ２は、第２の半径ｒ２の円周方向の領域である。また、走査領域Ｆ２と走査領域Ｆ１とは、中心Ｏに関し１８０度の角度差がある。従って、青色反射領域２２Ｂを走査中に出力されたＢの光は、青色透過フィルタ２４Ｂに入射され、赤色蛍光体領域２２Ｒを走査中に出力されたＲの光は、赤色透過フィルタ２４Ｒに入射され、緑色蛍光領域２２Ｇを走査中に出力されたＧの光は、緑色透過フィルタ２４Ｇに入射され、黄色蛍光領域２２Ｙを走査中に出力されたＹの光は、黄色透過フィルタ２４Ｙに入射される。蛍光体領域を走査したときに生成されるＲ、Ｇ、Ｙの光には、蛍光発色に利用されなかった励起光である青色帯域の光が含まれることがあるが、このような青色帯域の光は、透過フィルタ領域２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｙを透過しないので、Ｒ、Ｇ、Ｙの光に、Ｂの光が混色することが防止される。

蛍光体ホール２０の第２の走査領域Ｆ２に近接して配置されたライトトンネルＬＴ（または光インテグレータ）は、蛍光体ホイール２０から連続的に出力されるＢ、Ｒ、Ｇ、Ｙの光を入射し、これをデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等の光変調デバイスへ供給する。ＤＭＤは、デジタル画像データに従い、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙの光を変調し、投射画像を生成する。

次に、本実施例の蛍光体ホイールの他の構成例について説明する。図５は、蛍光体ホイールの他の構成例である。この蛍光体ホイール２０Ａは、図３に示す蛍光体ホイール２０から、黄色蛍光体領域２２Ｙ、黄色透過フィルタ領域２４Ｙを除いたものであり、その他の構成は同様のである。すなわち、第１の半径の円周方向に、青色反射領域２２Ｂ、赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇが形成され、第２の半径の円周方向に、青色透過フィルタ領域２４Ｂ、赤色透過フィルタ領域２４Ｒ、緑色透過フィルタ領域２４Ｇが形成される。そして、蛍光体ホイール２０Ａの裏面側からは、Ｒ、Ｇ、Ｂの光が出力される。

図６は、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成を示す平面図である。図３に示す蛍光体ホイール２０では、第１の半径の円周方向に形成された領域と第２の半径の円周方向に形成された対応する領域とが、中心Ｏに関して１８０度の関係になるように配置されたが、図６に示す蛍光体ホイール２０Ｂでは、第１の半径方向の円周方向に形成される領域と第２の半径の円周方向に形成される領域とが、１８０度よりも小さい一定の角度差をもって配置される。つまり、図１に示す照明光学系１０では、第１の走査領域Ｆ１と第２の走査領域Ｆ２とが蛍光体ホイール２０の中心Ｏを通る両端になるように第１および第２のレンズＬ１、Ｌ２が設置されたが、本例の蛍光体ホイール２０Ｂを用いる場合には、第１の走査領域Ｆ１と第２の走査領域Ｆ２とがそのような両端になる必要がなくなるため、第１および第２のレンズＬ１、Ｌ２を近接して配置させることが可能となる。図６に示すように、第１の走査領域Ｆ１が、青色反射領域２２Ｂと赤色蛍光体領域２２Ｒの境界から角度αにあるとき、第２の走査領域Ｆ２が、青色透過フィルタ領域２４Ｂと赤色透過フィルタ領域２４Ｒの境界から角度βにあり、α＝βの角度関係が満足されるように、第１の半径の円周方向の各領域と第２の半径の円周方向の各領域が配置されればよい。このような照明光学系は、図１の照明光学系に比べて、省スペース化を図ることができる。

図７に示す蛍光体ホイール２０Ｃは、第１の半径の円周方向の構成を、図３に示す蛍光体ホイール２０と同一にするが、第２の半径方向の円周方向の構成を異にしている。すなわち、第２の半径の円周方向には、青色透過フィルタ領域２４Ｂと、青色反射領域２４ＢＲとが形成される。青色反射領域２４ＢＲは、Ｒ、Ｇ、Ｙの透過フィルタ領域２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｙを置換するものである。青色反射領域２４ＢＲは、例えば、第２の半径の円周方向に青色以外を透過するダイクロイックコートをすることにより形成される。赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇおよび黄色蛍光体領域２２Ｙの走査期間中に、青色反射領域２４ＢＲは、Ｒ、Ｇ、Ｙに含まれる未変換の青色の光を反射し、青色以外の光を透過する。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｙに青色帯域の光が混色することが防止される。

図８は、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を示す図である。本例では、蛍光体ホイール２０Ｄと、第１および第２のレンズＬ１、Ｌ２とは、相対的に水平方向Ｈに移動することが可能である。移動手段は、公知の技術を用いて構成される。図８（Ａ）に示すように、蛍光体ホイール２０Ｄが第１の位置にあるとき、第１のレンズＬ１は、第１の走査領域Ｆ１Ａを走査し、第２のレンズＬ２は、第２の走査領域Ｆ２Ａを走査する。また、図８（Ｂ）に示すように、蛍光体ホイール２０Ｄが第２の位置に移動されたとき、第１のレンズＬ１は、第１の走査領域Ｆ１Ｂを走査し、第２のレンズＬ２は、第２の走査領域Ｆ２Ｂを走査する。図８（Ｃ）に示す蛍光体ホイール２０Ｄは、図６に示す蛍光体ホイール２０Ｂと図７に示す蛍光体ホイール２０Ｃとを合成したものであり、蛍光体ホール２０Ｄが第１の位置にあるとき、図７に示す蛍光体ホイール２０Ｃの構成が選択され（Ｆ１ＡとＦ２Ａが走査される）、第２の位置にあるとき、図６に示す蛍光体ホイール２０Ｂの構成が選択される（Ｆ１ＢとＦ２Ｂが走査される）。これにより、単一の蛍光体ホール２０Ｄから２つの光出力モードのいずれかを選択することが可能になる。

次に、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を図９に示す。同図に示す蛍光体ホイール２０Ｅは、回転駆動部３０の同軸上に結合された２つの基材２６Ａ、２６Ｂとを有する。第１の基材２６Ａは、熱伝導率が良好な材料、例えば金属から構成され、第１の基材２６Ａ上に反射層２７を介して蛍光体層２８および青色反射領域が形成される。第２の基材２６Ｂは、ガラスまたは樹脂等の透明な材料から構成され、透明な基材の表面に、光学フィルタがコーティングされ、青色透過フィルタ領域２４Ｂ、赤色透過フィルタ領域２４Ｒ、緑色透過フィルタ領域２４Ｇおよび黄色透過フィルタ領域２４Ｙが形成される。本例の場合、第１の基材２６Ａが第１の走査領域Ｆ１に対応し、第２の基材２６Ｂが第２の走査領域Ｆ２に対応し、第１のレンズＬ１による青色帯域のレーザ光線束Ｌｂの集光が第１の基材２６Ａに対して行われ、第２のレンズＬ２による集光が第２の基材２６Ｂに対して行われる。

蛍光体の特性として、光の照射エネルギー密度および温度上昇の増加に伴い、発光変換効量が増加する線形領域（変換効率が一定）、発光変換量が飽和する飽和領域（変換効率が低下）、発光変換量が劣化する劣化領域をもつことが知られている。このため、蛍光体に一定以上のエネルギーの青色光が照射されると、発光変換量が飽和ないし劣化し、蛍光体が熱損傷または熱劣化してしまう。図９に示すような蛍光体ホイール２０Ｅを用いることで、第１の基材２６Ａの放熱特性が向上され、蛍光体の熱損傷等を防止し、発光変換量の劣化を防止することができる。

本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を図１０に示す。同図に示す蛍光体ホール２０Ｆは、第１の半径の円周方向に、青色反射領域２２Ｂと、黄色蛍光体領域２２Ｙとを含む。好ましくは、黄色蛍光体領域２２Ｙの面積が青色反射領域２２Ｂよりも大きく、すなわち、黄色蛍光体領域２２Ｙの走査期間が長くなるように設定される。本例では、赤色および緑色の蛍光体を使用せず、黄色の蛍光体を用いる。これは、黄色を発色する蛍光体の方が、赤色および緑色を発色する蛍光体よりも、変換効率が高く、発光光量を大きくすることができるためである。

蛍光体ホイール２０Ｆの第２の半径の円周方向には、青色反射領域２２Ｂに対応して青色透過フィルタ領域２４Ｂが形成され、かつ、黄色蛍光体領域２２Ｙに対応して赤色透過フィルタ領域２４Ｒおよび緑色透過フィルタ領域２４Ｇが形成される。黄色蛍光体領域２２Ｙで発色された光は、赤色帯域および緑色帯域の波長を包含するため、赤色透過フィルタ領域２４Ｒは、その中から赤色帯域の光を選択的に透過させ、緑色透過フィルタ領域２４Ｇは、緑色帯域の光を選択的に透過させる。なお、赤色透過フィルタ領域２４Ｒと緑色透過フィルタ領域２４Ｇの大きさの割合は適宜設定することができるが、赤色透過フィルタ領域２４Ｒの割合を相対的に大きくすることで、赤色帯域の光の出力を増加させ、赤色の演色性のある画像を生成することが可能になる。

次に、本発明の第２の実施例による照明光学系を図１１に示す。第２の実施例の照明光学系１０Ａは、図１の照明光学系１０と反対方向から青色帯域のレーザ光線束Ｌｂが第１のミラーＭ１に入射されるものである。それ以外の構成は、図１のときと同様である。

次に、本発明の第３の実施例による照明光学系を図１２に示す。第３の実施例の照明光学系１０Ｂは、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１と平行な方向から青色帯域のレーザ光線束Ｌｂが第２のミラーＭ２を介して入射される。この場合、第２のミラーＭ２は、青色帯域の光を透過し、それ以外の光を反射するダイクロイックミラーから構成される。青色帯域の光線束Ｌｂの光軸Ｃ０または中心は、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１からオフセットされたシフト光学系を構成しており、青色帯域の光線束Ｌｂは、第１のレンズＬ１の片側から入射され、反対側から出射される。さらに第３の実施例では、第１のミラーＭ１は不要になるが、第３のミラーＭ３の後方に隣接して第４のミラーＭ４が配置される。第４のミラーＭ４は、第２のダイクロイックミラーＭ２と透過してきた青色帯域の光線束Ｌｂを、第３のミラーＭ３に向けて反射させる。

次に、本発明の第４の実施例による照明光学系を図１３に示す。第４の実施例の照明光学系１０Ｃは、図示しないアレイ光源からの青色帯域のレーザ光線束Ｌｂを集光する第３のレンズと、第３のレンズＬ３から出射された光線束Ｌｂを反射する第１のダイクロイックミラーＭ１を含む。第１のミラーＭ１によって反射された光線束Ｌｂの光軸Ｃ０は、図１のときと同様に、第１のレンズＬ１の光軸からオフセットされたシフト光学系を構成している。蛍光体ホイール２０から発せられた青色帯域の光線束Ｌｂは、第２のダイクロイックミラーＭ２を透過し、第４のミラーＭ４によって第３のミラーＭ３へ向けて反射される。本例の照明光学系１０Ｃでは、第４のミラーＭ４の位置を調整することで、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂを、第２のレンズＬ２の光軸近傍に集光させ、青色帯域の光線束Ｌｂの均一性を改善することができる。上記以外の構成は、図１のときと同様である。

次に、本発明の第５の実施例による照明光学系を図１４に示す。第５の実施例の照明光学系１０Ｄは、図１の照明光学系で用いた蛍光体ホイールを２つに分割し、第１および第２の蛍光体ホイール２０−１、２０−２とが直交するように配置され、第１および第２の蛍光体ホイール２０−１、２０−２は、それぞれ同期して回転される。第１の蛍光体ホイール２０−１は、第１の半径の円周方向の第１の走査領域となる、青色反射領域２２Ｂ、赤色蛍光体領域２２Ｒ、緑色蛍光体領域２２Ｇおよび黄色蛍光体領域２２Ｙを含んで構成される。また、第２のミラーＭ２で直角に反射された光は、第２のレンズＬ２によって第２の蛍光体ホイール２０−２の第２の走査領域Ｆ２に集光される。第２の走査領域Ｆ２には、青色透過フィルタ領域２４Ｂ、赤色透過フィルタ領域２４Ｒ、緑色透過フィルタ領域２４Ｇおよび黄色透過フィルタ領域２４Ｙが形成される。本例では、第２の蛍光体ホイール２０−２が追加になるが、第３のミラーＭ３が不要になる。

次に、本発明の第６の実施例による照明光学系を図１５に示す。第６の実施例の照明光学系１０Ｅは、第５の実施例を変形するものである。同図に示すように、第１および第２の蛍光体ホイール２０−１、２０−２が平行となるように配置され、かつ第１および第２の蛍光体ホイール２０−１、２０−２が同期して回転される。本例の照明光学系１０Ｅでは、第１のレンズＬ１の光軸Ｃ１と第２のレンズＬ２の光軸Ｌ２が平行であり、第１のレンズＬ１からの光は、第２のレンズｌ２によって第２の蛍光体ホイール２０−２の第２の走査領域Ｆ２へ集光される。図１４に示す第５の実施例の照明光学系１０Ｄと比較して、第２のミラーＭ２が不要となるため、照明光学系１０Ｅの省スペース化を図ることができる。なお、第１および第２の蛍光体ホイール２０−１、２０−２は、両者の回転軸が連結される構成であってもよい。

上記実施例では、蛍光体ホイール２０の青色透過領域２４Ｂの表面に拡散層２９ａを形成する例を示したが、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂの光路上にスペックルを抑制するための拡散部材を配置するようにしてもよい。さらに、蛍光体ホイールに形成される蛍光体領域の大きさ、蛍光発色される色などは、目的等に応じて適宜変更することができる。

本発明に係る照明光学系は、種々の電子装置の光源に適用することができる。例えば、プロジェクタ、リアプロジェクタ、内視鏡、照明機器などの光源に用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ：照明光学系
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ：蛍光体ホイール
２２Ｂ：青色反射領域
２２Ｒ：赤色蛍光体領域
２２Ｇ：緑色蛍光体領域
２２Ｙ：黄色蛍光体領域
２４Ｂ：青色透過フィルタ領域
２４Ｒ：赤色透過フィルタ領域
２４Ｇ：緑色透過フィルタ領域
２４Ｙ：黄色透過フィルタ領域
２６、２６Ａ、２６Ｂ：基材
２７：反射層
２８：蛍光体層
２９：透過フィルタ領域
２９Ａ：拡散面
３０：回転駆動部
４０：アレイ光源
Ｌ１：第１のレンズ
Ｌ２：第２のレンズ
Ｍ１：第１のミラー
Ｍ２：第２のミラー
Ｍ３：第３のミラー
Ｍ４：第４のミラー
ＬＴ：ライトトンネル
Ｆ１：第１の走査領域
Ｆ２：第２の走査領域

Claims

第１の波長帯域の光を発する光源と、
前記光源から発せられた第１の波長帯域の光を入射し、第１の波長帯域の光を反射する反射領域と、第１の波長帯域により励起された第２の波長帯域の光を生成する蛍光体領域とを含む第１の生成手段と、
第１の生成手段により生成された第１の波長帯域の光と第２の波長帯域の光を入射し、第１の波長帯域の光を透過する第１の透過領域、第２の波長帯域の光を透過する第２の透過領域を含む第２の生成手段とを有し、
第１の生成手段は、第１の波長帯域の主光線の光軸からシフトされた光軸を有し、第１の生成手段はレンズを含み、第１の波長帯域の光がレンズの片側半分のみから入射され、前記反射領域で反射された第１の波長帯域の光がレンズの反対側の半分のみから出射され、
第１の生成手段と第２の生成手段の回転部材とは同一の回転部材であり、第１の生成手段は、第１の半径の円周方向に、少なくとも前記反射領域および前記蛍光体領域を形成し、第２の生成手段は、第２の半径の円周方向に、少なくとも前記第１の透過領域および前記第２の透過領域を形成する、照明光学系。
第１の生成手段は、前記光源からの光を前記レンズに向けて反射するダイクロイックミラーを含み、当該ダイクロイックミラーは、第１の波長帯域の光を反射し、前記蛍光体領域で生成された第２の波長帯域の光を透過する、請求項１に記載の照明光学系。
第１の生成手段は、円周方向に、少なくとも前記反射領域および前記蛍光体領域が形成された回転部材を含む、請求項１または２に記載の照明光学系。
第２の生成手段は、円周方向に、少なくとも前記第１の透過領域および前記第２の透過領域が形成された回転部材を含む、請求項１ないし３いずれか１つに記載の照明光学系。
請求項１ないし４いずれか１つに記載の照明光学系を含む電子装置。