JP2022144382A - 波長変換素子、照明装置およびプロジェクター - Google Patents
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Abstract
【課題】光利用効率の高い波長変換素子、照明装置およびプロジェクターを提供する。
【解決手段】本発明の波長変換素子は、基板と、基板に設けられる反射層と、反射層に設けられ、第1の波長帯の光を第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、波長変換層に設けられ、第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、構造体に設けられ、第1の波長帯の光の一部を反射させ、第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、第1の構造部と第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、第1の構造部および第2の構造部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、平坦部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。
【選択図】図6B
【解決手段】本発明の波長変換素子は、基板と、基板に設けられる反射層と、反射層に設けられ、第1の波長帯の光を第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、波長変換層に設けられ、第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、構造体に設けられ、第1の波長帯の光の一部を反射させ、第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、第1の構造部と第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、第1の構造部および第2の構造部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、平坦部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。
【選択図】図6B
Description
本発明は、波長変換素子、照明装置およびプロジェクターに関する。
従来、波長変換層の表面に設けられた光拡散面で第1波長の光の一部を散乱して反射させ、波長変換層に入射した第1波長の光を波長変換した第2波長の蛍光と、散乱反射した第1波長の光とを合成することで白色照明光を射出する照明装置がある(例えば、下記特許文献1、2参照)。
しかしながら、上記照明装置では、第1波長の光の散乱角度が十分でなく、散乱特性の制御に改善の余地があるため、第1波長の光を効率良く照明光として取り出せず、光利用効率の低下という問題があった。
上記の課題を解決するために、本発明の第1の態様によれば、基板と、基板に設けられる反射層と、前記反射層に設けられ、第1の波長帯の光を前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、前記波長変換層に設けられ、前記第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、前記構造体に設けられ、前記第1の波長帯の光の一部を反射させ、前記第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、前記第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、前記構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、前記第1の構造部と前記第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、前記第1の構造部および前記第2の構造部に設けられる前記光学層は、前記第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、前記平坦部に設けられる前記光学層は、前記第1の波長帯の光に対して前記第1の反射率と異なる第2の反射率を有する波長変換素子が提供される。
本発明の第2態様によれば、第1態様の波長変換素子と、前記第1の波長帯の光を射出する光源と、前記光源から射出された前記第1の波長帯の光を前記波長変換素子に向けて反射する反射部材と、を備えることを特徴とする照明装置が提供される。
本発明の第3態様によれば、本発明の第2態様の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とするプロジェクターが提供される。
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として液晶パネルを用いたプロジェクターの一例である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として液晶パネルを用いたプロジェクターの一例である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図1は本実施形態のプロジェクターの構成を示す図である。
図1に示す本実施形態のプロジェクター1は、スクリーン(被投射面)SCR上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、赤色光LR、緑色光LG、青色光LBの各色光に対応した3つの光変調装置を用いている。
図1に示す本実施形態のプロジェクター1は、スクリーン(被投射面)SCR上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、赤色光LR、緑色光LG、青色光LBの各色光に対応した3つの光変調装置を用いている。
プロジェクター1は、照明装置2と、色分離光学系3と、光変調装置4Rと、光変調装置4Gと、光変調装置4Bと、合成光学系5と、投射光学装置6と、を備えている。
照明装置2は、白色の照明光WLを色分離光学系3に向けて射出する。色分離光学系3は、白色の照明光WLを赤色光LRと緑色光LGと青色光LBとに分離する。色分離光学系3は、第1ダイクロイックミラー7aと、第2ダイクロイックミラー7bと、第1反射ミラー8aと、第2反射ミラー8bと、第3反射ミラー8cと、第1リレーレンズ9aと、第2リレーレンズ9bと、を備えている。
第1ダイクロイックミラー7aは、照明装置2からの照明光WLを赤色光LRと、その他の光(緑色光LGおよび青色光LB)とに分離する。第1ダイクロイックミラー7aは、赤色光LRを透過するとともに、その他の光(緑色光LGおよび青色光LB)を反射する。一方、第2ダイクロイックミラー7bは、その他の光を緑色光LGと青色光LBとに分離する。第2ダイクロイックミラー7bは、緑色光LGを反射し、青色光LBを透過する。
第1反射ミラー8aは、赤色光LRの光路中に配置され、第1ダイクロイックミラー7aを透過した赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。一方、第2反射ミラー8bおよび第3反射ミラー8cは、青色光LBの光路中に配置され、第2ダイクロイックミラー7bを透過した青色光LBを光変調装置4Bに向けて反射する。また、緑色光LGは、第2ダイクロイックミラー7bによって光変調装置4Gに向けて反射される。
第1リレーレンズ9aおよび第2リレーレンズ9bは、青色光LBの光路中における第2ダイクロイックミラー7bの光射出側に配置されている。第1リレーレンズ9aおよび第2リレーレンズ9bは、青色光LBの光路長が赤色光LRや緑色光LGの光路長よりも長いことに起因した青色光LBの照明分布の違いを修正する。
光変調装置4Rは、赤色光LRを画像情報に応じて変調し、赤色光LRに対応した画像光を形成する。光変調装置4Gは、緑色光LGを画像情報に応じて変調し、緑色光LGに対応した画像光を形成する。光変調装置4Bは、青色光LBを画像情報に応じて変調し、青色光LBに対応した画像光を形成する。
光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側および射出側には、偏光板(図示せず)がそれぞれ配置され、特定の方向の直線偏光のみを通過させる構成となっている。
光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bの入射側には、それぞれフィールドレンズ10R、フィールドレンズ10G、フィールドレンズ10Bが配置されている。フィールドレンズ10R、フィールドレンズ10G、およびフィールドレンズ10Bは、それぞれの光変調装置4R、光変調装置4G、光変調装置4Bに入射する赤色光LR、緑色光LG、青色光LBの主光線を平行化する。
合成光学系5は、光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bから射出された画像光が入射することにより、赤色光LR,緑色光LG,青色光LBに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学装置6に向けて射出する。合成光学系5には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。
投射光学装置6は、複数の投射レンズから構成されている。投射光学装置6は、合成光学系5により合成された画像光をスクリーンSCRに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンSCR上に画像が表示される。
本実施形態の照明装置2の一例について説明する。
図2は、照明装置2の概略構成を示す図である。
図2に示すように、照明装置2は、光源11と、第1光学系12と、ダイクロイックミラー(反射部材)13と、第2光学系14と、波長変換素子15と、均一化照明光学系16と、を備えている。光源11、第1光学系12およびダイクロイックミラー13は光源光軸AX1に沿って配置されている。波長変換素子15、第2光学系14、ダイクロイックミラー13および均一化照明光学系16は照明装置2の照明光軸AXに沿って配置されている。光源光軸AX1および照明光軸AXは互いに直交する。
図2は、照明装置2の概略構成を示す図である。
図2に示すように、照明装置2は、光源11と、第1光学系12と、ダイクロイックミラー(反射部材)13と、第2光学系14と、波長変換素子15と、均一化照明光学系16と、を備えている。光源11、第1光学系12およびダイクロイックミラー13は光源光軸AX1に沿って配置されている。波長変換素子15、第2光学系14、ダイクロイックミラー13および均一化照明光学系16は照明装置2の照明光軸AXに沿って配置されている。光源光軸AX1および照明光軸AXは互いに直交する。
光源11は第1光Bを射出する。第1光Bは第1の波長帯を有する光である。第1光Bの第1の波長帯は、例えば450~460nmであり、発光強度のピーク波長は、例えば455nmである。すなわち、第1光Bは青色光である。光源11は少なくとも1つの半導体レーザーで構成される。半導体レーザーは、455nm以外のピーク波長を有する第1光Bを射出してもよい。光源11は半導体レーザーに対応して設けられたコリメーターレンズ(図示略)を含む。これにより、光源11は半導体レーザーから射出された第1光Bを平行光に変換して射出する。
光源11から射出した第1光Bは第1光学系12に入射する。第1光学系12は少なくとも1つの凸レンズを含み、第1光Bを集光させた状態でダイクロイックミラー13に入射させる。
ダイクロイックミラー13は第1光学系12の焦点近傍に配置される。これにより、第1光Bは、集光されて光束径が略最小化した状態でダイクロイックミラー13に入射する。このように第1光Bを集光させた状態でダイクロイックミラー13に入射させることで、ダイクロイックミラー13のサイズを小型化することができる。
ダイクロイックミラー13は、第1の波長帯を有する第1光Bを反射し、後述する波長変換素子15から射出される第2の波長帯の第2光Yを透過させる光学特性を有する。ダイクロイックミラー13は、誘電体多層膜から構成されている。
本実施形態の場合、第1光Bは発散した状態でダイクロイックミラー13に入射する。ダイクロイックミラー13で反射された第1光Bは第2光学系14に入射する。第2光学系14は少なくとも1つの凸レンズを含み、発散光として入射する第1光Bを平行化する。第2光学系14により平行化された第1光Bは波長変換素子15に入射する。すなわち、本実施形態において、第1光Bは平行光として波長変換素子15に入射する。
図3は波長変換素子15の構成を示す断面図である。
図3に示すように、波長変換素子15は、基板21と、反射層22と、波長変換層23と、構造体40と、ハーフミラー層(光学層)25と、を備えている。基板21は上面21aを有する。基板21は、反射層22、波長変換層23、構造体40およびハーフミラー層25を支持する支持基板である他、当該波長変換層23から伝導された熱を放熱する放熱基板である。基板21は、高い熱伝導率を有する材料である、例えば、金属やセラミックス等により構成できる。
図3に示すように、波長変換素子15は、基板21と、反射層22と、波長変換層23と、構造体40と、ハーフミラー層(光学層)25と、を備えている。基板21は上面21aを有する。基板21は、反射層22、波長変換層23、構造体40およびハーフミラー層25を支持する支持基板である他、当該波長変換層23から伝導された熱を放熱する放熱基板である。基板21は、高い熱伝導率を有する材料である、例えば、金属やセラミックス等により構成できる。
反射層22は基板21の上面21aに設けられる。すなわち、反射層22は、基板21と波長変換層23との間に位置し、当該波長変換層23から入射する光を、当該波長変換層23側に反射する。反射層22は、誘電体多層膜、金属ミラーおよび増反射膜等を含む積層膜で構成される。
波長変換層23は反射層22上に設けられる。波長変換層23は、第1光Bが入射する上面23aと、上面23aとは異なる下面23bと、を有している。波長変換層23は、第1の波長帯の第1光Bを第1の波長帯とは異なる第2の波長帯を有する第2光Yに変換する。
波長変換層23は、セラミック蛍光体を含んでいてもよいし、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。第2波長帯は、例えば500~680nmである。すなわち、第2光Yは、緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。
波長変換層23は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム(Ce)を含有するYAG:Ceを例にとると、波長変換層23として、Y2O3、Al2O3、CeO3等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やソルゲル法等の湿式法により得られるY-Al-Oアモルファス粒子、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるYAG粒子等を用いることができる。なお、波長変換層23として多孔質焼結体を用いる場合、蛍光体内部で光が散乱し、横方向へ光が伝搬しにくいため光利用効率の観点でも望ましい。
構造体40は、波長変換層23の上面23aに設けられ、第1光Bの一部を散乱させる。構造体40は、複数の構造部45と、複数の平坦部43と、を含む。複数の構造部45は、第1の構造部41と、第2の構造部42と、を含む。平坦部43は、第1の構造部41と第2の構造部42との間に設けられる。第1の構造部41および第2の構造部42は、複数の構造部45のうちの隣り合う2つの構造部である。
本実施形態の場合、第1の構造部41および第2の構造部42は四角錐形状を有する。以下、第1の構造部41および第2の構造部42を特に区別しない場合、第1の構造部41および第2の構造部42を単に「構造部45」と称す。
本実施形態において、構造体40は波長変換層23と別体で形成される。本実施形態の構造体40は、例えば、蒸着法、スパッタ法、CVD法、塗布法などによって誘電体を形成した後、フォトリソグラフィーで加工する手法が適している。他にも、ナノインプリントなどの印刷法、転写法を用いても良い。構造体40は、光吸収が小さく、化学的に安定な材料で構成することが好ましい。すなわち、構造体40は、屈折率が1.3~2.5の範囲の材料で構成され、例えば、SiO2、SiON、TiO2等を用いることができる。例えばSiO2を用いて構造体40を構成すれば、ウェットあるいはドライエッチングによって精度良く加工することが可能である。
ハーフミラー層25は、構造体40上に設けられ、第1光Bの一部を反射させ、第1光Bの他の一部を透過させ、第2光Yを透過させる。ハーフミラー層25の反射率は、材料および層構成によって反射率および波長特性を自由度高く設計可能である。ハーフミラー層25は、構造部45および平坦部43を覆う。
本実施形態のハーフミラー層25は、光吸収を抑制するため、誘電体多層膜で構成している。誘電体多層膜に用いる材料は化学的に安定で一般的に用いられる材料である、例えば、MgF2、SiO2、Al2O3、Y2O3、CeO2、HfO2、La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2のいずれかが好ましい。なお、MgF2、SiO2は低屈折率材料として好適であり、Al2O3、Y2O3、CeO2、HfO2、La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2は中間~高屈折率材料として好適である。本実施形態のハーフミラー層25は、例えばSiO2とTiO2とが交互に複数積層した誘電体多層膜で構成される。
ハーフミラー層25は、第1の層25aと、第2の層25bと、を含む。第1の層25aは、ハーフミラー層25のうち構造部45を覆う層である。第2の層25bは、ハーフミラー層25のうち平坦部43を覆う層である。
本実施形態の構造体40は、第1の層25aが設けられた構造部45において、第1光Bに対して第1の反射率を有する。具体的に、第1の構造部41および第2の構造部42は、第1の層25aにより表面が覆われることで、第1光Bに対して第1の反射率をそれぞれ有する。
また、本実施形態の構造体40は、第2の層25bが設けられた平坦部43において、第1光Bに対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。具体的に、平坦部43は、第2の層25bにより表面が覆われることで、第1光Bに対して第2の反射率を有する。本実施形態の場合、第1の反射率は、後述のように第2の反射率よりも大きい。
本実施形態において、第1の層25aの膜厚は、第2の層25bの膜厚よりも薄い。ここで、第1の層25aの膜厚とは、第1の構造部41または第2の構造部42の表面に対する法線方向における厚さを意味し、第2の層25bの膜厚とは、平坦部43の表面に対する法線方向における厚さを意味する。
ハーフミラー層25は、例えば、蒸着法、スパッタ法、CVD法、塗布法などによって形成される。構造部45の表面は、平坦部43の表面に対して傾斜している。そのため、例えば、蒸着法を用いれば、上述したように、構造部45を覆う第1の層25aの膜厚を、平坦部43を覆う第2の層25bの膜厚よりも薄くする構成を同一プロセスによって容易に実現できる。
また、スパッタ法、CVD法を用いてハーフミラー層25を形成する場合、蒸着法と比較して、成膜粒子の付着確率差が小さく膜厚分布が小さくなるものの、それぞれの装置に適した膜厚比を算出して設計・成膜することで蒸着法と同様の反射特性を有するハーフミラー層25を形成できる。また、ALD(Atomic Layer Deposition)法によってハーフミラー層25を形成してもよい。この場合、構造部45と平坦部43との膜形成面に対する入射角度が異なることを利用して反射角度特性を設計することでハーフミラー層25を形成できる。
また、スパッタ法、CVD法を用いてハーフミラー層25を形成する場合、蒸着法と比較して、成膜粒子の付着確率差が小さく膜厚分布が小さくなるものの、それぞれの装置に適した膜厚比を算出して設計・成膜することで蒸着法と同様の反射特性を有するハーフミラー層25を形成できる。また、ALD(Atomic Layer Deposition)法によってハーフミラー層25を形成してもよい。この場合、構造部45と平坦部43との膜形成面に対する入射角度が異なることを利用して反射角度特性を設計することでハーフミラー層25を形成できる。
続いて、本実施形態のハーフミラー層25の光学特性について説明する。
図4Aは平坦部43を覆う第2の層25bの表面反射スペクトルを示す図である。図4Aは、所定の入射角度で入射する光に対する第2の層25bの表面での反射率を示している。図4Aにおいて、横軸は第2の層25bに入射する光の波長を示し、縦軸は第2の層25bの表面での反射率を示している。なお、図4Aでは、入射角度0度、10度で入射する光の反射率を示している。
図4Bは第2の層25bにおける第1光Bの反射率角度特性を示す図である。図4Bにおいて、横軸は第1光Bの入射角度を示し、縦軸は反射率を示している。
図4Aは平坦部43を覆う第2の層25bの表面反射スペクトルを示す図である。図4Aは、所定の入射角度で入射する光に対する第2の層25bの表面での反射率を示している。図4Aにおいて、横軸は第2の層25bに入射する光の波長を示し、縦軸は第2の層25bの表面での反射率を示している。なお、図4Aでは、入射角度0度、10度で入射する光の反射率を示している。
図4Bは第2の層25bにおける第1光Bの反射率角度特性を示す図である。図4Bにおいて、横軸は第1光Bの入射角度を示し、縦軸は反射率を示している。
本実施形態の場合、第2の層25bは平坦部43の表面に設けられるため、第1光Bは第2の層25bの表面に対して垂直方向、例えば、0±10度の角度分布をもって入射するものとした。図4Aに示すように、本実施形態の第2の層25bは、当該第2の層25bにおける略垂直方向の光線(入射角度0度あるいは10度)に対する反射率が第1光Bにおける第1の波長帯(450~460nm)において低い。すなわち、第2の層25bは、当該第2の層25bに対して略垂直方向から入射する光に対する透過率のピークPが第1の波長帯となるように設計されている。つまり、第2の層25bは、当該第2の層25bに対して略垂直方向から入射する第1波長帯の光に対する反射率が最も低くするように設計されている。そのため、図4Bに示すように、第2の層25bは、該第2の層25bに対して0度から10度の角度範囲で入射する第1光Bの反射率が5%程度とされる。すなわち、本実施形態において、平坦部43の表面に設けられた第2の層25bによる第1光Bの反射率は5%程度となる。
本実施形態において、構造体45の表面における平坦部43の表面に対する傾斜角度を例えば30度とした。上述のように第1光Bは、構造体45の表面に対して、0±10度の角度分布をもって入射するものとする。このとき、第1光Bは、構造部45に設けられた第1の層25aの表面に対して、入射角度20~40度の斜め方向から入射する。
図5Aは構造部45を覆う第1の層25aの表面反射スペクトルを示す図である。図5Aは、入射角度20~40度で入射する第1光Bに対する第1の層25aの表面による反射率を示している。図5Aにおいて、横軸は第1の層25aに入射する光の波長を示し、縦軸は第1の層25aの表面での反射率を示している。なお、図5Aでは、入射角度20度、30度、40度で入射する光の反射率をそれぞれ示している。
図5Bは第1の層25aにおける第1光Bの反射率角度特性を示す図である。図5Bにおいて、横軸は第1光Bの入射角度を示し、縦軸は反射率を示している。
図5Bは第1の層25aにおける第1光Bの反射率角度特性を示す図である。図5Bにおいて、横軸は第1光Bの入射角度を示し、縦軸は反射率を示している。
ところで、一般的に、ハーフミラー層25の形成材料である誘電体多層膜は、膜厚が薄くなるほど、反射スペクトルが短波長側にシフトする特性を有している。また、誘電体多層膜は、斜め方向から入射する光に対して、反射スペクトルが短波長側にシフトする特性がある。
本実施形態の場合、第1の層25aは上述のように第2の層25bよりも膜厚が薄い。また、第1光Bは第1の層25aに対して斜め方向から入射する。そのため、第1の層25aにおける第1光Bの反射スペクトルは、第2の層25bにおける第1光Bの反射スペクトルよりも、短波長側にシフトする。
図4Aに示したように第2の層25bにおける反射スペクトルは、第1の波長帯(450~460nm)の第1光Bに対する反射率が最も低くなっている。そのため、第1の層25aにおいて反射率が最も低くなる光の波長帯は第1の波長帯よりも低い波長帯にシフトしている。図5Aに示されるように、第1の層25aにおいて反射率が最も低くなる光の波長帯は、第1の波長帯よりも低い400nm程度となる。つまり、第1の層25aにおける第1の波長帯を有する第1光Bに対する反射率は、第2の層25bにおける第1光Bに対する反射率よりも高くなる。
図5Bに示すように、本実施形態において、第1の層25aは、該第1の層25aに対して20度から40度の角度範囲で入射する第1光Bの反射率が16%程度となる。
図5Bに示すように、本実施形態において、第1の層25aは、該第1の層25aに対して20度から40度の角度範囲で入射する第1光Bの反射率が16%程度となる。
このように本実施形態のハーフミラー層25は、平坦部43に入射する光に対する反射率が最も低くなる波長帯を第1光Bに対応させるとともに、構造部45に入射する光の反射スペクトルを短波長側にシフトさせることで、第2の層25bにおける第1光Bに対する反射率よりも第1の層25aにおける第1光Bに対する反射率を大きくしている。
図6Aおよび図6Bは波長変換素子15で反射される第1光Bを説明するための要部拡大図である。図6Aおよび図6Bにおいて、四角錐形状からなる構造部45の中心を通る軸を中心軸Oとする。図6Aは、波長変換素子15の要部構成を示す平面図であり、図6Bは、構造部45の中心軸Oを通る、図6AのB-B線矢視による断面図である。なお、図6Aでは、図を見やすくするため、ハーフミラー層25を省略している。以下の説明において、波長変換層23の上面23aに設けられた構造体40に入射した第1光Bのうち、構造部45に入射した成分を第1光Baとし、平坦部43に入射した成分を第1光Bbとする。
本実施形態の波長変換素子15は、上述のように平坦部43に比べて構造部45の反射率が高くなっている。そのため、図6Aおよび図6Bに示すように、本実施形態の波長変換素子15によれば、波長変換層23の上面23aに設けられた構造体40に入射した第1光Bのうち、構造部45に入射する第1光Baを相対的に多く反射し、平坦部43に入射する第1光Bbを相対的に少なく反射させることができる。
図6Bに示されるように、構造部45の表面は平坦部43の表面に対して傾斜面であるため、構造部45に入射した第1光Baは垂直方向から離れた斜め方向に向かって反射される。つまり、本実施形態の波長変換素子15は、第1光Bを垂直方向よりも斜め方向に多く反射するように散乱させて反射する。
本実施形態の場合、構造部45が四角錐形状を有するため、中心軸Oに沿う方向から視て、4つの側面の向く方向が90度ずつ異なっている。そのため、構造部45は、中心軸Oの周りに第1光Baを4方向に等方的に散乱反射することができる。
以下、波長変換素子15から散乱反射される第1光Bを散乱反射光と称す。
以下、波長変換素子15から散乱反射される第1光Bを散乱反射光と称す。
図7は本実施形態の波長変換素子15による散乱反射光B1の配光特性を示す図である。図7において、縦軸は散乱反射光B1における0度方向の配光分布を規定し、横軸方向は散乱反射光B1における±90度方向の配光分布を規定する。なお、図7では、本実施形態の波長変換素子15の配光特性を実施例として示し、比較例として、波長変換層23の上面23a上に構造体40のみを設けてハーフミラー層25を設けない波長変換素子の配光特性について図示する。
図7に示すように、比較例の波長変換素子では、散乱反射光B1の配光分布が0度方向から15~60度の範囲の斜め方向の全域に亘って略等しいことが分かる。
これに対して、本実施形態の波長変換素子15では、散乱反射光B1として、0度方向に沿う垂直方向よりも15~60度の範囲の斜め方向に成分を多く含む配光分布を有する光を射出することが分かる。
これに対して、本実施形態の波長変換素子15では、散乱反射光B1として、0度方向に沿う垂直方向よりも15~60度の範囲の斜め方向に成分を多く含む配光分布を有する光を射出することが分かる。
このように本実施形態の波長変換素子15によれば、図3に示すように、散乱反射光B1を垂直方向よりも斜め方向に多く反射することができる。なお、図3では、図を分かりやすくするため、散乱反射光B1の光束幅を垂直方向よりも斜め方向の方が太く示している。
本実施形態の構造体40は光吸収が小さい材料で構成されるため、第2光Yは構造体40の表面での反射が抑えられる。したがって、本実施形態の波長変換素子15において、波長変換層23で生成された第2光Yは、構造体40およびハーフミラー層25を透過して外部に効率良く射出される。
本実施形態の波長変換素子15によれば、散乱反射光B1と第2光Yとを含む白色の照明光WLを第2光学系14に向けて射出することができる。照明光WLは、第2光学系14により略平行化される。第2光学系14を透過した照明光WLは照明光軸AX上に配置されたダイクロイックミラー13を通過する。
ここで、ダイクロイックミラー13は、第1光Bを反射するとともに第2光Yを透過させる光学特性を有する。そのため、照明光WLに含まれる第2光Yはダイクロイックミラー13を透過して均一化照明光学系16に向かう。第2光Yはダイクロイックミラー13を透過するので、ダイクロイックミラー13による第2光Yの光損失を低減できる。
一方、照明光WLに含まれる散乱反射光B1は、第1光Bと同じ第1の波長帯の光であるため、ダイクロイックミラー13によって反射されてしまう。本実施形態において、照明光WLに含まれる散乱反射光B1は、上述のように垂直方向成分よりも斜め方向成分を多く含む配光分布を有している。そのため、散乱反射光B1に含まれる光線の多くは波長変換素子15の垂直方向に位置するダイクロイックミラー13を避けるように均一化照明光学系16に向かう。
これにより、ダイクロイックミラー13に入射する散乱反射光B1の光量が抑制されるので、ダイクロイックミラー13で反射されることで照明光WLとして有効利用されない散乱反射光B1の割合を低減できる。また、本実施形態では、第1光Bを集光させた状態でダイクロイックミラー13に入射することでダイクロイックミラー13を小型化している。そのため、ダイクロイックミラー13に入射する散乱反射光B1の光量をより低減することができる。
照明光WLが入射する均一化照明光学系16は、インテグレーター光学系31と、偏光変換素子32と、重畳光学系33と、を含む。インテグレーター光学系31は、第1マルチレンズアレイ31aと、第2マルチレンズアレイ31bと、を備えている。
偏光変換素子32は、偏光分離膜と位相差板とをアレイ状に並べて構成されている。偏光変換素子32は、照明光WLの偏光方向を所定の方向に揃える。具体的には、偏光変換素子32は、照明光WLの偏光方向を光変調装置4R,4G,4Bの入射側偏光板の透過軸の方向に揃える。
これにより、偏光変換素子32を透過した照明光WLを分離して得られる赤色光LR、緑色光LG、および青色光LBの偏光方向は、各光変調装置4R,4G,4Bの入射側偏光板の透過軸方向に一致する。よって、赤色光LR、緑色光LG、および青色光LBは、入射側偏光板でそれぞれ遮光されることなく、光変調装置4R,4G,4Bの画像形成領域にそれぞれ入射する。
重畳光学系33は、第2マルチレンズアレイ31bとともに、第1マルチレンズアレイ31aの各小レンズの像を各光変調装置4R,4G,4Bの各々の画像形成領域の近傍に結像させる。
本実施形態の照明装置2によれば、照明光WLの光利用効率を向上することができ、照明光WLの明るさ向上および消費電力の低減、あるいは光ロスに伴う装置内の発熱を抑制することができる。
(効果)
本実施形態の波長変換素子15は、基板21と、基板21の上面21aに設けられる反射層22と、反射層22に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bを第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の第2光Yに変換する波長変換層23と、波長変換層23に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bの一部を散乱させる構造体40と、構造体40に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bの一部を反射させ、第1の波長帯の第1光Bの他の一部を透過させ、第2の波長帯の第2光Yを透過させるハーフミラー層25と、を備え、構造体40は、第1の構造部41と、第2の構造部42と、第1の構造部41と第2の構造部42との間に設けられる平坦部43と、を含み、第1の構造部41および第2の構造部42に設けられる第1の層25aは、第1の波長帯の第1光Bに対して第1の反射率を有し、平坦部43に設けられる第2の層25bは、第1の波長帯の第1光Bに対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。本実施形態において、第1の反射率は、第2の反射率よりも大きい。
本実施形態の波長変換素子15は、基板21と、基板21の上面21aに設けられる反射層22と、反射層22に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bを第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の第2光Yに変換する波長変換層23と、波長変換層23に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bの一部を散乱させる構造体40と、構造体40に対向して設けられ、第1の波長帯の第1光Bの一部を反射させ、第1の波長帯の第1光Bの他の一部を透過させ、第2の波長帯の第2光Yを透過させるハーフミラー層25と、を備え、構造体40は、第1の構造部41と、第2の構造部42と、第1の構造部41と第2の構造部42との間に設けられる平坦部43と、を含み、第1の構造部41および第2の構造部42に設けられる第1の層25aは、第1の波長帯の第1光Bに対して第1の反射率を有し、平坦部43に設けられる第2の層25bは、第1の波長帯の第1光Bに対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。本実施形態において、第1の反射率は、第2の反射率よりも大きい。
本実施形態の波長変換素子15では、第1の層25aにおける第1の反射率が第2の層25bにおける第2の反射率よりも高くなる。これにより、構造体40は、垂直方向よりも斜め方向に向かう成分を多く含む配光分布を有する散乱反射光B1を生成する。散乱反射光B1は、ダイクロイックミラー13を避けるように進行する。よって、本実施形態の波長変換素子15によれば、ダイクロイックミラー13による光損失を低減することで第1光Bの光利用効率を向上できる。
本実施形態の波長変換素子15において、ハーフミラー層25は、第1の構造部41および第2の構造部42に設けられる第1の層25aは第1の膜厚を有し、平坦部43に設けられる第2の層25bは第2の膜厚を有し、第1の膜厚は、第2の膜厚よりも薄い。
膜厚の薄い第1の層25aでは、第1光Bの反射スペクトルが短波長側にシフトする。これにより、第1の層25aにおける第1の反射率が第2の層25bにおける第2の反射率よりも高くする構成を実現することができる。よって、上述のように垂直方向よりも斜め方向に成分を多く含む配光分布の散乱反射光B1を生成することができる。
本実施形態の波長変換素子15において、第1の構造部41および第2の構造部42は、四角錐形状を有する。
このような四角錐形状からなる第1の構造部41および第2の構造部42によれば、第1光Bを等方的に散乱させた散乱反射光B1を生成することができる。
本実施形態の波長変換素子15において、構造体40は、屈折率が1.3~2.5の範囲の材料で構成される。
この構成によれば、光吸収が小さく、化学的に安定な材料で構造体40を構成できる。
本実施形態の波長変換素子15において、ハーフミラー層25は、誘電体多層膜で構成される。
この構成によれば、光吸収を抑制したハーフミラー層25を形成できる。
本実施形態の波長変換素子15において、誘電体多層膜はMgF2、SiO2、Al2O3、Y2O3、CeO2、HfO2、La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2のいずれかを含む構成としてもよい。
この構成によれば、光吸収を抑制するとともに化学的に安定なでハーフミラー層25を形成できる。
本実施形態の照明装置2は、上記の波長変換素子15と、第1の波長帯の第1光Bを射出する光源11と、光源11から射出された第1の波長帯の第1光Bを波長変換素子15に向けて反射するダイクロイックミラー13と、を備える。
本実施形態の照明装置2によれば、ダイクロイックミラー13に入射する散乱反射光B1の光量が抑制されるので、照明光WLの光利用効率を向上することができる。
本実施形態の照明装置2において、ダイクロイックミラー13は、第2の波長帯の第2光Yを透過する構成としてもよい。
この構成によれば、ダイクロイックミラー13による第2光Yの光損失を低減できる。
本実施形態のプロジェクター1は、照明装置2と、照明装置2からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置4R,4G,4Bと、光変調装置4R,4G,4Bにより変調された光を投射する投射光学装置6と、を備える。
本実施形態のプロジェクター1によれば、照明光WLの光利用効率を向上させた照明装置2を備えるので、光効率が高く、明るい画像を表示するプロジェクターを提供できる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態において、構造体40は波長変換層23と別体で形成されたが、構造体40は波長変換層23と一体で形成されてもよい。図8は構造体40および波長変換層23を一体形成した構成を示す図である。図8に示すように、構造体40が波長変換層23の上面23aに直接形成された構成によれば、構造体40を形成する工程を削減でき、波長変換素子15のコストを低減できる。また、構造体40および波長変換層23の屈折率が同一のため、構造体40および波長変換層23の界面反射が無くなるので、光が横方向へ逃げにくくなり、結果的にエテンデューを小さくできる。
例えば、上記実施形態において、構造体40は波長変換層23と別体で形成されたが、構造体40は波長変換層23と一体で形成されてもよい。図8は構造体40および波長変換層23を一体形成した構成を示す図である。図8に示すように、構造体40が波長変換層23の上面23aに直接形成された構成によれば、構造体40を形成する工程を削減でき、波長変換素子15のコストを低減できる。また、構造体40および波長変換層23の屈折率が同一のため、構造体40および波長変換層23の界面反射が無くなるので、光が横方向へ逃げにくくなり、結果的にエテンデューを小さくできる。
また、構造部45の形状は四角錐形状に限定されず、凸レンズ形状、凹レンズ形状でもよい。また、上記実施形態の構造体40では、同一形状の構造部45を等ピッチで複数配置していたが、同一あるいは異なる形状の構造部45をランダムに配置して構造体40を構成してもよい。また、構造部45において、第1の構造部41および第2の構造部42の形状を異ならせてもよい。
また、上記実施形態において、波長変換素子15は、第1光Bに対して波長変換層23が移動しない固定方式の構造を採用したが、第1光Bに対して波長変換層23が回転するホイール方式の構造を採用してもよい。
その他、照明装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明による照明装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに適用してもよい。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、1つの光変調装置のみを有していてもよい。
上記実施形態では、本発明による照明装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、基板と、基板に設けられる反射層と、反射層に設けられ、第1の波長帯の光を第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、波長変換層に設けられ、第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、構造体に設けられ、第1の波長帯の光の一部を反射させ、第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、第1の構造部と第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、第1の構造部および第2の構造部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、平坦部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、基板と、基板に設けられる反射層と、反射層に設けられ、第1の波長帯の光を第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、波長変換層に設けられ、第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、構造体に設けられ、第1の波長帯の光の一部を反射させ、第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、第1の構造部と第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、第1の構造部および第2の構造部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、平坦部に設けられる光学層は、第1の波長帯の光に対して第1の反射率と異なる第2の反射率を有する。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、第1の反射率は、第2の反射率よりも大きい構成としてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、第1の構造部および第2の構造部に設けられる光学層は、第1の膜厚を有し、平坦部に設けられる光学層は、第1の膜厚と異なる第2の膜厚を有し、第1の膜厚は、第2の膜厚よりも薄い構成としてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、第1の構造部および第2の構造部は、四角錐形状を有する構成としてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、構造体は、屈折率が1.3~2.5の範囲の材料で構成される構成としてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、光学層は、誘電体多層膜で構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、誘電体多層膜は、MgF2、SiO2、Al2O3、Y2O3、CeO2、HfO2、La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2のいずれかを含む構成としてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、構造体は、波長変換層と一体形成されている構成としてもよい。
本発明の一つの態様の照明装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の照明装置は、上記の波長変換素子と、第1の波長帯の光を射出する光源と、光源から射出された第1の波長帯の光を波長変換素子に向けて反射する反射部材と、を備える。
本発明の照明装置は、上記の波長変換素子と、第1の波長帯の光を射出する光源と、光源から射出された第1の波長帯の光を波長変換素子に向けて反射する反射部材と、を備える。
本発明の一つの態様の光源装置において、反射部材は、第2の波長帯の光を透過する構成としてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。
1…プロジェクター、2…照明装置、4B,4G,4R…光変調装置、6…投射光学装置、11…光源、13…ダイクロイックミラー(反射部材)、15…波長変換素子、21…基板、21a…上面、22…反射層、23…波長変換層、25…ハーフミラー層(光学層)、25a…第1の層、25b…第2の層、40…構造体、41…第1の構造部、42…第2の構造部、43…平坦部、45…構造部。
Claims (11)
- 基板と、
前記基板に設けられる反射層と、
前記反射層に設けられ、第1の波長帯の光を前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光に変換する波長変換層と、
前記波長変換層に設けられ、前記第1の波長帯の光の一部を散乱させる構造体と、
前記構造体に設けられ、前記第1の波長帯の光の一部を反射させ、前記第1の波長帯の光の他の一部を透過させ、前記第2の波長帯の光を透過させる光学層と、を備え、
前記構造体は、第1の構造部と、第2の構造部と、前記第1の構造部と前記第2の構造部との間に設けられる平坦部と、を含み、
前記第1の構造部および前記第2の構造部に設けられる前記光学層は、前記第1の波長帯の光に対して第1の反射率を有し、
前記平坦部に設けられる前記光学層は、前記第1の波長帯の光に対して前記第1の反射率と異なる第2の反射率を有する
ことを特徴とする波長変換素子。 - 前記第1の反射率は、前記第2の反射率よりも大きい
ことを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。 - 前記第1の構造部および前記第2の構造部に設けられる前記光学層は、第1の膜厚を有し、
前記平坦部に設けられる前記光学層は、前記第1の膜厚と異なる第2の膜厚を有し、 前記第1の膜厚は、前記第2の膜厚よりも薄い
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の波長変換素子。 - 前記第1の構造部および前記第2の構造部は、四角錐形状を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。 - 前記構造体は、屈折率が1.3~2.5の範囲の材料で構成される
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。 - 前記光学層は、誘電体多層膜で構成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。 - 前記誘電体多層膜は、MgF2、SiO2、Al2O3、Y2O3、CeO2、HfO2、La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項6に記載の波長変換素子。 - 前記構造体は、前記波長変換層と一体形成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項7のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。 - 請求項1から請求項8のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記第1の波長帯の光を射出する光源と、
前記光源から射出された前記第1の波長帯の光を前記波長変換素子に向けて反射する反射部材と、を備える
ことを特徴とする照明装置。 - 前記反射部材は、前記第2の波長帯の光を透過する
ことを特徴とする請求項9に記載の照明装置。 - 請求項9または請求項10に記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える
ことを特徴とするプロジェクター。
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