WO2014196020A1 - 照明光学系及びプロジェクタ - Google Patents

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裕之 斉藤
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Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system including a combining optical system that combines laser light emitted from a laser light source and fluorescence emitted from a phosphor, and a projector including the illumination optical system.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-141495 (hereinafter referred to as Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-013313 (hereinafter referred to as Patent Document 2), fluorescence that emits fluorescence when irradiated with excitation light.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-141495
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-013313
  • Patent Document 1 describes a projector that uses a phosphor that emits yellow fluorescence when irradiated with excitation light, and a laser light source that emits blue laser light.
  • the yellow fluorescence emitted from the phosphor includes a red light component and a green light component. Therefore, this projector can project a full-color image on the screen.
  • Patent Document 2 describes an illumination optical system that includes a wheel having a first phosphor layer, a second phosphor layer, and a transmission portion, and a laser light source that emits blue laser light.
  • the first phosphor When the first phosphor is irradiated with the blue laser light from the laser light source, the first phosphor emits red fluorescence.
  • the blue laser light When the blue laser light is irradiated onto the second phosphor, the second phosphor emits green fluorescence.
  • the blue laser light is irradiated on the transmission part, the blue laser light passes through the wheel.
  • the blue laser light transmitted through the transmission part is combined with red and green fluorescence emitted from the phosphor by the dichroic mirror.
  • the emission angle characteristic of fluorescence emitted from a phosphor is different from the emission angle characteristic emitted from a laser light source. Due to the difference in the radiation angle characteristic, a difference is generated between the distribution of the laser light that can be transmitted through the projection lens of the projector and the distribution of the fluorescence that can be transmitted through the projection lens. As a result, when using combined light obtained by combining fluorescence emitted from the phosphor and laser light emitted from the laser light source, color unevenness may occur in the image projected on the screen.
  • an illumination optical system includes a laser light source, a fluorescence generation source, a synthesis optical system that combines laser light emitted from the laser light source and fluorescence emitted from the fluorescence generation source, and a first optical system.
  • the second lens is provided immediately before the combining optical system on the optical path of the laser light that has passed through the first lens.
  • the third lens is provided immediately before the combining optical system on the optical path of the fluorescence emitted from the fluorescence generation source.
  • the maximum value of the angle formed between the laser beam passing through the second lens and the optical axis of the second lens is the angle formed between the fluorescence passing through the third lens and the optical axis of the third lens.
  • the sum of the focal length of the first lens and the focal length of the second lens is set so as to substantially match the maximum value.
  • the above configuration makes it possible to approximate the radiation angle characteristic of the synthesized laser light and the radiation angle characteristic of the fluorescence.
  • FIG. 6 is a diagram showing the incident angle dependency (incident angle-light intensity distribution) of the light intensity of yellow light on the incident surface of the light tunnel 54.
  • 6 is a diagram illustrating an illuminance distribution of blue laser light on an incident surface of a diffusion plate 46.
  • FIG. 6 is a diagram showing the incident angle dependence (incident angle-light intensity distribution) of the light intensity of blue laser light on the incident surface of the diffusion plate 46.
  • FIG. 6 is a diagram showing the emission angle dependence (emission angle-light intensity distribution) of the light intensity of blue laser light immediately after exiting from the diffusion plate 46.
  • FIG. 4 is a diagram showing the incident angle dependence (incident angle-light intensity distribution) of the light intensity of blue laser light and yellow fluorescence on the incident surface of the light tunnel 54. It is a figure which shows schematic structure of the projector containing the illumination optical system shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a configuration of an illumination optical system according to an embodiment of the present invention.
  • the illumination optical system 1 combines the fluorescence generation source 8, the first laser light source 40 that emits laser light, the laser light emitted from the first laser light source 40 and the fluorescence emitted from the fluorescence generation source 8. And a synthesis optical system 50.
  • the fluorescence generation source 8 includes a phosphor 30 that emits fluorescence when irradiated with excitation light, and a second laser light source 10 that emits excitation light applied to the phosphor 30.
  • the first laser light source 40 may emit blue laser light having a blue wavelength.
  • the phosphor 30 may emit yellow fluorescence having a wavelength band ranging from a green wavelength to a red wavelength.
  • the second laser light source 10 may be a plurality of laser diodes arranged on a plane. Each laser diode emits excitation light that excites the phosphor.
  • the laser diode is preferably a blue laser diode.
  • the blue laser light emitted from the second laser light source 10 is collimated by the lens 12.
  • the light collimated (collimated) by the lens 12 is condensed by the condensing lens 14 on the incident side opening of the light tunnel 18.
  • a diffusing plate 16 for diffusing laser light is provided between the lens 14 and the light tunnel 18.
  • the light tunnel 18 is a hollow optical element, and upper, lower, left and right inner surfaces thereof are reflecting mirrors.
  • the blue laser light incident on the light tunnel 18 is reflected a plurality of times on the inner surface of the light tunnel. As a result, the illuminance distribution of the light at the exit portion of the light tunnel 18 is made uniform.
  • a glass rod may be used.
  • the blue laser light emitted from the light tunnel 18 passes through the lens 21 and then enters the dichroic mirror 22.
  • the dichroic mirror 22 reflects light having a blue wavelength and transmits light having a longer wavelength than the green wavelength. Accordingly, the blue laser light is reflected by the dichroic mirror 22.
  • the blue laser light reflected by the dichroic mirror 22 is transmitted through the lenses 36, 34 and 32 and illuminates the phosphor 30.
  • the phosphor 30 is excited by blue laser light and emits yellow fluorescence.
  • Yellow light emitted from the phosphor 30 passes through the lenses 32, 34, and 36 and the dichroic mirror 22 in this order.
  • the yellow light that has passed through the dichroic mirror 22 passes through the third lens 38 provided immediately before the combining optical system 50 on the optical path of the fluorescence emitted from the phosphor.
  • the yellow light that has passed through the third lens 38 enters the combining optical system 50.
  • the third lens 38 preferably converts the fluorescence emitted from the phosphor 30 into parallel light or condensed light.
  • the synthesis optical system 50 may have any configuration as long as it can synthesize the laser light emitted from the first laser light source 10 and the fluorescence emitted from the phosphor 30.
  • the synthesis optical system is a dichroic mirror that reflects one of the laser light emitted from the laser light source 40 and the fluorescence emitted from the fluorescence and transmits the other of the laser light and the fluorescence. is there. More specifically, the dichroic mirror transmits light having a blue wavelength and reflects light having a longer wavelength than the green wavelength. Accordingly, the dichroic mirror 50 reflects the yellow light emitted from the phosphor 30 and transmits the blue laser light emitted from the first laser light source 10.
  • the first laser light source 40 may be composed of a plurality of blue laser diodes arranged on a plane. Laser diodes emit laser light from a light emitting point with a very small area. The blue laser light radiated from the first light source 40 is collimated by the lens 42 and then is collimated by the first lens 44 provided between the first laser light source 40 and the synthesis optical system 50. Focused.
  • the illumination optical system 1 preferably includes a diffusion plate 46 that diffuses the laser light emitted from the first laser light source 40.
  • the diffusion plate 46 is disposed between the first lens 44 and the second lens 48.
  • the second lens 48 is disposed at a distance longer than the focal length of the first lens 44 from the first lens 44.
  • the condensing part of the laser light condensed by the first lens 44 is disposed between the first lens 44 and the second lens 48.
  • the diffusing plate 46 is preferably provided in the vicinity of the condensing part of the laser light that has passed through the first lens 44, that is, in the vicinity of the focal point of the first lens 44.
  • the blue laser light diffused by the diffusion plate 46 passes through the second lens 48 provided immediately before the combining optical system 50 on the optical path of the laser light that has passed through the first lens 44.
  • the blue laser light transmitted through the second lens 48 is incident on a dichroic mirror 50 serving as a synthesis optical system.
  • the blue laser light passes through the dichroic mirror 50.
  • the blue laser light transmitted through the dichroic mirror 50 is combined with yellow fluorescence reflected by the dichroic mirror 50.
  • the synthetic optical system is a dichroic mirror
  • a dichroic mirror has an incident angle of light deviated from 45 degrees, and its transmission characteristics and reflection characteristics deteriorate. Therefore, in the present embodiment, the second lens 48 and the third lens 48 are set so that the light emitted from the second lens 48 and the third lens 38 has an incident angle of 45 ° ⁇ 10 ° to the dichroic mirror 50.
  • the lens 38 is designed.
  • the combined light synthesized by the dichroic mirror 50 passes through the condenser lens 52 and enters the integrator 54 that equalizes the illuminance distribution of the combined light.
  • the condensing lens 52 condenses the synthesized light on the integrator 54.
  • the light tunnel 54 is used as an integrator.
  • FIG. 2 shows the incident angle dependency (incident angle-light intensity distribution) of the light intensity of yellow fluorescence on the incident surface of the light tunnel 54.
  • incident angle dependency incident angle-light intensity distribution
  • normalization is performed so that the peak value of the light intensity becomes “1”.
  • the yellow light incident on the light tunnel 54 has an incident angle in the range of ⁇ 24 ° to + 24 °. That is, the incident angle of yellow light on the incident surface of the light tunnel 54 is distributed in an angle range of about 48 °.
  • FIG. 3 shows the illuminance distribution of the blue laser light on the incident surface of the diffuser plate 46.
  • a bright white region indicates a region where the illuminance of laser light is strong.
  • FIG. 4 shows the incident angle dependence (incident angle-light intensity distribution) of the light intensity of the blue laser light on the incident surface of the diffuser plate 46. In the graph shown in FIG. 4, normalization is performed so that the peak value of the light intensity becomes “1”.
  • the size (diameter) of the blue laser light on the incident surface of the diffusion plate 46 is about 8 mm ⁇ 8 mm, and the incident angle of the blue laser light is distributed in the range of ⁇ 15 ° to 15 °. .
  • FIG. 5 shows the emission angle dependence (emission angle-light intensity distribution) of the light intensity of the blue laser light immediately after the diffusion plate 46 is emitted.
  • normalization is performed so that the peak value of the light intensity is “1”.
  • the emission angle of the laser light diffused by the diffusion plate 46 is distributed in a range of about 36 °.
  • the position of the intensity peak of the laser light diffused by the diffusion plate 46 is substantially the same as that of the laser light before entering the diffusion plate 46. However, the spread of each peak is widened to about 6 ° by being diffused by the diffusion plate 46.
  • the focal length of the first lens 44 is f12
  • the focal length of the second lens 48 is f13
  • the distance S between the first lens 44 and the second lens 48 is “S> f12”. It is preferable to satisfy. Under this condition, a condensing point of blue laser light is formed between the first lens 44 and the second lens 48. This condensing point is imaged at the incident position of the light tunnel 54 by the second lens 48 and the condensing lens 52.
  • the condition “f12 + f13 ⁇ S” is satisfied.
  • the laser light emitted from the second lens 48 becomes substantially parallel light
  • the condition “f12 + f13 ⁇ S” is satisfied, the laser light emitted from the second lens 48. Becomes condensed light.
  • the emission angle of the laser light passing through the second lens 48 can be adjusted according to the sum of the focal length f12 of the first lens 44 and the focal length f13 of the second lens 48.
  • the maximum value a1 of the angle formed between the laser beam 72 that has passed through the second lens 48 and the optical axis 49 of the second lens is the fluorescence 70 that has passed through the third lens 38 and the first
  • the sum “f12 + f13” of the focal length of the first lens 44 and the focal length of the second lens 48 is substantially equal to the maximum value a2 of the angle formed with the optical axis 39 of the third lens. It is set (see FIG. 6).
  • the optical axis of the lens means a straight line that is orthogonal to the tangent plane that passes through the spherical vertex of the lens and that passes through the center of the lens, that is, the spherical vertex of the lens.
  • the respective light fluxes without the dichroic mirror 50 and the condensing lens 52 are dotted lines. Indicated by.
  • FIG. 7 shows the incident angle dependence (incident angle-intensity distribution) of the light intensity at the incident position of the light tunnel 54.
  • the light intensity of yellow light emitted from the phosphor 30 is indicated by a dotted line
  • the light intensity of laser light emitted from the first laser light source 40 is indicated by a solid line.
  • the fluorescence from the phosphor 30 has an angle range of about 40 ° at an intensity of 10% of the peak intensity.
  • the laser beam from the first laser light source 40 has an angle range of about 38 ° at an intensity that is 10% of the peak intensity.
  • the difference between the angle range of the laser beam and the angle range of the fluorescence is preferably within 10% at the intensity of 10% of the peak intensity. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the difference between the angle range of the laser light and the angle range of the fluorescence is about 5% at the intensity that is 10% of the peak intensity.
  • the condensing part in the vicinity of the diffuser plate 46 and the incident position of the light tunnel 54 form an imaging relationship, and the incident angle distribution of the laser beam and the incident angle distribution of the fluorescence are approximately the same at the incident position of the light tunnel 54.
  • the first lens 44, the second lens 48, and the condenser lens 52 are arranged.
  • the irradiation size shown in FIG. 3 is smaller than the incident aperture size of the light tunnel 54 at the incident position of the light tunnel 54.
  • the condensing lens 52 since the condensing lens 52 has a function of condensing the fluorescence from the phosphor 30, it is not a lens that acts only on the laser light from the first light source 40. Therefore, the condensing lens 52 does not have a function of balancing the incident angle distribution of fluorescence and laser light.
  • the incident angle distribution of the laser light to the light tunnel 54 substantially matches the incident angle distribution of the fluorescent light to the light tunnel 54 by setting the positional relationship and the focal length of the first lens 44 and the second lens 48. It is adjusted so that. At this time, by using the diffusion characteristic of the diffusion plate 46 provided between the first lens 44 and the second lens 48, the coincidence degree of the incident angle distributions of both can be further improved.
  • the lens holder 45 that holds the first lens 44 is movable so that the position of the first lens 44 is variable. Thereby, for example, even if the condensing position of the laser beam is shifted due to the dimensional tolerance of the optical components of the illumination optical system 1 or the holding structure, the condensing position can be easily finely adjusted.
  • the laser beam collimated by the lens 42 is focused on the incident side opening of the light tunnel 54.
  • the holding portion 45 that holds the first lens 44 has a movable mechanism. By adjusting the position of the first lens 44 by this movable mechanism, the condensing position of the laser light can be adjusted. By adjusting the movable mechanism so that the brightness of the light that has passed through the light tunnel 54 is maximized, it is possible to correct the deviation of the light condensing position.
  • FIG. 8 shows an example of the configuration of the projector.
  • the projector includes an illumination optical system 1 shown in FIG.
  • the light emitted from the light tunnel 54 of the illumination optical system 1 is combined light of yellow light and blue light, that is, white light.
  • This white light is transmitted through the lenses 80 and 82, reflected by the mirror 84, and further transmitted through the lens 86.
  • the white light transmitted through the lens 86 enters the TIR prism 90.
  • the light incident on the TIR prism 90 is totally reflected in the prism and enters the color prism 92.
  • the color prism 92 splits white light into green light, red light, and blue light. In FIG. 8, for the sake of convenience, only the optical path of green light split by the color prism 92 is shown.
  • the green light dispersed by the color prism 92 is incident on a digital mirror device (DMD) 96 for green light.
  • DMD digital mirror device
  • red light enters a DMD (not shown) for red light
  • blue light enters a DMD (not shown) for blue light.
  • the DMD 96 is a semiconductor projection device provided with a large number of micromirrors arranged in a matrix. Each micromirror corresponds to a pixel of the projected image. The angle of each micromirror can be adjusted. Light incident on a minute mirror (ON state) having an angle is reflected toward the projection lens 98 and enlarged and projected onto the screen.
  • the green light, red light, and blue light incident on the micro mirror in the ON state are incident on the color prism 92 and synthesized by the color prism 92.
  • the synthesized light synthesized by the color prism 92 passes through the TIR prism 90 and the projection lens 98 and is projected onto the screen.
  • the light incident on the micro mirror (OFF state) having a different angle is reflected in a direction different from the projection lens 98 and is not projected on the screen.
  • the temporal ratio between the ON state and the OFF state in each micromirror By changing the temporal ratio between the ON state and the OFF state in each micromirror, the gradation of each pixel of the image projected on the screen can be adjusted.
  • the projection lens 98 projects image light of a plurality of colors formed by DMD onto the screen.
  • the angle-intensity distributions of the laser light and the fluorescence synthesized by the synthesis optical system 50 are substantially the same. Accordingly, even after the DMD 96 is reflected, the angular distributions of the red light, the green light, and the blue light are substantially the same.
  • the illumination optical system 1 causes the incident angle distributions of red light, green light, and blue light to substantially match, so that such color unevenness can be suppressed.
  • the illumination optical system that synthesizes blue laser light and yellow fluorescence has been described.
  • the illumination optical system is not limited to this, and may synthesize laser light having an arbitrary wavelength and fluorescence having an arbitrary wavelength.
  • the configuration of the fluorescence generation source 8 is not limited to the configuration shown in FIG. 1 as long as arbitrary fluorescence can be emitted.

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Abstract

合成された蛍光とレーザ光の放射角度特性を近似させることができる照明光学系を提供する。照明光学系（１）は、レーザ光源（４０）と、蛍光発生源（８）と、レーザ光源から発せられたレーザ光と蛍光発生源から発せられた蛍光とを合成する合成光学系（５０）と、第１のレンズ（４４）と、第２のレンズ（４８）と、第３のレンズ（３８）と、を有する。第１のレンズは、レーザ光源と合成光学系との間に設けられている。第２のレンズは、第１のレンズを通過したレーザ光の光路上で合成光学系の直前に設けられている。第３のレンズは、蛍光発生源から発せられた蛍光の光路上で合成光学系の直前に設けられている。第２のレンズを通過したレーザ光と第２のレンズの光軸との間のなす角度の最大値が第３のレンズを通過した蛍光と第３のレンズの光軸との間のなす角度の最大値と実質的に一致するように、第１のレンズの焦点距離と第２のレンズの焦点距離との和が設定されている。

Description

照明光学系及びプロジェクタ
　本発明は、レーザ光源から発せられたレーザ光と蛍光体から発せられた蛍光とを合成する合成光学系を含む照明光学系、及び当該照明光学系を含むプロジェクタに関する。
　液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタ等に用いられる照明光学系では、エテンデューの制約から、光源の発光面積を大きくすることなく光量を上げることが望まれる。そのため、特開２０１２－１４１４９５号（以下、特許文献１という。）および特開２０１１－０１３３１３号（以下、特許文献２という。）に記載されているように、励起光の照射により蛍光を発する蛍光体を用いた照明光学系が開発されている。蛍光体上の小さな面積にレーザ光のような励起光を集光することで、発光面積を大きくすることなく光量を上げることができる。
　特許文献１には、励起光の照射により黄色の蛍光を発する蛍光体と、青色レーザ光を発するレーザ光源と、を用いたプロジェクタが記載されている。蛍光体から発せられた黄色の蛍光は、赤色光の成分および緑色光の成分を含んでいる。したがって、このプロジェクタは、フルカラーの画像をスクリーンに投写することができる。
　特許文献２には、第１の蛍光体の層と第２の蛍光体の層と透過部とを有するホイールと、青色レーザ光を発するレーザ光源と、を含む照明光学系が記載されている。レーザ光源からの青色レーザ光が第１の蛍光体に照射されると、第１の蛍光体は赤色の蛍光を発する。青色レーザ光が第２の蛍光体に照射されると、第２の蛍光体は緑色の蛍光を発する。青色レーザ光が透過部に照射されると、青色レーザ光はホイールを透過する。透過部を透過した青色レーザ光は、ダイクロイックミラーによって蛍光体から発せられた赤色および緑色の蛍光と合成される。
特開２０１２－１４１４９５号 特開２０１１－０１３３１３号
　一般に、蛍光体から発せられた蛍光の放射角度特性は、レーザ光源から発せられた放射角度特性と異なる。この放射角度特性の違いにより、プロジェクタの投写レンズを透過できるレーザ光の分布と、投写レンズを透過できる蛍光の分布との間には、差が生じる。その結果、蛍光体から発せられた蛍光とレーザ光源から発せられたレーザ光とを合成した合成光を利用する場合、スクリーンに投写された画像に色ムラが発生することがある。
　したがって、上記課題を解決することが可能な照明光学系が望まれる。
　本発明の一実施形態における照明光学系は、レーザ光源と、蛍光発生源と、レーザ光源から発せられたレーザ光と蛍光発生源から発せられた蛍光とを合成する合成光学系と、第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、を有する。第１のレンズは、レーザ光源と合成光学系との間に設けられている。第２のレンズは、第１のレンズを通過したレーザ光の光路上で合成光学系の直前に設けられている。第３のレンズは、蛍光発生源から発せられた蛍光の光路上で合成光学系の直前に設けられている。第２のレンズを通過したレーザ光と第２のレンズの光軸との間のなす角度の最大値が第３のレンズを通過した蛍光と第３のレンズの光軸との間のなす角度の最大値と実質的に一致するように、第１のレンズの焦点距離と第２のレンズの焦点距離との和が設定されている。
　上記構成により、合成されたレーザ光の放射角度特性と蛍光の放射角度特性を近似させることができる。
本発明の一実施形態に係る照明光学系の概略構成を示す図である。 ライトトンネル５４の入射面での黄色光の光強度の入射角度依存性（入射角度－光強度分布）を示す図である。 拡散板４６の入射面での青色レーザ光の照度分布を示す図である。 拡散板４６の入射面での青色レーザ光の光強度の入射角度依存性（入射角度－光強度分布）を示す図である。 拡散板４６を出射した直後の青色レーザ光の光強度の出射角度依存性（出射角度－光強度分布）を示す図である。 図１に示す照明光学系におけるレーザ光および蛍光のインテグレータへの入射角度を説明する模式図である。 ライトトンネル５４の入射面における青色レーザ光と黄色の蛍光の光強度の入射角度依存性（入射角度－光強度分布）を示す図である。 図１に示す照明光学系を含むプロジェクタの概略構成を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る照明光学系の構成を示している。
　照明光学系１は、蛍光発生源８と、レーザ光を発する第１のレーザ光源４０と、第１のレーザ光源４０から発せられたレーザ光と蛍光発生源８から発せられた蛍光とを合成する合成光学系５０と、を有している。蛍光発生源８は、励起光の照射により蛍光を発する蛍光体３０と、蛍光体３０に照射する励起光を発する第２のレーザ光源１０と、を有する。
　第１のレーザ光源４０は、青色の波長を有する青色レーザ光を出射するものであって良い。蛍光体３０は、緑色の波長から赤色の波長にわたる波長帯を持った黄色の蛍光を発するものであって良い。この黄色の蛍光と青色レーザ光とを合成光学系５０で合成することによって、白色光が得られる。
　第２のレーザ光源１０は、平面上に複数配列されたレーザダイオードであって良い。各レーザダイオードは、蛍光体を励起する励起光を発する。レーザダイオードは、青色レーザダイオードであることが好ましい。
　第２のレーザ光源１０から発せられた青色レーザ光は、レンズ１２によって平行光にされる。レンズ１２によって平行化（コリメート）された光は、集光レンズ１４によってライトトンネル１８の入射側開口部に集光される。レンズ１４とライトトンネル１８との間には、レーザ光を拡散させる拡散板１６が設けられている。ライトトンネル１８は中空の光学素子であり、その上下左右の内面が反射ミラーとなっている。ライトトンネル１８に入射した青色レーザ光はライトトンネルの内面で複数回反射する。これにより、ライトトンネル１８の出射部における光の照度分布が均一化される。このライトトンネル１８の代わりに、ガラスロッド（ロッドインテグレータ）が用いられても良い。
　ライトトンネル１８を出射した青色レーザ光は、レンズ２１を透過し、それからダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２は、青色の波長を有する光を反射し、緑色の波長よりも長い波長の光を透過する。したがって、青色レーザ光は、ダイクロイックミラー２２で反射する。ダイクロイックミラー２２で反射した青色レーザ光は、レンズ３６，３４，３２を透過し、蛍光体３０を照明する。蛍光体３０は青色レーザ光によって励起され、黄色の蛍光を放射する。
　蛍光体３０から放射された黄色光は、レンズ３２，３４，３６とダイクロイックミラー２２とをこの順で透過する。ダイクロイックミラー２２を透過した黄色光は、蛍光体から発せられた蛍光の光路上で合成光学系５０の直前に設けられた第３のレンズ３８を透過する。第３のレンズ３８を透過した黄色光は合成光学系５０に入射する。第３のレンズ３８は、蛍光体３０から発せられた蛍光を平行光または集光光にすることが好ましい。
　合成光学系５０は、第１のレーザ光源１０から発せられたレーザ光と蛍光体３０から発せられた蛍光とを合成できれば、どのような構成を有していても良い。本実施形態では、合成光学系は、レーザ光源４０から発せられたレーザ光と蛍光から発せられた蛍光のうちの一方を反射し、当該レーザ光と当該蛍光のうちの他方を透過するダイクロイックミラーである。より具体的には、このダイクロイックミラーは、青色の波長を有する光を透過し、かつ緑色の波長よりも長い波長の光を反射する。これにより、ダイクロイックミラー５０は、蛍光体３０から発せられた黄色光を反射し、第１のレーザ光源１０から発せられた青色レーザ光を透過する。
　第１のレーザ光源４０は、平面上に複数配置された青色レーザダイオードから構成されていて良い。レーザダイオードは非常に面積の小さい発光点からレーザ光を放射する。第１の光源４０より放射された青色レーザ光は、レンズ４２によって平行化（コリメート）された後、第１のレーザ光源４０と合成光学系５０との間に設けられた第１のレンズ４４によって集光される。
　照明光学系１は、第１のレーザ光源４０から出射されたレーザ光を拡散させる拡散板４６を備えていることが好ましい。拡散板４６は、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８との間に配置されている。
　第２のレンズ４８は、第１のレンズ４４から、第１のレンズ４４の焦点距離よりも長い距離を隔てて配置されていることが好ましい。この場合、第１のレンズ４４によって集光されたレーザ光の集光部が、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８との間に配置される。そして、拡散板４６は、第１のレンズ４４を通ったレーザ光の集光部付近、つまり第１のレンズ４４の焦点付近に設けられることが好ましい。
　拡散板４６によって拡散した青色レーザ光は、第１のレンズ４４を通過したレーザ光の光路上で合成光学系５０の直前に設けられた第２のレンズ４８を透過する。第２のレンズ４８を透過した青色レーザ光は、合成光学系としてのダイクロイックミラー５０へ入射する。青色レーザ光はダイクロイックミラー５０を透過する。ダイクロイックミラー５０を透過した青色レーザ光は、ダイクロイックミラー５０で反射した黄色の蛍光と合成される。
　合成光学系がダイクロイックミラーである場合、ダイクロイックミラーの入射角特性による反射率／透過率の低下を避ける必要がある。ダイクロイックミラーは、一般に、光の入射角度が４５度からずれるとともに、その透過特性や反射特性が低下していく。そこで、本実施形態では、第２のレンズ４８と第３のレンズ３８を出射する光の、ダイクロイックミラー５０への入射角度が４５°±１０°となるように、第２のレンズ４８および第３のレンズ３８が設計されている。
　ダイクロイックミラー５０によって合成された合成光、つまり青色レーザ光と黄色の蛍光との合成光は、集光レンズ５２を透過し、合成光の照度分布を均一化するインテグレータ５４へ入射する。集光レンズ５２は、合成光をインテグレータ５４に集光させる。本実施形態では、インテグレータとしてライトトンネル５４を用いた。
　図２は、ライトトンネル５４の入射面での黄色の蛍光の光強度の入射角度依存性（入射角度－光強度分布）を示している。図２に示すグラフでは、光強度のピーク値が「１」になるように正規化している。このグラフに示されているように、ライトトンネル５４へ入射する黄色光は、－２４°～＋２４°の範囲の入射角度を有する。つまり、ライトトンネル５４の入射面での黄色光の入射角度は、約４８°の角度範囲に分布している。
　第１のレーザ光源４０から出射したレーザ光はコリメートレンズ４２によって平行光にされるが、この平行光は、光の広がりが非常に小さく直進性の高い光線である。図３は、拡散板４６の入射面での青色レーザ光の照度分布を示している。図３において、明るい白色の領域がレーザ光の照度の強い領域を示している。図４は、拡散板４６の入射面での青色レーザ光の光強度の入射角度依存性（入射角度－光強度分布）を示している。図４に示すグラフでは、光強度のピーク値が「１」になるように正規化している。本実施形態では、青色レーザ光の拡散板４６の入射面上でのサイズ（径）は約８ｍｍ×８ｍｍであり、青色レーザ光の入射角度は－１５°～１５°の範囲に分布している。
　図４に示すグラフでは、光の強度ピークが３か所にある。これらのピークは、第１のレーザ光源４０の位置、すなわち第１および第２のレンズ４４，４８の光軸４９からの距離に依存している。それぞれのピーク裾野の広がりは３°程度の小さい角度となっている。図２に示すグラフと図４に示すグラフとを比較すると、第１のレーザ光源４０から出射したレーザ光の放射角度特性は、黄色の蛍光の放射角度特性と大きく異なっていることがわかる。
　図５は、拡散板４６出射直後の青色レーザ光の光強度の出射角度依存性（出射角度－光強度分布）を示している。図５に示すグラフでは、光強度のピーク値が「１」になるように正規化している。拡散板４６で拡散したレーザ光の出射角度は約３６°の範囲に分布している。拡散板４６で拡散されたレーザ光の強度ピークの位置は、拡散板４６入射前のレーザ光のそれとほぼ同様である。しかしながら、拡散板４６で拡散されることで、それぞれのピークの広がりが、６°程度に広くなっている。
　第１のレンズ４４の焦点距離をｆ１２、第２のレンズ４８の焦点距離をｆ１３、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８との間の距離Ｓとしたとき、「Ｓ＞ｆ１２」の条件を満たすことが好ましい。この条件により、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８との間に青色レーザ光の集光点ができる。この集光点を第２のレンズ４８と集光レンズ５２によりライトトンネル５４の入射位置に結像させる。
　また、「ｆ１２＋ｆ１３≦Ｓ」の条件を満たすことがより好ましい。「ｆ１２＋ｆ１３＝Ｓ」の条件を満たすときは、第２のレンズ４８を出射するレーザ光は略平行光となり、「ｆ１２＋ｆ１３＜Ｓ」の条件を満たすときは、第２のレンズ４８を出射するレーザ光は集光光となる。このように、第１のレンズ４４の焦点距離ｆ１２と第２のレンズ４８の焦点距離ｆ１３との和の値に応じて、第２のレンズ４８を通るレーザ光の出射角度を調整できる。第２のレンズ４８を出射するレーザ光を平行光または集光光とすることで、第２のレンズ以降に配置されたレンズ系のサイズの増大を抑制できる。
　ここで、本発明では、第２のレンズ４８を通過したレーザ光７２と第２のレンズの光軸４９との間のなす角度の最大値ａ１が第３のレンズ３８を通過した蛍光７０と第３のレンズの光軸３９との間のなす角度の最大値ａ２と実質的に一致するように、第１のレンズ４４の焦点距離と第２のレンズ４８の焦点距離との和「ｆ１２＋ｆ１３」が設定される（図６参照）。なお、レンズの光軸とは、レンズの球面頂点を通る接平面に直交する直線であって、当該レンズの中心、すなわち当該レンズの球面頂点を通る直線を意味する。なお、図６では、第２のレンズ４８および第３のレンズ３８を通った光の出射角ａ１およびａ２を説明するため、ダイクロイックミラー５０や集光レンズ５２が無かった場合のそれぞれの光束が点線によって示されている。
　上記のように第１のレンズ４４の焦点距離と第２のレンズ４８の焦点距離との和を設定することにより、合成光学系５０で合成された青色レーザ光と蛍光の放射角度特性を近似させることができる。図７は、ライトトンネル５４の入射位置での光強度の入射角依存性（入射角度－強度分布）を示している。図７に示すグラフでは、蛍光体３０から発せられた黄色光の光強度が点線で、第１のレーザ光源４０から発せられたレーザ光の光強度が実線で示されている。蛍光体３０からの蛍光は、ピーク強度の１０％となる強度において４０°程度の角度範囲を有している。第１のレーザ光源４０からのレーザ光は、ピーク強度の１０％となる強度において３８°程度の角度範囲を有している。
　このように、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８の焦点距離を適切に設定することで、光のピーク強度の１０％となる強度における角度範囲を概ね一致させることができる。その結果、合成光学系５０で合成される蛍光とレーザ光の放射角度特性が概ね近似し、合成光の色ムラを抑制することができる。なお、合成光の色ムラの抑制という観点から、ピーク強度の１０％となる強度において、レーザ光の角度範囲と蛍光の角度範囲との差は、１０％以内であることが望ましい。本実施形態では、図７に示すように、ピーク強度の１０％となる強度において、レーザ光の角度範囲と蛍光の角度範囲との差は、５％程度となっている。
　本実施形態では、拡散板４６近傍の集光部とライトトンネル５４の入射位置とが結像関係となり、かつライトトンネル５４の入射位置でレーザ光の入射角度分布と蛍光の入射角度分布が概ね一致するように、第１のレンズ４４、第２のレンズ４８および集光レンズ５２が配置される。拡散板４６近傍の集光部とライトトンネル５４の入射位置での結像関係について、図３で示す照射サイズが、ライトトンネル５４の入射位置で、ライトトンネル５４の入射開口のサイズよりも小さいサイズとなるようにすることが好ましい。ここで、集光レンズ５２は、蛍光体３０からの蛍光を集光する機能を有するので、第１の光源４０からのレーザ光だけに作用するレンズではない。そのため、集光レンズ５２は、蛍光とレーザ光の入射角度分布のバランスをとる機能を有しない。
　そのため、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８の位置関係と焦点距離の設定によって、レーザ光のライトトンネル５４への入射角度分布を、蛍光のライトトンネル５４への入射角度分布と概ね一致するように調節している。このとき、第１のレンズ４４と第２のレンズ４８との間に設けられた拡散板４６の拡散特性を利用することで、両者の入射角度分布の一致度をより向上させることができる。
　第１のレンズ４４と第２のレンズ４８の少なくとも一方の位置は調整可能であることが好ましい。本実施形態では、第１のレンズ４４を保持するレンズホルダ４５が、第１のレンズ４４の位置を可変なように移動可能となっている。これにより、例えば、照明光学系１の光学部品の寸法公差や保持構造によってレーザ光の集光位置がずれたとしても、当該集光位置を容易に微調整することができる。
　図１に示されるように、レンズ４２によって平行化（コリメート）されたレーザ光は、ライトトンネル５４の入射側開口部に集光している。しかし、集光位置がライトトンネル５４の入射側開口部から外れると、光利用効率が低下することがある。これを回避するため、第１のレンズ４４を保持する保持部４５が可動機構を有することが好ましい。この可動機構により、第１のレンズ４４の位置を調整することで、レーザ光の集光位置を調整することができる。ライトトンネル５４を通過した光の明るさが最大となるように可動機構を調整することで、光の集光位置のズレを補正することができる。
　次に、上記の照明光学系を含むプロジェクタについて説明する。図８は、プロジェクタの構成の一例を示している。プロジェクタは、図１に示す照明光学系１を備えている。照明光学系１のライトトンネル５４を出射する光は、黄色光と青色光との合成光、つまり白色光となっている。この白色光は、レンズ８０，８２を透過し、ミラー８４で反射し、さらにレンズ８６を透過する。レンズ８６を透過した白色光は、ＴＩＲプリズム９０に入射する。ＴＩＲプリズム９０に入射した光は、プリズム内で全反射し、カラープリズム９２に入射する。
　カラープリズム９２は、白色光を、緑色光と赤色光と青色光に分光する。なお、図８では、便宜上、カラープリズム９２で分光された緑色光の光路のみが示されている。カラープリズム９２で分光された緑色光は、緑色光用のデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）９６へ入射する。同様に、赤色光は赤色光用のＤＭＤ（不図示）へ入射し、青色光は青色光用のＤＭＤ（不図示）へ入射する。
　ＤＭＤ９６は、マトリックス状に配列された多数の微小ミラーを備えた半導体型投写デバイスである。各微小ミラーが、投射される画像の画素に対応する。各微小ミラーの角度は調整可能となっている。ある角度を持った微小ミラー（ＯＮ状態）に入射した光は、投写レンズ９８の方に反射され、スクリーンに拡大投影される。
　具体的には、ＯＮ状態の微小ミラーに入射した緑色光、赤色光及び青色光は、カラープリズム９２へ入射し、カラープリズム９２で合成される。カラープリズム９２で合成された合成光は、ＴＩＲプリズム９０および投写レンズ９８を通って、スクリーンへ投影される。
　別の角度を持った微小ミラー（ＯＦＦ状態）に入射した光は、投写レンズ９８とは異なる方向に反射され、スクリーンに投影されない。各微小ミラーにおいてＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間的な比率を変化させることにより、スクリーンに投写される画像の各画素の階調を調節することができる。
　投写レンズ９８は、ＤＭＤによって形成された複数の色の画像光をスクリーンに投写する。上記の照明光学系１では、合成光学系５０で合成されたレーザ光と蛍光の角度－強度分布は概ね一致している。したがって、ＤＭＤ９６を反射した後においても、赤色光、緑色光および青色光の角度分布は略一致する。
　ここで、ＯＮ状態のＤＭＤの中央付近で反射した光については、投写レンズ９８のＦ値で決まる角度範囲を有するもののみが、投写レンズ９８を透過することができる。一方、ＯＮ状態のＤＭＤの周辺付近で反射した光については、投写レンズ９８のＦ値と周辺の光量で決まる角度範囲を有するもののみが、投写レンズ９８を透過することができる。したがって、赤色光の入射角度分布、緑色光の入射角度分布、青色光の入射角度分布に差異があると、スクリーンに投写された画像または映像に色むらが生じることがある。本発明では、上記の照明光学系１によって、赤色光、緑色光および青色光の入射角度分布は略一致するため、そのような色むらを抑制することができる。
　以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
　例えば、上記実施形態では、青色レーザ光と黄色の蛍光とを合成する照明光学系について説明した。これに限らず、照明光学系は、任意の波長を有するレーザ光と任意の波長を有する蛍光とを合成するものであって良い。また、蛍光発生源８の構成は、任意の蛍光を出射することができれば、図１に示す構成に限られない。
１　　　照明光学系
８　　　蛍光発生源
１０　　第２の光源
２２　　ダイクロイックミラー
３０　　蛍光体
３８　　第３のレンズ
４０　　レーザ光源
４２　　コリメートレンズ
４４　　第１のレンズ
４６　　拡散板
４８　　第２のレンズ
５０　　合成光学系（ダイクロイックミラー）
５２　　集光レンズ
５４　　インテグレータ（ライトトンネル）
 

Claims (10)

  1. 　レーザ光を発するレーザ光源と、
    　蛍光を発する蛍光発生源と、
    　前記レーザ光源から発せられた前記レーザ光と前記蛍光発生源から発せられた前記蛍光とを合成する合成光学系と、
    　前記レーザ光源と前記合成光学系との間に設けられた第１のレンズと、
    　前記第１のレンズを通過した前記レーザ光の光路上で前記合成光学系の直前に設けられた第２のレンズと、
    　前記蛍光発生源から発せられた前記蛍光の光路上で前記合成光学系の直前に設けられた第３のレンズと、を有し、
    　前記第２のレンズを通過した前記レーザ光と前記第２のレンズの光軸との間のなす角度の最大値が、前記第３のレンズを通過した前記蛍光と前記第３のレンズの光軸との間のなす角度の最大値と実質的に一致するように、前記第１のレンズの焦点距離と前記第２のレンズの焦点距離との和が設定されている、照明光学系。
  2. 　請求項１に記載の照明光学系であって、
    　前記第１のレンズは、前記第１のレーザ光源から発せられたレーザ光を集光し、
    　前記第２のレンズは、前記第１のレンズから、前記第１のレンズの焦点距離よりも長い距離を隔てて配置されており、
    　前記第１のレンズの集点付近に拡散板が設けられている、照明光学系。
  3. 　請求項１または２に記載の照明光学系であって、
    　前記第２のレンズは、前記レーザ光を平行光または集光光に変換し、
    　前記第３のレンズは、前記蛍光を平行光または集光光に変換する、照明光学系。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記レーザ光源は複数配列されたレーザダイオードから構成されている、照明光学系。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記第１のレンズと前記第２のレンズの少なくとも一方の位置が調整可能である、照明光学系。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記レーザ光と前記蛍光との合成光の照度分布を均一化するインテグレータと、
    　前記インテグレータの入射位置に前記合成光を集光させる集光レンズと、をさらに有する、照明光学系。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記蛍光発生源は、緑色の波長から赤色の波長にわたる波長帯を持った黄色の蛍光を発し、
    　前記レーザ光源は、青色の波長を有するレーザ光を発する、照明光学系。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記合成光学系は、前記レーザ光と前記蛍光のうちの一方を反射し、前記レーザ光と前記蛍光のうちの他方を透過するダイクロイックミラーである、照明光学系。
  9. 　請求項１から８のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
    　前記蛍光発生源は、励起光の照射により前記蛍光を発する蛍光体と、前記蛍光体に照射する前記励起光を発する別のレーザ光源と、を有する、照明光学系。
  10. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の照明光学系を含むプロジェクタ。
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