(57)【要約】【課題】蛍光体ホイールにて発生した蛍光光を用いた照明を行う場合に、発光スポットの尾引きによる光利用効率の低下や不要光の発生を抑制する。【解決手段】照明光学系は、蛍光体ホイールから発せられた蛍光光が入射するロッドインテグレータ７を含み、ロッドインテグレータから出射した蛍光光により被照明面を照明する。蛍光体ホイールの回転中心から蛍光体ホイールにおける励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とするとき、ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの入射面７ａの上記接線方向と平行な第１の方向の幅が、上記半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光が照射されることにより蛍光光を発する蛍光体を有し、回転が可能な蛍光体ホイールと、
前記蛍光光が入射する入射面および該蛍光光が出射する出射面とを有するロッドインテグレータとを含み、
前記ロッドインテグレータの前記出射面から出射した前記蛍光光により被照明面を照明する照明光学系であって、
前記蛍光体ホイールの回転中心から前記蛍光体ホイールにおける前記励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とするとき、
前記ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの前記入射面の前記接線方向と平行な第１の方向の幅が、前記半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記ロッドインテグレータの前記入射面は、前記第１の方向に延びる長辺と前記第２の方向に延びる短辺とを有する長方形であり、
前記長辺が前記接線方向に対して±１０度以内の範囲で延びていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記ロッドインテグレータは、それぞれ長方形の前記入射面と前記出射面との間に４つの側面を有し、
前記４つの側面のうち互いに向かい合う２つの側面が前記入射面側から前記出射面側に向かって互いに離れる又は近づくことを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】
励起光が照射されることにより蛍光光を発する蛍光体を有し、回転が可能な蛍光体ホイールと、
前記蛍光光が入射する複数の第１のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズセルからの前記蛍光光がそれぞれ入射する複数の第２のレンズセルを有する第２のレンズアレイとを含み、
前記第２のレンズセルから出射した前記蛍光光により被照明面を照明する照明光学系であって、
前記蛍光体ホイールの回転中心から前記蛍光体ホイールにおける前記励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とするとき、
前記第２のレンズアレイは、該第２のレンズセルの前記接線方向と平行な第１の方向の幅が、前記半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする照明光学系。
【請求項５】
前記第２のレンズセルは、前記第１の方向に延びる長辺と前記第２の方向に延びる短辺とを有する長方形であり、
前記長辺が前記接線方向に対して±１０度以内の範囲で延びていることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
【請求項６】
励起光が照射されることにより蛍光光を発する蛍光体を有し、回転が可能な蛍光体ホイールと、
前記蛍光光が入射する複数の第１のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
前記複数の第１のレンズセルからの前記蛍光光がそれぞれ入射する複数の第２のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、
偏光分離面とλ／２板を有し、前記複数の第２のレンズセルからの無偏光光としての前記蛍光光のうち第１の偏光光を前記第１の偏光光と偏光方向が異なる第２の偏光光に変換する偏光変換素子とを含み、
前記偏光変換素子から出射した前記蛍光光により被照明面を照明する照明光学系であって、
前記第２のレンズセルは、第１の方向での幅Ａが該第１の方向に直交する第２の方向の幅Ｂよりも大きい形状を有し、
前記偏光変換素子に入射した前記第１の偏光光のうち、前記偏光分離面と前記λ／２板を介して前記第２の偏光光として前記偏光変換素子から出射される偏光光が入射する前記偏光変換素子上の領域を有効領域とするとき、該有効領域は前記第１の方向に長さＡ／２を有するとともに前記第２の方向に長さＢを有し、
前記蛍光体ホイールの回転中心から前記蛍光体ホイールにおける前記励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とするとき、
前記偏光変換素子は、前記有効領域における前記長さＡ／２と前記長さＢのうち長い方が前記接線方向に平行となるように配置されていることを特徴とする照明光学系。
【請求項７】
前記有効領域は、前記第１の方向に延びる第１の辺と前記第２の方向に延びる第２の辺とを有する長方形であり、
前記第１および第２の辺のうち長い方の辺が前記接線方向に対して±１０度以内の範囲で延びていることを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
【請求項８】
前記第１および第２のレンズアレイはそれぞれ、前記第１および第２のレンズセルとして偏心した形状のレンズセルを含むことを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載の照明光学系。
【請求項９】
前記蛍光体の蛍光寿命が３００ｎｓ以上であり、回転する前記蛍光体ホイールの前記蛍光体層における蛍光光の発光スポットに２％以上の尾引きが発生することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の照明光学系。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の照明光学系と、
前記被照明面に配置され、前記照明光学系からの光を変調する光変調素子とを有し、
該光変調素子により変調された光を投射することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に用いられる照明光学系に関し、特に回転する蛍光体ホイールを含む照明光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタにおいて、蛍光体から発生する蛍光光を光源光として用いるものがある。特許文献１には、紫外レーザ光を励起光として蛍光体に照射し、蛍光体から発生した蛍光光をデジタルマイクロミラーデバイスや液晶パネル等の光変調素子に導き、光変調素子により変調された画像光を投射するプロジェクタが開示されている。また、特許文献２には、励起光として青色レーザ光を用いたプロジェクタが開示されている。
【０００３】
蛍光体は、その温度が上昇すると蛍光光の発光効率が低下するという特性を有する。このため、特許文献２では、蛍光体を含む蛍光体層を熱伝導性の高い材質で形成したホイール上に設け、該ホイールを高速で回転させることで蛍光体層のうち同じ場所に励起光が集中して照射されないようにし、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４１１０５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９７４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
励起光を吸収した蛍光体は、その電子軌道が励起状態に至ってから基底状態に遷移する際に蛍光光を発生させるが、蛍光体の種類に応じて励起状態から基底状態に遷移するまでに所定の時間がかかる。この遷移時間は蛍光寿命と呼ばれる。
【０００６】
上述したように回転するホイール上に蛍光体層が設けられている場合に、蛍光体層のうち同じ場所に励起光が照射される時間をできるだけ短くするには、ホイールの回転速度を高速化したりホイールの径を大きくしたりすることが考えられる。しかしながら、ホイールを高速回転させたりホイールの径を大きくしたりすることで、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、蛍光体の蛍光寿命によって、蛍光体層上にホイールの回転方向の接線方向に沿って蛍光体の発光スポットが延びる、いわゆる尾引きが生じる。発光スポットの尾引きが生じると実質的な発光スポットが大きくなる。このため、蛍光光を取り込んで光変調素子に導く光学系に取り込まれない蛍光光の量が多くなって光利用効率が低下したり、該光学系に取り込まれなかった蛍光光が投射画像上にゴースト等の不要光を生じさせたりするおそれがある。
【０００７】
本発明は、発光スポットの尾引きによる光利用効率の低下や不要光の発生を抑制することができるようにした照明光学系および画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての照明光学系は、蛍光体ホイールから発せられた蛍光光が入射するロッドインテグレータを含み、ロッドインテグレータから出射した蛍光光により被照明面を照明する。蛍光体ホイールの回転中心から蛍光体ホイールにおける励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とする。このとき、ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの入射面の上記接線方向と平行な第１の方向の幅が、上記半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の一側面としての照明光学系は、蛍光体ホイールから発せられた蛍光光が入射する第１および第２のレンズアレイを含み、第２のレンズアレイの第２のレンズセルから出射した蛍光光により被照明面を照明する。蛍光体ホイールの回転中心から蛍光体ホイールにおける励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とする。このとき、第２のレンズアレイは、該第２のレンズセルの上記接線方向と平行な第１の方向の幅が、上記半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されている。
【００１０】
また、本発明の他の一側面としての照明光学系は、励起光が照射されることにより蛍光光を発する蛍光体を有し、回転が可能な蛍光体ホイールと、蛍光光が入射する複数の第１のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、複数の第１のレンズセルからの蛍光光がそれぞれ入射する複数の第２のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、偏光分離面とλ／２板を有し、複数の第２のレンズセルからの無偏光光としての蛍光光のうち第１の偏光光を第１の偏光光と偏光方向が異なる第２の偏光光に変換する偏光変換素子とを含み、偏光変換素子から出射した蛍光光により被照明面を照明する。第２のレンズセルは、第１の方向での幅Ａが該第１の方向に直交する第２の方向の幅Ｂよりも大きい形状を有する。偏光変換素子に入射した第１の偏光光のうち、偏光分離面とλ／２板を介して第２の偏光光として偏光変換素子から出射される偏光光が入射する偏光変換素子上の領域を有効領域とするとき、該有効領域は第１の方向に長さＡ／２を有するとともに第２の方向に長さＢを有する。蛍光体ホイールの回転中心から蛍光体ホイールにおける励起光が照射される位置に向かう方向を半径方向とし、該半径方向に直交する方向を接線方向とする。このとき、偏光変換素子は、有効領域における長さＡ／２と長さＢのうち長い方が上記接線方向に平行となるように配置されていることを特徴とする。
【００１１】
なお、上記のいずれかの照明光学系と、照明光学系からの光を変調する光変調素子とを有し、該光変調素子により変調された光を投射する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蛍光体ホイール上において蛍光光の発光スポットに尾引きが生じても、光利用効率の低下や不要光の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１である照明光学系を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図２】蛍光寿命を示す図。
【図３】実施例１における蛍光体スポットの尾引きとロッドインテグレータの入射面との関係を示す図。
【図４】本発明の実施例２である照明光学系を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図５】本発明の実施例３である照明光学系を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図６】実施例３における偏光変換素子とフライアイレンズが形成する有効領域とを示す図。
【図７】本発明の実施例４である照明光学系を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図８】本発明の実施例５である照明光学系を含むプロジェクタの構成を示す図。
【図９】蛍光スポット径１ｍｍに対する尾引きの例を示す図。
【図１０】各実施例における入射面またはレンズセルとホイール接線方向との関係を示す図。
【図１１】発光スポットの尾引きを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１には、本発明の実施例１である照明光学系を備えた画像投射装置としてのプロジェクタの構成を示している。図１の上側にプロジェクタのＸＺ断面を示し、下側にＹＺ断面を示す。Ｙ方向は後述する光変調素子の長辺が延びる方向であり、Ｘ方向は光変調素子の短辺が延びる方向である。Ｚ軸は光軸を示す。
【００１６】
１は励起光源である青色半導体レーザ（以下、単に青色レーザ光という）であり、２は青色レーザ光を反射して蛍光光を透過するダイクロイックミラーである。青色レーザ１に代えて紫外光を発するレーザを用いてもよい。３は蛍光体を含む蛍光体層が周方向にリング状に形成されて周方向に回転が可能な蛍光体ホイールである。
【００１７】
励起光としての青色レーザ光は、ダイクロイックミラー２で反射して蛍光体ホイール３の蛍光体層に照射され、励起光の集光スポットを形成する。励起光は蛍光体層に含まれる蛍光体に吸収される。このとき蛍光体を構成する分子の電子軌道が励起状態に励起され、基底状態に遷移する際に蛍光光を発生させる。これにより、蛍光体層上に蛍光光の発光スポット４が形成される。
【００１８】
本実施例では、蛍光体層に含まれる蛍光体としてＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の黄色蛍光体を用いている。ただし、蛍光体は投射画像の色バランスを考慮して適宜変更することができ、Ｅｕ（ユーロピウム）系の赤色蛍光体等を用いてもよい。また、蛍光体ホイール３の蛍光体層に、黄色蛍光体領域と赤色蛍光体領域等のように２種類以上の蛍光体領域を設けてもよい。
【００１９】
発光スポット４で発生した蛍光光は、集光レンズ５により集光されてロッドインテグレータ７の入射面７ａ近傍に発光スポットの光源像６を形成しつつ入射面７ａからロッドインテグレータ７内に入射する。ロッドインテグレータ７は、長方形の断面を持つガラス製の角柱状の素子であり、入射面７ａ（および出射面７ｂ）は長辺と短辺を有する長方形に形成されている。
【００２０】
ロッドインテグレータ７に入射した光は、その内部で全反射を繰り返して出射面７ｂ上に均一な照度分布を形成する。ロッドインテグレータ７は、入射面７ａと出射面７ｂとの間に４つの側面を有し、該４つの側面が互いに平行に延びるように形成されている。なお、ロッドインテグレータ７として、それぞれ空間である入射面７ａと出射面７ｂとの間の４つの側面に誘電体多層膜や金属膜の蒸着により反射ミラーが形成された中空タイプのロッドインテグレータを用いてもよい。
【００２１】
ロッドインテグレータ７の射出面７ｂから出射した光は、リレーレンズ系８を介して被照明面に配置された光変調素子９上に均一な照度分布の長方形の照明領域を形成する。すなわち、ロッドインテグレータ７からの蛍光光（照明光）によって光変調素子９が均一に照明される。光変調素子９としては、デジタルマイクロミラーデバイスや液晶パネル（反射型および透過型）を用いることができる。本実施例では、光変調素子９は１６：１０のアスペクト比を有する長方形に形成されている。このため、ロッドインテグレータ７の入射面７ａと出射面７ｂも、光変調素子９と相似形状である１６：１０のアスペクト比の長方形である。以上説明した光源１（またはダイクロイックミラー２）〜リレーレンズ系８により照明光学系が構成される。
【００２２】
光変調素子９は、プロジェクタに外部から入力された映像信号に応じて駆動され、ロッドインテグレータ７からの蛍光光を変調する。変調された蛍光光である画像光２０は、投射光学系２１によって不図示の被投射面に投射される。
【００２３】
図２には、蛍光体の蛍光寿命を示す。蛍光寿命は、前述したように、励起光を吸収した蛍光体の電子軌道が励起状態から基底状態に遷移するまでの時間（遷移時間）であり、蛍光体の種類によって異なる。本実施例では、蛍光寿命を、蛍光光の強度が初期の強度の１００分の１まで低下する時間とする。図２に示すように、黄色蛍光体は約１０００ｎｓ（１μｓ）、赤色蛍光体は約５００ｎｓの蛍光寿命を持つ。
【００２４】
図３（ａ）の上側には、本実施例における蛍光体ホイール３を＋Ｚ側から見て示している。蛍光体ホイール３は、モータによってＺ軸周りで回転し、その蛍光体層上には蛍光光の発光スポット４が形成されている。発光スポット４には、図１１を用いて説明したように、蛍光体の蛍光寿命によって、蛍光体ホイール３の回転方向の接線方向（Ｘ方向）Ｔに尾引きが生じる。なお、ここでいう接線方向とは、蛍光体ホイール３の回転中心から蛍光体ホイール３上の発光スポット（励起光が照射される位置）４に向かう方向を半径方向とするとき、この半径方向に直交する方向を接線方向と定義することもできる。
【００２５】
一方、図３（ａ）の下側には、ロッドインテグレータ７の入射面７ａ上に形成される蛍光体の発光スポット４の光学像（光源像）６を示す。蛍光体ホイール３上に形成される発光スポット４と光源像６とは集光レンズ５を介して結像関係にある。このため、ロッドインテグレータ７の入射面７ａにおける光源像６の尾引き部分６ａが延びる方向（図では右方向）は、上側の図に示す蛍光体ホイール３上の発光スポット４の尾引きが延びる方向（左方向）とは左右（および上下）が反転している。
【００２６】
本実施例では、励起光が蛍光体ホイール３にリング状に形成された蛍光体層の下部であって蛍光体ホイール３の回転中心から５０ｍｍの位置に集光照射され、尾引きが発生していない場合に直径１ｍｍの円形の蛍光光の発光スポット４が形成されるものとする。図９（ａ）に示すように、蛍光体ホイールの回転数が１００００ｒｐｍとすると、励起光が照射される位置（以下、励起光照射位置という）での円周速度は毎秒５２３６０ｍｍとなる。したがって、蛍光寿命と円周速度を乗じた値が蛍光体の蛍光寿命に起因する尾引きの量（長さ）となり、本実施例では約０．０５２４ｍｍとなる。つまり、本来の蛍光体の発光スポット４の大きさ１ｍｍに対して約５．２％の長さの接線方向Ｔへの尾引きが発生することで発光スポットが大きくなっている。これにより、ロッドインテグレータ７の入射面７ａ上に形成される光源像６にも、その本来の大きさに対して約５．２％の長さの尾引き部分６ａが含まれる。
【００２７】
そこで本実施例では、ロッドインテグレータ７を、その入射面７ａの長辺が延びる方向である長辺方向（第１の方向）が蛍光体スポット４の尾引きが発生する方向である尾引き方向、つまりは光源像６の尾引き部分６ａが延びる方向に平行になるように配置している。言い換えれば、ロッドインテグレータ７を、入射面７ａの長辺方向が蛍光体層の励起光照射位置における蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向Ｔに平行になるように配置している。さらに言い換えれば、ロッドインテグレータ７は、その入射面７ａの接線方向と平行な第１の方向の幅が半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されている。
【００２８】
これにより、入射面７ａに対して尾引き部分６ａを含む光源像６が外れることがなく、尾引き部分６ａを含む光源像６を形成する蛍光光のほぼ全てがロッドインテグレータ７に入射して光変調素子９の照明に用いられる。
【００２９】
図３（ｂ）には、比較例として、ロッドインテグレータ７を入射面７ａの長辺方向が尾引き方向である接線方向Ｔに対して直交する、つまりは入射面７ａの短辺が延びる方向である短辺方向（第２の方向）が接線方向Ｔに平行になるように配置した場合を示している。この場合、入射面７ａに対して光源像６の尾引き部分６ａが外れ、尾引き部分６ａを形成する蛍光光がロッドインテグレータ７に入射しない。このため、蛍光光の光利用効率が低下したり、投射画像上にゴースト等を形成する不要光が発生したりする。これに比べて図３（ａ）に示した本実施例では、光源像６が尾引き部分６ａを含んでいてもロッドインテグレータ７に入射しない蛍光光がきわめて少なくなるため、蛍光光の光利用効率を高めることができるとともに、不要光の発生を抑制することができる。
【００３０】
図３（ｃ）には、本実施例の変形例を示す。この変形例では、励起光が蛍光体層の左斜め下部に照射されており、蛍光光の発光スポット４にはその位置（つまりは励起光照射位置）での蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向（図では左斜め上方）Ｔに延びる尾引きが発生している。このため、上述したように上下左右を反転させる集光レンズ５によってロッドインテグレータ７の入射面７ａ上に形成される光源像６には、右斜め下方に延びる尾引き部分６ａが含まれる。
【００３１】
そしてこの場合も、ロッドインテグレータ７を、その入射面７ａの長辺方向が尾引き方向である接線方向Ｔに平行になるように配置する。これにより、図３（ａ）の場合と同様に、入射面７ａに対して尾引き部分６ａを含む光源像６が外れることがなく、蛍光光の光利用効率を高めることができるとともに、不要光の発生を抑制することができる。
【００３２】
なお、図３（ｃ）に示すように配置されたロッドインテグレータ７の出射面７ｂの長辺方向が光変調素子９の長辺方向に対してねじれの関係となる。このため、リレーレンズ系８内にミラーを追加して３次元的に光路をねじる等してロッドインテグレータ７の出射面７ｂから出射した蛍光光による照明領域の長辺方向が光変調素子９の長辺方向に一致させることが望ましい。
【００３３】
また、蛍光体としてより蛍光寿命が長いものを用いたり蛍光体ホイール３の径や回転速度を増加させたりすることで発光スポット４の尾引き、つまりは光源像６の尾引き部分６ａがさらに大きくなる。図９（ｂ）には、図９（ａ）に示した条件に対して蛍光体ホイール３の回転速度を１５０００ｒｐｍに増加させた条件例を示しており、本来の蛍光体の発光スポット４の大きさ１ｍｍに対して約７．９％の長さの尾引きが発生する。このように、蛍光光の発光スポットの尾引きの長さが長いほど、本実施例の構成による光利用効率を向上させて不要光の発生を抑制する効果が高くなる。
【００３４】
なお、ここでは数値的な例として蛍光体の蛍光寿命が１０００ｎｓである場合について説明した。しかし、蛍光寿命が３００ｎｓ以上である蛍光体を使用して２％以上（または３％以上または５％以上）の蛍光光の発光スポットの尾引きが発生する場合に、本実施例（および後述する各実施例）の構成による効果が得られると考えられる。
【００３５】
また、本実施例では、入射面７ａの長辺方向を第１の方向とし、その第１の方向が蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向Ｔに平行である場合について説明したが、必ずしも入射面７ａの長辺方向が第１の方向である必要はない。すなわち、図１０に示すように、入射面７ａの長辺方向が接線方向Ｔに平行でない場合であっても、該入射面７ａの幅が他の方向での幅よりも大きい方向を第１の方向としてその第１の方向が接線方向Ｔに平行であればよい。この場合、入射面７ａの長辺方向が接線方向Ｔに対して±１０度以内の範囲の方向であることが望ましい。さらに、ロッドインテグレータ７の入射面７ａの形状は必ずしも長方形である必要はなく、第１の方向での幅が該第１の方向に直交する第２の方向の幅よりも大きい形状であればよい（楕円形や菱形等でもよい）。このことは、後述する実施例２におけるフライアイレンズのレンズセル、実施例３，５における偏光変換素子の有効領域および実施例４におけるテーパロッドの入射面についても同様である。
【実施例２】
【００３６】
図４には、本発明の実施例２である照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示している。本実施例では、実施例１において用いたロッドインテグレータ７に代えて第１のフライアイレンズ（第１のレンズアレイ）１０および第２のフライアイレンズ（第２のレンズアレイ）１１を用いている。なお、本実施例および後述する他の実施例において、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。
【００３７】
第１のフライアイレンズ１０は、それぞれ光変調素子９と相似形状である長方形の複数の第１のレンズセル１０ａが二次元配置されて構成されている。また、第２のフライアイレンズ１１も、それぞれ個々の第１のレンズセル１０ａに対応するように設けられ、光変調素子９と相似形状である長方形の複数の第２のレンズセル１１ａが二次元配置されて構成されている。
【００３８】
本実施例でも、励起光である青色レーザ光によって蛍光体ホイール３の蛍光体層に含まれる蛍光体が励起されて蛍光光が発生する。蛍光光は集光レンズ５によって集光されて第１のフライアイレンズ１０の複数の第１のレンズセル１０ａに入射することで複数の光束に分割される。第１のフライアイレンズ１０によって分割された複数の光束はそれぞれ、第２のフライアイレンズ１１の複数の第２のレンズセル１１ａの近傍に、蛍光体の発光スポットの光学像である光源像１２を複数形成する。第２のフライアイレンズ１１から出射した複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって集光されつつ光変調素子９上で重ね合わせられる。これにより、光変調素子９上に均一な照度分布の照明領域が形成される（つまり光変調素子９が均一に照明される）。
【００３９】
本実施例において、第１のフライアイレンズ１０における１つの第１のレンズセル１０ａを通過した光束のうち、第２のフライアイレンズ１１におけるその第１のレンズセル１０ａに対応する第２のレンズセル１１ａを通過する光束は光変調素子９に到達する。しかし、その対応する第２のレンズセル１１ａに隣接する第２のレンズセル１１ａを通過する光束は光変調素子９に到達せず、照明光学系における損失となったりゴースト等の不要光の原因になったりする。したがって、第２のレンズセル１１ａを通過する光束を多くする、つまりは第２のレンズセル１１ａを通過しない光束を少なくすることが重要である。
【００４０】
このため本実施例では、第２のフライアイレンズ１１を、各第２のレンズセル１１ａの長辺方向（第１の方向）が蛍光体スポット４の尾引き方向、つまりは光源像１２の尾引き部分が延びる方向に平行になるように配置している。言い換えれば、第２のフライアイレンズ１１を、各第２のレンズセル１１ａの長辺方向が蛍光体ホイール３（蛍光体層）における励起光照射位置での蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向Ｔに平行になるように配置している。さらに言い換えれば、第２のフライアイレンズ１１は、第２のレンズセル１１ａの接線方向と平行な第１の方向の幅が、半径方向と平行な第２の方向の幅よりも大きくなるように配置されている。
【００４１】
これにより、各第１のレンズセル１０ａを通過して尾引き部分を含む光源像１２を形成する光束のほぼ全てが第２のレンズセル１１ａを通過することができる。したがって、蛍光光の光利用効率を高めることができるとともに、不要光の発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４２】
図５には、本発明の実施例３である照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示す。本実施例では、実施例２に示した第２のフライアイレンズ１１の直後に偏光変換素子１４が配置されている。偏光変換素子は、光変調素子９として透過型または反射型液晶パネルを照明する特定の偏光方向を有する偏光光を生成するために用いられる。
【００４３】
偏光変換素子１４は、図６（ａ）に示すように、第２のフライアイレンズ１１の各第２のレンズセル１１ａの長辺の半分のＸ方向幅を有してＹ方向に延びる偏光ビームスプリッタ１４ａを第２のレンズセル１１ａの長辺方向（Ｘ方向）に複数並べて構成されている。さらに、複数の偏光ビームスプリッタ１４ａの出射面のうち１つおきの出射面にλ／２板（半波長板）１４ｂが設けられている。
【００４４】
第１および第２のフライアイレンズ１０，１１を通過した無偏光光としての蛍光光（複数の光束）は、偏光変換素子１４の各偏光ビームスプリッタ１４ａの入射面１４ｃから各偏光ビームスプリッタ１４ａに入射する。そして、各偏光ビームスプリッタ１４ａの偏光分離膜（偏光分離面）でこれを透過するＰ偏光とこれで反射されるＳ偏光とに分離される。Ｓ偏光はこれが分離された偏光分離膜に隣接する偏光分離膜でＰ偏光と同じ方向に反射されてλ／２板１４ｂが設けられていない出射面から出射する。また、Ｐ偏光は出射面に設けられたλ／２板１４ｂでＳ偏光に変換される。これにより、偏光変換素子１４に入射した無偏光光が特定の偏光光としてのＳ偏光に変換される。なお、偏光変換素子１４を、入射した無偏光光をＰ偏光に変換するように構成してもよい。
【００４５】
偏光変換素子１４から出射した複数の光束は、コンデンサレンズ１３によって集光されつつ光変調素子９上で重ね合わされて光変調素子９を均一な照度分布で照明する。
【００４６】
また、図５に示すように、本実施例では、蛍光体ホイール３（蛍光体層）における励起光照射位置、つまりは蛍光光の発光スポット４の位置を、実施例１，２とは異なり、蛍光体ホイール３の側部に設定している。
【００４７】
本実施例において照明光学系における光利用効率を高め、不要光の発生を低減するためには、第２のフライアイレンズ１１を構成する第２のレンズセル１１ａとの関係で決まる偏光変換素子１４における有効領域に入射しない光束を少なくすることが重要である。
【００４８】
図６（ｂ）には、偏光変換素子１４（偏光ビームスプリッタ１４ａ）における長方形の有効領域１５を示している。ここにいう有効領域は、偏光変換素子に入射した第１の偏光光のうち、偏光分離面とλ／２板を介して第２の偏光光として偏光変換素子から出射する偏光光が入射する偏光変換素子上での領域である。
【００４９】
第２のレンズセル１１ａを通過して蛍光光の発光スポット４の光学像である光源像１２を形成する光束のうち有効領域１５にて偏光ビームスプリッタ１４ａに入射した光束はＳ偏光に変換された後、光変調素子９に本来入射すべき偏光光として到達する。しかし、有効領域１５外で偏光ビームスプリッタ１４に入射した光束のうちＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１４を透過してλ／２板１４ｂを介さずにＰ偏光のまま偏光変換素子１４から出射する。この結果、光変調素子９に不要光として到達し、ゴースト等の画質低下の原因となる。なお、このような不要光が光変調素子９に到達することを抑制するために、有効領域１５外に遮光板等の遮光部材を設けてもよい。
【００５０】
第２のレンズセル１１ａの長辺方向（第１の方向：Ｘ方向）の幅をＡとし、短辺方向（第２の方向：Ｙ方向）の幅をＢとする。第２のレンズセル１１ａは光変調素子９と同じ１６：１０のアスペクト比を有しているので、Ａ：Ｂ＝１６：１０となる。このとき、上述した有効領域１５のアスペクト比は長さＡ／２（第１の辺）：長さＢ（第２の辺）となり、本実施例では８：１０である。
【００５１】
前述したように、本実施例では、蛍光体ホイール３の側部に蛍光光の発光スポット４が位置するため、該発光スポット４の尾引き方向、つまりは蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向ＴはＹ方向になる。このため本実施例では、図６（ｃ）に示すように、偏光変換素子１４を、偏光ビームスプリッタ１４ａの長手方向に対応する有効領域１５の長辺（第２の辺）が延びる長辺方向（本実施例では長さＢの方向）が接線方向ＴであるＹ方向に平行になるように配置している。これにより、有効領域１５外で偏光ビームスプリッタ１４ａに入射する光束を減らす（有効領域１５内で偏光ビームスプリッタ１４ａに入射する光束を増やす）ことができ、不要光の発生を抑えて、光利用効率を向上させることができる。
【実施例４】
【００５２】
図７には、本発明の実施例４である照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示す。本実施例では、実施例１にて用いたロッドインテグレータ７に代えてテーパ形状のロッドインテグレータ（以下、テーパロッドという）１６を用いている。テーパロッド１６は、その４つの側面のうちＸ方向において互いに向かい合う２つの側面（以下、テーパ面という）が、入射面側から出射面側に向かって互いに離れるように形成されている。
【００５３】
テーパロッド１６にその入射面１６ａから入射した光（光束）は、その内部で全反射を繰り返して出射面１６ｂ上に均一な照度分布を形成する。このとき、テーパ面で反射した光束が光軸（Ｚ軸）に対してなす角度は、反射前に比べて小さくなる。このため、テーパ面での反射の繰り返しにより、最終的に出射面１６ｂから出射する光束の角度の広がりを２つのテーパ面が配置されているＸ方向において小さくすることができる。これにより、実施例１に比べて光変調素子９をその長辺方向においてより効率良く照明することができ、実施例１に比べて光利用効率をより向上させることができる。
【００５４】
本実施例において用いるテーパロッド１６の入射面１６ａは、実施例１と比べてより正方形に近い１２（Ｘ方向）：１０（Ｙ方向）のアスペクト比を有する。しかし、本実施例でも、テーパロッド１６を、入射面１６ａの長辺方向（Ｘ方向）が蛍光光の発光スポット４の尾引き方向、すなわち蛍光体層における励起光照射位置での蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向Ｔに平行となるように配置している。このため、実施例１と同様に、光利用効率の向上と不要光の低減の効果を得ることができる。
【００５５】
なお、テーパロッドのテーパ角（つまりは入射面のアスペクト比）やテーパ方向（互いに向かい合う２つの側面が離れていく又は近づいていく方向）は本実施例に示したものに限定されない。例えば、テーパ角をより大きくしてテーパロッドの入射面を８（Ｘ方向）：１０（Ｙ方向）のアスペクト比としてもよい。この場合、テーパロッドの入射面の長辺方向（Ｙ方向）に合わせて蛍光体ホイール３における励起光照射位置を、実施例３（図５）のように蛍光体ホイール３の側部に変える。これにより、テーパロッドの入射面の長辺方向と蛍光光の発光スポットの尾引き方向とを平行にすることができる。
【００５６】
また、テーパ方向を互いに向かい合う２つの側面が入射面側から出射面側に向かって近づくようにしたり、テーパ面をＹ方向にて互いに向かい合う２つの側面としたりしてもよい。この場合、テーパロッドの入射面が様々なアスペクト比の長方形になり得るが、その長辺方向が蛍光光の発光スポット４の尾引き方向に平行になるように、蛍光体ホイール３における励起光照射位置を設定すればよい。
【実施例５】
【００５７】
図８には、本発明の実施例５である照明光学系を備えたプロジェクタの構成を示す。本実施例は、実施例３において用いられた第１および第２のフライアイレンズ１０，１１に代えて、光軸上のレンズセル以外の各レンズセルがその中心に対して偏心した偏心フライアイレンズとしての第１および第２のフライアイレンズ１７，１８を用いている。これにより、第１のフライアイレンズ１７に比べて第の２フライアイレンズ１８のＹ方向幅を小さくし、Ｙ方向における光変調素子９への光束の入射角度をＸ方向に比べて小さくしている。このような本実施例によれば、実施例４と同様に、光変調素子９をその長辺方向においてより効率良く照明することができ、光利用効率をより向上させることができる。また、蛍光光を不図示の偏光ビームスプリッタやダイクロイックミラー等の誘電体多層膜を用いた光学素子を介して光変調素子９に導く場合に、誘電体多層膜の入射角度依存による特性の変化を抑えて、投射画像の色むらや明るさむらを低減することができる。
【００５８】
本実施例では、第２のフライアイレンズ１８のＹ方向幅が小さくなっており、該第２のフライアイレンズ１８の第２のレンズセルは１６（Ｘ方向）：９（Ｙ方向）のアスペクト比の長方形に形成されている。したがって、実施例３で説明した有効領域（１５）のアスペクト比は８（Ｘ方向）：９（Ｙ方向）である。この有効領域の長辺方向（Ｙ方向）が、蛍光光の発光スポット４の尾引き方向、すなわち蛍光体層における励起光照射位置での蛍光体ホイール３の回転方向に対する接線方向Ｔ（Ｙ方向）に平行になるように偏光変換素子１４を配置している。したがって、実施例３と同様に、偏光変換素子１４での不要光の発生を抑えて、光利用効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、偏心フライアイレンズの各レンズセルの偏心度合いや偏心方向は本実施例に示したものに限定されない。例えば、第２のフライアイレンズの第２のレンズセルのＹ方幅をさらに小さくして、有効領域のアスペクト比を８（Ｘ方向）：６（Ｙ方向）にしてもよい。この場合も、蛍光体ホイール３における励起光照射位置を蛍光体ホイール３の下部に変えることで、有効領域の長辺方向と蛍光光の発光スポットの尾引き方向とを平行にすることができる。また、偏心方向をＸ方向として第２のフライアイレンズの第２のレンズセルのＸ方向幅が小さく又は大きくなるようにしてもよい。この場合、有効領域が様々なアスペクト比の長方形になり得るが、その長辺方向が蛍光光の発光スポット４の尾引き方向に平行になるように、蛍光体ホイール３における励起光照射位置を設定すればよい。
【００６０】
上記各実施例では画像投射装置（プロジェクタ）に用いられる照明光学系について説明したが、画像投射装置以外の各種装置に用いられる照明光学系においても各実施例と同じ又は同様の構成を採用することができる。
【００６１】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  励起光源
３  蛍光体ホイール
４  蛍光光の発光スポット
７，１６  ロッドインテグレータ
９  光変調素子
１０，１７  第１のフライアイレンズ
１１，１８  第２のフライアイレンズ
１４  偏光変換素子
【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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