JP6557983B2 - プロジェクター - Google Patents

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

特許文献１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。拡散光を高い効率で利用するためには、例えば右円偏光が拡散板および反射板で拡散反射される際に、左円偏光に変換される必要がある。しかし、拡散板による光の拡散角度を大きくすると、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。つまり、拡散光の利用効率が低下する。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。

また、拡散板の拡散角度を１３°以下とするための構成については具体的に記載されていない。拡散板の拡散角度が小さすぎると、青色光の拡散角度と黄色光の拡散角度との差が大きくなることに起因して、色むらが生じるという問題がある。したがって、拡散反射素子の拡散角度を適切に設定する必要がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、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られた照明装置を提供することを目的の一つとする。また、前記照明装置を備えることにより表示品位の高いプロジェクターを実現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の偏光状態の第１の成分を含む第３の光を射出する光源装置と、前記第３の光が入射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子を経由した前記第１の成分が入射する位相差素子と、複数の曲面を含む凹凸構造を有するとともに、前記位相差素子を透過することで偏光状態が変化した前記第１の成分が入射する拡散反射素子と、を備え、前記拡散反射素子で反射し、前記位相差素子を透過した前記第１の成分のうち、前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態の第４の成分が前記偏光分離素子を介して射出されるように構成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、光源装置から射出された第３の光に含まれる第１の成分は、偏光分離素子および位相差素子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、再び位相差素子および偏光分離素子を介して照明装置から射出される。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の成分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の成分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の成分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の成分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、前記凹凸構造は、前記偏光分離素子を介して射出された前記第４の成分の光量が、前記拡散反射素子を平坦な反射面を持つ反射素子と置き換えた場合に得られる前記光量の７５％以上となるように構成されていてもよい。

本発明者らは、拡散反射素子の凹凸構造の形状を変えることによって、凹凸構造の形状と光利用効率との相関関係を調べた。本明細書において、光利用効率は、偏光分離素子を介して射出された第４の成分の光量と、前記拡散反射素子を平坦な反射面を持つ反射素子（すなわち、垂直に入射した直線偏光の偏光状態が１００％維持される反射素子）と置き換えた場合に得られる前記光量と、の比を意味する。本発明者らの検討結果によれば、上記の比の値が７５％以上の領域では、凹凸構造の形状の変化に対して比の値が緩やかに変化する一方、比の値が７５％未満の領域では比の値が急激に変化することが判った。本発明の一つの態様の照明装置においては、凹凸構造は、偏光分離素子を介して射出された第４の成分の光量が、拡散反射素子を平坦な反射面を持つ反射素子と置き換えた場合に得られる光量の７５％以上となるように構成されているため、光利用効率を適切な範囲内で維持することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第３の光は、前記第２の偏光状態の第２の成分を含み、前記偏光分離素子は、前記第３の光の波長とは異なる波長の光を、偏光状態に係わらず透過させ、前記偏光分離素子で反射した前記光源装置からの前記第２の成分が入射する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記第２の成分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、をさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、第３の光に含まれる第２の成分は、偏光分離素子で反射され、蛍光層に入射して蛍光体を励起する。蛍光体層で生成された光と拡散反射素子で拡散反射された光とは、偏光分離素子で合成された後、合成光が照明装置から射出される。このようにして、蛍光光と拡散光とが合成された照明光が得られる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第３の光は、前記第２の偏光状態の第２の成分を含み、前記偏光分離素子は、前記第３の光の波長とは異なる波長の光を、偏光状態に係わらず反射させ、前記偏光分離素子を透過した前記光源装置からの前記第２の成分が入射する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記第２の成分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、をさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、第３の光に含まれる第２の成分は、偏光分離素子を透過し、蛍光層に入射して蛍光体を励起する。蛍光体層で生成された光と拡散反射素子で拡散反射された光とは、偏光分離素子で合成された後、合成光が照明装置から射出される。このようにして、蛍光光と拡散光とが合成された照明光が得られる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記拡散反射素子を前記反射素子と置き換えた場合の被照明領域における色むらを基準色むらとしたとき、前記凹凸構造は、前記色むらが前記基準色むらの９０％以下となるように構成されていてもよい。
本発明者らの検討結果によれば、被照明領域における色むらが、拡散反射素子を平坦な反射面を持つ反射素子と置き換えた場合に得られる色むらの９０％以下であれば、色むらがほとんど認識できなくなることが判った。詳細は後述する。

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、前記色むらが前記基準色むらの５０％以下となるように構成されていてもよい。この場合、前記凹凸構造のアスペクト比が０．００２以上であることが好ましい。
本発明者らの検討結果によれば、上記の条件を満たした場合、色むらが少ない状態を安定して維持できることが判った。詳細は後述する。

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の成分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の成分の照射位置が時間的に変化するため、第１の成分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の成分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、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置から射出される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、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、本発明の一つの態様の照明装置を備えることにより、表示品位の高いプロジェクターを実現することができる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。 第１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。 本発明の第２実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第２実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 実施形態の拡散反射素子を示す断面図である。 拡散反射素子のアスペクト比と光量比との関係を示すグラフである。 拡散反射素子のアスペクト比と色むら相対比との関係を示すグラフである。 凹凸構造のアスペクト比のランダム性の有無による色むらを比較したグラフである。 本発明の第３実施形態の照明装置の概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１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、赤色の画像光を形成する。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、緑色の画像光を形成する。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、青色の画像光を形成する。

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、各液晶パネルの入射側および射出側それぞれには、偏光板（図示せず）が配置されている。

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。合成光学系５は、入射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素子に対応する。

アレイ光源（光源装置）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、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。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、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の光は、特許請求の範囲における第１の成分に相当する。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の光は、特許請求の範囲における第２の成分に相当する。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（一方の偏光成分あるいは第２の偏光状態の成分）とＰ偏光成分（他方の偏光成分あるいは第１の偏光状態の成分）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、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。偏光分離素子５０Ａによって反射された青色光ＢＬｓ’のＳ偏光成分は、特許請求の範囲における第４の成分に相当する。

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。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５〜図９を用いて説明する。

本実施形態のプロジェクター１ｂは、照明装置２ｂを備えている。プロジェクター１ｂの基本構成は第１実施形態のプロジェクター１と同様であるが、照明装置２ｂの構成がプロジェクター１の照明装置２の構成と異なる。プロジェクター１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。

（プロジェクター）
図５は、本実施形態に係るプロジェクター１ｂの概略構成を示す平面図である。
図５に示すように、プロジェクター１ｂは、照明装置２ｂと、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。

（照明装置）
次に、本実施形態に係る照明装置２ｂについて説明する。
図６は、第２実施形態の照明装置を示す概略構成図である。
図６に示すように、照明装置２ｂは、アレイ光源２１Ｂと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、位相差板２８ａと、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７と、位相差素子２８ｂと、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０ｅと、均一照明光学系４０と、を含んでいる。アレイ光源２１Ｂ、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、位相差板２８ａおよびホモジナイザー光学系２４は、光源装置２５を構成する。光源装置２５は、偏光分離素子５０Ａに対するＰ偏光成分および偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分を含む第３の光を射出する。第３の光に含まれるＰ偏光成分は、特許請求の範囲における、第１の偏光状態の第１の成分に相当する。第３の光に含まれるＳ偏光成分は、特許請求の範囲における、第２の偏光状態の第２の成分に相当する。本実施形態の場合、第３の光は楕円偏光または円偏光であるが、第３の光は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混合された光であってもよい。

光源装置２５と、偏光分離素子５０Ａと、位相差素子２８ｂと、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０ｅとは、光軸ａｘ１上に配置されている。一方、蛍光発光素子２７と、第１のピックアップ光学系２６と、偏光分離素子５０Ａと、均一照明光学系４０とは、光軸ａｘ２上に配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。

アレイ光源２１Ｂは、複数の半導体レーザー２１１を備えている。半導体レーザー２１１は、直線偏光の青色光からなる光ビームＢＬ’を射出する。後述するように、光ビームＢＬ’の一部は、偏光分離素子５０Ａにより分離されて蛍光体層の励起光となる。光ビームＢＬ’の他の一部は、偏光分離素子５０Ａにより分離され、拡散反射素子を経て画像表示用の青色光となる。

アレイ光源２１Ｂから射出された光ビーム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を透過した光ビーム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を透過した光ビームＢＬ’は、位相差板２８ａを透過して円偏光に変換される。位相差板２８ａを透過した光ビームＢＬ’は、ホモジナイザー光学系２４に入射する。

光源装置２５から射出された光ビームＢＬ’は、偏光分離素子５０Ａに入射する。偏光分離素子５０Ａは、円偏光の光ビームＢＬ’を、偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分の光ビームＢＭ_ＳｅとＰ偏光成分の光ビームＢＭｐとに分離する。Ｓ偏光成分の光ビームＢＭ_Ｓｅは、偏光分離素子５０Ａで反射され、蛍光発光素子２７に向けて進み、励起光として用いられる。Ｐ偏光成分の光ビームＢＭｐは、偏光分離素子５０Ａを透過し、拡散反射素子３０ｅに向けて進む。また、偏光分離素子５０Ａは、青色光とは波長帯が異なる蛍光光ＹＬを、偏光状態にかかわらず透過させる波長選択性を有している。

偏光分離素子５０Ａで反射された光ビームＢＭ_Ｓｅは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。

蛍光体層３４は、例えば波長４６０ｎｍの励起光（光ビームＢＭ_Ｓｅ）により励起される蛍光体を含む。蛍光体は、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、偏光分離素子５０Ａで反射した第２の成分であるＳ偏光の光ビームＢＭ_Ｓｅが入射する。

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である。蛍光光ＹＬは、第１のピックアップ光学系２６を通過した後、偏光分離素子５０に入射する。偏光分離素子５０は偏光状態にかかわらず蛍光光ＹＬを透過させる特性を有しているため、蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０を透過し、インテグレータ光学系３１に向かって進む。

一方、偏光分離素子５０Ａを経由したＰ偏光の光ビームＢＭ_Ｐは、位相差素子２８ｂに入射する。位相差素子２８ｂは、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０ｅとの間の光路中に配置された１／４波長板で構成されている。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の光ビームＢＭ_Ｐは、位相差素子２８ｂにより円偏光の光ビームＢＭ_Ｃに変換される。本実施形態においては、光ビームＢＭ_Ｃは右円偏光である。その後、光ビームＢＭ_Ｃは、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、光ビームＢＭ_Ｃを拡散反射素子３０ｅに向けて集光させる。

拡散反射素子３０ｅは、第２のピックアップ光学系２９から射出された光ビームＢＭ_Ｃを偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０ｅは、第１実施形態における拡散反射素子３０と同様に、複数の曲面を含む凹凸構造１４３を有する。拡散反射素子３０ｅには、位相差素子２８ｂを透過することで偏光状態が変化した第１の成分が入射する。

以下、拡散反射素子３０ｅに入射した光ビームＢＭ_Ｃが左円偏光の光ビームＢＭ_Ｃ’に変換される場合について説明する。
光ビームＢＭ_Ｃ’は、再び位相差素子２８ｂに入射することによって、Ｓ偏光の光ビームＢＭ_Ｓｄに変換される。その後、光ビームＢＭ_Ｓｄは偏光分離素子５０Ａに入射する。本実施形態においては、光ビームＢＭ_Ｃ’は左円偏光であるため、光ビームＢＭ_Ｓｄは特許請求の範囲における第２の偏光状態の第４の成分に相当する。すなわち、特許請求の範囲における、拡散反射素子３０ｅで反射し位相差素子２８ｂを透過した第１の成分は、第１の偏光状態の成分を含まない。ただし、凹凸構造１４３の形状によっては、拡散反射素子３０ｅに入射した光ビームＢＭ_Ｃが完全な左円偏光としては反射されない場合がある。この場合は、拡散反射素子３０ｅで反射し位相差素子２８ｂを透過した第１の成分は、第１の偏光状態の成分をいくらか含む。

Ｓ偏光の光ビームＢＭ_Ｓｄは、偏光分離素子５０Ａにより反射され、インテグレータ光学系３１に向かって進む。このようにして、青色光である光ビームＢＭ_Ｓｄと黄色光である蛍光光ＹＬとが合成された白色の照明光ＷＬが得られる。

ところで、アレイ光源２１Ｂから射出された光の利用効率を高めるためには、光ビームＢＭ_ＳｄがＳ偏光である直線偏光として偏光分離素子５０Ａに入射することが好ましい。光ビームＢＭｃ’が楕円偏光の場合、光ビームＢＭｃ’は位相差素子２８ｂを透過しても楕円偏光のままである。偏光分離素子５０Ａに入射する光ビームＢＭ_Ｓｄは楕円偏光であるため、偏光分離素子５０Ａで反射されないＰ偏光成分を含む。そのため、偏光分離素子５０Ａによって反射された光ビームＢＭ_Ｓｄの光量が少なくなる。光ビームＢＭｃ’が左円偏光の場合、光ビームＢＭｃ’は位相差素子２８ｂによってＳ偏光である直線偏光に変換されるため、偏光分離素子５０Ａによって反射された光ビームＢＭｓｄの光量が最大となる。

ここで、拡散反射素子３０ｅに光が垂直に入射すると仮定する。拡散反射素子３０ｅが右円偏光の光ビームＢＭｃを左円偏光の光ビームＢＭｃ’に変換するためには、拡散反射素子３０ｅは、入射した直線偏光を、その偏光状態を維持したまま反射させる特性を持っていなければならない。偏光状態が維持されない場合、光ビームＢＭｃ’は楕円偏光になる。したがって、拡散反射素子３０ｅによって直線偏光の偏光状態が維持される割合が高いほど、偏光分離素子５０Ａによって反射された光ビームＢＭ_Ｓｄの光量が多い。その結果、照明光ＷＬとして利用される成分が多くなり、光利用効率を高めることができる。

偏光状態を維持するための具体的な手段としては、拡散反射素子３０ｅの凹凸構造のアスペクト比を適切な範囲内に調整すればよい。
図７は、本実施形態の拡散反射素子３０ｅを示す断面図である。
図７に示すように、拡散反射素子３０ｅは、基材１４１と、基材１４１の一面１４１ａに設けられた反射膜１４２と、を備えている。基材１４１の一面には、凹部１４３ａと凸部１４３ｂとが交互に設けられた凹凸構造１４３が形成されている。反射膜１４２は、例えば銀、アルミニウムなどの反射率の高い金属材料で構成されている。基材１４１の材料は特に限定されないが、耐熱性が高い材料であることが好ましい。反射膜１４２は、基材１４１の凹凸構造１４３の形状が反映されるような所定の膜厚で形成されている。なお、基材１４１は光反射性を有する材料で構成されていてもよく、その場合には反射膜が別途設けられていなくてもよい。

隣り合う２つの凸部１４３ｂ間の距離（もしくは隣り合う２つの凹部１４３ａ間の距離）をピッチＰとし、凹部１４３ａの最下部から凸部１４３ｂの最上部までの距離を凹部１４３ａの深さＤとしたとき、凹凸構造１４３のアスペクト比をＤ／Ｐと定義する。

ここで、本発明者らは、凹凸構造１４３のアスペクト比と光利用効率との関係を調べた。具体的には、凹凸構造１４３のアスペクト比が異なる拡散反射素子３０ｅを実際に作成し、偏光分離素子５０Ａを介して射出された光の光量を測定した。また、平坦な反射面を持つ鏡面反射素子で拡散反射素子３０ｅを置き換えた場合に得られる光量を基準光量とした。そして、拡散反射素子３０ｅを用いて得られた光量と基準光量との比を算出した。鏡面反射素子では、入射光が反射素子で１回だけ正反射するため、垂直に入射した直線偏光の偏光状態は１００％維持される。したがって、拡散反射素子を鏡面反射素子と置き換えた場合には光利用効率が最大となる。

図８は、拡散反射素子のアスペクト比と光量比との関係を示すグラフである。
図８の横軸はアスペクト比であり、図８の縦軸は光量比（％）である。２本のグラフＡおよびグラフＢは、拡散反射素子に入射する光の光路上の光学系の構成を変え、拡散反射素子に入射する光の強度分布を異ならせた２種類の実験結果を示している。
なお、アスペクト比がゼロとは、鏡面反射素子を用いたことに対応する。したがって、アスペクト比がゼロの場合、垂直に入射した直線偏光の偏光状態が１００％維持される結果、光量比は１００％となる。

図８に示すように、２種類の光学系で共通する傾向として、光量比が７５％以上の領域（光学系Ａではアスペクト比が０．３５以下の領域、光学系Ｂではアスペクト比が０．２５以下の領域）では、アスペクト比の増加に伴って光量比は緩やかに低下する傾向を示す。これに対して、光量比が７５％未満の領域（光学系Ａではアスペクト比が０．３５よりも大きい領域、光学系Ｂではアスペクト比が０．２５よりも大きい領域）では、アスペクト比の増加に伴って光量比は急激に低下する傾向を示す。この理由は、アスペクト比が相対的に小さい領域では凹部が浅いため、入射光が凹部内で反射される回数が少なく、偏光状態が維持される割合が大きい。これに対して、アスペクト比が相対的に大きい領域では凹部が深いため、入射光が凹部内で多重反射する割合が増加し、偏光状態が維持される光の割合が小さくなるため、と推定される。このように、多重反射しないことが好ましい。

以上の実験結果から、上記の光量比が７５％以上の値を示すように凹凸構造のアスペクト比を設定することにより、ある程度高い光利用効率が得られることが実証された。ただし、図８に示すように、光量比が７５％以上の値を示すためのアスペクト比の範囲は、用いる光学系によって異なる。

上述したように、光利用効率を高める観点からすれば、凹凸構造のアスペクト比は極力小さい方が好ましい。しかしながら、凹凸構造のアスペクト比を小さくし過ぎると、別の問題が生じる。

拡散光の拡散角度分布は凹凸構造のアスペクト比と相関があり、凹凸構造のアスペクト比が小さいと、それに伴って拡散角度分布が小さくなる。一般に、蛍光体層から射出される蛍光と拡散層から射出される拡散光とでは配光分布が異なる。具体的には、拡散光の拡散角度分布は蛍光の拡散角度分布よりも小さい。そのため、本実施形態の照明装置の場合、凹凸構造のアスペクト比が小さ過ぎると、青色光の拡散角度分布が小さくなり過ぎ、蛍光発光素子から射出される黄色光の拡散角度分布との差異が大きくなって色むらが発生する、という問題がある。

そこで、本発明者らは、凹凸構造のアスペクト比と色むらとの関係を調べた。
具体的には、凹凸構造のアスペクト比を種々変えた拡散反射素子を実際に作成して本実施形態のプロジェクターに組み込み、照明装置から射出された光をスクリーン上に投射し、投射画像の色むらを測定した。色むらの測定方法としては、ズームレンズをワイド設定とし、色彩照度計を用いてスクリーン（被照明領域）上の１３箇所の測定点において黒体軌跡からの偏差値（Δｕ’ｖ’）を測定した。黒体軌跡からの偏差値Δｕ’ｖ’が大きい程、色むらが大きいことを示す。

図９は、拡散反射素子のアスペクト比と色むら相対比との関係を示すグラフである。横軸はアスペクト比であり、縦軸は色むら相対比（％）である。ここで、拡散反射素子３０ｅを鏡面反射素子で置き換えたときの偏差値Δｕ’ｖ’を基準色むらと定義する。色むら相対比は、所定のアスペクト比を有する拡散反射素子を用いたときの偏差値（色むら）Δｕ’ｖ’の、基準色むらに対する比である。色むら相対比が小さい方が、色むらが認識されにくい。

図９に示すように、色むら相対比が５０％を超える領域、アスペクト比で言い換えると、アスペクト比が０．００２未満の領域では、アスペクト比の増加に伴って色むら相対比は１００％から急激に低下する傾向を示す。これに対して、色むら相対比が５０％以下の領域、アスペクト比で言い換えると、アスペクト比が０．００２以上の領域では、アスペクト比を増加させても、色むら相対比は大きく変化せず、５０％程度の値で略一定となる傾向を示す。

また、本発明者らは、スクリーン上の投射画像を実際に目視して色むらの感応評価を行った。その結果を下の［表１］に示す。
［表１］においては、拡散反射素子に入射させる光の光路上の光学系の構成（光学系Ａおよび光学系Ｂ）を変えることによって、入射光の強度分布を異ならせた２種類の実験結果を示している。なお、表１における「○」は、色むらが視認されないことを示している。「△」は、色むらは視認されるものの、気にならない程度に色むらが軽微であることを示している。「×」は、色むらが気になることを示している。

［表１］から明らかなように、色むら相対比が５０％の場合、色むらが視認されないことが判った。色むら相対比が９０％の場合、光学系によっては色むらが視認されるものの、画像表示にとって特に問題ないレベルであることが判った。これに対し、色むら相対比が１００％の場合、色むらが気になり、画像表示に支障を来すレベルであることが判った。

図９および表１の結果から、色むら相対比が９０％以下の値を示すように凹凸構造のアスペクト比を設定することによって、実用上問題ないレベルまで色むらが低減されることが判った。さらに、色むら相対比が５０％以下の値を示すように凹凸構造のアスペクト比を設定することによって、色むらが最大限のレベルまで低減されることが判った。なお、色むら相対比が９０％となるアスペクト比は０．００７５であり、色むら相対比が５０％となるアスペクト比は０．００２７であった。

以上述べたように、拡散反射素子から得られる青色光の光利用効率を高めつつ、拡散光と蛍光光との拡散角度分布のバランスを取って色むらを抑制するためには、偏光分離素子を介して射出された光の光量と基準光量との比を７５％以上とし、かつ、色むら相対比を９０％以下、より好ましくは色むら相対比を５０％以下とするように、拡散反射素子の凹凸構造のアスペクト比を制御すればよい。

ところで、上記の光量比や色むら相対比を所定の範囲内に制御するためには、拡散反射素子の凹凸構造が規則的であることが好ましい。すなわち、凹凸構造のピッチＰもしくは凹部の深さＤを一定に設計することが好ましい。しかしながら、拡散反射素子の製造プロセス上の要因によって、実際に完成した拡散反射素子の凹凸構造のピッチＰや凹部の深さＤがばらついたとしても、本実施形態の照明装置に支障なく用いることができる。もしくは、凹凸構造のピッチＰもしくは凹部の深さＤがランダムになるように設計してもよい。

本発明者らは、規則的な凹凸構造を有する拡散反射素子とランダムな凹凸構造を有する拡散反射素子とを作製し、光利用効率と色むらとを評価した。具体的には、アスペクト比を０．０５で一定にした拡散反射素子と０．０５を中心としてアスペクト比をランダムにばらつかせた拡散反射素子とを用いた。

光利用効率（図８の光量比）は、いずれの場合も９６％であった。

また、プロジェクターのズームレンズをワイド設定またはテレ設定として、上記の偏差値（Δｕ’ｖ’）を測定した結果を図１０に示す。

図１０に示すように、凹凸構造のランダム性の有無による偏差値Δｕ’ｖ’の差は、ワイド設定、テレ設定の双方ともに０．００１程度であった。０．００１程度の偏差値Δｕ’ｖ’の差は、目視される色むらとしては無視できるレベルである。

以上のことから、拡散反射素子の凹凸構造のピッチＰや凹部の深さＤは、一定であってもよいし、ランダムであってもよいことが確認された。なお、ピッチＰや凹部の深さＤがランダムである場合のアスペクト比は、複数箇所の凹凸のピッチＰや凹部の深さＤの平均値と考えることができる。平均値を算出する際の凹部もしくは凸部の母数は適宜決定すればよい。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について図１１を用いて説明する。
本実施形態の照明装置の基本構成は第２実施形態の照明装置と同様であるが、拡散反射素子と蛍光発光素子との位置関係が第２実施形態と異なる。
図１１は、第３実施形態の照明装置の概略構成図である。
図１１において、第２実施形態における照明装置２ｂと共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の偏光分離素子が第２実施形態の偏光分離素子と異なる点は、青色光とは波長帯が異なる蛍光光を、その偏光状態にかかわらず反射させる特性を有する点である。このような偏光分離素子の特性の相違に伴って、本実施形態の照明装置では、拡散反射素子と蛍光発光素子との位置関係が第２実施形態と入れ替わっている。

図１１に示すように、本実施形態の照明装置５２においては、光源装置２５と、偏光分離素子５３と、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７とは、光軸ａｘ１上に配置されている。

拡散反射素子３０ｅと、第２のピックアップ光学系２９と、位相差板２８ｂと、偏光分離素子５３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、光軸ａｘ２上に配置されている。本実施形態においても、拡散反射素子３０ｅが凹凸構造を有し、凹凸構造のアスペクト比が第２実施形態と同様に設定されている。

本実施形態のプロジェクターにおいて、Ｓ偏光の光ビームＢＭ_Ｓは、偏光分離素子５３で反射され、位相差素子２８ｂに向けて進む。偏光分離素子５３から射出された光ビームＢＭ_Ｓは、位相差素子２８ｂにより右円偏光の光ビームＢＭ_Ｃに変換される。その後、光ビームＢＭ_Ｃは、第２のピックアップ光学系２９を経て拡散反射素子３０ｅに入射する。拡散反射素子３０ｅは、入射した光ビームＢＭ_Ｃを左円偏光のＢＭ_Ｃ’に変換して偏光分離素子５３に向けて拡散反射させる。本実施形態においても、拡散反射素子３０ｅから射出された光ビームＢＭ_Ｃ’が左円偏光である場合について説明する。

拡散反射素子３０ｅで拡散反射された光ビームＢＭ_Ｃ’は、再び位相差素子２８ｂに入射することによって、Ｐ偏光の光ビームＢＭ_Ｐｄに変換される。その後、Ｐ偏光の光ビームＢＭ_Ｐｄは、偏光分離素子５３を透過し、インテグレータ光学系３１に向かって進む。一方、Ｐ偏光成分の光ビームＢＭｐは、偏光分離素子５３を透過し、励起光として蛍光発光素子２７に向けて進む。

本実施形態においても、拡散反射素子３０ｅから得られる青色光の光利用効率を高めつつ、色むらを抑制することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

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。

第１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。

各実施形態の照明装置では、偏光分離素子と拡散反射素子との間に設ける位相差素子として１／４波長板が用いられているが、位相差素子の位相差は必ずしも１／４波長に限ることはなく、適宜変更が可能である。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、材料などについては、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。

各実施形態において、拡散反射素子は固定されていてもよいし、第１実施形態のように回転可能に構成されていてもよい。

各実施形態では、本発明による光源装置を、液晶ライトバルブを用いた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。光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。

各実施形態では、本発明による光源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。本発明による光源装置は、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。

１，１ｂ…プロジェクター、２，２ｂ，２０Ａ，５２…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）、２１Ｂ…アレイ光源、２５…光源装置、２８，２８ｂ…位相差素子、３０，３０ｅ…拡散反射素子、３４…蛍光体層、３７…反射部、４３ａ，４５ａ，４６ａ，１４３…凹凸構造、４４，４７…反射膜、５０Ａ，５３…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 (9)

1. 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、
   前記照明装置は、
   レーザー光を射出する光源装置と、
   前記レーザー光が入射する第１位相差素子と、
   前記第１位相差素子から射出した前記レーザー光を、第１の偏光状態を有する第１の成分と、前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有する第２の成分と、に分離する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子を経由した前記第１の成分が入射し、前記第１の成分の偏光状態を変化させる第２位相差素子と、
   複数の曲面を含む凹凸構造を有し、前記第２位相差素子を透過した前記第１の成分を拡散反射する拡散反射素子と、
   前記偏光分離素子を経由した前記第２の成分が入射し、前記第２の成分により励起されて、前記レーザー光の波長帯とは異なる波長帯の光を発する蛍光体層と、を備え、
   前記拡散反射素子で反射された前記第１の成分は、前記第２位相差素子に入射して、前記第２の偏光状態を有する光ビームに変換され、
   前記蛍光体層が発する光と前記光ビームとが前記偏光分離素子を経由して前記照明光として射出されることを特徴とするプロジェクター。
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に記載のプロジェクター。
3. 前記拡散反射素子は、金属からなる基材を含み、
   前記基材における前記第１の成分が入射する側の面に、前記凹凸構造が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプロジェクター。
4. 前記拡散反射素子は、ガラスからなる基材を含み、
   前記基材における前記第１の成分が入射する側の面に、前記凹凸構造が設けられ、
   前記凹凸構造の表面に、前記凹凸構造の形状に沿って金属反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプロジェクター。
5. 前記凹凸構造は、前記拡散反射素子で反射された前記第１の成分が前記第２位相差素子に入射して変換された前記第２の偏光状態を有する前記光ビームの光量が、前記拡散反射素子を平坦な反射面を持つ反射素子と置き換えた場合に得られる前記光量の７５％以上となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
6. 前記照明装置において、
   前記偏光分離素子は、前記レーザー光の波長帯とは異なる波長帯の光を、偏光状態に係わらず透過させ、
   前記蛍光体層の前記第２の成分が入射する面とは反対側に設けられ、前記蛍光体層が発する光を反射する反射部、を備え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プロジェクター。
7. 前記照明装置において、
   前記偏光分離素子は、前記レーザー光の波長帯とは異なる波長帯の光を、偏光状態に係わらず反射させ、
   前記蛍光体層の前記第２の成分が入射する面とは反対側に設けられ、前記蛍光体層が発する光を反射する反射部、を備え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プロジェクター。
8. 前記凹凸構造のアスペクト比が０．００２以上であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
9. 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の成分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８までのいずれか一項に記載のプロジェクター。