(57)【要約】【課題】  小型化、軽量化を図る照明光学系を提供する。【解決手段】  本発明の照明光学系１０Ｃは、青色帯域の光を発するアレイ光源２０と、入射面側に青色帯域の光を透過し赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイック領域２１０、出射面側に青色帯域の光に基づき赤色光および緑色光を発光する蛍光体領域３６Ｒ、３６Ｇと青色帯域の光を透過する透過領域２２０とが形成された蛍光体ホイール２００と、光軸Ｃ１を有し、アレイ光源２０からの青色帯域の光を集光する前群レンズＬ１、Ｌ２と、光軸Ｃ１とシフトされた光軸Ｃ２を有し、前群レンズＬ１、Ｌ２からの青色帯域の光を蛍光体ホイール２００に集光する後群レンズＬ３とを有する。【選択図】  図９
2014142369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
青色帯域に光を入射し、少なくとも青色帯域、赤色帯域および緑色帯域の光を発生させる回転体であって、
前記回転体は、第１の面と、当該第１の面に対向する第２の面とを有し、
前記第１の面には、青色帯域の光を透過し少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイック領域が形成され、
前記第２の面には、前記ダイクロイック領域を透過した青色帯域の光に基づき赤色帯域の光を発光する第１の蛍光体領域および緑色帯域の光を発光する第２の蛍光体領域と、前記ダイクロイック領域を透過した青色帯域の光を透過する透過領域とが形成される、回転体。
【請求項２】
前記第１および第２の蛍光体領域には、青色帯域の光を反射する反射膜が形成される、請求項１に記載の回転体。
【請求項３】
前記第１および第２の蛍光体領域は、前記第２の面の半径方向に複数組形成される、請求項１に記載の回転体。
【請求項４】
前記回転体は、第１の面および当該第１の面と対向する第２の面を有する透明基板を含み、前記ダイクロイック領域は、前記透明基板の第１の面上に形成され、前記第１および第２の蛍光体領域は、前記透明基板の第２の面上に形成され、前記透明基板の第２の面の一部が前記透過領域を形成する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の回転体。
【請求項５】
前記ダイクロイック領域は、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックフィルターである、請求項１ないし４いずれか１つに記載の回転体。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか１つに記載の回転体と、
青色帯域の光を発する光源と、
前記回転体と前記光源の間に配され、前記光源からの青色帯域の光を第１の光軸に集光する第１の光学系と、
前記第１の光軸からシフトされた第２の光軸を有し、前記第１の光学系によって集光された青色帯域の光を前記回転体に集光させる第２の光学系とを有する、照明光学系。
【請求項７】
前記第１の光学系によって集光された光は、前記第２の光学系のレンズの片側半分に入射される、請求項６に記載の照明光学系。
【請求項８】
照明光学系はさらに、前記回転体から発せられた赤色帯域および緑色帯域の光を集光する集光レンズを含む、請求項６または７に記載の照明光学系。
【請求項９】
照明光学系はさらに、前記光源からの青色帯域の光をｎ組（ｎは、２以上の整数）の光に分割する分割部材を含む、請求項６ないし８いずれか１つに記載の照明光学系。
【請求項１０】
照明光学系はさらに、前記集光レンズで集光された光を反射するダイクロイックミラーを含み、当該ダイクロイックミラーは、青色帯域の光を透過し、少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を反射する、請求項６ないし９いずれか１つに記載の照明光学系。
【請求項１１】
照明光学系はさらに、前記集光レンズで集光された光のうち青色帯域の光を反射する反射ミラーを含む、請求項６ないし１０いずれか１つに記載の照明光学系。
【請求項１２】
請求項１ないし１１いずれか１つに記載の照明光学系を含むプロジェクタ。
【請求項１３】
請求項１ないし１１いずれか１つに記載の照明光学系を含む内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色帯域のレーザ光等を発するアレイ光源を用いた照明光学系に関し、特にプロジェクタや照明装置等の電子装置等の光源に用いられる照明光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタの光源ユニットに、青色レーザ発光器を光源に利用したのが知られている（特許文献１）。この光源ユニットは、青色レーザ発光器と、蛍光体ホイールと、複数の反射ミラーやダイクロイックミラーとを備えて構成される。蛍光体ホイールは、モータによって回転される円板形状を有し、蛍光体ホイールには、青色帯域の光を透過する透過部、および青色帯域の光を赤色帯域および緑色帯域の光を発する蛍光体層がそれぞれ形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４７１１１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に示される光源ユニットは、蛍光体ホイールが青色帯域の光を透過する構成であるため、その光学系のレイアウト等に制約が生じてしまい、必ずしも光源ユニットの小型化、省スペース化に適しているとはいえなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、光学部品の点数を減らし、省スペース、軽量化、低コスト化を図る照明光学系およびこれを用いた電子装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、青色帯域の光と、赤色帯域および緑色帯域の光の混色を効果的に防止することができる回転体およびそれを用いた照明光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る回転体は、青色帯域に光を入射し、少なくとも青色帯域、赤色帯域および緑色帯域の光を発生させるものであって、前記回転体は、第１の面と、当該第１の面に対向する第２の面とを有し、前記第１の面には、少なくとも青色帯域の光を反射する反射領域と、青色帯域の光を透過し少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイック領域とが形成され、前記第２の面には、前記ダイクロイック領域を透過した青色帯域の光に基づき赤色帯域の光を発光する第１の蛍光体領域および緑色帯域の光を発光する第２の蛍光体領域が形成される。好ましい態様では、第１の面上の反射領域は、反射ミラー、反射層、反射部材、反射フィルターなどによって構成される。また、第１の面上に形成されるダイクロイック領域は、ダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターから構成される。さらに好ましい態様では、前記第１および第２の蛍光体領域は、前記第２の面の半径方向に複数組形成されるようにしてもよい。さらに好ましくは、前記回転体は、第１の面および当該第１の面と対向する第２の面を有する透明基板を含み、前記反射領域および前記ダイクロイック領域は、前記透明基板の第１の面上に形成され、前記第１および第２の蛍光体領域は、前記透明基板の第２の面上に形成される。
【０００７】
本発明に係る照明光学系は、上記記載の回転体と、青色帯域の光を発する光源と、前記回転体と前記光源の間に配され、前記光源からの青色帯域の光を第１の光軸に集光する第１の光学系と、前記第１の光軸からシフトされた第２の光軸を有し、前記第１の光学系によって集光された青色帯域の光を前記回転体に集光させる第２の光学系とを有する。好ましい態様では、前記第１の光学系によって集光された光は、前記第２の光学系のレンズの片側半分に入射される。照明光学系はさらに、前記回転体から発せられた赤色帯域および緑色帯域の光を集光する集光レンズを含むことができる。照明光学系はさらに、前記光源からの青色帯域の光をｎ組（ｎは、２以上の整数）の光に分割する分割部材を含むことができる。照明光学系はさらに、前記集光レンズで集光された光を反射するダイクロイックミラーを含むことができ、当該ダイクロイックミラーは、青色帯域の光を反射し、少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を透過する。照明光学系はさらに、前記集光レンズで集光された光を反射するダイクロイックミラーを含むことができ、当該ダイクロイックミラーは、青色帯域の光を透過し、少なくとも赤色帯域および緑色帯域の光を反射する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、部品点数を削減し、小型化、軽量化、低コスト化を図った照明光学系およびそれを用いた電子装置を提供することができる。さらに本発明の回転体を用いることで、青色帯域の光が赤色帯域および緑色帯域の光に混色するのを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。
【図２】図１に示すアレイ光源の構成例を示す概略断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、本実施例の蛍光体ホイールの入射面側の平面図、図３（Ｂ）は、蛍光大ホイールの出射面側の平面図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより青色帯域の光が発生される様子を模式的に説明する図、図４（Ｂ）は、本実施例による蛍光体ホイールにより赤色帯域／緑色帯域の光が発生される様子を模式的に説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。
【図７】蛍光体の発光変化効率と照射エネルギー密度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に係る照明光学系においてＲ／Ｇ／Ｂの光を合成する例を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施例に係る照明光学系の原理を説明する図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、第４の実施例に係る蛍光体ホイールの入射面側の平面図、図１０（Ｂ）は、蛍光大ホイールの出射面側の平面図、図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい態様では、照明光学系には、波長が短い青色光を発する半導体発光素子として、青色レーザ素子または青色発光ダイオードをアレイ化したアレイ光源が利用される。照明光学系は、青色帯域の光を利用し、それよりも波長の長い赤色帯域、緑色帯域、あるいは黄色帯域等の光を発生させるために、光軸がシフトされたシフト光学系、および波長変換のための蛍光体領域が形成された回転体を用いる。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例に係る照明光学系の基本原理を説明する図である。なお、以下の説明で、赤色帯域の光、緑色帯域の光、青色帯域の光を、便宜上、Ｒ、Ｇ、Ｂと略すことがある。
【００１２】
本実施例の照明光学系１０は、励起光としての青色帯域のレーザ光Ｌｂを出射するアレイ光源２０と、アレイ光源２０からのレーザ光Ｌｂを集光する前群レンズＬ１、Ｌ２と、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光されたレーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール３０上に集光する後群レンズＬ３と、青色帯域のレーザ光Ｌｂを選択的に反射および透過する領域を含み、かつ透過された青色帯域のレーザ光Ｌｂによって励起され赤色帯域の光Ｌｒおよび緑色帯域の光Ｌｂを発光する蛍光体領域を備えた円盤状の蛍光体ホイール３０と、蛍光体ホイール３０の中心軸に結合され蛍光体ホイール３０を回転するモータ４０と、蛍光体ホイール３０の入射面側で反射された青色帯域のレーザ光Ｌｂを一定方向に反射する反射ミラー５０と、蛍光体ホイール３０の出射面側から出射された赤色帯域の光Ｌｒ、および緑色帯域の光Ｌｇを集光する集光レンズＬ４と、集光レンズＬ４によって集光された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ／Ｌｂを一定方向に反射する反射ミラー６０を含んで構成される。
【００１３】
アレイ光源２０は、青色帯域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子（または青色発光ダイオード）をアレイ状に複数含んで構成される。半導体レーザ素子は、一次元または二次元に配列され、複数の半導体レーザ素子を同時に駆動することで、各半導体レーザ素子から一斉にレーザ光が出射される。
【００１４】
図２は、アレイ光源の一構成例を示す概略断面図である。同図に示すように、複数の半導体レーザ素子を搭載する基板は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムのような材料によって構成された支持部材２２によって支持される。また、支持部材２２の表面には、各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれコリメートするレンズ２４が取り付けられる。さらに支持部材２２と対向する側には、反射ミラー２６が配置され、反射ミラー２６は、各半導体レーザ素子から出射された青色帯域の光を一定方向に反射し、レーザ光線束Ｌｂを生成する。
【００１５】
前群レンズＬ１は、例えば平凸レンズ等から構成され、前群レンズＬ２は、例えば凹レンズから構成され、前群レンズＬ１、Ｌ２は、アレイ光源２０からのレーザ光線Ｌｂを平行光に集光する。前群レンズＬ１、Ｌ２の光軸Ｃ１は、レンズＬ１、Ｌ２の中心である。この例では、前群レンズとして２つの組合せレンズを用いているが、前群レンズは、アレイ光源２０からのレーザ光Ｌｂを集光することができる光学系であれば良く、前群レンズを構成するレンズの数は、１つであってもよいし、あるいは３つ以上であってもよい。さらに前群レンズは、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。さらに前群レンズは、プリズム等の光学部材を含むものであってもよい。
【００１６】
後群レンズＬ３は、例えば平凸レンズから構成され、前群レンズＬ１、Ｌ２で集光された光を入射し、これを蛍光体ホイール３０上に集光する。後群レンズＬ３の光軸Ｃ２は、レンズＬ３の中心である。ここで留意すべき点は、本実施例の照明光学系１０は、後群レンズの光軸Ｃ２は、前群レンズの光軸Ｃ１からシフトされた光学系であり、前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光されたレーザ光Ｌｂは、後群レンズＬ３の片側半分に入射されるように、光軸Ｃ１、Ｃ２のシフト量が調整される。図の例では、後群レンズＬ３は、１つのレンズを用いて構成されるが、後群レンズは、レーザ光Ｌｂを蛍光体ホイール３０上に集光することができるシフト光学系であれば良く、後群レンズを構成するレンズの数は、複数の組合せレンズであってもよい。さらに後群レンズは、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。さらに後群レンズは、プリズム等の光学部材を含むものであってもよい。
【００１７】
蛍光体ホイール３０は、後群レンズＬ３と集光レンズＬ４との間に配され、後群レンズＬ３からの青色帯域のレーザ光Ｌｂを正規反射し、かつ透過した青色帯域のレーザ光によって励起された赤色帯域および緑色帯域の光を反対側の面から出射させる。蛍光体ホイールについては後に詳細に説明する。
【００１８】
集光レンズＬ４は、例えば平凸レンズから構成され、蛍光体ホイール３０の出射面側から発せられた赤色帯域および緑色帯域の光を集光する。集光レンズＬ４の光軸Ｃ３は、レンズＬ４の中心であり、好ましくは光軸Ｃ３は、光軸Ｃ２と一致する。この例では、集光レンズＬ４は、１つのレンズを用いて構成されるが、集光レンズは、蛍光体ホイール３０から発せられた赤色帯域および緑色帯域の光を集光することができる光学系であれば良く、集光レンズを構成するレンズの数は、複数の組合せであってもよい。さらに集光レンズは、球面レンズ、非球面レンズのいずれから構成されるものであってもよい。
【００１９】
反射ミラー６０は、集光レンズＬ４で集光された赤色帯域および緑色帯域の光を、例えば光軸Ｃ３と直交する方向に反射する。反射ミラー６０は、青色、赤色および緑色の全波長帯域の光を反射する全反射ミラーから構成されてもよいし、あるいは青色帯域の光を透過し、赤色および緑色帯域の光を反射するダイクロイックミラーから構成されてもよい。後者の場合、蛍光体ホイール３０で赤色帯域および緑色帯域の波長変換に利用されずに透過された青色帯域の光が、赤色帯域および緑色帯域の光に混色するのを効果的に防止することができる。
【００２０】
図３に本実施例の蛍光体ホイール３０の構成例を示す。図３（Ａ）は、蛍光体ホイール３０の入射面側の平面図、図３（Ｂ）は、蛍光体ホイール３０の出射面側の平面図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。図中のＰで示す円は、後群レンズＬ３によって集光された青色帯域の光Ｌｂのスポットを表している。
【００２１】
蛍光体ホイール３０は、円盤状の透明基板３２と、透明基板３２の入射面側に形成されたダイクロイックミラー３４Ａおよび反射ミラー３４Ｂと、透明基板３２の出射面側に形成された蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇとを含んで構成される。蛍光体ホイール３０は、好ましくは円形状であるが、必ずしもこのような形状に限定されるものではなく、例えば、多角形上、楕円形状であってもよい。
【００２２】
透明基板３２は、Ｒ、Ｇ、Ｂのすべての帯域の光を透過する材料から構成され、例えば、ガラスなどから構成される。ダイクロイックミラー３４Ａは、図３（Ａ）に示すように、透明基板３２の入射面側に形成され、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射する。図に示す例では、ダイクロイックミラー３４Ａは、ほぼ内角が２４０度の領域に扇状に形成される。が、このダイクロイックミラー３４Ａが形成される領域は、透明基板３２の出射面側に形成される赤色帯域および緑色帯域の光を発色する蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇの領域に一致しまたは重複する。なお、ダイクロイックミラー３４Ａは、ダイクロイックフィルターと同義である。
【００２３】
透明基板２２の入射面側のダイクロイックミラー３４Ａが形成されない領域には、青色帯域の光Ｌｂを反射する反射ミラー３４Ｂが形成される。反射ミラー３４Ｂは、少なくとも青色帯域の光を反射するダイクロイックミラーであってもよいし、Ｒ、Ｇ、Ｂの全帯域の光を反射する全反射ミラーであってもよい。反射ミラーは、反射層、反射部材、反射フィルターなどと同義である。
【００２４】
透明基板３２の出射面側には、図３（Ｂ）に示すように、赤色帯域の光を発色する蛍光体層３６Ｒ、および緑色帯域の光を発色する蛍光体層３６Ｇが形成される。より好ましくは、蛍光体層３６Ｒ、蛍光体層３６Ｇ上には、青色帯域の光Ｌｂを反射する反射膜３８が形成される。蛍光体層３６Ｒは、ダイクロイックミラー３２を透過した青色帯域の光によって励起されて赤色帯域の光を発光する。蛍光体層３６Ｇは、ダイクロイックミラー３２を透過した青色帯域の光によって励起されて緑色帯域の光を発光する。図に示す例では、蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇは、ダイクロイックミラー３４Ａの大きさに対応し、それぞれの内角が１２０度の扇状に形成される。但し、これは一例であって、要求されるＲ、Ｇ、Ｂの輝度等に応じて蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇ、ダイクロイックミラー３４Ａ、反射ミラー３４Ｂのそれぞれの内角を適宜選択することができる。透明基板３２の出射面側の蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇが形成されない領域は、透明基板の表面が露出されている。
【００２５】
蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇを構成する蛍光体材料には、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、TAG（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、BOS（バリウム・オルソシリケート）系、窒化化合物系が知られている。蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇは、例えば、蛍光体材料と樹脂材料やセラミック材料に混ぜ合わせたものを基材表面の塗布したり、蛍光体材料を混ぜ合わせたシート状のものと基材表面に貼り付けるようにしてもよい。
【００２６】
なお、上記の例では、蛍光体ホイール３０には、赤色帯域および緑色帯域の光を発光させるための蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇが形成されたが、青色レーザ光によって励起され、波長変換される光は、必ずしも赤色帯域および緑色帯域の光に限定されるものではない。例えば、黄色、マゼンタ、シアンの帯域の光が励起されるような蛍光体層を含むものであってもよい。
【００２７】
次に、本実施例の照明光学系の動作について説明する。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ青色帯域、緑色帯域、赤色帯域の光の発生を説明する模式的な図である。先ず、青色帯域の発生について図４（Ａ）を参照して説明する。前群レンズＬ１、Ｌ２によって集光された青色帯域の光Ｌｂは、光軸Ｃ２がシフトされた後群レンズＬ３の片側半分に入射され、入射された青色帯域の光は光軸Ｃ２に向けて偏向され、蛍光体ホイール３０上に集光される。青色帯域の光Ｌｂは、蛍光体ホイール３０の反射ミラー３４Ｂを照射するときに正規反射される。すなわち、青色帯域の光Ｌｂは、光軸Ｃ２に関し反射ミラー３４Ｂに入射角θ１で入射し、入射角θ１と等しい出射角θ２（θ１＝θ２）で正規反射される。正規反射された光Ｌｂは、後群レンズＬ３の反対側の片側半分に入射され、反射ミラー５０に向けて集光される。
【００２８】
次に、赤色帯域および緑色帯域の光の発生について図４（Ｂ）を参照して説明する。後群レンズＬ３からの青色帯域のレーザ光Ｌｂが蛍光体ホイール３０のダイクロイックミラー３４Ａを照射すると、その青色帯域の光Ｌｂは、ダイクロイックミラー３４Ａおよび透明基板３２を透過し、蛍光体層３６Ｒまたは３６Ｇに入射される。蛍光体材料は、青色帯域のレーザ光Ｌｂによって励起され、赤色帯域または緑色帯域の光を発光する。図４（Ｂ）の模式図にあるように、青色帯域のレーザ光Ｌｂによって励起された蛍光体の仮想的な発光点をＷとしたとき、発光点Ｗからは等方的に、すなわちランバーシアン状（均一拡散）のように、ＲまたはＢの光が放射される。このため、蛍光発色されたＲまたはＢの一部が蛍光体ホイール３０の入射面側に進行するが、そのＲまたはＢの光は、ダイクロイックミラー３４Ａによって蛍光体ホイール３０の出射面側へ反射されるので、ＲまたはＧの抽出効率発を向上させ、Ｒ、Ｂの輝度を増加させることができる。さらに蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇ上に反射膜３８を形成した場合には、蛍光発色に使用されなかった一部のレーザ光Ｌｂは、蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇを透過する。しかし、このような光Ｌｂは、反射膜３８によって反射されるため、再び蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇに入射され、そこで蛍光発色に利用されるため、蛍光体による変換効率をさらに向上させることができる。
【００２９】
こうして、蛍光体ホイール３０を回転させることで、ダイクロイックミラー３４Ａおよび反射ミラー３４ＢがスポットＰによって光学的に走査され、蛍光体ホイール３０の入射面側から青色帯域の光Ｌｂが取り出され、出射面側から赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ／Ｌｇが取り出される。
【００３０】
照明光学系１０によって発生されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、プロジェクタや内視鏡などの光源に利用される。例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの光は、図示しないライトトンネルにシーケンシャルに入射され、そこから出射されたＲ、Ｇ、Ｂの光がデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を照明する。ＤＭＤは、複数のミラー素子が二次元アレイ状に形成され、各ミラー素子は、デジタル画像データに従い第１の角度または第２の角度に傾斜され、ＤＭＤによって反射されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、投射画像を生成する。また、照明光学系１０によって発生されたＲ、Ｇ、Ｂの光を合成することで白色光を生成し、これを光ファイバーに入射させ、内視鏡の光源とすることができる。
【００３１】
本実施例の照明光学系は、必要な光学部材を低減させ、コンパクトな構成を得ることができる。さらに本実施例の照明光学系では、蛍光体ホイールの入射面側から青色帯域の光を取り出し、出射面側から赤色帯域および緑色帯域の光を取り出すようにしたので、青色帯域の光が、赤色帯域および緑色帯域の光に混色することを効果的に抑制することができる。
【００３２】
上記実施例に係る蛍光体ホイールは、透明基板の入射面側に、ダイクロイックミラー３４Ａおよび反射ミラー３４Ｂの光学フィルター形成し、出射面側に蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇの光学フィルターを形成する例を示したが、これは一例であり、蛍光体ホイールは、このような構成に限定されるものではない。例えば、蛍光体ホイールは、透明基板を用いることなく、ダイクロイックミラー３４Ａと反射ミラー３４Ｂとの側面を接着剤等により接合し、そのダイクロイックミラーの裏面に、蛍光体層３６Ｒ、３６Ｂを直接積層または貼付するようにしてもよい。
【００３３】
さらに、上記実施例では、透明基板上に反射ミラー３４Ｂを形成したが、反射ミラー３４Ｂを形成する代わりに、透明基板の一部を、少なくとも青色帯域の光を反射する材料から構成するようにしてもよい。
【００３４】
さらに、反射ミラー３４Ｂの表面に、入射した青色帯域の光を微小に拡散させるような凹凸のある拡散面を形成し、青色レーザ光のスペックルを抑制するようにしてもよい。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例に係る照明光学系１０Ａを示しており、図１と同一構成については同一参照番号を付してある。第２の実施例では、同図に示すように、集光レンズＬ４と反射ミラー６０との間に、ダイクロイックミラー７０が設けられている。ダイクロイックミラー７０は、青色帯域の光を反射し、それ以外の帯域の光、すなわちこの例では、赤色帯域および緑色帯域の光を透過するように構成される。ダイクロイックミラー７０は、蛍光体ホイール３０とほぼ平行に配置され、集光レンズＬ４によって集光された光を入射し、この光に含まれる青色帯域の光Ｌｂを蛍光体ホイール３０に向けて反射させる。
【００３６】
後群レンズＬ３から蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇに入射された青色帯域の光Ｌｂの大部分は、蛍光体を励起し、赤色帯域および緑色帯域の光に変換されるが、一部の青色帯域の光Ｌｂは、波長変換に利用されずに蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇを透過することがある。そうすると、赤色および緑色帯域の光Ｌｒ／Ｌｇに、青色帯域の光Ｌｂが混色してしまい好ましくない。そこで、第２の実施例では、蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇにおいて蛍光発色に寄与されずにそこを透過した青色帯域の光Ｌｂをダイクロイックミラー７０により反射させ、青色帯域の光Ｌｂを蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇ内へ入射させ、青色帯域の光を蛍光発色に再利用させる。これにより、蛍光体による変換効率が向上され、同時に、赤色帯域および緑色帯域の光に青色帯域の光が混色するのを防止することができる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６は、第３の実施例に係る照明光学系１０Ｂの原理を示す図である。第３の実施例は、第１の実施例で用いた後群レンズＬ３、集光レンズＬ４、反射ミラー５０および反射ミラー６０を２組備え、前群レンズＬ１、Ｌ２（図示しない）からの青色帯域のレーザ光Ｌｂをビームスプリッター１００で２つの光線束に分離し、それぞれの光学系からＲ、Ｇ、Ｂを生成するものである。但し、蛍光体ホイールは、複数用いることなく単数であり、その表面には、円周方向に２組の蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇ等が形成される。
【００３８】
同図に示すように、前群レンズＬ１、Ｌ２からの平行なレーザ光Ｌｂは、ビームスプリッター１００によって２つの光線束Ｌｂ１、Ｌｂ２に分離される。光線束Ｌｂ２はさらに、反射ミラー１１０によってほぼ直角に反射され、光線束Ｌｂ１と平行にされる。２つの光線束Ｌｂ１、Ｌｂ２は、第１の実施例のときと同様に、光軸がシフトされた２つの後群レンズＬ３のそれぞれ片側半分に入射される。光線束Ｌｂ１は、蛍光体ホイール３０の外周側に集光され、スポットＰで蛍光体ホイール３０を光学的に走査し、光線束Ｌｂ２は、蛍光体ホール３０の内周側に集光され、スポットＱで蛍光体ホイールを光学的に走査する。蛍光体ホイール３０で反射された青色帯域の光Ｌｂ１、Ｌｂ２は、２つの反射ミラー５０によってそれぞれ反射された後、集光レンズＬ５によって合成される。
【００３９】
また、蛍光体ホイール３０を透過した青色帯域の光Ｌｂ１、Ｌｂ２によって励起された赤色帯域および緑色帯域の光Ｌｒ、Ｌｇは、２つの集光レンズＬ４によってそれぞれ集光された後、２つの反射ミラー６０によってそれぞれ反射され、その後、集光レンズＬ６によって合成される。
【００４０】
図６（Ｃ）は、スポットＰおよびスポットＱで蛍光体ホイールを走査したときのＲ、Ｇ、Ｂの合成輝度を表している。蛍光体ホイール３０の外周側に形成される蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇおよび反射ミラー３４Ｂの配列と、内周側に形成される蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇおよび反射ミラー３４Ｂの配列は、Ｒ、Ｇ、Ｇが生成されるタイミングが同期するように調整される。
【００４１】
図７に、蛍光体の発光変換効率と励起光の照射エネルギー密度との関係を示す。蛍光体の特性として、光の照射エネルギー密度の増加に伴い、発光変換効率が増加する線形領域、発光変換効率が飽和する飽和領域、発光変換効率が劣化する劣化領域をもつことが知られている。このため、蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇに一定以上のエネルギーの青色光が照射されると、発光変換効率が飽和ないし劣化し、蛍光体が熱損傷または熱劣化してしまう。熱損傷等を防止するためには、蛍光体層ないし蛍光体ホイールを冷却する必要がある。さらに、蛍光体は、経時変化によっても発光変換効率が劣化する。
【００４２】
第３の実施例では、励起光としての青色帯域の光の照射エネルギーを高くしても、青色帯域の光を２分割し、蛍光体ホイール上に２組の蛍光体層を形成するようにしたので、蛍光体層に照射される照射エネルギーを実質的に半減させることができる。これにより、蛍光体を線形領域で使用することが可能になり、発光変換効率が劣化するのを防止することができる。同時に、蛍光体層の熱損傷または熱劣化を抑制することができ、蛍光体の寿命を延ばすことが可能になる。
【００４３】
第３の実施例では、光線束Ｌｂを２つに分離する例を示したが、光線束Ｌｂをｎ個に分割し、ｎ組の蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇ（およびダイクロイックミラー３４Ａ、反射ミラー３４Ｂ）を、蛍光体ホイールの半径方向に形成することも可能である。また、図６に示す構成では、蛍光体ホイール３０から出射されるＲ／Ｇの光を集光する集光レンズＬ４および反射ミラー６０を２組用意したが、集光レンズＬ４および反射ミラー６０は１つであってもよい。
【００４４】
上記した第１ないし第３の実施例に係る照明光学系は、それぞれが独立で実施されてもよいし、第１ないし第３の実施例がそれぞれ組み合わされて実施されてもよい。また、第１ないし第３の実施例では、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を個別に利用したり、シーケンシャルなＲ、Ｇ、Ｂの光として利用することができる。さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を合成して白色光とすることも可能である。図８（Ａ）ないし（Ｄ）に、Ｒ、Ｇ、Ｂを合成する光学系の一例を示す。図８（Ａ）では、赤色および緑色帯域の光Ｌｒ／Ｌｇを反射ミラー２００によってダイクロイックミラー２１０に向けて直角に反射させる。ダイクロイックミラー２１０は、Ｂを透過し、Ｒ、Ｇを反射するものであり、これにより、Ｒ／Ｇ／Ｂが合成される。また、図８（Ｂ）は、ダイクロイックミラー２１０Ａが、Ｂを反射し、Ｒ、Ｂを透過するように構成され、この場合、図８（Ａ）のときと合成された白色光が出射される方向が９０度異なる。図８（Ｃ）の光学系では、反射ミラー５０で反射された青色帯域の光Ｌｂが反射ミラー２２０によってダイクロイックミラー２３０へ向けて直角に反射される。ダイクロイックミラー２３０は、Ｂを反射し、Ｒ、Ｇを透過するように構成され、これによりＲ／Ｇ／Ｂが合成される。図８（Ｄ）は、ダイクロイックミラー２３０Ａが、Ｂを透過し、Ｒ、Ｇを反射するように構成され、図８（Ｃ）のときと直交する方向にＲ／Ｇ／Ｂの合成された光を出射させる。このような光学系を用いることで、本発明に係る照明光学系を、プロジェクタ、リアプロジェクタ、内視鏡、照明機器などの光源に用いることができる。
【００４５】
次に、本発明の第４の実施例に係る照明光学系の原理を図９に示す。第４の実施例では、シフト光学系によって蛍光体ホイール２００を照明した青色帯域のレーザ光Ｌｂは、その一部が蛍光体ホイール２００をそのまま透過し、残りの青色帯域の光が蛍光体を励起し、赤色帯域および緑色帯域の光を発色させる。
【００４６】
図１０は、第４の実施例に係る蛍光体ホイールの構成を示し、図１０（Ａ）は、入射面側の平面図、図１０（Ｂ）は、出射面側の平面図、図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。第４の実施例では、蛍光体ホイール１００の入射面側に、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射するダイクロイックミラー２１０が内角３６０度で全面に形成される。ダイクロイックミラー２１０の裏面には、透明基板３２を介して、第１の実施例のときと同様に、赤色帯域を発色する蛍光体層３６Ｒ、緑色帯域を発色する蛍光体層３６Ｇが形成される。蛍光体層３６Ｒ、３６Ｇが形成されていない領域２２０は、青色帯域の光を透過する透過領域である。
【００４７】
図９に示すように、蛍光体ホイール２００の出射面側から出射されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、集光レンズＬ４によって集光され、集光されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、ダイクロイックミラー２３０に向けられる。ダイクロイックミラー２３０は、青色帯域の光を透過し、赤色帯域および緑色帯域の光を反射するように構成される。従って、集光レンズＬ４からのＲ、Ｇ、Ｂの光のうち、Ｒ、Ｇの光がほぼ直角に反射され、Ｂの光が透過される。
【００４８】
ダイクロイックミラー２３０の後方には、少なくとも青色帯域の光を反射する反射ミラー２４０が設けられる。反射ミラー２４０は、Ｒ、Ｇ、Ｂを反射する全反射ミラーであってもよいし、Ｂを反射するダイクロイックミラーから構成されてもよい。
【００４９】
このように第４の実施例によれば、シフト光学系を利用し、蛍光体ホイール２００の出射面側からＲ、Ｇ、Ｂの光を取り出すことができるため、照明光学系の小型化、省スペース化、低コスト化を図ることができる。また、第４の実施例は、第１ないし第３の実施例の照明光学系を組合せることが可能である。例えば、第３の実施例のときのように、アレイ光源からのレーザ光Ｌｂを２分割し、２つのレーザ光を蛍光体ホイール２００へ入射させるようにしてもよい。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：照明光学系
２０：アレイ光源
３０：蛍光体ホイール
３４Ａ：ダイクロイックミラー
３４Ｂ：反射ミラー
３６Ｒ、３６Ｂ：蛍光体層
４０：モータ
５０：反射ミラー
６０：反射ミラー
７０：ダイクロイックミラー
１００：ビームスプリッター
１１０：反射ミラー
２００：蛍光体ホイール
２１０：ダイクロイックミラー
２２０：透過領域
２３０：ダイクロイックミラー
２４０：反射ミラー
Ｌ１、Ｌ２：前群レンズ
Ｌ３：後群レンズ
Ｌ４、Ｌ５：集光レンズ
【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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