JP6620621B2 - 波長変換素子、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

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。

近年、プロジェクター用の照明装置として、蛍光体を利用した照明装置が提案されている。この種の照明装置は、光源から射出された励起光を蛍光体に照射して蛍光光を発生させることにより、蛍光光を含む照明光を生成する。下記の特許文献１には、複数の気孔を含有させた蛍光体セラミックスと、励起光を射出する固体光源と、を備えた光源装置が開示されている。

特開２０１２−６４４８４号公報

蛍光光は、蛍光体の内部を等方的に伝播した後に外部に射出されるため、発光領域（蛍光光の射出領域）は、励起光の入射領域よりも大きくなる。発光領域が大きくなるとエテンデューが大きくなり、蛍光体の後段の集光レンズで呑み込めない成分が生じる。これにより、蛍光光の利用効率が低下する。

特許文献１の光源装置では、蛍光体層に複数の気泡を含有させることによって、蛍光体層に散乱性を持たせ、発光領域の拡大を低減している。ところが、蛍光体層に複数の気泡を含有させると、蛍光光だけでなく、蛍光体層に入射した励起光も散乱される。そのため、励起光の一部は、蛍光体に吸収されずに後方散乱し、蛍光体層の外部へ射出される。これにより、励起光の利用効率が低下する。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の波長変換素子を備えた照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、蛍光体を含む主相と、前記主相の屈折率とは異なる屈折率を有するとともに前記主相の内部に分散された複数の副相と、を有する蛍光体層を備え、前記複数の副相のうち、少なくとも一部の前記副相の形状は、長手方向を有し、前記複数の副相の配向は、全体として異方性を有する。

本発明の一つの態様の波長変換素子においては、蛍光体を含む主相の内部に分散された複数の副相のうち、少なくとも一部の副相の形状が長手方向を有し、複数の副相の配向が全体として異方性を有するため、光の散乱性に異方性が生じる。これにより、特定の方向から入射される励起光は透過しやすく、後方散乱されにくいため、励起光の利用効率が高くなる。一方、等方的に発せられる蛍光光は散乱されやすいため、発光領域の拡大が低減される。このようにして、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子が提供できる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記複数の副相の各々は、屈折率異方性を有し、前記蛍光体層は、全体として屈折率異方性を有していていもよい。
この構成によれば、副相の光軸と平行に進行する光の散乱を弱め、光軸と平行な方向以外の方向に進行する光の散乱をより高められる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記複数の副相の各々は、前記副相の長手方向に光軸を有していてもよい。
この構成によれば、複数の副相の光軸を略同一方向に揃えることが比較的容易になる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記複数の副相の各々は、結晶性粒子から構成されていてもよい。
この構成によれば、蛍光光に対する散乱性が高く、かつ、耐熱性の高い蛍光体層を構成しやすい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記複数の副相の各々は、気泡から構成されていてもよい。
この構成によれば、複数の副相の各々を気泡以外の材料で構成する場合に比べ、主相と副相との界面への光の入射前後の進行方向をより大きく変えることができる。

本発明の一つの態様の照明装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記蛍光体を励起させる励起光を射出する光源と、を備え、前記蛍光体層は、前記励起光が入射する光入射面を有し、前記複数の副相の配向方向は、前記光入射面と交差している。
この構成によれば、蛍光体層に入射した励起光は散乱しにくく、蛍光体層の内部で発生した蛍光光は散乱しやすくなる。これにより、励起光の利用効率に優れ、エテンデューが小さい照明装置を実現することができる。

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、前記照明装置から射出された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系と、を備えている。
この構成によれば、光の利用効率が高いプロジェクターを実現することができる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の断面図である。 比較例の波長変換素子において一つの気泡に対する光の振る舞いを示す図である。 本実施形態の波長変換素子において一つの気泡に対する光の振る舞いを示す図である。 比較例の波長変換素子において複数の気泡における励起光の作用を説明するための図である。 本実施形態の波長変換素子において複数の気泡における励起光の作用を説明するための図である。 比較例の波長変換素子において複数の気泡における蛍光光の作用を説明するための図である。 本実施形態の波長変換素子において複数の気泡における蛍光光の作用を説明するための図である。 シミュレーションでの散乱体を示す斜視図である。 シミュレーションにおいて、蛍光体層から射出される蛍光光の強度分布を示すグラフである。 第２実施形態の波長変換素子における蛍光体層の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子における蛍光体層の断面図である。 散乱体の形状と後方散乱との関係を示すグラフである。 第４実施形態の波長変換素子の断面図である。 第５実施形態の波長変換素子の断面図である。 第６実施形態の波長変換素子の断面図である。 第７実施形態の波長変換素子の断面図である。 波長変換素子の変形例を示す断面図である。 波長変換素子の他の変形例を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
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。

［プロジェクター］
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を備えている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備えている。

図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１照明装置１００と、第２照明装置１０２と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、液晶光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学系６００と、を備える。
本実施形態の第１照明装置１００は、特許請求の範囲の照明装置に対応する。

第１照明装置１００は、第１光源１０と、コリメート光学系７０と、ダイクロイックミラー８０と、コリメート集光光学系９０と、回転蛍光板３０と、モーター５０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備える。

第１光源１０は、励起光として第１の波長帯の青色のレーザー光（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。第１光源１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色レーザー光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の光源に対応する。

第１光源１０は、第１光源１０から射出されるレーザー光の光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。
コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備える。コリメート光学系７０は、第１光源１０から射出された光を略平行化する。第１レンズ７２および第２レンズ７４は、凸レンズで構成されている。

ダイクロイックミラー８０は、コリメート光学系７０からコリメート集光光学系９０に至る光路中に、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとの各々に対して４５°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、励起光Ｅを反射させ、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光光Ｙを透過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０を通過した励起光Ｅを集光して回転蛍光板３０の波長変換素子４３に入射させる機能と、回転蛍光板３０から射出された蛍光を略平行化する機能と、を有する。コリメート集光光学系９０は、第１レンズ９２と、第２レンズ９４と、を備えている。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、散乱板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備えている。

第２光源７１０は、第１照明装置１００の第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。第２光源７１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備えている。集光光学系７６０は、第２光源７１０から射出された青色光Ｂを散乱板７３２上もしくは散乱板７３２の近傍に集光させる。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、凸レンズで構成されている。

散乱板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを散乱させ、回転蛍光板３０から射出された蛍光光Ｙの配光分布に近い配光分布を有する青色光Ｂを生成する。散乱板７３２として、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。

コリメート光学系７７０は、第１レンズ７７２と、第２レンズ７７４と、を備える。コリメート光学系７７０は、散乱板７３２から射出された光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０により反射され、回転蛍光板３０から射出されダイクロイックミラー８０を透過した蛍光光Ｙと合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗは、第１レンズアレイ１２０に入射する。

回転蛍光板３０は、モーター５０と、基材４０と、反射層４１と、蛍光体層４２と、を備える。回転蛍光板３０は、青色光からなる励起光Ｅが入射する側と同じ側に向けて蛍光光Ｙを射出する。すなわち、回転蛍光板３０は、反射型の回転蛍光板である。

基材４０は、例えばアルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属製の基材から構成される。基材４０は、モーター５０により回転軸の周りに回転可能とされている。基材４０は、平面形状が円形の板体であり、例えば直径が５０ｍｍ〜６０ｍｍ程度に設定され、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度に設定される。

蛍光体層４２は、平面形状が円環状の無機蛍光体材料から構成されている。蛍光体層４２は、基材４０の一面４０ａ側において、回転軸の周りに設けられている。

図２は、本実施形態の波長変換素子４３の断面図である。
図２に示すように、波長変換素子４３は、蛍光体層４２と、反射層４１と、を備えている。蛍光体層４２は、励起光Ｅが入射する光入射面４２ａと、光入射面４２ａと反対側の対向面４２ｂと、を有する。反射防止層４４は、蛍光体層４２の光入射面４２ａに設けられている。反射層４１は、蛍光体層４２の対向面４２ｂに設けられている。波長変換素子４３は、反射層４１に設けられた接着材層４５によって基材４０に貼り付けられている。接着材層４５としては、例えばシリコーン樹脂が用いられる。

蛍光体層４２は、バルク状の無機蛍光体４６と、無機蛍光体４６の内部に分散された複数の気泡４８と、を有する。複数の気泡４８の屈折率は、無機蛍光体４６の屈折率とは異なる。無機蛍光体４６には、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ））系蛍光体、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋系蛍光体、等の黄色光を発光する蛍光体を用いることができる。
本実施形態の無機蛍光体４６は、特許請求の範囲の主相に対応する。本実施形態の気泡４８は、特許請求の範囲の副相に対応する。

もしくは、黄色光を発光する無機蛍光体４６として、緑色蛍光体と赤色蛍光体とを混合した蛍光体を用いてもよい。その場合、緑色蛍光体として、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋系蛍光体、Ｙ_３Ｏ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体等を用いることができる。赤色蛍光体として、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体等を用いることができる。

複数の気泡４８の各々は、例えば楕円球状、棒状等の長手方向を有する形状を呈している。また、複数の気泡４８は、各気泡４８の長手方向が略同じ方向に揃って配向している。具体的には、複数の気泡４８は、各気泡４８の長手方向が蛍光体層４２の光入射面４２ａに概ね垂直な方向に配向している。このように、複数の気泡４８の配向は、異方性を有している。

このように、長手方向を有する複数の気泡４８を無機蛍光体４６の内部で所定の方向に配向させる一つの方法として、以下の押し出し成型法が挙げられる。
この方法では、例えばペースト状の無機蛍光体に、各々が細長い形状を有する樹脂製の複数の気泡形成材を混合する。この混合物を押し出し成型することにより、複数の気泡形成材が一方向に配向したグリーンシートを作成する。その後、グリーンシートを焼結し、気泡形成材を気泡に変化させる。これにより、複数の気泡が所定の方向に配向した無機蛍光体が形成される。

長手方向を有する複数の気泡４８を所定の方向に配向させる他の方法としては、以下のゲル化凍結法が挙げられる。
この方法では、蛍光体セラミックスの粉体を水溶性高分子の水溶液に分散させたスラリーを作製し、このスラリーをゲル化、凍結、解凍、乾燥、焼結することにより、多数の気泡を有する無機蛍光体が形成される。

反射防止層４４は、蛍光体層４２の光入射面４２ａに入射する励起光Ｅの反射を低減させるための膜である。反射防止層４４の具体例としては、例えば蛍光体層４２の光入射面４２ａを鏡面研磨し、その表面に誘電体多層膜を成膜したものなどが挙げられる。

反射層４１は、蛍光体層４２と接着材層４５との間に設けられている。反射層４１は、蛍光光Ｙを高い反射率で反射するように設計されている。反射層４１の具体例としては、例えばアルミニウム、銀等の反射率の高い金属反射膜が挙げられる。これにより、反射層４１は、基材４０側に向かう蛍光光Ｙの多くを図２の上方（基材４０とは反対側）に向けて反射する。

波長変換素子４３にはレーザー光からなる励起光Ｅが入射するため、波長変換素子４３において熱が発生する。本実施形態では、基材４０を回転させることで、蛍光体層４２における励起光Ｅの入射位置を時間的に変化させている。これにより、蛍光体層４２の同じ部分に励起光Ｅが常時照射され、蛍光体層４２が局所的に加熱されて劣化することを低減している。

図１に示すように、第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍で互いに重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、および重畳レンズ１５０は、回転蛍光板３０から射出された光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１００と第２照明装置１０２とから得られた白色光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを、対応する液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂに導光する。フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分および青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。 反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、およびフィールドレンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色光に対応するカラー画像を形成する。図示を省略したが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。投射光学系６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。

図３は、比較例の波長変換素子において一つの気泡に対する光の振る舞いを示す図である。
比較例として、球状の気泡を含む波長変換素子１００１を想定する。
図３に示すように、励起光Ｅは、蛍光体層１００２の光入射面１００２ａの法線方向から入射した後、蛍光体層１００２と気泡１００３との界面Ｋに入射する。このとき、励起光Ｅの一部は界面Ｋで反射し、反射光Ｅｒが蛍光体層１００２の内部を進む。また、励起光Ｅの他の一部は気泡１００３を透過した後、透過光Ｅｔが蛍光体層１００２の内部を進む。透過光Ｅｔは、入射側の界面Ｋ、射出側の界面Ｋの双方で屈折する。このように、励起光Ｅは、蛍光体層１００２と気泡１００３との界面Ｋに入射することにより、進行方向が大きく変わる。

一方、蛍光光は、蛍光体層１００２のあらゆる場所で発生し、発光点を中心として等方的に進行する。例えば気泡１００３から距離Ｄだけ離れた発光点Ｐ１から射出された蛍光光に着目すると、発光点Ｐ１から等方的に射出された蛍光光のうち、角度θ１の範囲内に射出された蛍光光Ｙ１のみが蛍光体層１００２と気泡１００３との界面Ｋに入射し、進行方向を変える。角度θ１の範囲外に射出された蛍光光Ｙ２は、界面Ｋに入射することなく、蛍光体層１００２の内部を進む。

図４は、本実施形態の波長変換素子４３において一つの気泡に対する光の振る舞いを示す図である。なお、図４では、反射防止層４４の図示は省略する。
図４に示すように、本実施形態の波長変換素子４３においても、比較例の場合と同様、励起光Ｅの一部は無機蛍光体４６と気泡４８との界面Ｋで反射し、励起光Ｅの他の一部は気泡４８を透過し、反射光Ｅｒ、透過光Ｅｔのそれぞれが蛍光体層４２の内部を進む。しかしながら、本実施形態の波長変換素子４３は、楕円球状の気泡４８の長手方向が光入射面４２ａの法線方向に略一致しているため、反射光Ｅｒ、透過光Ｅｔともに、光の進行方向がそれ程大きく変わらない。

一方、気泡４８から距離Ｄだけ離れた発光点Ｐ２から射出された蛍光光に着目すると、発光点Ｐ２から等方的に射出された蛍光光のうち、角度θ２の範囲内に射出された蛍光光Ｙ２のみが無機蛍光体４６と気泡４８との界面Ｋに入射し、進行方向を変える。ここで、本実施形態の波長変換素子４３は、球状の気泡１００３を含む蛍光体層１００２を備えた比較例と異なり、楕円球状の気泡４８を含む蛍光体層４２を備えているため、角度θ２は角度θ１よりも大きくなる。すなわち、発光点Ｐ２から等方的に射出された蛍光光のうち、無機蛍光体４６と気泡４８との界面Ｋに入射する蛍光光Ｙ２の割合は、本実施形態が比較例よりも大きい。

本実施形態においては、複数の副相の各々が気泡４８から構成された例を示したが、複数の副相の各々は必ずしも気泡４８に限ることはなく、バルクの無機蛍光体４６の屈折率と異なる屈折率を有する材料で構成されていればよい。ただし、複数の副相の各々が気泡４８から構成されている場合、界面Ｋでの屈折率差が最も大きくなるため、複数の副相の各々を気泡以外の材料で構成する場合に比べて、複数の副相への光の入射前後の進行方向をより大きく変えることができる。

また、蛍光体層における複数の気泡の作用については、以下のように考えることができる。
図５は、比較例の波長変換素子１００１において複数の気泡の励起光に対する作用を説明するための図であり、蛍光体層の光入射面の法線方向から見た平面図である。
図６は、本実施形態の波長変換素子４３において複数の気泡の励起光に対する作用を説明するための図であり、蛍光体層の光入射面の法線方向から見た平面図である。

図７は、比較例の波長変換素子１００１において複数の気泡の蛍光光に対する作用を説明するための図であり、蛍光体層の光入射面に垂直な任意の平面で切断した断面図である。
図８は、本実施形態の波長変換素子４３において複数の気泡の蛍光光に対する作用を説明するための図であり、蛍光体層の光入射面に垂直な任意の平面で切断した断面図である。
以下の検討において、比較例の波長変換素子における一つの気泡の体積と、本実施形態の波長変換素子における一つの気泡の体積と、が等しいと仮定する。

上述したように、比較例の気泡１００３は球状であり、本実施形態の気泡４８は楕円球状であり、比較例の気泡１００３と本実施形態の気泡４８とは体積が等しい。そのため、各蛍光体層の光入射面の法線方向から見たとき、図５および図６に示すように、蛍光体層１００２，４２の単位面積当たりの複数の気泡１００３，４８の占有面積は、本実施形態の方が比較例よりも小さい。したがって、単位面積当たりの蛍光体層１００２，４２に入射した励起光のうち、気泡１００３，４８に入射しない励起光の割合は、本実施形態の方が比較例よりも多い。

一方、蛍光体層の光入射面と平行な方向から見たとき、図７および図８に示すように、蛍光体層１００２，４２の単位面積当たりの複数の気泡１００３，４８の占有面積は、本実施形態の方が比較例よりも大きい。したがって、断面の単位面積を光入射面と平行な方向に進行する蛍光光のうち、気泡１００３，４８に入射する蛍光光の割合は、本実施形態の方が比較例よりも多い。

以上の作用をまとめると、光入射面と垂直な方向に進行する励起光に対する散乱性は、本実施形態の波長変換素子４３の方が比較例の波長変換素子１００１よりも小さい。一方、光入射面と平行な方向に進行する蛍光光に対する散乱性は、本実施形態の波長変換素子４３の方が比較例の波長変換素子１００１よりも大きい。これにより、本実施形態の波長変換素子４３では、励起光の後方散乱が従来よりも少なくなり、蛍光体の励起に寄与する励起光の割合が増える結果、励起光の利用効率が向上する。また、本実施形態の波長変換素子４３では、蛍光光に対する散乱性が比較例よりも高められることで蛍光光の光入射面と平行な方向への伝播が低減されるため、発光領域の拡大が低減される。このように、本実施形態によれば、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子４３を提供することができる。

また、本実施形態によれば、上記の波長変換素子４３が用いられたことにより、励起光の利用効率に優れ、エテンデューが小さい第１照明装置１００を実現することができる。また、本実施形態によれば、上記の第１照明装置１００が用いられたことにより、高効率のプロジェクター１を実現することができる。

本発明者は、本実施形態の波長変換素子４３の効果を実証するためのシミュレーションを行った。
以下、その結果について説明する。

シミュレーション条件として、蛍光体層の主相を構成する蛍光体としてＹＡＧ結晶体を用い、その内部に副相として複数の気泡を分散させる構成とした。図９に示すように、気泡４８の形状は楕円球状とし、楕円の長軸ａを４．０μｍ、楕円の短軸ｂおよび短軸ｃをともに０．５μｍとした。蛍光体層における励起光の入射領域は一辺の長さが１．０ｍｍの正方形状の領域とし、励起光の強度分布はトップハット形状とした。また、蛍光光の射出領域の一辺の長さが、後述する相対強度の１／２値においてそれぞれ１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとなるように、気泡の量を調整した。

図１０は、シミュレーション結果を示すグラフであって、蛍光体層から射出される蛍光光の強度分布を示している。グラフの横軸は蛍光体層の位置［ｍｍ］を示しており、グラフの縦軸は相対強度［ａ．ｕ．］を示している。
蛍光光は蛍光体層の内部を横方向に伝播し、蛍光体層から射出される。そのため、励起光の入射領域の中心位置で蛍光光の強度は最大値となり、入射領域の周辺に向けて強度は低下する。したがって、励起光の入射領域Ｒ０の一辺の長さが１．０ｍｍであるとき、蛍光光の射出領域の一辺の長さは１．０ｍｍよりも大きくなる。ここでは、蛍光光の相対強度の最大値を１としたとき、相対強度が最大値の１／２以上になる射出領域Ｒ１の一辺の長さを１／２値と称し、相対強度が最大値の１／５以上になる射出領域Ｒ２の一辺の長さを１／５値と称する。

蛍光光の射出領域の一辺の長さ、すなわち蛍光光の広がり幅が１／２値でそれぞれ１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍのとき、蛍光体層に入射した励起光のうち後方散乱した励起光の割合、および気泡率を表１に示す。なお、気泡率は、蛍光体層の単位体積当たりの複数の気泡が占める体積の割合である。

表１に示すように、気泡率を０．４０％から４．３０％に大きくすることにより、蛍光光の広がり幅を１／２値で１．４ｍｍから１．１ｍｍ、１／５値で１．８ｍｍから１．６ｍｍに小さくすることができた。ただし、比較例の波長変換素子の場合、気泡率を０．４％から４．３０％に大きくすると、励起光の後方散乱割合が０．９％から２０．７％に増加し、励起光の利用効率が大きく低下した。これに対し、本実施形態の波長変換素子の場合、気泡率を０．４０％から４．３０％に大きくしても、励起光の後方散乱割合を３．３％に抑えることができ、比較例に比べて励起光の利用効率を高めることができた。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１１を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図１１は、第２実施形態の波長変換素子の断面図である。図１１は、第１実施形態における図２に対応している。
図１１において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の波長変換素子４３では、全ての気泡４８が、蛍光体層４２の光入射面に垂直な方向に配向していた。これに対して、図１１に示すように、第２実施形態の波長変換素子５２においては、複数の気泡４８のうち、一部の気泡４８ａは、長手方向が蛍光体層５３の光入射面５３ａに垂直な方向を向くように配向している。また、他の気泡４８ｂは、長手方向が光入射面５３ａに垂直な方向とずれた方向を向くように配向している。ただし、複数の気泡４８は、全体として長手方向が蛍光体層５３の光入射面５３ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。したがって、第２実施形態の場合も、第１実施形態と同様、複数の気泡４８の各々の形状は長手方向を有し、複数の気泡４８の配向は異方性を有している。

第２実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子５２を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１２および図１３を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図１２は、第３実施形態の波長変換素子の断面図である。図１２は、第１実施形態における図２に対応している。
図１２において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の波長変換素子４３では、全ての気泡４８が、長手方向を有していた。これに対して、図１２に示すように、第３実施形態の波長変換素子５５においては、複数の気泡４８のうち、一部の気泡４８ａは、形状が楕円球状であり、長手方向を有している。気泡４８ａは、長手方向が蛍光体層５６の光入射面５６ａに垂直な方向を向くように配向している。一方、他の気泡４８ｃは、形状が球状であり、長手方向を有していない。この例では、長手方向を有する気泡４８ａは、長手方向を有していない気泡４８ｃよりも多い。このように、第３実施形態の波長変換素子５５では、複数の気泡４８のうち、一部の気泡４８ａの形状は長手方向を有しており、複数の気泡４８の配向は全体として異方性を有している。

第３実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

本発明者は、上記の気泡４８ａと気泡４８ｃとの含有割合と励起光の後方散乱の割合との関係を調べるシミュレーションを行った。
図１３は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、球形状気泡（長手方向を有していない気泡４８ｃ）の含有割合［％］を示している。グラフの縦軸は、後方散乱割合（蛍光体層に入射した励起光の光量に対する後方散乱した励起光の量の割合）［％］を示している。

図１３に示すように、球形状の気泡４８ｃの含有割合が４０％未満になると、励起光の後方散乱が低下する割合が増加し、気泡４８ｃの含有割合が２０％未満になると、励起光の後方散乱が低下する割合が急激に増加する。以上のことから、楕円球状の気泡４８ａの含有割合は６０％以上とすることが好ましく、気泡４８ａの含有割合は８０％以上とすることがより好ましいことが判った。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１４を用いて説明する。
第４実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図１４は、第４実施形態の波長変換素子の断面図である。図１４は、第１実施形態における図２に対応している。
図１４において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１〜第３実施形態の波長変換素子において、蛍光体層は、バルク状の無機蛍光体と複数の気泡とを有していた。これに対して、図１４に示すように、第４実施形態の波長変換素子５８において、蛍光体層５９は、バインダー６０と、複数の蛍光体粒子６１と、複数の気泡４８と、を備えている。複数の蛍光体粒子６１および複数の気泡４８は、バインダー６０の内部に略均一に分散している。複数の気泡４８は、形状が楕円球状であり、長手方向を有している。複数の気泡４８は、長手方向が蛍光体層５９の光入射面５９ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。したがって、第４実施形態の波長変換素子５８において、複数の気泡４８は長手方向を有しており、複数の気泡４８の配向は、全体として異方性を有している。

バインダー６０は、透光性を有する無機材料もしくは有機材料で構成される。具体的には、無機材料として、例えばガラス、もしくはアルミナ、ＹＡＧ、ＬｕＡＧなどの透光性酸化物セラミックスなどが用いられる。有機材料としては、例えばアクリル樹脂などの樹脂材料が用いられる。蛍光体粒子６１としては、第１実施形態で挙げた蛍光体の粒子が用いられる。

第４実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１５を用いて説明する。
第５実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
以下の第５〜第７実施形態では、散乱体（副相）が屈折率異方性を有する例を挙げる。
図１５は、第５実施形態の波長変換素子の断面図である。図１５は、第１実施形態における図２に対応している。
図１５において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１５に示すように、第５実施形態の波長変換素子６２において、蛍光体層６３は、バルク状の無機蛍光体４６と、複数の結晶性粒子６４と、を有する。複数の結晶性粒子６４の各々は、形状が柱状であり、長手方向を有している。複数の結晶性粒子６４は、長手方向が蛍光体層６３の光入射面６３ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。

また、複数の結晶性粒子６４の各々は、屈折率異方性を有し、長手方向に光軸を有している。したがって、複数の結晶性粒子６４は、光軸が蛍光体層６３の光入射面６３ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。これにより、無機蛍光体４６は屈折率異方性を有していないが、蛍光体層６３は、全体として屈折率異方性を有している。また、バルク状の無機蛍光体４６は、第１実施形態と同様のものである。
本実施形態の結晶性粒子６４は、特許請求の範囲の副相に対応する。

屈折率異方性を有する結晶性粒子６４として、光学異方性を有する複屈折結晶を用いることができる。複屈折結晶に対して光軸以外の方向から光を入射した光は、互いに異なる方向に進む２本の光線に分離される。

複屈折結晶として、一軸結晶と二軸結晶のいずれを用いてもよい。一軸結晶としては、例えば水晶、方解石などの正方晶系材料、六方晶系材料が挙げられる。二軸結晶としては、例えばＫＧＷ，ＫＴＰ，ＬＢＯなどの斜方晶系材料、単斜方晶系材料、三斜方晶系材料が挙げられる。二軸結晶を用いる場合には、いずれか一方の光軸が蛍光体層６３の光入射面６３ａに概ね垂直な方向を向くように、結晶性粒子６４を配向させればよい。

第５実施形態の波長変換素子６２においては、励起光Ｅは、蛍光体層６３の光入射面６３ａの法線方向から入射し、結晶性粒子６４の光軸Ｊに平行な方向に進む。そのため、結晶性粒子６４は、光入射面６３ａの法線方向から入射した励起光Ｅに対しては、複屈折性を示さない。これにより、励起光Ｅの散乱は少なく、後方散乱割合が減少する。一方、蛍光光Ｙは、蛍光体層６３の内部で発生して等方的に進むため、結晶性粒子６４の光軸Ｊ以外の方向から結晶性粒子６４に入射する。このとき、結晶性粒子６４は、蛍光光Ｙに対しては複屈折性を示すため、散乱割合が多くなる。その結果、蛍光光Ｙは蛍光体層６３の内部を横方向に進みにくいため、蛍光光Ｙの射出領域の拡大が低減される。

すなわち、第５実施形態においては、個々の散乱体（副相）が長手方向を有し、複数の散乱体が配向異方性を有するという第１〜第４実施形態で述べた作用に、励起光Ｅと蛍光光Ｙに対する複屈折性が互いに異なる、という作用が加わることにより、励起光Ｅの散乱を小さく、蛍光光Ｙの散乱を大きくすることができる。これにより、第５実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子６２を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

波長変換素子６２は、第１実施形態で述べた方法によって製造することができる。

また、本実施形態においては、複数の副相の各々が結晶性粒子６４から構成されているため、蛍光光Ｙに対する散乱性が高く、かつ、耐熱性の高い蛍光体層６３を構成しやすい。ただし、複屈折材料として、高分子液晶などを用いることもできる。

［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１６を用いて説明する。
第６実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図１６は、第６実施形態の波長変換素子の断面図である。図１６は、第１実施形態における図２に対応している。
図１６において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第５実施形態の波長変換素子６２では、全ての結晶性粒子６４は、長手方向が蛍光体層６３の光入射面６３ａに垂直な方向を向くように配向していた。これに対して、図１６に示すように、第６実施形態の波長変換素子６６において、複数の結晶性粒子６４のうち、一部の結晶性粒子６４ａは、長手方向が蛍光体層６７の光入射面６７ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。また、他の結晶性粒子６４ｂは、長手方向が蛍光体層６７の光入射面６７ａに垂直な方向とずれた方向を向くように配向している。ただし、複数の結晶性粒子６４は、全体として長手方向が蛍光体層６７の光入射面６７ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。したがって、一部の結晶性粒子６４ａは、光軸Ｊが蛍光体層６７の光入射面６７ａに概ね垂直な方向を向くように配向し、他の結晶性粒子６４ｂは、光軸Ｊが蛍光体層６７の光入射面６７ａに垂直な方向とずれた方向を向くように配向している。

第６実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子６６を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第７実施形態］
以下、本発明の第７実施形態について、図１７を用いて説明する。
第７実施形態のプロジェクターおよび照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図１７は、第７実施形態の波長変換素子の断面図である。図１７は、第１実施形態における図２に対応している。
図１７において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第５〜第６実施形態の波長変換素子において、蛍光体層は、バルク状の無機蛍光体と複数の結晶性粒子とを有していた。これに対して、図１７に示すように、第７実施形態の波長変換素子６８において、蛍光体層６９は、バインダー６０と、複数の蛍光体粒子６１と、複数の結晶性粒子６４と、を備えている。複数の蛍光体粒子６１および複数の結晶性粒子６４は、バインダー６０の内部に略均一に分散している。

複数の結晶性粒子６４は、形状が柱状であり、長手方向を有している。複数の結晶性粒子６４は、長手方向が蛍光体層６９の光入射面６９ａに概ね垂直な方向を向くように配向している。したがって、複数の結晶性粒子６４は、長手方向を有しており、複数の結晶性粒子６４の配向は、全体として異方性を有している。バインダー６０および蛍光体粒子６１は、第４実施形態で挙げたものと同様である。

第７実施形態においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子６８を提供することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

上記第１〜第７実施形態においては、励起光の光入射面から蛍光光を射出させる反射型の波長変換素子の例を挙げた。ただし、本発明の一つの態様は、反射型の波長変換素子に限らず、透過型の波長変換素子に適用することもできる。

図１８は、透過型の波長変換素子の例を示す断面図である。
図１８において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１８に示すように、波長変換素子７６は、蛍光体層４２と、選択反射層７７と、を備えている。波長変換素子７６は、選択反射層７７に設けられた接着材層４５により光透過性を有する基材７８に貼り付けられている。この波長変換素子７６の場合、励起光Ｅは基材７８の側から入射させる。そのため、蛍光体層４２の選択反射層７７に接する側の面が光入射面４２ａとなり、光入射面４２ａと反対側の面が光射出面４２ｂとなる。選択反射層７７は、励起光Ｅを選択的に透過させ、蛍光光Ｙを選択的に反射させる。

透過型の波長変換素子７６においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減することができる。

また、上記第１〜第７実施形態においては、回転蛍光板を構成する波長変換素子の例を挙げた。ただし、本発明の一つの態様は、回転型の波長変換素子に限らず、固定型の波長変換素子に適用することもできる。

図１９は、固定型の波長変換素子の例を示す断面図である。
図１９において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１９に示すように、波長変換素子８２は、固定型の基材８３の一面に接着材層４５により貼り付けられている。波長変換素子８２の要部の構成は、第１実施形態と同様であり、反射型の例である。なお、透過型の波長変換素子を光透過性を有する基材の一面に貼り付けた構成としてもよい。

このように、固定型の波長変換素子８２においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減することができる。

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。
例えば上記第５〜第７実施形態では、複数の結晶性粒子（副相）の各々の形状が長手方向を有し、さらに結晶性粒子の長手方向に屈折率異方性の光軸を有する例を挙げた。この構成に代えて、複数の副相の各々の形状が長手方向を有しておらず、さらに複数の副相の屈折率異方性の光軸が略一方向に揃って配向している構成であってもよい。例えば複数の結晶性粒子の各々の形状は球状であってもよい。結晶性粒子の形状が球状であったとしても、複数の結晶性粒子の光軸が光入射面に概ね垂直な方向に配向していれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

その他、波長変換素子および照明装置を構成する各構成要素の数、形状、材料、配置等については、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに本発明を適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

その他、プロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、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。

１…プロジェクター、４２，５３，５６，５９，６３，６７，６９…蛍光体層、４２ａ…光入射面、４３，５２，５５，５８，６２，６６，６８，７６…波長変換素子、４６…無機蛍光体（主相）、４８…気泡（副相）、６１…蛍光体粒子、６４…結晶性粒子（副相）、１００…第１照明装置（照明装置）。

Claims (7)

1. 蛍光体を含む主相と、前記主相の屈折率とは異なる屈折率を有するとともに前記主相の内部に分散された複数の副相と、を有する蛍光体層を備え、
   前記蛍光体層は、励起光が入射する光入射面を有し、
   前記複数の副相のうち、少なくとも一部の前記副相の形状は、長手方向を有し、
   前記複数の副相の配向方向は、前記光入射面と交差している、波長変換素子。
2. 前記複数の副相の各々は、屈折率異方性を有し、
   前記蛍光体層は、全体として屈折率異方性を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記複数の副相の各々は、前記副相の長手方向に光軸を有する、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記複数の副相の各々は、結晶性粒子から構成されている、請求項２または請求項３に記載の波長変換素子。
5. 前記複数の副相の各々は、気泡から構成されている、請求項１に記載の波長変換素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記蛍光体を励起させる前記励起光を射出する光源と、を備える、照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された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系と、を備えた、プロジェクター。

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