(57)【要約】  蛍光体で発光される蛍光の光強度を増強させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能な光学素子を提供する。  光学素子（１）は、金属層（１２）と、金属層（１２）に積層された高誘電率層（１３）と、高誘電率層（１３）に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層（１４）とを有する。また、高誘電率層（１３）および蛍光体層（１４）の界面には、回折格子として機能するグレーティング構造（２１）を有する。そして、高誘電率層（１３）の誘電率は、２．２５より高い。
2012137583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、
前記金属層に積層された誘電体層と、
前記誘電体層に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層と、を有し、
前記誘電体層および前記蛍光体層の界面には、回折格子が形成され、
前記誘電体層の誘電率は、２．２５よりも高い、光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子おいて、
前記蛍光体層は、前記光によって表面プラズモンが励起される金属微粒子を有する、光学素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学素子において、
前記蛍光体層、前記誘電体層および前記金属層を覆い、前記蛍光体層の上に前記光および前記蛍光を透過する光透過部を備えるカバーと、
前記カバーおよび前記蛍光体層の間に設けられた、前記蛍光体層を冷却する冷却層と、をさらに有する光学素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記蛍光体層に積層され、光源からの光を伝播して前記蛍光体層に出射する導光体と、
前記導光体の前記蛍光体層が設けられた面とは逆の面に設けられ、前記光源からの光を反射し、前記蛍光を透過する波長選択性部材と、を有する光学素子。
【請求項５】
請求項４に記載の光学素子において、
前記波長選択性部材の前記導光体が設けられた面とは逆の面に設けられ、前記蛍光の反射を抑制する構造体と、を有する光学素子。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子を有するカラーホイール。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子の蛍光体層に光を出射する光源と、を有する照明装置。
【請求項８】
請求項６に記載のカラーホイールと、
前記カラーホイールの蛍光体層に光を出射する光源と、を有する照明装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の照明装置を有する投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモンを利用した光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源装置や照明装置などの分野において、表面プラズモンが注目されている。表面プラズモンは、金属中で振動する自由電子の集団であり、金属と光の相互作用によって金属表面に励起されるものである。【０００３】
非特許文献１には、表面プラズモンを利用して、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増大させることが可能な光学素子が記載されている。この光学素子では、基板に、金属薄膜、グレーティング構造を有する誘電体層の順で積層されている。また、誘電体層には、蛍光体として機能する量子ドットが塗布されている。誘電体層の誘電率は、２．２５である。【０００４】
光が量子ドットに入射すると、その入射光によって量子ドット内に励起子が励起される。励起子の一部は、蛍光を放射し、励起子の残りは、表面プラズモンの励起や電子−正孔対の生成に消費され、蛍光を放射せずに消失する。上記のように誘電体層がグレーティング構造を有していると、金属薄膜と誘電体層との界面に励起された表面プラズモンを回折して蛍光と同じ光で取り出すことができる。【０００５】
したがって、非特許文献１に記載の光学素子では、グレーティング構造がない場合に取り出される光子に加えて、表面プラズモンの回折によって取り出される光子が加わるので、蛍光の光強度を増強させることができる。このため、非特許文献１に記載の光学素子が、蛍光で照明を行う蛍光照明装置に適用されれば、蛍光照明装置の輝度を向上させることが可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ehren  Hwang、Igor  I．Smolyaninov、Christopher  C．Davis、NANO  LETTERS、2010、10  P813-820
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
照明装置では、出射光に指向性が求められることがある。【０００８】
例えば、プロジェクタでは、照明装置からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えていることがある。このようなプロジェクタでは、投射画像の輝度を高めるために、照明装置からの光を効率良く投射光として利用することが求められている。しかしながら、蛍光照明装置から光がある角度以上で出射されると、その光は変調素子に入射されず損失となる。【０００９】
非特許文献１に記載の光学素子では、蛍光の光強度は増強しているが、指向性は向上していない。このため、非特許文献１に記載の光学素子が適用された蛍光照明装置がプロジェクタ用の照明装置として使用されても、その蛍光照明装置からの蛍光を効率良く投射光として利用することは難しい。【００１０】
本発明の目的は、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増強させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能な光学素子、カラーホイール、照明装置および投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光学素子は、金属層と、前記金属層に積層された誘電体層と、前記誘電体層に積層され、入射した光によって蛍光を発する蛍光体層と、を有し、前記誘電体層および前記蛍光体層の界面には、回折格子が形成され、前記誘電体層の誘電率は、２．２５よりも高い。【００１２】
また、本発明のカラーホイールは、上記の光学素子を有する。【００１３】
また、本発明の照明装置は、上記の光学素子と、前記光学素子の蛍光体層に光を出射する光源と、を有する。【００１４】
また、本発明の照明装置は、上記のカラーホイールと、前記カラーホイールの蛍光体層に光を出射する光源と、を有する。【００１５】
また、本発明の投射型表示装置は、上記の照明装置を有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、蛍光体で発光される蛍光の光強度を増大させつつ、その蛍光の指向性を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】励起子および表面プラズモンの結合効率と高誘電率層の誘電率との関係を示す図である。
【図３】光学素子からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。
【図４】蛍光体層の一例を示す図である。
【図５】蛍光体層の他の例を示す図である。
【図６】蛍光体層の他の例を示す図である。
【図７】蛍光体層の他の例を示す図である。
【図８】蛍光体層の他の例を示す図である。
【図９】蛍光体層の他の例を示す図である。
【図１０】光学素子の他の形態を示す図である。
【図１１】光学素子を用いた照明装置の一例を示す図である。
【図１２】光学素子を用いた照明装置の他の例を示す図である。
【図１３】光学素子を用いたカラーホイールの一例を示す図である。
【図１４】光学素子を用いたカラーホイールの他の例を示す図である。
【図１５】光学素子を用いたプロジェクタの一例を示す図である。
【図１６】光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
【図１７】光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
【図１８】光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、光学素子１では、基板１１、金属層１２、高誘電率層１３、蛍光体層１４の順で積層されている。
【００２０】
なお、実際の光学素子では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。また、図１に示すように、基板１１と平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する方向をＺ方向とする。
【００２１】
基板１１の材料としては、例えば、ガラスなどが挙げられる。
【００２２】
金属層１２は、表面プラズモンを励起するプラズモン励起層である。金属層１２の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などで形成される。また、金属層１２の厚さは、２００ｎｍ以下に形成されるのが好ましく、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に形成されるのが特に好ましい。
【００２３】
高誘電率層１３は、誘電率が２．２５より高い誘電体で形成される誘電体層である。なお、高誘電率層１３は、誘電率が高いほど望ましい。
【００２４】
また、高誘電率層１３では、蛍光体層１４と接する面に、回折格子（グレーティング）として機能するグレーティング構造２１を有する。グレーティング構造２１としては、凹凸構造、フォトニック結晶およびレンズアレイなどが挙げられる。なお、凹凸構造には、凸部が円錐形状であるモスアイ構造なども含まれる。本実施形態では、グレーティング構造２１を凹凸構造とする。また、凹凸構造の凹凸は、三角格子状に配置されていることが望ましいが、１次元格子状に配置されていてもよい。
【００２５】
蛍光体層１４は、入射された入射光を吸光して励起子（キャリア）を生成し、その励起子によって蛍光を発生させるキャリア生成層である。蛍光体層１４の材料としては、量子ドット蛍光体などのナノ無機蛍光体が望ましいが、Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌｘＯｙ：Ｍｎなどの無機蛍光体や有機蛍光体でもよい。
【００２６】
以上のように構成された光学素子１において、光が蛍光体層１４に入射すると、その入射した入射光は、蛍光体層１４内に励起子を励起する。励起子の一部は緩和することによって蛍光に変換されて光学素子１から出射される。また、残りの励起子の一部は、金属層１２と高誘電率層１３との界面に表面プラズモンを励起する。励起された表面プラズモンは、グレーティング構造２１によって回折されて光学素子１から出射される。
【００２７】
上記の表面プラズモンが励起されるためには、表面プラズモンの波数のＸおよびＹ成分の波数ｋsppと、回折格子の周期ｋgとが一致する必要がある。つまり、ｍを正の整数とすると、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされる必要がある。
【００２８】
波数ｋsppは、光学素子１の入出射部分の誘電率分布に応じて決定される。入出射部分は、金属層１２よりも高誘電率層１３側にある媒質（図１では、高誘電率層１３および蛍光体層１４）である。
【００２９】
金属層１２の誘電率の実部をεmetal、真空中での光の波数をk0とすると、表面プラズモンの波数のＸ成分およびＹ成分の波数ｋsppと、表面プラズモンの波数のＺ成分ｋspp、Zとは、
【００３０】
【数１】
2012137583.tif 000003
で表される。εeffは、入出射部分の実効誘電率である。実効誘電率εeffは、蛍光体層１４から出射する蛍光の角周波数をω、入出射部分の誘電率分布をε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）、虚数単位をｊとすると、入出射部分の誘電率分布と、高誘電率層１３側の金属層１２の界面に垂直な方向に対する表面プラズモンの分布に基づいて決定され、
【００３１】
【数２】
2012137583.tif 000004
で表される。  ここで、Ｒｅ［］は、［］内の実部を取ることを表す。
【００３２】
式（３）における積分範囲Ｄは、金属層１２の高誘電率層１３側の３次元範囲である。より具体的には、積分範囲ＤのＸＹ平面の範囲は、金属層１２内の範囲であり、積分範囲のＺ方向の範囲は、金属層１２および高誘電率層１３の界面から高誘電率層１３側の無限遠までの範囲である。なお、金属層１２および高誘電率層１３の界面をＺ＝０とし、この界面から高誘電率層１３側へ遠ざかる方向を＋Ｚ方向としている。
【００３３】
実効誘電率εeffは、以下の式を用いて計算してもよい。ただし、式（３）を用いる方が特に望ましい。
【００３４】
【数３】
2012137583.tif 000005
【００３５】
式（１）、式（２）、式（３）を用いることで、入出射部分の誘電率分布ε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）から波数ｋsppを求めることができる。より具体的には、入出射部分の誘電率分布ε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）を式（３）に代入し、実効誘電率εeffに適当な初期値を与え、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、表面プラズモンの波数ｋsppおよびｋspp、Zと実効誘電率εeffとを繰り返し算出していくことで、実際の実効誘電率εeffを算出し、その実際の実効誘電率εeffから波数ｋsppを求めることができる。
【００３６】
したがって、式（１）、式（２）、式（３）を用いて、ｋspp＝ｍ・Ｋgが満たされるように、回折格子の周期と入出射部分の誘電率分布とを調整すれば、励起された表面プラズモンが効率的に取り出され、蛍光の増強効果を高くすることができる。
【００３７】
図２は、励起子と表面プラズモンの結合効率と、励起子から金属層１２までの相互作用距離と、高誘電率層１３の誘電率との関係を示す図である。なお、励起子および表面プラズモンの結合効率は、励起された励起子のうち表面プラズモンを励起する励起子の割合を示す。
【００３８】
図２で示したように、励起子から金属層１２までの距離である相互作用距離が長いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率は小さくなる。このため、励起子および表面プラズモンの結合効率が高くなるように、相互作用距離を調整して、表面プラズモンの強度を高くすることが望ましい。例えば、蛍光体層１４の高誘電率層１３とは反対の面から金属層１２までの距離を、表面プラズモンの強度が最大値のｅ-2倍となる相互作用距離である有効相互作用距離程度にすればよい。なお、有効相互作用距離ｄeffは、
【００３９】
【数４】
2012137583.tif 000006
で表される。
【００４０】
また、実際の光学素子における有効相互作用距離ｄeffは、数百ナノメートルオーダーとなるため、蛍光および表面プラズモンの結合効率を高くするためには、蛍光体層１４の材料である蛍光材料の粒子径は、ナノメートルオーダーであることが望ましい。
【００４１】
また、図２で示したように、高誘電率層１３の誘電率は高いほど、励起子および表面プラズモンの結合効率の最大値は大きくなる。このため、高誘電率層１３の誘電率は高いほど望ましい。ただし、入出射部分の実効誘電率の実部が、金属層１２の誘電率の実部の絶対値を大きく超えないように設定する必要がある。入出射部分の実効誘電率の実部が金属層１２の誘電率の実部の絶対値を超えると、式（２）が示すとおり表面プラズモンが励起されない条件となる。実際は、金属層１２の誘電率は虚数部を持つため、入出射部分の実効誘電率の実部が金属層１２の誘電率の実部の絶対値を超えたとしても、表面プラズモンは励起されるが、入出射部分の実効誘電率の実部と金属層１２の誘電率の実部の絶対値の乖離が大きいと、表面プラズモンが励起されなくなる。
【００４２】
図３は、光学素子からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。具体的には、高誘電率層１３の誘電率が従来の値である２．２５の場合と、高誘電率層１３の誘電率が従来の値より大きい６．２５の場合における、光学素子１からの出射光の光強度および放射角の関係を示す図である。ここで、縦軸の光強度は極角ごとの光の状態密度について規格化した値である。
【００４３】
図３に示すように、高誘電率層１３の誘電率が６．２５の場合、高誘電率層１３の誘電率が２．２５の場合と比べて、放射角が−４５°〜４５°に含まれる出射光の光強度は、１．１倍になり、放射角が−６０°〜６０°に含まれる出射光の光強度は、１．２倍になる。
【００４４】
以上説明したように本実施形態によれば、金属層１２、誘電率が２．２５より高い高誘電率層１３、入射光によって蛍光が発生する蛍光体層１４の順で積層されて、高誘電率層１３および蛍光体層１４の界面には、回折格子が形成される。このため、蛍光体層１４で発生する蛍光と金属層１２で発生する表面プラズモンとの結合効率を高くすることが可能になり、表面プラズモンから変換される蛍光の光強度が高くなる。そして、蛍光がグレーティング構造２１によって出射角度が変換されるので、指向性も高くすることが可能になる。
【００４５】
次に本発明の他の実施形態について説明する。
【００４６】
図４〜図９は、蛍光体層１４の一例を示す図であり、光学素子１をＹＺ平面で切断した断面と、光学素子１を＋Ｚ方向から見た上面とが示されている。
【００４７】
図４の例では、蛍光体層１４が高誘電率層１３を覆っている。また、蛍光体層１４の高誘電率層１３と接する面の逆の面が平坦となっている。
【００４８】
図５の例では、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さと高誘電率層１３の凸部の高さが同じになっている。
【００４９】
図６の例では、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さは高誘電率層１３の凸部の高さより小さくなっている。
【００５０】
図７の例では、高誘電率層１３の凹部に埋め込まれており、蛍光体層１４の高さと高誘電率層１３の凸部の高さが同じになっている。また、蛍光体層１４は、高誘電率層１３の凸部にも積層されている。
【００５１】
図８の例では、蛍光体層１４が高誘電率層１３を覆っている。また、蛍光体層１４の高誘電率層１３と接する面の逆の面は、高誘電率層１３のグレーティング構造２１と同じ構造が形成されている。
【００５２】
図９の例では、蛍光体層１４に、入射光の見かけの吸光度を増大させるための金属微粒子３１が含まれている。見かけの吸光度とは、蛍光体層１４を、均質な層とみなし、蛍光体層１４全面に光を入射させたときの吸光度である。金属微粒子３１は、入射光と相互作用することにより、金属微粒子３１の表面に表面プラズモンを励起し、その表面近傍に入射光の電場強度に対して１００倍近くの大きさの増強電場を誘起する。この増強電場によっても蛍光体層１４内に励起子が生成されるので、蛍光体層１４内の励起子の数が増加する。このため、金属微粒子３１は、自身の表面に励起された表面プラズモンによって、入射光の見かけの吸光度を増大させて、蛍光の光強度を増大させることができる。
【００５３】
金属微粒子３１の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、アルミニウム、又はこれらの合金などが挙げられる。これらの中でも、金、銀、銅、白金、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が好ましく、金、銀、アルミニウムまたはこれらを主成分とする合金が特に好ましい。金属微粒子３１はその周辺と中心で金属種の異なるコアシェル構造、２種の半球の合体した半球合体構造、異なるクラスターが集合して微粒子を作るクラスター・イン・クラスター構造でもよい。金属微粒子３１を合金または、これら特殊構造とすることで、微粒子の寸法や、形状を変化させなくとも、共鳴波長を制御できる。
【００５４】
金属微粒子３１の形状としては、直方体、立方体、楕円体、球体、三角錐および三角柱など、閉じた表面を有する形状であればどのような形状でも良い。また、金属微粒子３１には、半導体リソグラフィ技術に代表される微細加工によって、金属薄膜を一辺が１０μｍ未満の閉じた面で構成される構造体に加工したものも含まれる。
【００５５】
図１０は、光学素子の別の形態を示す図である。図１０において、光学素子１’は、図１で示した光学素子１に加えて、蛍光体層１４の上に設けられた冷却層１５と、光学素子１および冷却層１５を覆うカバー１７とをさらに有する。
【００５６】
冷却層１５は、例えば、オイルなどの透明な液体などで形成され、蛍光体層１４を冷却する。また、カバー１７には、冷却層１５の上の箇所に光透過部１６が備わっている。光透過部１６は、例えば、ガラスなどの透明誘電体のような光を透過する物質で形成され、蛍光体層１４に入射する入射光と、蛍光体層１４で発生する蛍光とを透過する。なお、光透過部１６には、入射光および蛍光の反射を抑制して、入射光および蛍光の透過率を向上させる構造体が形成されてもよい。この構造体としては、フォトニック結晶、モスアイ構造、レンズアレイなどが挙げられる。
【００５７】
次に光学素子１を用いた照明装置について説明する。
【００５８】
図１１は、照明装置４０を示す図である。図１１において、照明装置４０は、光学素子１と、光源４１と、光源からの光が入射する導光体４２と、ダイクロイックミラー４３とを有する。
【００５９】
光源４１は、例えば、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）などで構成され、導光体４２の外周部に配置される。光源４１は、導光体４２を介して光学素子１の蛍光体層１４に光を入射する。
【００６０】
なお、図１１では、光源４１は、導光体４２と接触するように配置されているが、導光体４２から離れた位置に配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体４２と光学的に接続されてもよい。
【００６１】
導光体４２は、例えばガラスで形成された平板状の部材であり、光源４１から入射した光を内部で伝播させる。
【００６２】
導光体４２の第１の面には、光学素子１が設けられている。なお、導光体４２の第１の面と光学素子１の蛍光体層１４が対向している。
【００６３】
導光体４２の第１の面とは反対の面である第２の面には、ダイクロイックミラー４３が設けられている。
【００６４】
ダイクロイックミラー４３は、光源４１から入射した光を反射し、光学素子１で発生した蛍光を透過する波長選択性部材である。
【００６５】
以上のように構成された照明装置において、光源４１から光が出射されると、その光は導光体４２に入射され、導光体４２内部を伝播する。導光体４２内部では、光は、直接、または、ダイクロイックミラー４３で反射され、光学素子１の蛍光体層１４に入射する。その蛍光体層１４に入射した光の一部は、蛍光体層１４で反射され再び導光体４２に戻される。この戻された光は、ダイクロイックミラー４３で反射され蛍光体層１４に再入射する。
【００６６】
また、蛍光体層１４に入射した光の一部は、第１の実施形態で説明したように蛍光に変換されて、蛍光体層１４から導光体４２に出射される。そして、導光体４２に出射された光はダイクロイックミラー４３を透過して出射される。
【００６７】
また、照明装置４０では、図１２に示すように、ダイクロイックミラー４３の導光体４２の反対の面には、蛍光体層１４からの蛍光の反射を抑制して、蛍光の透過率を向上させる構造体４４が設けられてもよい。構造体４４としては、フォトニック結晶、モスアイ構造およびレンズアレイなどが挙げられる。
【００６８】
次に光学素子１を用いたカラーホイールについて説明する。
【００６９】
カラーホイールは、例えば、プロジェクタなどにおいて、カラー画像を表示するために使用されるものであり、入射された光を複数の色の光に変換し時分割して出射するためのものである。
【００７０】
図１３は、光学素子を用いたカラーホイールを示す正面図である。図１３において、カラーホイール５０は、蛍光領域５１〜５３を有する。蛍光領域５１〜５３は、光学素子１または１’で構成される。また、各蛍光領域５１〜５３における光学素子１の蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。
【００７１】
図１３の例では、カラーホイール５０は、円形であり、外周部が３等分され、その３等分された各部分が蛍光領域５１〜５３になっている。
【００７２】
通常、カラーホイール５０は、そのカラーホイール５０の中心に直交する軸を回転軸として回転され、光源からの光がカラーホイール５０の外周部に照射されるように使用される。これにより、光が入射される領域が蛍光領域５１〜５３に時分割されるので、入射された光を複数の色の光に変換し時分割して出射することができる。
【００７３】
なお、カラーホイールは、光学素子１または１’で構成される蛍光領域が少なくとも一つあればよく、図１４に示すカラーホイール５０’のように、外周部は、蛍光領域５１と、光を透過する透過領域５４とに２等分されてもよい。なお、透過領域５４は、すりガラスのような光を拡散して透過する光拡散板で形成されてもよい。
【００７４】
次に光学素子を用いたプロジェクタ（投射型表示装置）について説明する。
【００７５】
図１５は、光学素子を用いたプロジェクタの一例を示す図である。図１５において、プロジェクタは、光学素子１Ａ〜１Ｃと、光源１０１Ａ〜１０１Ｃと、ダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃと、表示素子１０３Ａ〜１０３Ｃと、色合成プリズム１０４と、投射レンズ１０５とを有する。なお、光学素子１Ａ〜１Ｃおよび光源１０１Ａ〜１０１Ｃは、照明装置を構成する。
【００７６】
光学素子１Ａ〜１Ｃは、光学素子１または１’で構成される。なお、各光学素子１Ａ〜１Ｃにおける蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各光学素子１Ａ〜１Ｃにおける蛍光体層１４は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。
【００７７】
光源１０１Ａ〜１０１Ｃは、光学素子１Ａ〜１Ｃのそれぞれで蛍光を発生させることが可能な波長の光を出射する。本実施形態では、ダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれは、光源１０１Ａ〜１０１Ｃのそれぞれの光を透過して光学素子１Ａ〜１Ｃのそれぞれに入射する。また、ダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれは、光学素子１Ａ〜１Ｃのそれぞれの蛍光体層１４から出射された蛍光を反射して表示素子１０３Ａ〜１０３Ｃのそれぞれに入射する。
【００７８】
表示素子１０３Ａ〜１０３Ｃのそれぞれは、ダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれからの蛍光を入力映像信号に応じて変調して色合成プリズム１０４に出射する。
【００７９】
色合成プリズム１０４は、表示素子１０３Ａ〜１０３Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ１０５を介して出射する。
【００８０】
なお、色合成プリズム１０４および投射レンズ１０５は投射光学系に含まれる。
【００８１】
図１６は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。図１６で示すプロジェクタは、図１５で示した構成に加えて、集光レンズ１０６Ａ〜１０６Ｃをさらに有する。
【００８２】
集光レンズ１０６Ａ〜１０６Ｃのそれぞれは、光学素子１Ａ〜１Ｃのそれぞれとダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれの間に設けられる。集光レンズ１０６Ａ〜１０６Ｃは、ダイクロイックミラー１０２Ａ〜１０２Ｃのそれぞれを透過した光と、光学素子１Ａ〜１Ｃのそれぞれから出射された蛍光とを集光する。
【００８３】
図１７は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。
【００８４】
図１７で示すプロジェクタは、照明装置２０１Ａ〜２０１Ｃと、表示素子２０２Ａ〜２０２Ｃと、色合成プリズム２０３と、投射レンズ２０４とを有する。
【００８５】
照明装置２０１Ａ〜２０１Ｃは、図１１または図１２で示した照明装置４０で構成される。なお、各照明装置２０１Ａ〜２０１Ｃにおける蛍光体層１４は、それぞれ異なる色の蛍光を発生させる。例えば、各照明装置２０１Ａ〜２０１Ｃにおける蛍光体層１４は、赤色、緑色および青色のそれぞれの蛍光を発生させる。
【００８６】
表示素子２０２Ａ〜２０２Ｃのそれぞれは、照明装置２０１Ａ〜２０１Ｃのそれぞれからの蛍光を入力映像信号に応じて変調して色合成プリズム２０３に出射する。
【００８７】
色合成プリズム２０３は、表示素子２０２Ａ〜２０２Ｃのそれぞれからの蛍光を合成して投射レンズ２０４を介して出射する。
【００８８】
図１８は、光学素子を用いたプロジェクタの他の例を示す図である。図１８において、プロジェクタは、光源３０１Ａおよび３０１Ｂと、カラーホイール３０２と、反射ミラー３０３と、集光レンズ３０４および３０６と、ダイクロイックミラー３０５と、表示素子３０７と、投射レンズ３０８とを有する。なお、光源３０１Ａ、３０１Ｂおよびカラーホイール３０２は照明装置を構成する。
【００８９】
光源３０１Ａおよび３０１Ｂは、互いに異なる色の光を出射する。本実施形態では、光源３０１Ａは青色光を出射し、光源３０１Ｂは赤色光を出射するものとする。
【００９０】
カラーホイール３０２は、図１４に示したカラーホイール５０’と同じ構成を有する。カラーホイール３０２の蛍光体層１４は、青色光が入射されると、蛍光として緑色光を出射するものとする。この場合、カラーホイール３０２の透過領域５４が青色光を透過するので、青色光と緑色光を時分割して出射することになる。なお、カラーホイール３０２は、透過された青色光が反射ミラー３０３に入射され、蛍光として出射された緑色光が集光レンズ３０４を介してダイクロイックミラー３０５に入射されるように配置される。
【００９１】
反射ミラー３０３は、入射した青色光を反射して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。
【００９２】
ダイクロイックミラー３０５は、青色光および赤色光を透過し、緑色光を反射する。より具体的には、ダイクロイックミラー３０５は、光源３０１Ａからの青色光を透過して集光レンズ３０４を介してカラーホイール３０２に入射する。また、ダイクロイックミラー３０５は、光源３０１Ｂからの赤色光を透過して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。そして、ダイクロイックミラー３０５は、カラーホイール３０２からの緑色光を反射して集光レンズ３０６を介して表示素子３０７に入射する。
【００９３】
表示素子３０７は、例えば、デジタルミラーデバイス（Digital  Micromirror  Device）であり、入射された赤色光、緑色光および青色光を入力映像信号に応じて変調して投射レンズ３０８を介して投射する。
【００９４】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【００９５】
例えば、図１３に示したカラーホイール５０を使用したプロジェクタなども本発明には含まれる。
【００９６】
この出願は、２０１１年４月７日に出願された日本出願特願２０１１−０８５３６４号公報、および、２０１２年１月６日に出願された日本出願特願２０１２−００１３２０号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００９７】
１、１’    光学素子
１１      基板
１２      金属層
１３      高誘電率層
１４      蛍光体層
１５      冷却層
１６      カバー
２１      グレーティング構造
３１      微粒子
４１      光源
４２      導光体
４３      ダイクロイックミラー
４４      構造体
５０、５０’    カラーホイール
５１〜５３    蛍光領域
５４      透過領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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