(57)【要約】【課題】照明光学系において、光学系のロスを生じさせることなく小型化を可能とする。【解決手段】照明光学系は、蛍光素子と、ミラー素子と、反射型素子とを備え、反射型素子に光源からの光の一部を反射させ、反射させた光を第１の色の光として利用するとともに、蛍光素子から出射される蛍光を第１の色とは異なる色の光として利用するために、ミラー素子の一方の面には光源からの光が入射され、他方の面には蛍光素子からの蛍光と反射型素子からの反射光とが入射されるものとし、反射型素子からの反射光が、少なくともミラー素子に入射する時点で光源からの光と偏光方向が異なっているか、ミラー素子へ入射される領域が、光源からの光がミラー素子から出射される領域と異なっていることを特徴とする。【選択図】図１
2014110109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光の一部をそのまま第１の色の光として利用するともに、該光源からの光の他の一部で蛍光体を励起して前記第１の色とは異なる色の光を発生させる照明光学系であって、
前記光源からの光を励起光として利用して蛍光を発生させて入射面から出射させる蛍光素子と、
前記光源からの光を透過または反射して前記蛍光素子へと導くとともに、少なくとも前記蛍光素子から出射された蛍光を透過または反射して前記光源からの光が入射してきた方向とは異なる方向へと導くミラー素子と、
前記光源からの光の一部を反射させて入射面から出射させる反射型素子とを備え、
前記反射型素子によって反射された光を前記第１の色の光として利用し、
前記ミラー素子の一方の面には前記光源からの光が入射され、他方の面には前記蛍光素子からの蛍光と前記反射型素子からの反射光とが入射され、
前記反射型素子からの反射光は、少なくとも前記ミラー素子に入射する時点で前記光源からの光と偏光方向が異なっているか、または、前記ミラー素子へ入射される領域が、前記光源からの光が前記ミラー素子から出射される領域と異なっている
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記反射型素子は、入射光を反射する際に、出射光の光路が入射光の光路の少なくとも一部と異なる方向に出射されるように入射光を偏向させて出射する偏向素子であり、
前記ミラー素子は、前記光源からの光の入射位置および前記反射型素子からの反射光の入射位置に応じて、前記光源からの光の波長帯である第１波長帯の光を反射させる領域と、前記第１波長帯の光を透過させる領域とに分かれている
請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記偏向素子は、表面に少なくとも１つの凸部または凹部が設けられることによって傾斜を有する反射面が形成されており、
前記凸部または凹部の平均的な傾斜角度を｜αａｖｇ｜、当該偏向素子への入射光の入射角をβとすると、前記凸部または凹部は｜αａｖｇ｜＞｜β｜を満たす
請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記偏向素子は、反射型回折素子であって、回折格子として作用する凹凸部を有しており、
前記凹凸部は４周期以上の周期構造を有しており、ピッチをＰ、入射する光の波長をλとすると、Ｐ≦λ／ｓｉｎ（２｜β｜）を満たす
請求項２に記載の照明光学系。
【請求項５】
前記偏向素子に２５°以下の角度範囲に入射角度を有する入射光が入射され、
前記偏向素子からの出射光は、入射光の最大入射角度以上であって７５°以下の角度範囲に出射される
請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項６】
前記偏向素子からの出射光は、入射光を囲む輪帯状の領域に出射される
請求項２から請求項５のうちのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項７】
前記ミラー素子と前記反射型素子との間に１／４波長板が設けられ、
前記ミラー素子には、光源からの光が直線偏光で入射され、
前記反射型素子は、入射光に対して０．７πから１．３πの位相差を与えるとともに、拡散させて出射する偏光非解消拡散素子であり、
前記ミラー素子は、波長選択性のある偏光ダイクロイックミラーであり、前記光源からの光の波長帯である第１波長帯の光に対しては偏光に応じて反射または透過させるとともに、前記蛍光素子からの蛍光の波長帯である第２波長帯の光に対しては偏光を問わずに反射または透過させる
請求項１に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記偏光非解消拡散素子は、出射光の偏光比率が０．８以上であるとともに、平行光が入射した場合に、出射光の中心輝度の半値となる角度γの値が１°以上、６０°以下となる素子である
請求項７に記載の照明光学系。
【請求項９】
前記偏光非解消拡散素子は、表面に２以上の凸部または凹部が設けられることによって傾斜を有する反射面が形成されており、
前記凸部または凹部がレンズ形状である
請求項７または請求項８に記載の照明光学系。
【請求項１０】
光路中に、少なくとも一つの色の光として利用される光に対してその発散状態を変化させる発散状態変換素子が設けられている
請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項１１】
前記発散状態変換素子には、前記第１の色または前記第１の色とは異なる色の光として利用される光であって、波長λ１およびλ２の少なくとも２つの波長帯の光が入射され、
前記波長λ１の光の発散角度は、前記波長λ２の光の発散角度よりも小さく、
前記発散状態変換素子は、前記波長λ１の光の発散角度と前記波長λ２の光の発散角度の違いが小さくなるように、前記波長λ１の光の発散状態を変化させる
請求項１０に記載の照明光学系。
【請求項１２】
前記発散状態変換素子は、前記第１の色の光の発散状態を大きくし、前記第１の色とは異なる色の光の発散状態を変化させないまたは前記第１の色の光に対して生じさせた変化よりも小さい変化を生じさせる
請求項１０または請求項１１に記載の照明光学系。
【請求項１３】
前記光源からの光の波長帯が、青色波長帯である
請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項に記載の照明光学系。
【請求項１４】
光源と、
請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記照明光学系から出射される光を変調する変調素子と、
前記変調素子によって変調された光を外部に投影させる投影光学系とを備えた
ことを特徴とする投影装置。
【請求項１５】
反射型の素子であって、
入射光を反射する際に、出射光の光路が入射光の光路の少なくとも一部と異なる方向に出射されるように入射光を偏向させて出射させ、
２５°以下の角度範囲に入射角度を有する入射光が入射された場合に、当該素子からの出射光が、入射光の最大入射角度以上であって７５°以下の角度範囲に出射される
ことを特徴とする偏向素子。
【請求項１６】
反射型の素子であって、
入射光に対して０．７πから１．３πの位相差を与えるとともに、拡散させて出射させ、
出射光の偏光比率が０．８以上であるとともに、平行光が入射した場合に、出射光の中心輝度の半値となる角度γの値が１°以上、６０°以下となる素子である
ことを特徴とする偏光非解消拡散素子。
【請求項１７】
光の発散角度が異なる波長λ１およびλ２の２つの波長帯の光を含む少なくとも２つの波長帯の光が同一の面に入射された場合に、少なくとも前記波長λ１の光の発散角度と前記波長λ２の光の発散角度の違いが小さくなるように、前記波長λ２の光に比べて発散角度が小さい前記波長λ１の光に対してその発散状態を変化させる
ことを特徴とする波長選択発散状態変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光の一部をそのまま第１の色の光として利用するともに、該光源からの光の他の一部で蛍光体を励起して第１の色とは異なる色の光を発生させる照明光学系、それを利用して画像の投影を行う投影装置並びにそれらに用いられる偏向素子、偏光非解消拡散素子および波長選択発散状態変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色レーザ光を空間的または時間的に分離し、一部の青色レーザ光を青色の光として利用するとともに、一部の青色レーザ光で蛍光体を励起し、蛍光体による発光を利用して緑および赤の色の光を発生させ、投影装置として用いる技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、照明光学系において、一部が拡散領域であり一部が蛍光発光領域である蛍光ホイールを回転駆動することによって、複数の青色レーザ発光器からの青色レーザ光のうちある時間帯を青色光源として用い、ある時間帯を蛍光体への励起光として用いる技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２、３、４には、青色光の光路と他の色の光の光路の共通化に関する技術が記載されている。例えば、特許文献２には、投影側光学系の瞳の一部をカットするための絞りが形成された部材の絞り部分に反射面を形成することで、蛍光体への励起光の光路を形成する例が示されている。また、特許文献３には、ダイクロイックミラーの一部に青色の反射領域を設けることで蛍光体への励起光の光路を形成する例が示されている。また、特許文献４には、空気層を介した２枚のプリズムを利用することで蛍光体への励起光の光路を形成する例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−６８４６５号公報
【特許文献２】特開２０１１−５９５４０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２８５２２号公報
【特許文献４】特開２０１２−７３４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図３８〜図４０は、特許文献１に記載の光学系のうち照明系の一部を模式的に示す模式図である。なお、図３８には、光学系の構成とともに、該光学系における、複数の青色レーザ光源からの青色光束９０１が蛍光ホイール９０７に照射するまでの光路が模式的に示されている。図３８に示すように、特許文献１に記載の光学系では、青色光束９０１の光束幅をレンズ９０２およびレンズ９０３によって縮小させ、ダイクロイックミラー９０４を透過後、集光用のレンズ９０５、レンズ９０６によって蛍光ホイール９０７に集光させている。蛍光ホイール９０７は領域によって拡散板領域と蛍光体領域に分かれており、これを回転駆動することによって青色光束を拡散させる時間帯と蛍光体からの蛍光発光を得る時間帯が周期的に発生するようにしている。
【０００７】
図３９に、特許文献１に記載の光学系における、複数の青色レーザ光源からの青色光束９０１が蛍光ホイール９０７の拡散板領域に照射された後の青色光束９０１ａの光路を模式的に示す（太い実線の矢印参照）。蛍光ホイール９０７の拡散板領域は透光性を有する透明基板上に形成されており、図３９に示すように、拡散板領域に入射した青色光束９０１は拡散板領域を透過し、拡散された青色光束９０１ａとなって出射される。拡散板領域を透過した後の青色光束９０１ａは、レンズ９１２によって発散角度が変換された後、ミラー９１３、レンズ９１４、ミラー９１５、レンズ９１６を経由して、ダイクロイックミラー９０９に入射する。ダイクロイックミラー９０９は、青色レーザ光の波長帯に対して透過する特性を有しており、青色光束９０１ａはダイクロイックミラー９０９を透過して、レンズ９１０を透過後、インテグレータロッド９１１に結合される。
【０００８】
また、図４０に、特許文献１に記載の光学系における、複数の青色レーザ光源からの青色光束９０１が蛍光ホイール９０７の蛍光体領域に照射された後の蛍光光束９０１ｂの光路を模式的に示す（破線の矢印参照）。蛍光ホイール９０７の蛍光体領域は反射板上に形成されており、図４０に示すように、蛍光体領域に入射した青色光束９０１は蛍光を発生させ、蛍光光束９０１ｂとなって入射側から出射される。その後、レンズ９０６、レンズ９０５によって発散角度が変換された後、ダイクロイックミラー９０４に入射する。ダイクロイックミラー９０４は、蛍光発光の波長帯に対して反射する特性を有しており、蛍光発光９０１ｂはダイクロイックミラー９０４で反射されて、レンズ９０８を透過後、ダイクロイックミラー９０９に入射する。ダイクロイックミラー９０９は、蛍光発光の波長帯に対して反射する特性を有しており、蛍光発光９０１ｂはダイクロイックミラー９０９で反射されて、レンズ９１０を透過後、インテグレータロッド９１１に結合される。
【０００９】
このように、特許文献１に記載の光学系では蛍光ホイール９０７に入射後の光束の光路が、青色光束９０１ａと蛍光光束９０１ｂとで分離されており、光学系が大型化していた。これは、特許文献１に記載の光学系の構成では、蛍光ホイール９０７において青色光束９０１の波長帯域を変換することなく反射させると、ダイクロイックミラー９０４がその戻り青色光束を透過してしまい、レンズ９０３へと出射されてしまうためである。
【００１０】
これに対して、特許文献２に記載の光学系では瞳の一部をカットするための絞りが形成された部材の絞り部分に反射面を形成することで蛍光体への励起光の光路を形成し、それにより励起光の照射面と同一の面から赤色、緑色、青色波長帯域の光を取り出せるようにしている。しかし、このような方法では多くの光束を含む励起光を反射させようとすると反射面の面積を大きくする必要があり、光学系のロスが生じる。すなわち、一部の光が有効利用されないことによって光学系からの光の出力値が減少してしまう問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載の光学系では、青色光源から射出される青色光束と、蛍光ホイールからの戻り蛍光光束および戻り青色光束とが、１つの共通のダイクロイックミラーを経由できるようにするために、当該ダイクロイックミラーの中央の一部分に指向性の高い青色レーザ光を反射させるための反射領域を設ける例が示されているが、これも特許文献２と同様の問題が生じる。
【００１２】
また、特許文献４に記載の光学系では空気層を介した２枚のプリズムを利用することで蛍光体への励起光の光路を形成しているが、青波長の光を散乱させた場合、励起光の光路に一部の光が入るためこれも光学系のロスとなる。
【００１３】
そこで、本発明は、蛍光体から発せられる蛍光光と、該蛍光体を発光させるための励起光となるレーザ光の一部とを利用して２色以上の光を得る照明光学系およびそれを利用して画像の投影を行う投影装置において、光学系のロスを生じさせることなく、小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による照明光学系は、光源からの光の一部をそのまま第１の色の光として利用するともに、該光源からの光の他の一部で蛍光体を励起して第１の色とは異なる色の光を発生させる照明光学系であって、光源からの光を励起光として利用して蛍光を発生させて入射面から出射させる蛍光素子と、光源からの光を透過または反射して蛍光素子へと導くとともに、少なくとも蛍光素子から出射された蛍光を透過または反射して光源からの光が入射してきた方向とは異なる方向へと導くミラー素子と、光源からの光の一部を反射させて入射面から出射させる反射型素子とを備え、反射型素子によって反射された光を第１の色の光として利用し、ミラー素子の一方の面には光源からの光が入射され、他方の面には蛍光素子からの蛍光と反射型素子からの反射光とが入射され、反射型素子からの反射光は、少なくともミラー素子に入射する時点で光源からの光と偏光方向が異なっている、または、ミラー素子へ入射される領域が、光源からの光がミラー素子から出射される領域と異なっていることを特徴とする。
【００１５】
また、反射型素子は、入射光を反射する際に、出射光の光路が入射光の光路の少なくとも一部と異なる方向に出射されるように入射光を偏向させて出射する偏向素子であり、ミラー素子は、光源からの光の入射位置および反射型素子からの反射光の入射位置に応じて、光源からの光の波長帯である第１波長帯の光を反射させる領域と、第１波長帯の光を透過させる領域とに分かれていてもよい。
【００１６】
また、偏向素子は、表面に少なくとも１つの凸部または凹部が設けられることによって傾斜を有する反射面が形成されており、凸部または凹部の平均的な傾斜角度を｜αａｖｇ｜、当該偏向素子への入射光の入射角をβとすると、凸部または凹部は｜αａｖｇ｜＞｜β｜を満たすものであってもよい。
【００１７】
また、偏向素子は、反射型回折素子であって、回折格子として作用する凹凸部を有しており、凹凸部は４周期以上の周期構造を有しており、ピッチをＰ、入射する光の波長をλとすると、Ｐ≦λ／ｓｉｎ（２｜β｜）を満たすものであってもよい。
【００１８】
また、本発明の照明光学系は、偏向素子に２５°以下の角度範囲に入射角度を有する入射光が入射され、偏向素子からの出射光は、入射光の最大入射角度以上であって７５°以下の角度範囲に出射されるものであってもよい。
【００１９】
また、偏向素子からの出射光は、入射光を囲む輪帯状の領域に出射されるものであってもよい。
【００２０】
また、本発明の照明光学系は、ミラー素子と反射型素子との間に１／４波長板が設けられ、ミラー素子には、光源からの光が直線偏光で入射され、反射型素子は、入射光束を反射する際に０．７πから１．３πの位相差を与えるとともに、拡散させて出射する偏光非解消拡散素子であり、ミラー素子は、波長選択性のある偏光ダイクロイックミラーであり、光源からの光の波長帯である第１波長帯の光に対しては偏光に応じて反射または透過させるとともに、蛍光素子からの蛍光の波長帯である第２波長帯の光に対しては偏光を問わずに反射または透過させるものであってもよい。
【００２１】
また、偏光非解消拡散素子は、出射光の偏光比率が０．８以上であるとともに、平行光が入射した場合に、出射光の中心輝度の半値となる角度γの値が１°以上、６０°以下となる素子であってもよい。
【００２２】
また、偏光非解消拡散素子は、表面に２以上の凸部または凹部が設けられることによって傾斜を有する反射面が形成されており、凸部または凹部がレンズ形状であってもよい。
【００２３】
また、本発明の照明光学系は、光路中に、少なくとも一つの色の光として利用される光に対してその発散状態を変化させる発散状態変換素子が設けられていてもよい。
【００２４】
また、本発明の照明光学系において、発散状態変換素子には、第１の色または第１の色とは異なる色の光として利用される光であって、波長λ１およびλ２の少なくとも２つの波長帯の光が入射され、波長λ１の光の発散角度は、波長λ２の光の発散角度よりも小さく、発散状態変換素子は、波長λ１の光の発散角度と波長λ２の光の発散角度の違いが小さくなるように、波長λ１の光の発散状態を変化させるものであってもよい。
【００２５】
また、発散状態変換素子は、第１の色の光の発散状態を大きくし、第１の色とは異なる色の光の発散状態を変化させないまたは第１の色の光に対して生じさせた変化よりも小さい変化を生じさせるものであってもよい。
【００２６】
また、本発明の照明光学系は、光源からの光の波長帯が、青色波長帯であってもよい。
【００２７】
また、本発明の投影装置は、光源と、上述のいずれかの照明光学系と、照明光学系から出射される光を変調する変調素子と、変調素子によって変調された光を外部に投影させる投影光学系とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明による偏向素子は、入射光を反射する際に、出射光の光路が入射光の光路の少なくとも一部と異なる方向に出射されるように入射光を偏向させて出射させ、２５°以下の角度範囲に入射角度を有する入射光が入射された場合に、当該素子からの出射光が、入射光束の最大入射角度以上であって７５°以下の角度範囲に出射されることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明による偏光非解消拡散素子は、反射型の素子であって、入射光に対して０．７πから１．３πの位相差を与えるとともに、拡散させて出射させ、出射光の偏光比率が０．８以上であるとともに、平行光が入射した場合に、出射光の中心輝度の半値となる角度γの値が１°以上、６０°以下となる素子であることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明による波長選択発散状態変換素子は、光の発散角度が異なる波長λ１およびλ２の２つの波長帯の光を含む少なくとも２つの波長帯の光が同一の面に入射された場合に、少なくとも波長λ１の光の発散角度と波長λ２の光の発散角度の違いが小さくなるように、波長λ２の光に比べて発散角度が小さい前記波長λ１の光に対してその発散状態を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、光源からの光の一部をそのまま第１の色の光として利用するともに、該光源からの光の他の一部で蛍光体を励起して第１の色とは異なる色の光を発生させる照明光学系において、光学系のロスを生じさせることなく、小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態にかかる照明光学系の一例を模式的に示す構成図である。
【図２】照明光学系１００において、緑色および赤色波長帯の光となる光束である蛍光光束１０１ｂの光路を模式的に示す説明図である。
【図３】蛍光ホイール１０６の例を示す正面図である。
【図４】偏向素子１１の例を示す構成図である。
【図５】偏向素子１１上での青色光束の光路の例を示す説明図である。
【図６】偏向素子１１の他の例を示す要部断面図である。
【図７】偏向素子１１の他の例を示す要部断面図である。
【図８】領域分割ダイクロイックミラー１０２の例および当該素子上での青色光束の光路を模式的に示す断面図である。
【図９】照明光学系１００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図１０】照明光学系１００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図１１】照明光学系１００の他の例およびそれに用いられる回転ホイール１１６の例を模式的に示す構成図である。
【図１２】照明光学系１００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図１３】波長選択発散状態変換素子１１８の例を示す模式断面図である。
【図１４】波長選択発散状態変換素子１１８に用いる第１の媒質３２と第２の媒質３３の組み合わせの例を示す説明図である。
【図１５】波長選択発散状態変換素子１１８の他の例を示す模式断面図である。
【図１６】発散状態の補正例を示す説明図である。
【図１７】作用別の、半値となる角度γの例を説明するための説明図である。
【図１８】第２の実施形態にかかる照明光学系の一例を模式的に示す構成図である。
【図１９】蛍光ホイール２０６の例を示す正面図である。
【図２０】偏光非解消拡散素子４１の例を示す構成図である。
【図２１】偏光非解消拡散素子４１上での青色光束の光路の例を示す説明図である。
【図２２】偏光非解消拡散素子４１の他の例を示す要部断面図である。
【図２３】偏光非解消拡散素子４１の他の例を示す要部断面図である。
【図２４】偏光非解消拡散素子４１の他の例を示す要部断面図である。
【図２５】偏光非解消拡散素子４１と一般的な拡散素子８０の違いを説明するための説明図である。
【図２６】照明光学系２００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図２７】照明光学系２００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図２８】照明光学系２００の他の例およびそれに用いられる回転ホイール２１６の例を模式的に示す構成図である。
【図２９】照明光学系２００の他の例を模式的に示す構成図である。
【図３０】第３の実施形態にかかる投影装置の例を模式的に示す構成図である。
【図３１】第１の実施例の偏向素子１１に用いられる多層膜の透過率を示すグラフである。
【図３２】第２の実施例の領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層２３に用いられる多層膜の４５°での透過率を示すグラフである。
【図３３】第３の実施例の波長選択発散状態変換素子１１８において凹凸を構成する一方の媒質として用いられる多層膜の透過率を示すグラフである。
【図３４】第３の実施例の波長選択発散状態変換素子１１８において凹凸を構成する２つの媒質の実効的な屈折率およびそれによる回折効率を示すグラフである。
【図３５】第４の実施例の波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２のダイクロイック層に用いられる多層膜の入射角度４５°での透過率を示すグラフである。
【図３６】第５の実施例の波長選択発散状態変換素子２１８において凹凸を構成する２つの媒質の実効的な屈折率を示すグラフである。
【図３７】第５の実施例の反射膜に用いられる多層膜の入射角度２０°での透過率を示すグラフである。
【図３８】特許文献１に記載の光学系のうち照明系の一部を模式的に示す模式図である。
【図３９】図３８に示した照明系における青色光束９０１ａの光路を模式的に示す模式図である。
【図４０】図３８に示した照明系における蛍光光束９０１ｂの光路を模式的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
実施形態１．
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる照明光学系の一例を模式的に示す構成図である。図１に示す照明光学系１００は、レーザ光源等から射出される青色光束１０１をその入射領域に応じて透過するか反射する領域分割ダイクロイックミラー１０２と、蛍光ホイール１０６と、青色光束１０１を蛍光ホイール１０６へと集光させるためのレンズ群１０５と、入射光束の分布を均質化するインテグレータ１１１と、蛍光ホイール１０６からの反射光である青色光束１０１ａおよび蛍光光束１０１ｂをインテグレータ１１１へと導くための光学素子群１１０とを備えている。
【００３４】
なお、図１に示す例では、レンズ群１０５として、青色光束１０１の光束幅を縮小させて蛍光ホイール１０６に集光させるためのレンズ１０３およびレンズ１０４が設けられているが、この限りではない。また、光学素子群１１０として、発散角度を変換するためのレンズ１０７、レンズ１０７から出射される光束をインテグレータ１１１の方へ偏向させるミラー１０８およびミラー１０８で反射された光束をインテグレータ１１１に集光させるレンズ１０９が設けられているが、この限りではない。他の例においても同様である。
【００３５】
また、図１には、照明光学系の構成例とともに、青色光束１０１が蛍光ホイール１０６に照射された後の青色光束１０１ａの光路も併せて示されている（太い実線矢印参照）。なお、青色光束１０１ａは、当該照明光学系１００において青色の光として利用される光束である。また、図２には、図１に示す照明光学系１００において青色光束１０１が蛍光ホイール１０６に照射されることによって生じる蛍光光束１０１ｂの光路が示されている（破線矢印参照）。なお、蛍光光束１０１ｂは、当該照明光学系１００において青色以外の色の光（本例では、緑および／または赤色）として利用される光束である。なお、以下の例では、青色波長帯を４５０ｎｍ、緑色波長帯を５２５ｎｍ、赤色波長帯を６２０ｎｍとして説明するが、各色の光の波長帯は上記の例に限らず、用いるレーザ光源の性能や当該照明光学系に求められる各色の色合い等によって適宜変更可能である。
【００３６】
図３は、蛍光ホイール１０６の例を示す正面図である。図３に示すように、蛍光ホイール１０６は、偏向素子１１が形成される領域と、緑蛍光体が形成される領域である緑蛍光体領域１２と、赤蛍光体が形成される領域である赤蛍光体領域１３とに分かれており、回転駆動されている。蛍光ホイール１０６は、この回転駆動によって、入射光が偏向素子１１に入射する時間帯と、緑蛍光体に入射する時間帯と、赤蛍光体に入射する時間帯とが周期的に発生する仕組みとなっている。
【００３７】
偏向素子１１は、入射光束を反射させて入射面から出射させる反射型の素子であって、反射する際に出射光の光路が入射光の光路と少なくともミラー入射時において重ならない方向、より具体的には出射光の光路が入射光の光路の少なくとも一部と異なる方向へと偏向させて出射する素子である。このような偏向素子１１によって、当該偏向素子１１に入射した青色光束１０１は、入射した際の光路とは異なる光路を通る光束となってその入射面から反射される（図１参照）。
【００３８】
また、緑蛍光体領域１２および赤蛍光体領域１３では、蛍光体が反射板上に形成されており、当該領域に入射した青色光束１０１は、緑色または赤色の波長域の蛍光を発光させた後、蛍光光束１０１ｂとなってその入射面から出射される（図２参照）。
【００３９】
図４は、偏向素子１１の例を示す構成図である。図４（ａ）は偏向素子１１の要部正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した偏向素子１１のＡＢ断面図である。図４に示すように、偏向素子１１は、例えば、基材１５の表面に円錐状の凸部１４が隙間無く配された構成であってもよい。なお、図４には、基材１５上に円錐状の凸部１４を設ける例が示されているが、偏向素子１１は、少なくとも光が入射する領域の表面を、所定の角度範囲の傾斜を有する形状にするものであればその具体的な構成は問わない。例えば、表面に設けられるものは凸部であっても凹部であってもよい。また、基材と凸部または凹部が同一部材であっても異部材であってもよい。以下、偏向素子１１において、表面に傾斜をつけている部位を総称して「傾斜構造１４」という場合がある。
【００４０】
図５に、偏向素子１１に青色光束１０１が入射した場合の出射光束である青色光束１０１ａの光路の一例を示す。図５に示す例において、偏向素子１１の表面に設けられた傾斜構造１４はいずれも、当該傾斜構造１４がないとした場合の基材１５の表面に対して角度α傾斜した形状をしている。すなわち、図５に示す偏向素子１１は、反射面の形状が角度αで傾斜する傾斜面からなる凹凸形状に形成されている。そのような偏向素子１１に青色光束１０１−１、１０１−２が入射した場合、傾斜構造１４の入射面の位置によって青色光束１０１ａ−１、１０１ａ−２のように偏向されて反射される。
【００４１】
例えば、入射面側を上方として基材１５の上向きの法線方向から反時計回りを正の方向とし、青色光束１０１−１および１０１−２が入射角度±｜β｜で入射する場合を考える。ここで、入射角度とは光束の主光線の強度に対して１／ｅ２となる強度をさす。角度βで入射した青色光束１０１−１は、素子表面に設けられた傾斜構造１４によって２α−βの方向に偏向された反射光となって出射する。入射青色光束１０１−１のうち最大の入射角度が｜β｜である場合、出射青色光束１０１ａ−１のうち最小の出射角度は２｜α｜−｜β｜となるので、｜α｜＞｜β｜であれば、出射青色光束１０１ａ−１は入射青色光束１０１−１の光路と異なる方向へと偏向される。また、青色光束１０１−２の場合も同様に、入射青色光束１０１−２のうち最大の入射角度が｜β｜である場合、出射青色光束１０１ａ−２のうち最小の出射角度β’は２｜α｜−｜β｜となるので、｜α｜＞｜β｜であれば、出射青色光束１０１ａ−２は入射青色光束１０１−２の光路と異なる方向へと偏向される。
【００４２】
傾斜角αが４５°を超えると光束が横方向に反射されてしまい一部の光が反射光として利用できなくなるため、傾斜角αは４５°＞｜α｜を満たすようにするとよい。
【００４３】
ところで、上記条件（ここでは、少なくとも｜α｜＞｜β｜の条件）を満たす場合には、入射角度が大きい場合には出射される光束の出射角度もまた大きくなる。出射角度が大きい場合にはレンズ群１０５で光を取り込めず光量のロスになるため、入射角度βの角度範囲は２５°以下が好ましく、２０°以下であるとより好ましく、１５°以下であるとさらに好ましい。同様に最大の出射角度の角度範囲は１０°以上かつ７５°以下が好ましく、上限が６０°より小さいと好ましく、４５°よりも小さいとさらに好ましい。また、反射される際に、傾斜構造１４の面の反射率は８０%以上が好ましく、９０％以上であるとより好ましい。
【００４４】
傾斜構造１４の面の反射率を上げるため、例えば、傾斜構造１４の上に反射膜を積層させてもよい。青色光束が入射する際に高い反射率を示す材料として、銀や銀の合金、アルミニウム、多層膜などを使用できる。銀などの金属反射膜を用いる場合は、入射角度にかかわらず高い反射率を得ることができる。また、多層膜を用いる場合には、金属酸化物などの吸収のない材料を使用でき、材料の吸収がないため材料の吸収による発熱が問題になる場合には多層膜を用いるのが好ましい。
【００４５】
なお、偏向素子１１の傾斜構造１４は、上記機能すなわち出射光の光路が入射光の光路と異なる方向へと入射光束を偏向させて反射する機能を有していれば円錐形状に限らず、角錐形状やブレーズ形状であってもよい。例えば、図６（ａ）から（ｅ）に示すような形状であってもよい。また、平面図でみた場合に斜面とは異なる方向に延びる長手方向を有する凹凸形状であってもよい。
【００４６】
図６は、偏向素子１１の他の例を示す要部断面図である。図６（ａ）には傾斜構造１４の大きさが面内で異なっている例が示されている。また、図６（ｂ）には面内に傾斜角の異なる傾斜構造１４を有する例が示されている。図６（ｂ）に示すように、傾斜構造１４の傾斜角が面内で異なっている場合、平均的な傾斜角αａｖｇが入射角βに対して｜αａｖｇ｜＞｜β｜を満たすようにすればよく、最小の傾斜角αｍｉｎが｜αｍｉｎ｜＞｜β｜を満たすようにすればより好ましい。このような例は、素子の不規則性により入射光の空間的コヒーレンシーを低減できる効果があり、光束の光量分布を均一化させる効果や、レーザ光源からの光束を用いる場合にスペックル低減などの効果を得られる。
【００４７】
また、図６（ｃ）にはアキシコンレンズのように１つの傾斜構造１４によって表面の凹凸形状が形成される例が示されている。図６（ｃ）に示すように、１つの傾斜構造１４によって表面の凹凸形状が形成される偏向素子１１は、当該偏向素子１１が蛍光ホイール１０６上ではなく固定されて使用される場合に適している（例えば、後述する図９や図１０（ｂ）の構成）。単一の反射面を用いることで散乱などが生じにくく、効率よく青色光束１０１ａを発生させることができる。ただし、単一の反射面であるため青色光束１０１が傾斜構造１４に照射される位置の幅が奥行き方向に大きくなるため、焦点深度の小さいレンズ群１０５などを用いる場合には、反射された青色光束１０１ａをレンズ群１０５によって効率的に取り込むことができない場合がある。このような場合は、傾斜構造１４の奥行き方向の高さが小さくなる他の例を用いるのが好ましい。１つの傾斜構造１４の好ましい高さはレンズ群１０５の焦点深度に依存するが、多様なレンズ設計に対応できるために０．５ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以下であるとより好ましく、０．０５ｍｍ以下であるとさらに好ましい。
【００４８】
図６（ｄ）にはブレーズ形状の傾斜構造１４を有する例が示されている。傾斜構造１４をブレーズ形状にすると、例えば、図６（ｃ）に示す傾斜構造１４の奥行き方向の高さを小さくできる。
【００４９】
図６（ｅ）には赤および緑蛍光体を含む傾斜構造１４の上に、青色光束の一部を反射させ、緑および赤色の光束を透過させる半透過反射膜１６を形成した例が示されている。このような偏向素子１１を、蛍光ホイール１０６による時間分割を行わずに、青、緑、赤の各色に対して空間光変調素子を用いるような光学系に使用できる（例えば、後述する図１０（ａ）の構成）。図６（ｅ）に示すようにすることで、半透過反射膜１６で反射される青色光束１０１ａと、半透過反射膜１６を透過して蛍光体を励起して得られる蛍光光束１０１ｂとを同時に得ることができ、これらを合わせることで青、緑、赤の各光束を得ることができる。ここで、半透過反射膜１６としては、例えば、赤色および緑色波長帯域の光を透過しつつ、青色波長帯域で約３０％の反射率となるように設計された多層膜を用いてもよい。なお、図示省略しているが、本例の偏向素子１１は、蛍光体を含む部材の下方に発生した蛍光を反射する反射膜が形成されているものとする。
【００５０】
また、偏向素子１１は、表面に傾斜をもたせる構造のもの以外にも、図７に示すような回折作用を利用するものであってもよい。図７（ａ）および（ｂ）は、回折作用を利用した偏向素子１１の例を示す要部断面図である。図７（ａ）および（ｂ）に示す偏向素子１１は、基材１５上に回折光を発生させる凹凸構造１７が形成された構造となっている。なお、図７（ａ）にはバイナリー型の回折格子として作用する凹凸構造１７を形成した例が示されている。この場合、基材１５上に、断面矩形の凸部１４または凹部１４を形成すればよい。また、図７（ｂ）には凹凸構造１７として、多段の疑似ブレーズを用いた場合の例が示されている。この場合、基材１５上に、断面が階段状の凸部１４または凹部１４を形成すればよい。また、回折格子の場合、回折格子のピッチが波長の２倍よりも小さくなるような場合に大きな偏光依存性が生じ得るが、このような回折格子の長手方向と入射光の偏光方向が同一の方向となるように回折格子を配置することで高い回折効率を得ることができる。
【００５１】
このように、偏向素子１１として回折素子を用いる場合、出射光の分布は回折素子の基本的な構造のフーリエ変換によって与えられる。また、回折素子の基本的な構造のピッチをＰ、回折素子に入射する光束の波長をλ、入射角度をθｉｎ、出射される光束の角度をθｏｕｔ、とし、回折光の次数をｍとした場合、ｓｉｎθｏｕｔ＝ｓｉｎθｉｎ＋ｍλ／Ｐが成立する。したがって、回折素子の基本的な構造を設計し、基本的な構造のピッチを調整することによって出射光の分布を調整できる。
【００５２】
つまり、｜θｏｕｔ｜＞｜β｜となるようにピッチＰと回折光の次数ｍを調整すればよい。特にθｉｎ＝０°の入射光束を±１次回折光として回折させる場合には、θｏｕｔ≧２｜β｜とすることで出射光束をθｏｕｔ±βの方向に回折でき、入射光束と出射の重なりを低減できる。この場合、回折素子のピッチとしてＰ≦λ／ｓｉｎ（２｜β｜）を満たせばよい。
【００５３】
また、凹凸構造１７が回折格子のように面内に長手方向を有する形状である場合、蛍光ホイール１０６の中心に曲率の中心を持つような円弧状に長手方向を有している形状であってもよいし、所定の方向に長手方向を有する凹凸構造１７が形成される領域を複数組み合わせて、面内に２以上の異なる長手方向を有する凹凸構造１７が形成されるようにしてもよい。凹凸構造１７は凸部または凹部を２周期以上有しているとよく、４周期以上であると回折光の出射方向が離散的になるので、入射光との分離がより可能になるので好ましい。
【００５４】
なお、偏向素子１１は、出射光を、入射光束を囲む輪帯状の領域に出射するものに限らない。例えば、入射面の位置に関わらず、図５に示す正負の方向において＋の方向のみまたは−の方向のみへと偏向させて出射するようなものであってもよい。
【００５５】
偏向素子１１はプレス成型や切削加工によって加工できる。このような方法によって精度の高い凹凸形状を得ることができる。また、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた加工方法であってもよい。フォトリソグラフィおよびエッチングは回折素子のように矩形の凹凸形状を有する場合に用いるのが好適である。また、基材１５や凸部１４の部材としてガラスや金属などの無機材料や樹脂などの有機材料を使用できる。ガラスを用いる場合は石英や耐熱ガラスを用いると熱膨張が小さいためレーザ照射による温度上昇に対して破壊が起こりにくい。また、樹脂材料を用いる場合は、型と対向する基材中に樹脂を充填し硬化するインプリントや射出成型などの方法を使用できる。樹脂としてエポキシやシリコーン樹脂などの耐熱性のある樹脂を用いるのが好ましい。
【００５６】
また、図８（ａ）は領域分割ダイクロイックミラー１０２の例を模式的に示す断面図である。また、図８（ｂ）には、領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射する各種光束の光路が模式的にされている。領域分割ダイクロイックミラー１０２は、青色波長帯の光を透過しつつ緑色および赤色波長帯の光を反射させる領域と、青色、緑色および赤色波長帯の光を反射させる領域とが、各々所定の領域に分けて設けられていればよい。図８に示す領域分割ダイクロイックミラー１０２は、基材２１と、その一方の面に設けられる反射防止膜２２と、その他方の面上に設けられるダイクロイック層２３と、ダイクロイック層２３と同じ面上の一部領域に設けられる反射層２４とを備えた構成となっている。
【００５７】
ここで、反射防止膜２２は、青色波長帯域の光（より具体的には、青色光束１０１）を透過させる光学膜である。また、ダイクロイック層２３は、青色波長帯域の光（より具体的には、青色光束１０１）を透過させ、緑色および赤色波長帯域の光（より具体的には、蛍光光束１０１ｂ）を反射させる光学膜である。また、反射層２４は、青色、緑色および赤色の波長帯域の光（より具体的には、青色光束１０１ａおよび蛍光光束１０１ｂ）を反射させる光学膜である。ここで、ダイクロイック層２３は、少なくとも青色光束１０１が入射する領域に設けられる。また、反射層２４は、少なくとも青色光束１０１ａが入射する領域に設けられていればよい。なお、青色光束１０１および１０１ａのいずれも入射しない領域であって蛍光光束１０１ｂが入射する領域にはダイクロイック層２３と反射層２４のいずれかが設けられていればよい。
【００５８】
領域分割ダイクロイックミラー１０２は、例えば、図３８に示した従来の光学系に用いられるダイクロイックミラー９０４のダイクロイック層の一部領域上に反射層２４を加えることでも実現できる。
【００５９】
反射層２４としては、光学多層膜や金属膜を使用できる。なお、領域分割ダイクロイックミラー１０２は、図８（ａ）に示すようなダイクロイック層２３の上に反射層２４を積層させる構成に限らず、基材２１の上に領域を分けて、ダイクロイック層２３と反射層２４とをそれぞれパターニングなどによって設ける構成であってもよい。
【００６０】
また、インテグレータ１１１としては、例えば、インテグレータロッドやフライアイレンズなどを使用できる。
【００６１】
次に、本実施形態の光束の光路について説明する。図１に示す照明光学系１００において、青色光束１０１は、領域分割ダイクロックミラー１０２のダイクロイック層を透過後、レンズ群１０５によって蛍光ホイール１０６に集光される。このとき、青色光束１０１が偏向素子１１に照射される場合には、該青色光束１０１は偏向素子１１の入射面で反射されることによって入射した際の光路とは異なる光路を通る青色光束１０１ａとなって出射する。
【００６２】
その後、青色光束１０１ａは再びレンズ群１０５に入射し、レンズ群１０５によって発散角度が変換された後、領域分割ダイクロイックミラー１０２の反射層に入射する。そして、領域分割ダイクロイックミラー１０２の反射層によって反射された後、光学素子群１１０によってインテグレータ１１１へと導光される。
【００６３】
一方、図２に示すように、青色光束１０１が領域分割ダイクロイックミラー１０２およびレンズ群１０５を透過後、蛍光ホイール１０６の緑蛍光体領域１２または赤蛍光体領域１３に照射される場合には、青色光束１０１が蛍光体を励起して緑色または赤色の波長域の蛍光が発生する。発生した蛍光は蛍光ホイール１０６に設けられた反射材によって反射されることによって蛍光発光１０１ｂとなって出射する。
【００６４】
その後、蛍光発光１０１ｂはレンズ群１０５に入射し、レンズ群１０５によって発散角度を変換された後、領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層または反射層に入射する。そして、領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層または反射層によって反射された後、光学素子群１１０によってインテグレータ１１１へと導光される。
【００６５】
インテグレータ１１１へと導光された光束１０１ａおよび１０１ｂは図示しない空間光変調素子に照射され、空間光変調素子によって形成された画像を図示しない投影レンズによって投影面に投影する。空間光変調素子としてはＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon ）やＤＭＤ（digital micromirror device）などを使用できる。
【００６６】
なお、図１には、蛍光ホイール１０６上に偏向素子１１を設ける例が示されているが、偏向素子１１は必ずしも蛍光ホイール１０６上でなくてもよい。例えば、図９に示すような配置であってもよい。図９は、照明光学系１００における偏向素子１１の他の配置例を示す構成図である。なお、図９は、青色光束１０１が領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射した後、青色光束１０１ａとして再び領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射するまでの光路に係る部分のみを示している。図９に示す照明光学系１００では、蛍光ホイール１０６は、その一部に蛍光体を含む領域を有しているが、偏向素子１１を有しておらず、代わりに青色光束１０１を透過する領域を有する構成とする。その上で、そのような蛍光ホイール１０６の後方に偏向素子１１を備える。
【００６７】
本例の場合、蛍光ホイール１０６上の青色光束１０１を透過する領域に照射された青色光束１０１は、蛍光ホイール１０６を透過して、その後方に設けられた偏向素子１１に照射される。偏向素子１１に照射された青色光束１０１は、偏向素子１１によって偏向された結果、入射した際の光路とは異なる光路を通る青色光束１０１ａとなってその入射面から出射される。
【００６８】
また、図１には、領域分割ダイクロイックミラー１０２が青色光束１０１を透過することで蛍光ホイール１０６のある方向へと導くとともに、戻り青色光である青色光束１０１ａと蛍光光束１０１ｂとを反射することで青色光束１０１が入射してきた方向とは異なる方向へと導く例が示されているが、領域分割ダイクロイックミラー１０２と蛍光ホイール１０６の位置関係はこの限りではない。例えば、領域分割ダイクロイックミラー１０２が青色光束１０１を反射することで蛍光ホイール１０６のある方向へと導くとともに、戻り青色光である青色光束１０１ａと蛍光光束１０１ｂとを透過することで青色光束１０１が入射してきた方向とは異なる方向へと導くように構成することも可能である。
【００６９】
そのような場合には、領域分割ダイクロイックミラー１０２を、青色波長帯の光を反射して緑、赤色波長帯の光を透過するダイクロイック層が形成される領域と、青色、緑色および赤色波長帯の光を透過する透過層が形成される領域とに分ければよい。なお、ダイクロイック層は青色光束１０１が入射する領域に設けられていればよい。透過層は青色光束１０１が入射せずに青色光束１０１ｂが入射する領域に設けられていればよい。例えば、偏向素子１１が、出射光を中心付近の光束がない状態すなわち輪帯状にして出射するものであれば、領域分割ダイクロイックミラー１０２は、透光性のあるガラス等の基材上に透過層としての反射防止膜を形成した上で、中央の青色光束が入射する領域部分にだけダイクロイック層が設けられている構成であってもよい。
【００７０】
また、青、緑、赤の各色に対して空間光変調素子を用いるような場合には、蛍光ホイール１０６を回転駆動させなくともよい。この場合、図１０（ａ）や図１０（ｂ）に示すような配置を用いてもよい。
【００７１】
図１０は、照明光学系１００の他の例を模式的に示す構成図である。なお、図１０（ａ）には、青色光束１０１が領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射した後、青色光束１０１ａとして再び領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射するまでの光路に係る部分のみが示されている。図１０（ａ）に示す照明光学系１００は、蛍光ホイール１０６に代わって、青色偏向反射機能付き蛍光素子１１３を備えている。青色偏向反射機能付き蛍光素子１１３は、青色光束１０１が入射した際に、入射光の一部を青色光のまま偏向させつつ反射させるとともに、入射光の一部を蛍光体の励起に用いて蛍光発光を出射する。なお、本発明の青色偏向反射機能付き蛍光素子１１３は、青色光束の一部を反射させる際に、出射光が入射光とは異なる光路を通るように偏向させて出射させる。このような青色偏向反射機能付き蛍光素子１１３は、例えば、図６（ｅ）に示す偏向素子１１を利用できる。
【００７２】
また、図１０（ｂ）に示す例は、青色光束１０１を領域分割ビームスプリッタ１１５によって分岐して別光路で青色光束１０１ａと蛍光光束１０１ｂを発生させた後、合波する例である。なお、図１０（ｂ）には、青色光束１０１が領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射した後、青色光束１０１ａおよび蛍光光束１０１ｂとなって再び領域分割ダイクロイックミラー１０２に入射するまでの光路に係る部分のみが示されている。
【００７３】
図１０（ｂ）に示す照明光学系１００では、青色光束１０１は、領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層を透過後、領域分割ビームスプリッタ１１５のビームスプリッタ層によってレンズ群１０５ａへと向かう光束と、レンズ群１０５ｂへと向かう光束とに分けられる。レンズ群１０５ａへと向かう青色光束１０１は、レンズ群１０５ａによって偏向素子１１に照射される。一方、レンズ群１０５ｂへと向かった青色光束１０１は、レンズ群１０５ｂによって蛍光素子１１４に照射される。
【００７４】
偏向素子１１に照射された青色光束１０１は、入射したときと異なる方向へと偏向された青色光束１０１ａとなってその入射面から出射され、領域分割ビームスプリッタ１１５に入射する。また、蛍光素子１１４に入射した青色光束１０１は、蛍光素子１１４が備える蛍光体によって蛍光発光を生じさせる。生じた蛍光発光は、蛍光光束１０１ｂとなってその入射面から出射され、領域分割ビームスプリッタ１１５に入射する。
【００７５】
本例の領域分割ビームスプリッタ１１５は、図示省略しているが、青色波長帯の光の一部を透過しつつその一部を反射する領域と、青色波長帯の光を全て反射する領域とが、各々所定の領域に分けて設けられていればよい。なお、いずれの領域においても緑色および赤色波長帯の光は透過するものとする。領域分割ビームスプリッタ１１５は、例えば、基材と、その一方の面に設けられる緑色および赤色波長帯の光を透過させる反射防止膜と、その他方の面上の一部領域に設けられる青色波長帯の光の一部を透過し、また青色波長帯の光の一部を反射するとともに緑色および赤色波長帯の光を透過させるビームスプリッタ層と、ビームスプリッタ層と同じ面上の一部領域に設けられる青色波長帯の光を全て反射させるとともに緑色および赤色波長帯の光を透過させる青色反射層とを備えた構成であってもよい。ここで、ビームスプリッタ層は、少なくとも青色光束１０１が入射する領域に設けられる。また、青色反射層は、少なくとも青色光束１０１ａが入射する領域に設けられる。なお、青色光束１０１および１０１ａのいずれも入射しない領域であって蛍光光束１０１ｂが入射する領域にはビームスプリッタ層と青色反射層のいずれかが設けられていればよい。
【００７６】
このような構成によっても、少なくともその一部が励起光となる青色光束１０１と、青色の光として利用される青色光束１０１ａと、青以外の色の光として利用される蛍光光束１０１ｂとを、共通の素子（例えば、１０２）を経由するように構成できるため、光学系の小型化が図れる。
【００７７】
また、以上の各例では、緑蛍光体、赤蛍光体の２種類の蛍光体を用いる例を示したが、用いる蛍光体の種類はこれに限らず、例えば、緑蛍光体の１種類の蛍光体のみを用い、赤色の光は別途ＬＥＤなどの光源から出射させ、領域分割ダイクロイックミラー１０２などにより合波させる構成であってもよい。
【００７８】
ところで、偏向素子１１によって青色光束１０１を偏向させた結果得られる青色光束１０１ａと緑色および赤色の波長域の蛍光光束１０１ｂとが異なる発散状態を有していることがある。このような場合、光路中や、レンズ群１０５、領域分割ダイクロイックミラー１０２、光学素子群１１０などの一部に、発散状態の違いを補正する素子を設けてもよい。例えば、青色光束１０１ａが透過する領域に発散状態変換素子１１７や波長選択発散状態変換素子１１８を設けてもよい。そのようにすれば、緑色および赤色の波長域の傾向に対して影響を少なくできる。なお、発散状態変換素子１１７や波長選択発散状態変換素子１１８としては回折や散乱、レンズ効果のあるものを使用できる。
【００７９】
図１１は、照明光学系１００の他の例およびそれに用いられる回転ホイール１１６の例を模式的に示す構成図である。なお、図１１（ａ）は、青色光束１０１ａの光路中に発散状態変換素子１１７を設けた照明光学系１００の例を示す構成図である。図１１（ａ）に示す例では、インテグレータ１１１の前方に、新たに回転ホイール１１６が加わっている。また、図１１（ｂ）は回転ホイール１１６の正面図である。図１１（ｂ）に示すように、本例の回転ホイール１１６は、その一部領域上に発散状態変換素子１１７が設けられており、蛍光ホイール１０６と回転ホイール１１６とで回転の同期をとることで、偏向素子１１に青色光束１０１が照射されている時間帯に、発散状態変換素子１１７に青色光束１０１ａが照射されるようにしている。このようにすることで、緑色や赤色の蛍光光束１０１ｂに対して光の発散状態が変化しないようにし、青色光束１０１ａに対してのみ光の発散状態が変化するようにする。
【００８０】
また、図１２は波長選択性のある波長選択発散状態変換素子１１８を設けた照明光学系１００の例を示す構成図である。図１２に示す例では、インテグレータ１１１の前方に、回転ホイール１１６ではなく、波長選択発散状態変換素子１１８が加わっている。
【００８１】
波長選択発散状態変換素子１１８は、例えば、青色の波長帯の光に対して大きな散乱効果やレンズ効果を示すが、緑色や赤色の波長帯の光に対しては青波長に対して作用したよりも小さな作用を示すものであればよい。
【００８２】
図１３は、波長選択発散状態変換素子１１８の例を示す模式断面図である。図１３に示す例は、回折を利用して青色の波長帯の光の発散状態を変化させる例である。図１３に示す波長選択発散状態変換素子１１８は、基材３１上に、回折格子として作用する第１の媒質３２と第２の媒質３３とからなる凹凸が形成されており、この凹凸の屈折率差に依存して回折を発生させる構成となっている。図１３に示す波長選択発散状態変換素子１１８は、青波長帯の波長λ１の光束が入射した場合には、その光束の一部を回折することで拡散させ発散状態を変化させる。なお、緑波長帯の波長λ２の光束が入射した場合には、その光束の一部を回折することで拡散されるが、大部分の光束は直進透過する成分として出射させることで発散状態をあまり変化させない。また、赤波長帯の波長λ３の光束が入射した場合には、大部分の光束は直進透過する成分として出射させることで発散状態を変化させない。
【００８３】
発散状態の変化の大小は、光束を入射させた時に十分遠方で直進透過する成分と、拡散する成分の光量の比によって表わすことができる。波長λにおける拡散する成分の光量と、直進透過する成分と拡散する成分の光量の和、に対する比をｑ（λ）とした場合、波長選択発散状態変換素子１１８は、ｑ（λ１）＞ｑ（λ２）とｑ（λ１）＞ｑ（λ３）を満たせばよい。
【００８４】
そこで、波長λにおける第１の媒質３２の屈折率をｎ１（λ）、第２の媒質３３の屈折率をｎ２（λ）とした場合に、２つの屈折率の差である｜Δｎ（λ）｜＝｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜は｜Δｎ（λ１）｜＞｜Δｎ（λ２）｜と｜Δｎ（λ１）｜＞｜Δｎ（λ３）｜を満たすようにする。
【００８５】
なお、｜Δｎ（λ２）｜と｜Δｎ（λ３）｜は０．０５以下が好ましく、０．０３以下であると屈折率差によって生じる回折や散乱の影響を小さくできるので好ましい。また、｜Δｎ（λ１）｜は｜Δｎ（λ１）｜＞｜Δｎ（λ２）｜と｜Δｎ（λ１）｜＞｜Δｎ（λ３）｜を満たす条件下で０．０３以上が好ましく、０．０５以上であるとより好ましい。｜Δｎ（λ１）｜が小さいと凹凸構造を大きくしないと回折や散乱の効果を示さないので、このようにすることで凹凸の形状を小さくできる。
【００８６】
図１４は、波長選択発散状態変換素子１１８に用いる第１の媒質３２と第２の媒質３３の組み合わせの例を示す説明図である。上述のような屈折率差を生じさせる材料の組み合わせとして、図１４（ａ）に示すように高いアッベ数の材料と低いアッベ数の材料の組み合わせや、図１４（ｂ）に示すように屈折率の異常分散を示す材料と屈折率の異常分散を示さない材料の組み合わせを使用できる。
【００８７】
また、第１の媒質３２または第２の媒質３３として有機物や有機物と無機物のハイブリット材料を使用できるが光学系内の光の強度が大きい場合には無機物を使用することで信頼性の高い波長選択発散状態変換素子１１８を得られる。
【００８８】
この場合、第１の媒質３２として、酸化チタン、酸化ニオブ、硫化亜鉛、酸化亜鉛、酸化ビスマス、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムのうちから選ばれる１また２以上のものと、酸化シリコン及び酸化アルミニウムのいずれかまたは双方を含む材料もしくはこれらを含まず、酸化チタン、酸化ニオブ、硫化亜鉛、酸化亜鉛、酸化ビスマス、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムがポーラスとなっている材料を用いることでアッベ数の低い材料を得られる。また、第２の媒質３３としては、五酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸窒化シリコン、窒化シリコン、ダイアモンド及びダイアモンドライクカーボンのうちから選ばれる１また２以上のものを含む材料を用いることでアッベ数の高い材料を得られる。なお、第１の媒質３２と第２の媒質３３の組み合わせは逆であってもよい。
【００８９】
また、屈折率の異常分散として、顔料や色素などの吸収に起因する異常分散や、多層膜の反射帯の近傍に生じる位相遅延による異常分散を利用してもよい。すなわち、屈折率の異常分散を示す材料として、青色波長帯近傍で急峻な曲線を描くように、入射波長域外にあえて異常分散を生じさせる吸収帯や反射帯を設けた材料を用いてもよい。
【００９０】
また、波長選択発散状態変換素子１１８は、回折を利用して青色波長の光を拡散させるものに限らず、例えば、散乱やレンズ効果を利用して青色波長の光を拡散させるものであってもよい。図１５は波長選択発散状態変換素子１１８の他の例を示す模式断面図である。図１５（ａ）に示す例では、基材３１上に、第１の媒質３２と第２の媒質３３とによる不均一な凹凸が形成されており、この凹凸によって散乱を発生させ、青波長帯の光が拡散される。また、図１５（ｂ）に示す例では、第１の媒質３２と第２の媒質３３とがレンズ形状の凹凸を形成しており、レンズ効果を生じることで青波長帯の光が拡散される。図１４に示すような回折によって光束を拡散させる場合、拡散光が離散的になりうるため、図１５（ａ）や図１５（ｂ）のような素子を用いる場合より均一的な拡散が得られる。
【００９１】
また、図１５（ｃ）に示す例は、凹凸形状をブレーズ形状にしてアキシコンレンズと同じ機能を持たせた例である。偏向素子１１によって青色光束１０１ａが中心付近の光束がない状態で導波される場合であっても、図１５（ｃ）のような素子を用いることで再び中心付近に光束を集めることができる。
【００９２】
また、波長選択発散状態変換素子１１８は、図１５（ｄ）のように素子の空気界面に反射防止膜３４や反射防止膜３６を備えていてもよい。また、第１の媒質３２や第２の媒質３３の屈折率と基材３１との屈折率差が０．１以上など大きい場合には素子内部で反射が生じることで光量のロスが生じるため、このような場合素子内部に反射防止膜３５を設けてもよい。
【００９３】
このような波長選択発散状態変換素子１１８に、偏向素子１１からの出射光である青色光束１０１ａが照射されるようにすることで、緑色や赤色の蛍光光束１０１ｂに対して光の発散状態が変化しないようにしつつ、青色光束１０１ａのみで光の発散状態が変化するようにする。
【００９４】
なお、上記の各例では、波長選択発散状態変換素子１１８についてその構成や形状等を説明したが、発散状態変換素子１１７の場合は、波長選択発散状態変換素子１１８の構成における第１の媒質３２と第２の媒質３３とを、少なくとも青波長帯の波長λ１において所定値以上の屈折率差を有する組み合わせとすればよい。例えば、｜Δｎ（λ１）｜が０．０３以上が好ましく、０．０５以上であるとより好ましい。｜Δｎ（λ１）｜が小さいと凹凸構造を大きくしないと回折や散乱の効果を示さないので、このようにすることで凹凸の形状を小さくできる。なお、第２の媒質３３は空気でもよい。
【００９５】
青色光束１０１がレーザを光源とするような場合、偏向後の青色光束１０１ａも一般的に指向性の高い光束となるため、その発散状態は小さいものになっている。また、蛍光やＬＥＤを光源とするような光束は一般的に指向性が低く発散状態が大きいものになっている。このような発散状態の角度分布は光束がインテグレータ１１１を透過した後も保存されるため、このような発散状態の異なる光束が空間光変調素子に照射された場合、照度むらや色むらの原因になることがある。発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８はこのような光束の発散状態を補正する。
【００９６】
図１６は、波長選択発散状態変換素子１１８による発散状態の補正例を示す説明図である。なお、図１６（ａ）には波長選択発散状態変換素子１１８を透過する前の青色、緑色、赤色の各光束の輝度の角度分布が示されている。また、図１６（ｂ）には波長選択発散状態変換素子１１８を透過した後の青色、緑色、赤色の各光束の輝度の角度分布が示されている。なお、発散状態変換素子１１７を用いる場合には、図１６（ｂ）に示す緑色、赤色の各光束の輝度の角度分布を図１６（ａ）に示す緑色、赤色の各光束の輝度の角度分布に置き換えて見ればよい。
【００９７】
図１６（ａ）に示すように、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を透過する前、青色は光束の指向性が高く、光束は狭い角度範囲に分布しているものとする。ここで、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を透過する前の青色、緑色、赤色の各図において中心輝度の半値となる角度をそれぞれφＢ、φＧ、φＲとする。また、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を透過後の青色、緑色、赤色の各図において中心輝度の半値となる角度をそれぞれφ’Ｂ、φ’Ｇ、φ’Ｒとする。なお、発散状態変換素子１１７を用いる場合には、φ’Ｇ≒φＧ、φ’Ｒ≒φＲである。
【００９８】
図１６に示すように、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８によって青色光束のみが拡散された結果、透過後の青色と他の色とでの角度の半値の差すなわち｜φ’Ｂ−φ’Ｇ｜と｜φ’Ｂ−φ’Ｒ｜とが透過前のそれら、すなわち｜φＢ−φＧ｜と｜φＢ−φＲ｜よりも小さくなっていればよい。
【００９９】
このような発散状態の調整をする方法として、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８に平行光の青色光束を入射した場合に出射光の中心輝度の半値となる角度γを調整する方法をとることができる。
【０１００】
青色光束１０１ａの輝度の角度分布をｇｉ（θ）とし、平行光が発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８に入射した場合の輝度の角度分布をｈ（θ）とした場合、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を出射する青色光束の輝度の角度分布ｇｏ（θ）はｇｏ（θ）＝（ｇｉ＊ｈ）（θ）となる。なお、ここで「＊」は畳込み積分を表している。
【０１０１】
例えば、δ＝ｌｎ（２）として、青色光束１０１ａの入射光束の輝度の角度分布をｇｏ（θ）＝Ａｅｘｐ｛−δ（θ／φＢ）２｝とし、ｈ１（θ）＝Ｂｅｘｐ｛−δ（θ／γ）２｝とする場合、出射光の輝度の角度分布はｇｏ（θ）∝ｅｘｐ［−δ｛θ２／（φＢ２＋γ２）｝］となる。なお、ここでＡ，Ｂは定数とする。したがって出射光の角度分布の半値はφ’Ｂ＝（φＢ２＋γ２）０．５となる。このようなｈ（θ）は散乱板などの場合に成り立つ。
【０１０２】
レンズアレイのように平行光を入射してトップハットに近似できるような分布を生じる場合、ｈ２（θ，γ）＝Ｃ（０≦θ≦γ），０（θ＞γ）とでき、同様にφ’Ｂを求めることができる。このようにして求めたφ’Ｂが０．５×Ｍｉｎ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）≦φ’Ｂ≦１．５×Ｍａｘ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）となるようにするのが好ましく、０．７５×Ｍｉｎ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）≦φ’Ｂ≦１．２５×Ｍａｘ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）となるようにするのがさらに好ましく、Ｍｉｎ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）≦φ’Ｂ≦Ｍａｘ（｜φＧ｜，｜φＲ｜）とするとより好ましい。
【０１０３】
また、図１７は、発散状態の変換に使用する作用別の角度γの例を説明するための説明図である。例えば、図１７（ａ）に示すように回折を用いて発散状態の変換を行う場合には、出射光となる回折光は離散的になりうるが、回折光の輝度のピークを角度に対してプロットした図において強度分布の包絡線を求めることで半値となる角度γを求めることができる。回折素子としては、回折格子やＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）、フレネルレンズを使用できる。
【０１０４】
また、例えば、図１７（ｂ）に示すように散乱を用いて発散状態の変換を行う場合には、第１の媒質３２と第２の媒質３３の界面の粗度を調整することによって角度γを所望の値にできる。一般的に界面の粗度が粗い場合に角度γは大きくなる。
【０１０５】
また、例えば、図１７（ｃ）に示すようにレンズによる拡散を用いて発散状態の変換を行う場合には、レンズの曲率Ｒを調整することで角度γを所望の値にできる。レンズの焦点距離ｆはｆ＝Ｒ／Δｎ（λ）によって求めることができ、個別のレンズ上の中心からのレンズ境界までの距離ｄから角度γはｔａｎγ＝ｄ／ｆによって近似できる。また、このような近似によらず光線追跡などの手法を用いて角度γを決定してもよい。
【０１０６】
なお、図１６（ａ）には青色光束１０１ａが０°において輝度のピークを有する場合が示されているが、光学系によってはある角度とその角度にマイナスを乗算した角度の２つでピークを有するような場合がありうる。このような場合にも、光束が発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を透過した後の輝度分布をガウシアンなどの近似曲線で近似した場合に、角度φ’Ｂが前述の関係を満たすように角度γを決定すればよい。
【０１０７】
また、上記の説明では、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８を青の波長領域の光束に対して作用させる場合を示したが、例えば、青の波長領域の光束に対して作用せず、緑や赤の波長域の光束に対して回折や散乱の効果を与えることで、発散状態の違いを補正してもよい。例えば、回転ホイール１１６の一部領域上に緑や赤の波長域の光束に対して回折や散乱の効果を与える発散状態変換素子１１７を設け、青色光束１０１が緑蛍光体領域４２および赤蛍光体領域４３に照射されている時間帯に、発散状態変換素子１１７に蛍光光束１０１ｂが照射されるように蛍光ホイール１０６と同期をとってもよい。また、例えば、光路中に青の波長領域の光束に対して作用せず、緑や赤の波長域の光束に対して回折や散乱の効果を与える波長選択発散状態変換素子１１８を設けてもよい。このような場合には、波長選択発散状態変換素子１１８は、｜Δｎ（λ１）｜が小さく、｜Δｎ（λ２）｜と｜Δｎ（λ３）｜が大きいような材料の組み合わせを用いてもよい。このような場合においても、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８は、回折や散乱の効果を与えたい波長帯の波長λに対して｜Δｎ（λ）｜を０．０３以上にすることが好ましく、０．０５以上にするとより好ましい。
【０１０８】
また、図１１および図１２の例は、光の最終的な発散状態に対して補正をすればよいという点で設計上簡便であるので、発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８をインテグレータ１１１の直前に配置する例であるが、これらの配置はこの位置に限られない。少なくとも青色光束１０１ａの光路中に配置されていればよい。また、波長選択発散状態変換素子１１８を用いる場合には、単独の素子としてではなく、レンズ群１０５や領域分割ダイクロイックミラー１０２、光学素子群１１０などの一部として設けられていてもよい。
【０１０９】
以上のように、本実施形態では、少なくとも偏向素子１１と領域分割ダイクロイックミラー１０２とを組み合わせて用いることで、１つのミラー素子で励起光としても利用される青色光束１０１を透過させつつ、その反射光であり青色の光として利用する青色光束１０１ａと緑および赤色の光として利用する蛍光光束１０１ｂとをともに反射できるので、青色、赤色、緑色の各色の光の光路を共通化でき、したがって光学系を小型化できる。例えば、図３８に示す光学系と比較すると、光学素子９１２〜９１６を省略できる。また、その一部が励起光となる青色光束１０１の光路を形成するために、その反射光であり青色の光として利用される青色光束１０１ａの光路上に青色光束１０１を反射するための反射面や反射領域等を設ける必要もないため、多くの光束を含む励起光を使用する場合であってもそれに伴い青色光束１０１ａの一部が失われて光学系のロスが生じるといったこともない。
【０１１０】
また、光路中に発散状態変換素子２１７または波長選択発散状態変換素子２１８を設ければ、光路の共通化により各色間で光の発散状態の違いが生じる場合であっても、それによる照度むらや色むらの発生を防いだ上で、光学系の小型化を実現できる。
【０１１１】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１８は、本発明の第２の実施形態にかかる照明光学系の一例を模式的に示す構成図である。図１８に示す照明光学系２００は、青色光束２０１のｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射させるとともに蛍光光束２０１ｂを反射させる波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２と、１／４波長板２１２と、蛍光ホイール２０６と、蛍光ホイール２０６へと集光するためのレンズ群２０５と、入射光束の分布を均質化するインテグレータ２１１と、蛍光ホイール２０６からの反射光である青色光束２０１ａおよび蛍光光束２０１ｂをインテグレータ２１１へと導くための光学素子群２１０とを備えている。
【０１１２】
なお、本実施形態では照明光学系２００の青色光束２０１をｐ偏光としているが、ｓ偏光としてもよい。この場合は、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射する青色光束２０１ａはｐ偏光となる。また、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２は特性上、ｓ偏光の反射の効率が良いため、照明光学系２００の青色光束２０１をｓ偏光とする場合は、青色光束２０１を波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に反射させる照明光学系の構成とするのが望ましい。
【０１１３】
また、図１８に示す例では、レンズ群２０５として、青色光束２０１の光束幅を縮小させて蛍光ホイール２０６に集光させるためのレンズ２０３およびレンズ２０４が設けられているが、この限りではない。また、光学素子群２１０として、発散角度を変換するためのレンズ２０７、レンズ２０７から出射される光束をインテグレータ２１１の方へ偏向させるミラー２０８およびミラー２０８で反射された光束をインテグレータ２１１に集光させるレンズ２０９が設けられているが、この限りではない。他の例においても同様である。
【０１１４】
また、図１８では、照明光学系の構成例とともに、青色光束２０１が蛍光ホイール２０６に照射された後の青色光束２０１ａの光路も併せて模式的に示している（太い実線矢印参照）。なお、青色光束２０１ａは、当該照明光学系２００において青色の光として利用される光束である。なお、図１８では、青色光束２０１が蛍光ホイール２０６に照射されることによって生じる蛍光光束２０１ｂの光路については図示省略しているが、蛍光光束２０１ｂは青色光束２０１ａと同じ経路をたどる。なお、青色光束２０１ａとは異なり、蛍光光束２０１ｂの偏光状態は問わない。すなわち、偏光が保存されていても、無偏光であっても、ランダム偏光であってもよい。なお、蛍光光束２０１ｂは、当該照明光学系２００において青色以外の色（本例では、緑および／または赤色）の光として利用される光束である。
【０１１５】
図１９は、蛍光ホイール２０６の例を示す正面図である。図１９に示すように、蛍光ホイール２０６は、偏光非解消拡散素子４１が形成される領域と、緑蛍光体領域４２と、赤蛍光体領域４３とに分かれており、回転駆動されている。この回転駆動によって、入射光が偏光非解消拡散素子４１に入射する時間帯と、緑蛍光体領域４２に入射する時間帯と、赤蛍光体領域４３に入射する時間帯とが周期的に発生する仕組みとなっている。
【０１１６】
偏光非解消拡散素子４１は、入射光束の偏光を解消させずに入射光束をその入射面から拡散させて出射する素子である。より具体的には、反射型の拡散素子であって、入射光束に対して略πの位相差を与えつつ、拡散させて出射する素子であればよい。
【０１１７】
なお、緑蛍光体領域４２および赤蛍光体領域４３において蛍光体は反射板上に形成されており、これら蛍光体が形成されている領域に入射した青色光束２０１は蛍光を発光させる。発生した蛍光は蛍光光束２０１ｂとなって入射面から出射される。
【０１１８】
図２０は、偏光非解消拡散素子４１の例を示す構成図である。図２０（ａ）は偏光非解消拡散素子４１の要部正面図であり、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示した偏光非解消拡散素子４１のＡＢ断面図である。なお、図２０には、基材４５の表面に円錐状の凸部４４が隙間無く配された偏光非解消拡散素子４１の例が示されている。なお、図２０には、基材４５上に円錐状の凸部４４を設ける例が示されているが、偏光非解消拡散素子４１は、少なくとも光が入射する領域の表面を、所定の角度範囲の傾斜を有する形状にするものであればその具体的な構成は問わない。例えば、表面に設けられるものは凸部であっても凹部であってもよい。また、基材と凸部または凹部が同一部材であっても異部材であってもよい。以下、偏光非解消拡散素子４１において、表面に傾斜をつけている部位を総称して「傾斜構造４４」という場合がある。
【０１１９】
図２１に、偏光非解消拡散素子４１に青色光束２０１が入射した場合の出射青色光束２０１ａの光路の一例を示す。なお、図２１に示す例において、偏光非解消拡散素子４１の表面に設けられた傾斜構造４４はいずれも基材４５の表面に対して角度α傾斜した形状をしている。すなわち、図２１に示す偏光非解消拡散素子４１は、反射面の形状が角度αで傾斜する傾斜面からなる凹凸形状に形成されている。そのような偏光非解消拡散素子４１に青色光束２０１−１、２０１−２が入射した場合、傾斜構造４４の入射面の位置によって青色光束２０１ａ−１、２０１ａ−２のように偏向されて反射される。
【０１２０】
例えば、入射面側を上方として基材４５の上向きの法線方向から反時計回りを正の方向とし、青色光束２０１−１および２０１−２が入射角度±｜β｜で入射する場合を考える。ここで、入射角度とは光束の主光線の強度に対して１／ｅ２となる強度をさす。角度βで入射した青色光束２０１−１は、素子表面に設けられた傾斜構造４４によって２α−βの方向に偏向された反射光となって出射する。傾斜構造４４が有する傾斜面の傾斜角が４５°を超えると光束は横方向に反射されてしまい一部の光が反射光として利用できなくなるため、傾斜角αは４５°＞｜α｜を満たすようにするとよい。特に、青色光束２０１ａのうち最大の出射角度は２｜α｜＋｜β｜となるので９０°＞２｜α｜＋｜β｜となるようにするとより好ましい。
【０１２１】
なお、本実施形態においても傾斜構造４４の面の反射率は８０%以上が好ましく、９０％以上であるとより好ましい。
【０１２２】
また、偏光非解消拡散素子４１に設ける傾斜構造４４は、上記機能すなわち入射光束に対して略πの位相差を与えつつ、拡散させて反射させる機能を有していれば円錐形状に限らず、角錐形状やブレーズ形状であってもよい。例えば、図２２（ａ）から（ｅ）に示すような形状であってもよい。また、平面図でみた場合に斜面とは異なる方向に延びる長手方向を有する凹凸形状であってもよい。
【０１２３】
図２２は、偏光非解消拡散素子４１の他の例を示す要部断面図である。図２２（ａ）は傾斜構造４４の大きさが面内で異なっている例を示している。また、図２２（ｂ）は面内に傾斜角の異なる傾斜構造４４を有する例を示している。図２２（ｂ）のように、傾斜構造４４の傾斜角が面内で異なっている場合、平均的な傾斜角αａｖｇが４５°＞｜αａｖｇ｜を満たすようにすればよく、９０°＞２｜αｍｉｎ｜＋｜β｜を満たすようにすればより好ましい。このような例では、素子の不規則性により入射光の空間的コヒーレンシーを低減できる効果があり、光束の光量分布を均一化させる効果や、レーザ光源からの光束を用いる場合にスペックル低減などの効果を得ることができる。
【０１２４】
また、図２２（ｃ）にはアキシコンレンズのように１つの傾斜構造４４によって表面の凹凸形状が形成されている偏光非解消拡散素子４１の例が示されている。図２２（ｃ）に示すように、１つの傾斜構造４４のみが形成された偏光非解消拡散素子４１は、当該偏光非解消拡散素子４１が蛍光ホイール２０６上ではなく固定されて使用される場合に適している（例えば、後述する図２６や図２７（ｂ）の構成）。単一の反射面を用いることで散乱などが生じにくく、効率よく青色光束２０１ａを発生させることができる。ただし、単一の反射面であるため青色光束２０１が傾斜構造４４に照射される位置の幅が奥行き方向に大きくなるため、焦点深度の小さいレンズ群２０５などを用いる場合には、第１の実施形態の偏向素子１１と同様、傾斜構造４４の奥行き方向の高さが小さくなる他の例を用いるのが好ましい。１つの傾斜構造４４の好ましい高さはレンズ群２０５の焦点深度に依存するが、多様なレンズ設計に対応できるために０．５ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以下であるとより好ましく、０．０５ｍｍ以下であるとさらに好ましい。
【０１２５】
図２２（ｄ）にはブレーズ形状の傾斜構造４４を有する例が示されている。傾斜構造４４をブレーズ形状にすると、例えば、図２２（ｃ）に示す傾斜構造４４の奥行き方向の高さを小さくできる。
【０１２６】
図２２（ｅ）は蛍光体を含む傾斜構造４４の上に、青色光束の一部を反射させ、緑色や赤色の光束を透過させる半透過反射膜４６を形成した例を示している。このような偏光非解消拡散素子４１は、蛍光ホイール２０６による時間分割を行わずに、青、緑、赤の各色に対して空間光変調素子を用いるような光学系に使用できる（例えば、後述する図２７（ａ）の構成）。図２２（ｅ）に示すようにすることで、半透過反射膜４６で偏向反射される青色光束２０１ａと、半透過反射膜４６を透過して蛍光体を励起して得られる蛍光光束２０１ｂの両方を得ることができ、これらを合わせることで青、緑、赤の各光束を得ることができる。ここで、半透過反射膜４６としては、例えば、第１の実施形態の図６（ｅ）において示した半透過反射膜１６と同じものを使用できる。なお、図示省略しているが、本例の偏光非解消拡散素子４１は、蛍光体を含む部材の下方に発生した蛍光を反射する反射膜が形成されているものとする。
【０１２７】
また、図２３は偏光非解消拡散素子４１の他の例を示す要部断面図である。偏光非解消拡散素子４１は、表面に傾斜をもたせた構造のもの以外にも、図２３に示すような回折作用を利用するものであってもよい。図２３（ａ）および（ｂ）に示す偏光非解消拡散素子４１は、基材４５上に回折光を発生させる凹凸構造４７が形成された構造となっている。なお、図２３（ａ）にはバイナリー型の回折格子として作用する凹凸構造４７を形成した例が示されている。この場合、基材４５上に、断面矩形の凸部４４または凹部を形成すればよい。また、図２３（ｂ）には凹凸構造４７として多段の疑似ブレーズを用いた場合の例が示されている。
【０１２８】
このように、偏光非解消拡散素子４１として回折素子を用いる場合、出射光の分布は回折素子の基本的な構造のフーリエ変換によって与えられる。また、回折素子の基本的な構造のピッチをＰ、回折素子に入射する光束の波長をλ、入射角度をθｉｎ、出射される光束の角度をθｏｕｔ、とし、回折光の次数をｍとした場合、ｓｉｎθｏｕｔ＝ｓｉｎθｉｎ＋ｍλ／Ｐが成立する。したがって、回折素子の基本的な構造を設計し、基本的な構造のピッチを調整することによって出射光すなわち青色光束２０１ａの分布を調整できる。本例の場合は、４５°＞｜θｏｕｔ｜となるようにピッチＰと回折光の次数ｍを調整すればよい。
【０１２９】
また、偏光非解消拡散素子４１は単調な傾斜面を有する構造以外にも図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すようなレンズ形状や曲面形状を有する構造であってもよい。図２４（ａ）には基材４５上に凸レンズ形状の凸部４４が形成された例が示されており、図２４（ｂ）には基材４５上に凹レンズ形状の凹部４４が形成された例が示されている。このように表面を曲面形状としてもよい。そのような場合も、曲面の傾斜角αが４５°＞｜α｜を満たすようにすればよく、９０°＞２｜α｜＋｜β｜を満たすようにすればより好ましい。
【０１３０】
また、図２５は本発明の偏光非解消拡散素子４１と一般的な拡散素子８０の違いを説明するための説明図である。なお、図２５（ａ）は偏光非解消拡散素子４１にある角度で光束が入射したときの反射の様子を示す説明図であり、図２５（ｂ）は一般的な拡散素子８０にある角度で光束が入射したときの反射の様子を示す説明図である。
【０１３１】
本発明の偏光非解消拡散素子４１では、図２５（ａ）に示すように、入射する光束２０１は凸部４４にて１回反射され、このとき反射によって生じる位相差によって直交する円偏光となって出射される。これに対して、一般的な拡散素子８０では、図２５（ｂ）に示すように、入射する光束８０１は凸部８１によって２回反射される場合があり、２回反射された場合、出射光束８０１ａはもとの偏光のまま出射される。
【０１３２】
このような場合、２つの直交偏光が出射されることによって反射光束の偏光状態は乱れた状態となり、その後１／４波長板を透過させた場合には、出射光束８０１ａの一部はｓ偏光となって偏光ダイクロックミラー３０２を反射せずに透過し、光量のロスとなってしまう。これに対して、本発明の偏光非解消拡散素子４１は、表面で１回の反射によって反射光が出射されるよう構成された素子と言い換えることができ、１回の反射によって反射光が出射される光束の割合が８０％以上であると好ましく、９０％以上であるとより好ましい。
【０１３３】
これは、反射光束のある偏光状態の光量に対する当該偏光状態とその直交偏光状態の光量の和の比を偏光比率と定義した場合に、偏光比率が８０%以上であると好ましく、９０％以上であるとより好ましいと言い換えることができる。偏光比率を測定する際に、発散状態の光束の場合には各出射角度に対して垂直な方向で偏光状態を測定するか、レンズ群２０５によって光束の発散状態が小さいように変換された状態で２つの直交偏光の強度比を測定できる。ここでのある偏光状態とそれと直交する偏光状態とは、ｐ偏光やｓ偏光の直線偏光の組み合わせであったり、左円偏光、右円偏光の組み合わせであってもよい。また、ある楕円偏光に対してそれと直交する楕円偏光の組み合わせであってもよい。
【０１３４】
また、偏光非解消拡散素子４１によって光が反射される際に生じる光の位相差は、πであることが好ましいが、略πであればよいものとする。本発明において、反射に伴う光の位相差に関して「略π」といった場合には、具体的には０．７π〜１．３πの範囲をいう。位相差がπからずれた場合には偏光比率の低下がありうるが、反射の際に生じる位相差が０．７πから１．３πであれば１／４波長板を透過後のｓ偏光の偏光比率が８０％以上となる。なお、反射の際に生じる位相差が０．８πから１．２πであれば１／４波長板を透過後のｓ偏光の偏光比率が９０％以上となるのでより好ましい。このような偏光比率の計算はジョーンズベクトルを用いて行うことができる。また、このような位相差のずれは、反射面に対して光が斜めに入射するような場合にも発生しうるので、反射の際に生じる位相差が上記の範囲となるように偏光非解消拡散素子４１の形状を調整するのが好ましい。
【０１３５】
また、本発明の偏光非解消拡散素子４１では拡散を行うので、光源のスペックル低減効果や投影面上の輝度ムラの解消効果、緑色や赤色の傾向との輝度の角度分布の低減効果が得られる。
【０１３６】
偏光非解消拡散素子４１による散乱効果は入射角度と出射角度の関係は、第１の実施形態で示した発散状態変換素子１１７または波長選択発散状態変換素子１１８の場合と同様にｇｏ（θ）＝（ｇｉ＊ｈ）（θ）の関係から決めることができる。偏光非解消拡散素子４１による拡散が大きい方が前述のスペックル低減効果などが得られやすいが、拡散が大きい場合にはレンズ群３０５によって光が取り込めず光量のロスとなる。したがって、偏光非解消拡散素子４１に平行光を入射した場合に出射光の中心輝度の半値となる角度γの値が１°以上、６０°以下が好ましく、１°以上、４５°以下であるとより好ましく、１°以上、３０°以下であるとさらに好ましい。
【０１３７】
波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２は、青色光束２０１と同じ青色波長帯の光についてはそのｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射させるとともに、蛍光光束２０１ｂと同じ緑色および赤色波長帯の光についてはその偏光状態に関わらず反射するものであればよい。波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２は、例えば、基材の上に、上記特性を有するダイクロイック層を設けた構成であってもよい。そのようなダイクロイック層は、例えば、多層膜によって実現できる。
【０１３８】
次に、本実施形態の光束の光路について説明する。図１８に示すように、本実施形態の照明光学系２００において、青色レーザ光源等から出射された青色光束２０１は、波長選択性ダイクロックミラー２０２にｐ偏光で入射する。波長選択性偏光ダイクロックミラー２０２に入射した青色光束２０１は当該波長選択性偏光ダイクロックミラー２０２を透過後、１／４波長板２１２に入射する。１／４波長板２１２に入射した青色光束２０１はｓ偏光から右回り円偏光に変換されて出射される。
【０１３９】
右回り円偏光に変換された青色光束２０１は、レンズ群２０５によって蛍光ホイール２０６に集光される。このとき、青色光束２０１が偏光非解消拡散素子４１に照射される場合には、該青色光束２０１は偏光非解消拡散素子４１によって反射および拡散され、反射の際に生じる略πの位相差によって左回り偏光に変換されて青色光束２０１ａとなってその入射面から出射される。
【０１４０】
左回り偏光に変換されて反射および拡散された青色光束２０１ａは、レンズ群２０５によって発散角度を変換され、再び１／４波長板２１２に入射する。１／４波長板２１２に入射した青色光束２０１ａは左回り円偏光からｓ偏光に変換されて出射される。
【０１４１】
ｓ偏光に変換された青色光束２０１ａは、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２によって反射された後に、光学素子群２１０によってインテグレータ２１１へと導光される。
【０１４２】
一方、青色光束２０１が波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２およびレンズ群２０５を透過後、蛍光ホイール２０６の緑蛍光体領域４２または赤蛍光体領域４３に照射される場合には、緑色および赤色の波長域の蛍光を発生させる。発生した蛍光発光は蛍光ホイール２０６に設けられた反射材によって蛍光光束２０１ｂとなって入射面から出射される。そして、レンズ群２０５によって発散角度を変換され、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２によって反射された後に、光学素子群２１０によってインテグレータ２１１へと導光される。
【０１４３】
インテグレータ２１１へと導光された光束は図示しない空間光変調素子に照射され、空間光変調素子によって形成された画像を図示しない投影レンズによって投影面に投影する。空間光変調素子としてはＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon ）やＤＭＤ（digital micromirror device）などを使用できる。
【０１４４】
なお、図１８では、蛍光ホイール２０６上に偏光非解消拡散素子４１を設ける例を示したが、偏光非解消拡散素子４１は必ずしも蛍光ホイール２０６上でなくてもよい。
【０１４５】
例えば、図２６に示すような配置であってもよい。図２６は、照明光学系２００における偏光非解消拡散素子４１の他の配置例を示す構成図である。なお、図２６は、青色光束２０１が波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射した後、青色光束２０１ａとして再び波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射するまでの光路に係る部分のみを示している。図２６に示す照明光学系２００では、蛍光ホイール２０６は回転駆動されており、その一部に蛍光体を含む領域を有している。しかし、ホイール上には偏光非解消拡散素子４１を有しておらず、偏光非解消拡散素子４１の代わりに青色光束２０１を透過する領域を有している。
【０１４６】
本例の場合、蛍光ホイール２０６上の青色光束２０１を透過する領域に照射された青色光束２０１は、蛍光ホイール２０６を透過し、その後方に設けられた偏光非解消拡散素子４１に照射される。偏光非解消拡散素子４１に照射された青色光束２０１は、偏光非解消拡散素子４１によって反射および拡散された結果、左回り偏光に変換された青色光束２０１ｂとなってその入射面から出射される。
【０１４７】
また、青、緑、赤の各色に対して空間光変調素子を用いるような場合には、蛍光ホイール２０６を回転駆動させなくともよい。この場合、図２７（ａ）や図２７（ｂ）に示すような配置を用いてもよい。
【０１４８】
図２７は、照明光学系２００の他の例を模式的に示す構成図である。なお、図２７（ａ）には、青色光束２０１が波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射した後、青色光束２０１ａとして再び波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射するまでの光路に係る部分のみが示されている。また、図２７（ａ）では、蛍光光束２０１ｂの光路については図示省略しているが、本例でも青色光束２０１ａと同じ経路となる。ただし、蛍光光束２０１ｂの偏光状態は特に限定されない。
【０１４９】
図２７（ａ）に示す照明光学系２００は、蛍光ホイール２０６に代わって青色拡散反射機能付き蛍光素子２１３を備えている。青色拡散反射機能付き蛍光素子２１３は、青色光束２０１が入射した際に、入射光の一部を青色光のまま反射させ、入射光の一部を蛍光発光させる。さらに、青色光束の一部を反射させて出射する際に、略πの位相差を与えた上で、その入射面から拡散させて出射する。このような青色拡散反射機能付き蛍光素子２１３は、例えば、図２２（ｅ）に示す偏光非解消拡散素子４１を利用できる。
【０１５０】
また、図２７（ｂ）の例は、青色光束２０１を偏光選択ビームスプリッタ２１５によって分岐して別光路で青色光束２０１ａと蛍光光束２０１ｂとを発生させた後、合波する例である。なお、図２７（ｂ）には、青色光束２０１が波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射した後、青色光束２０１ａまたは蛍光光束２０１ｂとなって再び波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射するまでの光路に係る部分のみが示されている。
【０１５１】
図２７（ｂ）に示す照明光学系２００では、青色光束２０１は、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２を透過後、偏光選択ビームスプリッタ２１５によってレンズ群２０５ａへと向かう光束と、レンズ群２０５ｂへと向かう光束とに分けられる。レンズ群２０５ａへと向かう青色光束２０１は、１／４波長板２１２を透過することによって右回り円偏光に変換された後、レンズ群２０５ａによって偏光非解消拡散素子４１に照射される。一方、レンズ群２０５ｂへと向かった青色光束２０１は、レンズ群２０５ｂによって蛍光素子２１４に照射される。
【０１５２】
偏光非解消拡散素子４１に照射された右回り円偏光の青色光束２０１は、偏光非解消拡散素子４１により反射および拡散され、反射の際に生じる略πの位相差によって左回り偏光に変換されて青色光束２０１ａとなってその入射面から出射される。そして、再び１／４波長板２１２を透過することによってｓ偏光の光となって出射する。また、蛍光素子２１６に入射した青色光束２０１は、蛍光素子２１４が有する蛍光体によって蛍光発光を生じさせる。発生した蛍光発光は、蛍光光束２０１ｂとなってその入射面から出射される。
【０１５３】
本例の偏光選択ビームスプリッタ２１５は、図示省略しているが、青色波長帯の光のうちｐ偏光の一部を透過しつつその一部を反射するとともに、青色波長帯の光のうちｓ偏光を全て反射する特性を有するとともに、緑色および赤色波長帯の光は透過する特性を有するものとする。例えば、偏光選択ビームスプリッタ２１５は、基材と、その一方の面に設けられる緑色および赤色波長帯の光を透過させる反射防止膜と、その他方の面上に設けられる青色波長帯の光のｐ偏光の一部を透過し、また青色波長帯の光のｐ偏光の一部を反射するとともに青色波長帯の光のｓ偏光を全て反射するとともに緑色および赤色波長帯の光とを透過させるビームスプリッタ層とを備えた構成であってもよい。
【０１５４】
このような構成によっても、少なくともその一部が励起光となる青色光束２０１と、青色の光源光となる青色光束２０１ａと、他の色の光源光となる蛍光光束２０１ｂとを、同一の素子（本例では、２０２および２１４）に入射させることができるため、光学系のロスを生じさせることなく、光学系の小型化が図れる。
【０１５５】
また、以上の各例では、緑蛍光体、赤蛍光体の２種類の蛍光体を用いたが、用いる蛍光体の種類はこれに限らず、例えば、緑蛍光体の１種類の蛍光体のみを用い、赤色の光源光は別途ＬＥＤなどの光源から出射させ、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２などにより合波させる構成であってもよい。
【０１５６】
また、本実施形態においても、偏光非解消拡散素子４１によって青色光束２０１を反射および拡散させた結果得られる青色光束２０１ａと緑色および赤色の波長域の蛍光光束２０１ｂとが異なる発散状態を有していることがある。このような場合には、第１の実施形態と同様、光路中や、レンズ群２０５、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２、光学素子群２１０などの一部に、発散状態の違いを補正する発散状態変換素子２１７や波長選択発散状態変換素子２１８を設けてもよい。
【０１５７】
図２８は、照明光学系２００の他の例およびそれに用いられる回転ホイール２１６の例を模式的に示す構成図である。なお、図２８（ａ）は、青色光束２０１ｂの光路中に発散状態変換素子２１７を設けた照明光学系２００の例を示す構成図である。図２８（ａ）に示す例では、インテグレータ２１１の前方に、新たに回転ホイール２１６が加わっている。なお、図２８（ｂ）は回転ホイール２１６の正面図である。図２８（ｂ）に示すように、本例の回転ホイール２１６には、その一部領域上に発散状態変換素子２１７が設けられており、蛍光ホイール２０６と回転ホイール２１６とで回転の同期をとることで、偏光非解消拡散素子４１に青色光束２０１が照射されている時間帯に、発散状態変換素子２１７に青色光束２０１ａが照射されるようにしている。このようにすることで、緑色や赤色の蛍光光束２０１ｂに対して光の発散状態が変化しないようにし、青色光束２０１ａに対してのみ光の発散状態が変化するようにする。
【０１５８】
また、図２９は波長選択性のある発散状態変換素子２１８を設けた照明光学系２００の例を示す構成図である。図２９に示す例では、インテグレータ２１１の前方に、回転ホイール２１６ではなく、新たに波長選択発散状態変換素子２１８が加わっている。
【０１５９】
発散状態変換素子２１７および波長選択発散状態変換素子２１８の構成や形状等は、第１の実施形態における発散状態変換素子１１７および波長選択発散状態変換素子１１８と同様でよい。発散状態の変換方法についても同様である。また、図２７（ａ）および図２８では、光の最終的な発散状態に対して補正をすればよいという点で設計上簡便であるので、発散状態変換素子２１７または波長選択発散状態変換素子２１８をインテグレータ２１１の直前に配置する例を示しているが、これらの配置はこの位置に限られない。光路中のどこかに配置されていればよい。また、波長選択発散状態変換素子２１８の場合には、単独の素子としてではなく、レンズ群２０５や波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２、光学素子群２１０などの一部として設けられていてもよい。
【０１６０】
また、発散状態変換素子２１７または波長選択発散状態変換素子２１８を設ける場合、これら発散状態変換素子２１７または波長選択発散状態変換素子２１８によって拡散状態を調整できるので、偏光非解消拡散素子４１の代わりに平坦な面を有する反射ミラーを配置させてもよい。
【０１６１】
また、波長選択発散状態変換素子２１８の代わりに、偏光性発散状態変換素子を波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２と蛍光ホイール２０６の間に配置することで青色光束２０１ａの発散状態を調整してもよい。偏光性発散状態変換素子は、ある偏光状態の光を透過し、それと直交する偏光状態の光を回折、散乱、レンズ作用などにより拡散させるものであればよい。例えば、凹凸のついた複屈折材料に複屈折材料の常光または異常光屈折率と等しい等方性材料を充填することで作製できる。複屈折材料としては水晶やニオブ酸リチウムなどの無機結晶や液晶などの有機材料を使用できる。
【０１６２】
以上のように、本実施形態では、１つの波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２で、励起光となる入射青色光束２０１を透過させつつ、青色の光源光となる蛍光ホイールからの出射青色光束２０１ａと緑および赤色の光源光となる蛍光ホイールからの出射蛍光光束２０１ｂとを反射できるように構成されているので、第１の実施形態と同様に、青色、赤色、緑色の各色の光の光路を共通化でき、したがって光学系を小型化できる。また、光路の共通化に際して、励起光の光路を形成するための反射面や反射領域を別途設ける必要がなく、それによる光学系のロスも生じない。さらに、偏光非解消素子４１や発散状態変換素子２１７、波長選択発散状態変換素子２１８で拡散を行うことにより、光源のスペックル低減効果や投影面上の輝度ムラの解消効果、緑色や赤色の傾向との輝度の角度分布の低減効果も得られる。
【０１６３】
実施形態３．
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３０は、本発明の第３の実施形態にかかる投影装置の一例を模式的に示す構成図である。図３０に示す投影装置３００は、第１の実施形態の照明光学系１００と、照明光学系１００から出射される光を変調する空間光変調素子３０５と、照明光学系１００から出射される光を空間光変調素子３０５に導くための光学素子群と、空間光変調素子３０５によって変調された光を外部に投影させる投影光学系とを備えている。
【０１６４】
なお、図３０では図示省略しているが、投影装置３００は、その一部が当該投影装置３００においてそのままある色の光として利用される光を射出する光源を備えている。光源は、例えば、青色波長帯の光を射出する複数のレーザ光源であってもよい。照明光学系１００は、その光源からの光を利用して少なくとも２色以上の光を発生させ、それらを照明光として出力すればよい。
【０１６５】
本実施形態において、照明光学系１００から出射される照明光は、レンズ３０１、ミラー３０２、レンズ３０３、ミラー３０４を用いて空間光変調素子３０５に照明される。そして、空間光変調素子３０５によって変調された結果、投影像となって出射される。空間光変調素子３０５によって発生した投影像は、投影レンズ３０６を用いて投影装置の外部に投影される。
【０１６６】
照明光学系としては、図１に示した照明光学系１００以外の第１の実施形態の照明光学系１００だけでなく、第２の実施形態に示した照明光学系２００も使用できる。また、照明光学系からの光束を空間光変調素子３０５に照明するための光学素子群は、レンズ３０１、ミラー３０２、レンズ３０３、ミラー３０４などに限らず各種の光学素子を使用できる。また、空間光変調素子３０５としてはＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon ）やＤＭＤ（digital micromirror device）などを使用できる。
【０１６７】
以上のように、本実施形態によれば、光学系のロスを生じさせずに各色の光の光路が共通化された照明光学系を備えているので、光の出力値を低減させることなく、装置を小型化できる。
【実施例】
【０１６８】
以下、上述した照明光学系やそれに用いられる光学素子等について具体的な数値等を用いて説明する。
【０１６９】
実施例１．
第１の実施例は、第１の実施形態の照明光学系１００に用いられる偏向素子１１の例であって図５に示す偏向素子１１の一例である。本例において偏向素子１１には入射角度βが２０°以内となる青色光束１０１が入射するものとする。本実施例の偏向素子１１は、基材１５上の表面に設けられる傾斜構造１４の傾斜角度αをいずれも２０°とし、底面が０．２ｍｍ角の円錐形状をピッチ０．２ｍｍで平面内に配置している。
【０１７０】
そのような偏向素子１１を、パイレックス（登録商標）ガラスをプレス成型によって最大の厚さが０．５ｍｍとなるように成型して得る。その後、表面の凹凸形状の上に、真空蒸着によって以下の表１の構成の多層膜を成膜する。
【０１７１】
【表１】
2014110109.tif 000003
【０１７２】
ここで、４５０ｎｍにおけるパイレックスガラスの屈折率を１．４８１、ＳｉＯ２の屈折率を１．４７４、Ｔａ２Ｏ５の屈折率を２．２５６とする。このような多層膜における０°および４０°での透過率を計算によって求めると図３１に示すようになり、４５０ｎｍにおいて良好な反射特性を示しているのがわかる。
【０１７３】
本実施例の偏向素子１１によれば、例えば、図５において青色光束１０１−１のうちの入射角度βが−２０°のものは、基材１５の入射面側に向く法線方向を０°とすると、２｜α｜−β＝６０°の方向に偏向されて出射する。また、入射角度βが２０°のものは２｜α｜−β＝２０°の方向に偏向されて出射する。したがって、本実施例の偏向素子１１によって偏向された青色光束１０１ａは当該偏向素子１１から十分離れた位置で光路の重なりを持たない。
【０１７４】
実施例２．
第２の実施例は、第１の実施形態の照明光学系１００に用いられる偏向素子１１の例であって、図７（ａ）に示す偏向素子１１の一例である。本例において偏向素子１１には入射角度βが２０°以内となる青色光束１０１が入射するものとする。本実施例の偏向素子１１は、基材１５の一方の表面にピッチ１．２６μｍで高さ２２５ｎｍの矩形の凹凸構造１７を有する構造である。
【０１７５】
そのような偏向素子１１は、石英基材の表面をフォトリソグラフィとエッチングによって矩形の凹凸形状に加工して得られる。なお本例ではさらに、表面の凹凸形状の上にスパッタによって２００ｎｍの銀と５ｎｍのＳｉＯ２を成膜する。ここで、銀は反射効率を向上するために、また、ＳｉＯ２は傷や酸化防止の保護膜として成膜される。
【０１７６】
青色光束１０１の波長を４５０ｎｍとしてグレーティング方程式により回折角度を計算すると、入射角度が０°の場合、本実施例の偏向素子１１から出射される±１次回折光は基材１５の入射面側に向く法線方向を０°とすると±２０．９°の方向に回折されて出射する。また、入射角度が１０°の場合、＋１次回折光は３２．１°の方向に回折され、−１次回折光は−１０．６°の方向に回折されて出射する。また、より高次の回折光は±１次回折光よりもさらに外側の角度に回折されて出射する。したがって、本実施例の偏向素子１１によって偏向反射された青色光束１０１ａは、当該偏向素子１１から十分離れた位置で光路の重なりを持たない。
【０１７７】
実施例３．
第３の実施例は、図１２に示す第１の実施形態の照明光学系１００の一例である。本例では、有効径φ５ｍｍの青色光束１０１を、焦点距離７．９ｍｍ、有効径φ１５ｍｍ、開口数は０．９５のレンズ群１０５を用いて蛍光ホイール１０６に照射させる。
【０１７８】
また、蛍光ホイール１０６は、偏向素子１１のある領域と、緑蛍光体領域１２と、赤蛍光体領域１３とに分かれている。また、領域分割ダイクロイックミラー１０２は、石英基材の一方の面上において、蛍光ホイール１０６に向かう青色光束１０１が透過する領域に、以下の表２に示す構成の多層膜がダイクロイック層２３として成膜されており、他の領域にはその多層膜に積層されるように２００ｎｍの銀と５ｎｍのＳｉＯ２が反射層２４として成膜されている。
【０１７９】
【表２】
2014110109.tif 000004
【０１８０】
ダイクロイック層２３として機能する表２に示す多層膜に入射角度４５°で光が入射した場合の透過率を図３２に示す。
【０１８１】
本実施例では、図６に示した配置により、青色光束１０１は、領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層２３に照射され、該領域分割ダイクロイックミラー１０２を透過する。そして、φ５ｍｍの青色光束１０１はレンズ群１０５によって入射角度１８．５°で蛍光ホイール１０６に照射される。なお、蛍光ホイール１０６に設けられている偏向素子１１は、第１の実施例と同じものである。
【０１８２】
青色光束１０１のうち偏向素子１１に照射された光束は、該偏向素子１１により偏向されて青色光束１０１ａとなって再びレンズ群１０５に入射する。そして、レンズ群１０５を透過後、φ５mmより外側に光束を有する輪帯状の青色光束１０１ａとなる。その後、青色光束１０１ａは領域分割ダイクロイックミラー１０２の反射層２４に照射されて、該反射層２４により反射されることによって光学素子群１１０の方へと照射される。
【０１８３】
一方、青色光束１０１のうち緑蛍光体領域１２または赤蛍光体領域１３に照射されたものは当該領域に設けられた蛍光体によって蛍光発光を生じさせる。そして、発生した蛍光発光が蛍光光束１０１ｂとなって入射面から出射される。その後、蛍光光束１０１ｂは、領域分割ダイクロイックミラー１０２のダイクロイック層２３や反射層２４に照射されて、該ダイクロイック層２３または反射層２４により反射されて光学素子群１１０の方へと照射される。
【０１８４】
また、本例では、光学素子群１１０を透過した青色光束１０１ａおよび蛍光光束１０１ｂは、それぞれ波長選択発散状態変換素子１１８に入射される。そして、波長選択発散状態変換素子１１８が主に青色光束１０１ａを散乱させることで、青色光束１０１ａと蛍光光束１０１ｂ間の発散状態の違いを補正する。
【０１８５】
本例の波長選択発散状態変換素子１１８は、図１５（ｄ）に示す構成となっており、第１の媒質３２として以下の表３に示す構成の多層膜を用い、第２の媒質３３としてＳｉＯｘＮｙを用いている。
【０１８６】
【表３】
2014110109.tif 000005
【０１８７】
表３に示した多層膜は、波長３２０ｎｍから４３０ｎｍの範囲で反射帯を有しており、当該多層膜の透過率を計算すると図３３のようになる。
【０１８８】
本例の波長選択発散状態変換素子１１８は、次のようにして得られる。まず、石英基材上で、表３の多層膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによって凹凸形状に加工する。そして、ＣＶＤ法（化学蒸着）によってＳｉＯＮを成膜し、その凹部を充填する。充填されたＳｉＯNの表面を研磨によって平坦化した後に、素子の両面に反射防止膜３４と反射防止膜３６を成膜して波長選択発散状態変換素子１１８を得る。本例の波長選択発散状態変換素子１１８には反射防止膜３５が設けられていない。
【０１８９】
このようにして得られる波長選択発散状態変換素子１１８の凸部を構成する多層膜と凹部を構成するＳｉＯＮの実効的な屈折率を図３４（ａ）に示す。図３４（ａ）に示すように、本例の波長選択発散状態変換素子１１８の凸部を構成する多層膜の実効的な屈折率は当該多層膜の反射帯に起因する異常分散によって急峻なものとなっており、凹部を構成するＳｉＯNの実効的な屈折率との差が青波長帯である４５０ｎｍで０．０９０と大きく、かつ、緑波長帯である５２５ｎｍでは０．０２５、赤波長帯である６２０ｎｍでは０．００３とおおよそ一致している。このような部材の組み合わせにより形成された凹凸によって生じる回折光の効率を計算によって求めると図３４（ｂ）に示すようになり、青波長帯で回折効率が高くなっている。
【０１９０】
このように、本実施例によれば、青色、赤色、緑色の各色の光源光の光路を共通化できるとともに、青色光束１０１ａの拡散状態を調整できる。
【０１９１】
実施例４．
第４の実施例は、第２の実施形態の照明光学系２００に用いられる偏光非解消拡散素子４１の例であって、図２４（ｂ）に示す偏光非解消拡散素子４１の一例である。本例において偏光非解消拡散素子４１には入射角度βが２０°以内となる青色光束２０１が入射するものとする。本実施例の偏光非解消拡散素子４１は、基材４５の一方の表面に、曲率半径が１．３６ｍｍの凹半球をピッチ０．２ｍｍで配置した構造である。半球の最大傾斜角度は５°であり、０°の入射光は１０°の方向に反射する。
【０１９２】
そのような偏光非解消拡散素子４１は、シリコン基板をフォトリソグラフィおよびウェットエッチングによって凹レンズアレイとなるように加工して得られる。なお、本例ではさらに、表面の凹凸形状の上にスパッタによって２００ｎｍの銀と５ｎｍのＳｉＯ２を成膜する。
【０１９３】
本実施例の偏光非解消拡散素子４１は、入射した青色光束２０１を当該偏光非解消拡散素子４１の表面で１回のみ反射する構成となっているため、例えば、右円偏光で入射する青色光束１０１は左円偏光となって出射される。また、反射の際に、表面に設けられた凹半球の傾斜により拡散されて出射される。
【０１９４】
実施例５．
第５の実施例は、図２９に示す第２の実施形態の照明光学系２００の一例である。本実施例では、有効径φ１０ｍｍのｐ偏光の青色光束２０１を、１／４波長板２１２によって右回り円偏光に変換した後で、焦点距離７．９ｍｍ、有効径φ１５ｍｍ、開口数は０．９５のレンズ群２０５を用いて蛍光ホイール２０６に照射させる。
【０１９５】
また、蛍光ホイール２０６は、偏光非解消拡散素子４１のある領域と、緑蛍光体領域４２と、赤蛍光体領域４３とに分かれている。また、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２は、石英基材の一方の面に、以下の表４に示す構成の多層膜がダイクロイック層として成膜されている。
【０１９６】
【表４】
2014110109.tif 000006
【０１９７】
表４に示す多層膜に入射角度４５°で光が入射した場合の透過率を図３５に示す。図３５に示すように、表４の多層膜は、青波長帯である４５０ｎｍ付近ではｐ偏光に対して１００％近い透過率を示し、かつｓ偏光に対して５％未満の透過率を示すとともに、緑波長帯である５２５ｎｍ付近および赤波長帯である６２０ｎｍ付近ではｐ偏光，ｓ偏光ともに５％未満の透過率を示している。
【０１９８】
本実施例では、図２８に示した配置により、青色光束２０１はｐ偏光で波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２に入射し、該波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２を透過する。そして、φ１０ｍｍの青色光束２０１はレンズ群２０５によって入射角度３９．３°で蛍光ホイール２０６に照射される。なお、蛍光ホイール２０６に設けられている偏光非解消拡散素子４１は第４の実施例と同じものである。
【０１９９】
青色光束２０１のうち偏光非解消拡散素子４１に照射された光束は、該偏光非解消拡散素子４１により反射・拡散され、また反射の際に左円偏光に変換されて青色光束２０１ａとして再びレンズ群２０５に入射する。そして、レンズ群２０５を透過後、１／４波長板２１２を透過することによりｓ偏光となる。ｓ偏光となった青色光束２０１ａは波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２のダイクロイック層に照射されて、該ダイクロイック層により反射されることによって光学素子群２１０の方へと照射される。
【０２００】
一方、青色光束２０１のうち緑蛍光体領域４２または赤蛍光体領域４３に照射されたものは当該領域に設けられた蛍光体によって蛍光発光を生じさせる。そして、発生した蛍光発光が蛍光光束２０１ｂとなって入射面から出射される。その後、蛍光光束２０１ｂは、青色光束２０１ａと同じく、波長選択性偏光ダイクロイックミラー２０２のダイクロイック層に照射されて、該ダイクロイック層により反射されて光学素子群２１０の方へと照射される。
【０２０１】
また、本例では、光学素子群２１０を透過した青色光束２０１ａおよび蛍光光束２０１ｂは、それぞれ波長選択発散状態変換素子２１８に入射される。そして、波長選択発散状態変換素子１１８が主に青色光束２０１ａを散乱させることで、青色光束２０１ａと蛍光光束２０１ｂ間の発散状態の違いを補正する。
【０２０２】
本例の波長選択発散状態変換素子２１８は、図１５（ａ）に示す構成に加えてさらに反射防止膜３４、３５、３６を有する構成となっており、第１の媒質３２としてＴａ２Ｏ５を用い、第２の媒質３３としてＴｉＯ２に３．５％のＳｉＯ２を混合したものを用いている。そのような波長選択発散状態変換素子２１８は、例えば、次のようにして得られる。まず、石英基材３１に反射防止膜３５を成膜後、その上に真空蒸着によってＴａ２Ｏ５を成膜して、ブラスト処理を行うことで凹凸形状に加工する。その上に、スパッタによってＴｉＯ２とＳｉＯ２を所望の混合比となるように成膜して凹部を充填する。そして、充填されたＴｉＯ２とＳｉＯ２の表面を研磨によって平坦化した後に、素子の両面に反射防止膜３４と反射防止膜３６を成膜する。
【０２０３】
本例の第１の媒質３２と第２の媒質３３の屈折率を図３６に示す。青波長帯である４５０ｎｍでは第１の媒質３２と第２の媒質３３の屈折率差が０．０６８と大きく、緑波長帯である５２５ｎｍでは０．０１９、赤波長帯である６２０ｎｍでは−０．０１４とおおよそ一致している。このような部材の組み合わせにより形成された凹凸によって青波長帯でのみで散乱を生じさせることができ、青色光束２０１ａの拡散状態を調整できる。
【０２０４】
実施例６．
第６の実施例は、図６（ｅ）に示す偏向素子１１や図２２（ｅ）に示す偏光非解消拡散素子４１に用いられる半透過反射膜１６，４６の例である。当該半透過反射膜は、青色光束の一部を反射させ、緑色や赤色の光束を透過させる。本実施例では、半透過反射膜として、例えば、以下の表５に示す構成の多層膜を用いる。
【０２０５】
【表５】
2014110109.tif 000007
【０２０６】
表５の多層膜に２０°の入射角度で光を入射する場合の透過率を図３７に示す。図３７のように、表５の多層膜は、青波長帯である４５０ｎｍ付近で約７０％の透過率を示し、また緑波長帯である５２５ｎｍ付近および赤波長帯である６２０ｎｍ付近では１００％近い透過率を示している。したがって、本実施例の半透過反射膜によれば、約３０％の青色光束１０１を反射させて青色光束１０１ａとするとともに、残りの約７０％の青色光束１０１を透過させて蛍光体に照射させられる。また、透過させた約７０％の青色光束が蛍光体を励起して発生する緑色や赤色の蛍光光束１０１ｂも当該半透過反射膜を透過する。
【産業上の利用可能性】
【０２０７】
本発明は、照明光学系の小型化の用途に限らず、蛍光体への励起光の一部をそのままある色の光として利用するとともに、蛍光発光を他の色の光として利用する光学系において、これら各色の光が少なくとも１つの共通のミラー等によって合波されるように構成したい場合に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０２０８】
１０１  青色光束
１０１ａ  青色の光として利用される青色光束
１０１ｂ  緑および赤色の光として利用される蛍光光束
１０２  領域分割ダイクロイックミラー
１０５  レンズ群
１０６  蛍光ホイール
１１０  光学素子群
１１１  インテグレータ
１１３  青色偏向反射機能付き蛍光素子
１１４  蛍光素子
１１５  領域分割ビームスプリッタ
１１６  回転ホイール
１１７  発散状態変換素子
１１８  波長選択発散状態変換素子
１１  偏向素子
１２  緑蛍光体領域
１３  赤蛍光体領域
１４  傾斜構造（凸部または凹部）
１５  基材
１６  半透過反射膜
１７  凹凸構造
２１  基材
２２  反射防止膜
２３  ダイクロイック層
２４  反射層
３１  基材
３２  第１の媒質
３３  第２の媒質
３４、３５、３６  反射防止膜
２０１  青色光束
２０１ａ  青色の光として利用される青色光束
２０１ｂ  緑および赤色の光として利用される蛍光光束
２０２  波長選択性偏光ダイクロイックミラー
２０５  レンズ群
２０６  蛍光ホイール
２１０  光学素子群
２１１  インテグレータ
２１２  １／４波長板
２１３  青色偏向反射機能付き蛍光素子
２１４  蛍光素子
２１５  偏光選択ビームスプリッタ
２１６  回転ホイール
２１７  発散状態変換素子
２１８  波長選択発散状態変換素子
４１  偏光非解消拡散素子
４２  緑蛍光体領域
４３  赤蛍光体領域
４４  傾斜構造（凸部または凹部）
４５  基材
４６  半透過反射膜
４７  凹凸構造
３００  投影装置
３０５  空間光変調素子
３０６  投影レンズ
【図１】
2014110109.tif 000008
【図２】
2014110109.tif 000009
【図３】
2014110109.tif 000010
【図４】
2014110109.tif 000011
【図５】
2014110109.tif 000012
【図６】
2014110109.tif 000013
【図７】
2014110109.tif 000014
【図８】
2014110109.tif 000015
【図９】
2014110109.tif 000016
【図１０】
2014110109.tif 000017
【図１１】
2014110109.tif 000018
【図１２】
2014110109.tif 000019
【図１３】
2014110109.tif 000020
【図１４】
2014110109.tif 000021
【図１５】
2014110109.tif 000022
【図１６】
2014110109.tif 000023
【図１７】
2014110109.tif 000024
【図１８】
2014110109.tif 000025
【図１９】
2014110109.tif 000026
【図２０】
2014110109.tif 000027
【図２１】
2014110109.tif 000028
【図２２】
2014110109.tif 000029
【図２３】
2014110109.tif 000030
【図２４】
2014110109.tif 000031
【図２５】
2014110109.tif 000032
【図２６】
2014110109.tif 000033
【図２７】
2014110109.tif 000034
【図２８】
2014110109.tif 000035
【図２９】
2014110109.tif 000036
【図３０】
2014110109.tif 000037
【図３１】
2014110109.tif 000038
【図３２】
2014110109.tif 000039
【図３３】
2014110109.tif 000040
【図３４】
2014110109.tif 000041
【図３５】
2014110109.tif 000042
【図３６】
2014110109.tif 000043
【図３７】
2014110109.tif 000044
【図３８】
2014110109.tif 000045
【図３９】
2014110109.tif 000046
【図４０】
2014110109.tif 000047