JP6747066B2 - 波長変換素子、照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、照明装置及びプロジェクターに関する。

従来、光源装置から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成し、当該画像をスクリーン等の被投射面上に拡大投射するプロジェクターが知られている。このようなプロジェクターに用いられる光源装置として、励起光源及び蛍光体層を有し、緑色光、赤色光及び青色光を含む照明光を出射するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の光源装置では、励起光源が有するＬＤ（Laser Diode）から出射された励起光（青色光）は、円板状の基材に入射される。この基材は、周方向に沿って分割された３つのセグメントを有し、１つのセグメントには、入射された励起光を赤色光に変換する赤色蛍光体が塗布され、他の１つのセグメントには、入射された励起光を緑色光に変換する緑色蛍光体が塗布されている。一方、残りの１つのセグメントには蛍光体が塗布されておらず、励起光に対する反射コートが施された鏡面となっている。このような基材が回転されると、励起光の照射スポットの位置が、時間的に３つのセグメントに亘って変化する。これにより、時間平均で赤、緑及び青の各色光が混色した出力光が光源装置から出射される。

特開２０１２−１０８４８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の光源装置では、基材から出射される赤色光及び緑色光の配光分布は、蛍光体における散乱の影響を受けて、ランバーシアンに近い配光分布となる。一方で、当該基材から出射される青色光は、散乱されない。このため、基材から出射される赤色光及び緑色光の放射角と、青色光の放射角とは異なってしまい、赤色光及び緑色光の光路径と、青色光の光路径とが揃わないという問題がある。
このような光源装置がプロジェクターに採用された場合、これらの色光が入射される光学部品が角度依存性を有する場合には、色分離や偏光分離が適切に実施されなくなる可能性がある他、形成される画像に色むらが生じる可能性がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決することを目的としたものであり、出射される光の放射角を揃えやすくすることができる波長変換素子、照明装置及びプロジェクターを提供することを目的の１つとする。

本発明の第１態様に係る波長変換素子は、基板と、前記基板における一方の面に位置する第１反射層と、前記第１反射層に対して前記基板とは反対側に位置し、入射された第１波長の光を前記第１波長とは異なる第２波長の光に変換する波長変換層と、前記波長変換層に対して前記第１反射層とは反対側に位置する第２反射層と、前記第２反射層に対して前記波長変換層とは反対側に位置し、入射される光を散乱させる光散乱層と、を有し、前記第２反射層は、前記第１波長の光の一部を反射させ、他の一部を透過させるとともに、前記第２波長の光を透過させる特性を有することを特徴とする。

なお、第１波長及び第２波長は、それぞれ所定の波長域の光であってもよい。また、波長変換層と第１反射層及び第２反射層との良好な接合状態を考慮すると、当該波長変換層は、セラミック蛍光体や、ガラスバインダーが含まれる蛍光体であることが好ましい。
上記第１態様によれば、光散乱層側から波長変換素子に第１波長の光が入射された場合、当該第１波長の光は、光散乱層を通過する際に散乱されて、第２反射層に到達する。この際、一部の光は、第２反射層を通過して波長変換層に入射され、上記第２波長の光に波長変換される。この第２波長の光のうち、一部の光は、第２反射層に向かって進行し、他の一部の光は、第１反射層側に進行して当該第１反射層にて反射された後、第２反射層に向かって進行する。この第２反射層は、第２波長の光を透過させる特性を有することから、当該第２波長の光は、第２反射層を通過して光散乱層に入射され、当該光散乱層にて散乱されて、波長変換素子外に出射される。
一方、第２反射層に到達した第１波長の光のうち、他の一部の光は、当該第２反射層にて反射され、光散乱層を通過する際に散乱されて、波長変換素子外に出射される。
これによれば、第２波長の光だけでなく、第１波長の光を散乱させて波長変換素子から出射できる。従って、波長変換素子から出射される第１波長の光の放射角と、第２波長の光の放射角とを揃えやすくすることができ、第１波長の光及び第２波長の光のそれぞれの光路径を揃えやすくすることができる。そして、第１波長の光が青色光であり、第２波長の光が緑色光及び赤色光を含む光である場合には、それぞれ含まれる色光の光路径が揃えられ、色むらの発生が抑制された白色光を出射できる。

上記第１態様では、前記光散乱層は、前記光散乱層において前記第２反射層とは反対側の面に、凹部及び凸部のうち少なくともいずれかの散乱構造を複数有することが好ましい。
このような構成によれば、上記散乱構造がない場合に比べて、光散乱層を通過する光を確実に散乱させることができる。このため、第２反射層にて反射され光散乱層を通過して波長変換素子外に出射される第１波長の光の放射角をより大きくすることができる。従って、波長変換素子から出射される第１波長の光及び第２波長の光のそれぞれの放射角を確実に揃えやすくすることができる。

上記第１態様では、前記散乱構造は、レンズ形状であることが好ましい。
なお、レンズ形状としては、凹状又は凸状の半球状（略半球状を含む）を例示できる。
このような構成によれば、光散乱層から波長変換素子外に出射される光を、より確実に散乱させることができる。従って、第１波長の光及び第２波長の光のそれぞれの波長変換素子からの放射角及び光路径をより確実に揃えやすくすることができる。
なお、このような散乱構造では、平坦な部分は可能な限り無い方がよい。これは、第１の波長が通過する部位に平坦な部分が存在すると、波長変換素子の外部に出射される第１波長の光の放射角が広がりづらくなるためである。

上記第１態様では、前記光散乱層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率より小さいことが好ましい。
ここで、光散乱層の屈折率が波長変換層の屈折率と同じ場合や、当該波長変換層の屈折率より高い場合には、光散乱層の厚さ寸法（基板から光散乱層に向かう方向の寸法）が小さいと、当該光散乱層と波長変換素子の外部との界面に比較的大きな角度で、第２反射層を通過した第２波長の光が入射される。この場合、第２波長の光は、当該界面に臨界角以上の角度で入射されやすくなって、波長変換素子外に出射されづらくなる。
これに対し、上記構成によれば、上記界面に臨界角以下の角度で第２波長の光を入射させやすくすることができる。従って、当該界面から第２波長の光を波長変換素子外に出射させやすくすることができ、当該界面にて散乱させて波長変換素子外に第２波長の光を出射できる。

上記第１態様では、前記光散乱層は、シリコーン樹脂により形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、上記特性を有する光散乱層を容易に形成できる他、当該光散乱層を薄く形成できる。また、光散乱層が上記凹部及び凸部の少なくともいずれかの散乱構造を有する場合でも、型を押圧する等して、当該散乱構造を容易に光散乱層に形成できる。更に、光散乱層の屈折率を波長変換層の屈折率より確実に小さくすることができる。

本発明の第２態様に係る照明装置は、上記波長変換素子と、前記第１波長の光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
上記第２態様によれば、上記第１態様に係る波長変換素子と同様の効果を奏することができる。従って、色むらの発生が抑制された照明光を得ることができる。

上記第２態様では、前記第１波長の光は、青色光であり、前記第２波長の光は、緑色光及び赤色光を含む光であることが好ましい。
このような構成によれば、照明装置から出射される照明光を、白色光とすることができる。従って、照明装置の利便性を向上させることができる。この他、光源から出射された青色光を分けて拡散させる構成を別途設ける必要や、青色光用の光源を別途設ける必要がないので、照明装置の構成を簡略化できる。

本発明の第３態様に係るプロジェクターは、上記照明装置と、前記照明装置から出射された光を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。
上記第３態様によれば、上記第２態様に係る照明装置と同様の効果を奏することができるので、色むらの発生が抑制された投射画像を投射できる。

本発明の一実施形態に係るプロジェクターの構成を示す模式図。 上記実施形態における照明装置の構成を示す模式図。 上記実施形態における波長変換素子を示す断面図。 上記実施形態における波長変換素子の第１変形例を示す断面図。 上記実施形態における波長変換素子の第２変形例を示す断面図。 上記実施形態における波長変換素子の第３変形例を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
［プロジェクターの概略構成］
図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の構成を示す模式図である。
本実施形態に係るプロジェクター１は、図１に示すように、内部に設けられた照明装置３１から出射された光束を変調して画像情報に応じた画像を形成し、当該画像をスクリーン等の被投射面ＰＳ上に拡大投射する画像表示装置である。
このプロジェクター１は、外装を構成する外装筐体２と、当該外装筐体２内に収容される画像投射装置３と、を備える。この他、図示を省略するが、プロジェクター１は、当該プロジェクター１を制御する制御装置、冷却対象を冷却する冷却装置、及び、当該プロジェクター１を構成する電子部品に電力を供給する電源装置を備える。

［画像投射装置の構成］
画像投射装置３は、上記制御装置による制御の下、画像情報に応じた画像を形成及び投射する。この画像投射装置３は、設定された照明光軸上にそれぞれ配置された照明装置３１、色分離装置３２、平行化レンズ３３、光変調装置３４、色合成装置３５及び投射光学装置３６を備える。
これらのうち、照明装置３１は、白色光である照明光ＷＬを色分離装置３２に向けて出射する。この照明装置３１の構成については、後に詳述する。

色分離装置３２は、照明装置３１から入射される照明光ＷＬを青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲに分離する。この色分離装置３２は、ダイクロイックミラー３２１，３２２、全反射ミラー３２３，３２４，３２５及びリレーレンズ３２６，３２７と、これらを内部に収容する光学部品用筐体３２８と、を備える。
ダイクロイックミラー３２１は、入射された照明光のうち、青色光ＬＢを透過させ、他の色光（緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲ）を反射させる。
ダイクロイックミラー３２２は、ダイクロイックミラー３２１を介して入射される上記他の色光のうち、赤色光ＬＲを透過させ、緑色光ＬＧを反射させる。

全反射ミラー３２３は、青色光ＬＢの光路上に配置され、ダイクロイックミラー３２１を透過した青色光ＬＢを光変調装置３４（３４Ｂ）に向けて反射させる。
全反射ミラー３２４，３２５は、赤色光ＬＲの光路中に配置され、ダイクロイックミラー３２２を透過した赤色光ＬＲを光変調装置３４（３４Ｒ）に導く。なお、緑色光ＬＧは、ダイクロイックミラー３２２にて、光変調装置３４（３４Ｇ）に向けて反射される。
リレーレンズ３２６，３２７は、赤色光ＬＲの光路において、ダイクロイックミラー３２２の下流に配置されている。これらリレーレンズ３２６，３２７は、赤色光ＬＲの光路長が青色光ＬＢや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることによる赤色光ＬＲの光損失を補償する機能を有する。

平行化レンズ３３（赤、緑及び青用の平行化レンズをそれぞれ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂとする）は、光変調装置３４に対して光入射側に配置され、当該光変調装置３４に入射される光を平行化する。
光変調装置３４（赤、緑及び青用の光変調装置をそれぞれ３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂとする）は、それぞれ入射される色光を変調して、画像情報に応じた色画像を形成する。これら光変調装置３４は、本実施形態では、入射される光を変調する液晶パネルと、当該液晶パネルに対する光入射側及び光出射側に位置する入射側偏光板及び出射側偏光板とを備えて構成されている。

色合成装置３５は、各光変調装置３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂから入射される変調光（各色光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲに応じた色画像）が入射される。この色合成装置３５は、各変調光を合成して投射画像の画像光を形成し、当該画像光を投射光学装置３６に出射する。このような色合成装置３５は、本実施形態ではクロスダイクロイックプリズムにより構成されているが、複数のダイクロイックミラーを組み合わせて構成することも可能である。
投射光学装置３６は、色合成装置３５にて合成された画像光を上記被投射面ＰＳに投射して、当該被投射面ＰＳ上に投射画像を表示する。このような投射光学装置３６として、複数のレンズと、当該複数のレンズを収容する鏡筒とを有する組レンズを採用できる。

［照明装置の構成］
図２は、照明装置３１の構成を示す模式図である。
照明装置３１は、上記のように、白色光である照明光ＷＬを色分離装置３２に出射する。この照明装置３１は、図２に示すように、光源装置３１１、アフォーカル光学装置３１２、ホモジナイザー光学装置３１３、偏光分離装置３１４、位相差板３１５、ピックアップ光学装置３１６、波長変換素子４、インテグレーター光学装置３１７、偏光変換素子３１８及び重畳レンズ３１９を備える。
これらのうち、光源装置３１１、アフォーカル光学装置３１２及びホモジナイザー光学装置３１３は、第１照明光軸Ａｘ１上に配置されている。一方、位相差板３１５、ピックアップ光学装置３１６、波長変換素子４、インテグレーター光学装置３１７、偏光変換素子３１８及び重畳レンズ３１９は、第１照明光軸Ａｘ１に直交する第２照明光軸Ａｘ２上に配置される。そして、偏光分離装置３１４は、第１照明光軸Ａｘ１と第２照明光軸Ａｘ２との交差部分に配置される。

光源装置３１１は、アフォーカル光学装置３１２に向けて、青色光である励起光ＥＬを出射する。この光源装置３１１は、光源としてのアレイ光源３１１Ａと、当該アレイ光源３１１Ａから出射された励起光ＥＬが入射されるコリメーター光学装置３１１Ｂと、を備える。
アレイ光源３１１Ａは、第１照明光軸Ａｘ１に対する直交面内に複数の半導体レーザー３１１１がアレイ状に配列された構成を有する。これら半導体レーザー３１１１は、例えば、４４０〜４８０ｎｍの波長域にピーク波長を有する励起光ＥＬ（青色光）を出射するＬＤ（Laser Diode）である。また、半導体レーザー３１１１から出射される励起光ＥＬは、コヒーレントな直線偏光であり、偏光分離装置３１４に向けて第１照明光軸Ａｘ１と平行に出射される。なお、本実施形態では、各半導体レーザー３１１１が出射する励起光ＥＬの偏光方向は、偏光分離装置３１４の偏光分離層３１４３にて反射される偏光成分の偏光方向と一致しており、当該励起光ＥＬはｓ偏光である。

コリメーター光学装置３１１Ｂは、アレイ光源３１１Ａから入射される励起光ＥＬを平行光に変換する。このコリメーター光学装置３１１Ｂは、例えば各半導体レーザー３１１１に対応してアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ３１１２を備えて構成される。このようなコリメーター光学装置３１１Ｂを通過して平行光に変換された励起光ＥＬは、アフォーカル光学装置３１２に入射される。

アフォーカル光学装置３１２は、コリメーター光学装置３１１Ｂから入射された励起光ＥＬの光束径を調整する。このアフォーカル光学装置３１２は、集光レンズ３１２１及び平行化レンズ３１２２を備える。このようなアフォーカル光学装置３１２を通過して光束径が調整された励起光ＥＬは、ホモジナイザー光学装置３１３に入射される。

ホモジナイザー光学装置３１３は、後述するピックアップ光学装置３１６と協同して、被照明領域（波長変換素子４）における励起光ＥＬの照度分布を均一化する。このホモジナイザー光学装置３１３は、第１照明光軸Ａｘ１に対する直交面にそれぞれ複数の小レンズがマトリクス状に配列されたマルチレンズアレイ３１３１，３１３２を備える。このようなホモジナイザー光学装置３１３から出射された励起光ＥＬは、偏光分離装置３１４に入射される。

偏光分離装置３１４は、ｐ偏光及びｓ偏光のうち、一方の偏光光を通過させ、他方の偏光光を反射させるものである。この偏光分離装置３１４は、それぞれ略三角柱形状に形成されたプリズム３１４１，３１４２を備え、全体略直方体形状に形成された、いわゆるプリズム型の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）として構成されている。これらプリズム３１４１，３１４２の界面は、それぞれ第１照明光軸Ａｘ１及び第２照明光軸Ａｘ２に対して４５°の角度で傾斜しており、当該界面には、偏光分離層３１４３が配置されている。

偏光分離層３１４３は、励起光ＥＬに含まれるｓ偏光とｐ偏光とを分離する特性を有する他、後述する波長変換素子４にて生じた蛍光を、当該蛍光の偏光状態に依らずに透過させる特性を有する。すなわち、偏光分離層３１４３は、青色光領域の波長の光についてはｓ偏光とｐ偏光とを分離するが、緑色光領域及び赤色光領域の波長の光についてはｓ偏光及びｐ偏光のそれぞれを透過させる、波長選択性の偏光分離特性を有する。
このような偏光分離装置３１４は、入射されたｓ偏光の励起光ＥＬを、第２照明光軸Ａｘ２に沿って位相差板３１５側に反射させる。また、詳しくは後述するが、偏光分離装置３１４は、位相差板３１５側から入射される蛍光とｐ偏光の励起光とを透過させ、これら蛍光及び励起光（青色光）を合成してインテグレーター光学装置３１７に入射させる。
なお、偏光分離装置３１４は、プリズム型に限らず、プレート型でもよい。

位相差板３１５は、１／４波長板である。この位相差板３１５は、偏光分離装置３１４から入射されるｓ偏光の励起光ＥＬｓを円偏光の励起光ＥＬｃに変換し、当該円偏光の励起光ＥＬｃをピックアップ光学装置３１６に入射させる。
ピックアップ光学装置３１６は、位相差板３１５から入射される励起光ＥＬｃを波長変換素子４に集光する。このピックアップ光学装置３１６は、本実施形態では、レンズ３１６１，３１６２を備えて構成されているが、当該ピックアップ光学装置３１６を構成するレンズの数は２に限らず、１でも３以上でもよい。

波長変換素子４は、ピックアップ光学装置３１６から入射される青色光である励起光ＥＬｃ（第１波長の光）の一部を拡散反射させるとともに、他の一部を緑色光及び赤色光を含む蛍光（第２波長の光）に変換して出射する、反射型の波長変換素子である。この波長変換素子４にて生成される蛍光は、本実施形態では、５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する光である。なお、波長変換素子４の構成については、後述する。

このような波長変換素子４から出射された励起光ＥＬｃ及び蛍光を含む照明光ＷＬは、ピックアップ光学装置３１６を介して、位相差板３１５に入射される。
これらのうち、励起光ＥＬｃは、波長変換素子４にて反射される時に、当該波長変換素子４に入射された円偏光とは逆回りの円偏光となり、位相差板３１５を再度通過する過程にて、当該逆回りの円偏光の励起光ＥＬｃは、ｓ偏光に対して偏光方向が９０°回転されたｐ偏光の励起光に変換される。このｐ偏光の励起光は、上記偏光分離装置３１４を第２照明光軸Ａｘ２に沿って通過して、インテグレーター光学装置３１７に青色光として入射される。
一方、波長変換素子４から出射された蛍光は非偏光光であり、偏光分離層３１４３が上記波長選択性の偏光分離特性を有することから、ピックアップ光学装置３１６及び位相差板３１５を通過した後、第２照明光軸Ａｘ２に沿って偏光分離装置３１４を通過して、インテグレーター光学装置３１７に緑色光及び赤色光として入射される。
これにより、白色の照明光ＷＬが、偏光分離装置３１４を介してインテグレーター光学装置３１７に入射される。

インテグレーター光学装置３１７は、重畳レンズ３１９と協同して、被照明領域（上記光変調装置３４）における照明光ＷＬの照度分布を均一化する。このインテグレーター光学装置３１７は、上記ホモジナイザー光学装置３１３と同様に、第２照明光軸Ａｘ２に対する直交面内にそれぞれ複数の小レンズがマトリクス状に配列されたレンズアレイ３１７１，３１７２を備える。このようなインテグレーター光学装置３１７から出射された照明光ＷＬは、偏光変換素子３１８に入射する。
偏光変換素子３１８は、入射される照明光ＷＬの偏光方向を揃える機能を有する。この偏光変換素子３１８から出射された照明光ＷＬは、重畳レンズ３１９に入射する。
そして、当該重畳レンズ３１９を介した照明光ＷＬは、上記色分離装置３２のダイクロイックミラー３２１に入射される。

［波長変換素子の構成］
図３は、波長変換素子４を示す断面図である。
波長変換素子４は、上記のように、ピックアップ光学装置３１６から入射される励起光の一部を拡散反射させるとともに、他の一部の励起光を波長変換して生成される蛍光を、当該励起光の入射側（すなわちピックアップ光学装置３１６側）に出射する。この波長変換素子４は、図３に示すように、基板４１、第１反射層４２、波長変換層４３、第２反射層４４及び光散乱層４５を有する。そして、これらは、ピックアップ光学装置３１６からの励起光の入射側から、光散乱層４５、第２反射層４４、波長変換層４３、第１反射層４２の順に、基板４１上に積層されている。
すなわち、第１反射層４２は、基板４１上に位置し、当該第１反射層４２に対して基板４１とは反対側に波長変換層４３が位置する。また、第２反射層４４は、波長変換層４３に対して第１反射層４２とは反対側に位置し、光散乱層４５は、第２反射層４４に対して波長変換層４３とは反対側に位置している。

これらのうち、基板４１は、第１反射層４２、波長変換層４３、第２反射層４４及び光散乱層４５を支持する支持基板である他、当該波長変換層４３から伝導された熱を放熱する放熱基板である。この基板４１は、金属やセラミックス等により構成できる。
このような基板４１は、上記ピックアップ光学装置３１６から出射された励起光が光散乱層４５に入射される位置に固定されているが、当該基板４１は、モーター等の回転装置によって回転される構成としてもよい。この場合、基板４１に伝導された波長変換層４３の熱を放熱しやすくすることができる。

光散乱層４５は、上記のように、波長変換素子４において最もピックアップ光学装置３１６側、すなわち、当該ピックアップ光学装置３１６（波長変換素子４の外部）から入射される励起光の最も入射側に位置する。この光散乱層４５は、入射される光を散乱させる機能を有する。
具体的に、光散乱層４５は、ピックアップ光学装置３１６から励起光が入射される光入射面であり、励起光及び蛍光を出射する光出射面でもある光拡散面４５１（波長変換素子４における外部との界面）を有する。そして、当該光拡散面４５１には、互いに端縁が接する略半球状のレンズ形状を有する複数の凹部４５２が形成されている。これら凹部４５２を有する光拡散面４５１を光が通過することにより、光散乱層４５に入射された光は、屈折により散乱（拡散）される。なお、光散乱層４５の屈折率は、後述する波長変換層４３の屈折率より小さく設定されている。このような光散乱層４５は、例えばシリコーン樹脂により形成できる。
なお、本実施形態では、各凹部４５２の端縁は互いに接していることから、光拡散面４５１においてピックアップ光学装置３１６から励起光が照射される照射部位には、平坦な部分は略無い。これは、当該照射部位に平坦な部分が存在すると、当該照射部位に入射された後に第２反射層４４にて反射された励起光が、当該照射部位から拡散されずに波長変換素子４外に出射されてしまい、当該励起光の放射角が広がりづらくなって、拡散されずに波長変換素子４から出射される励起光の光量が多くなるためである。

第２反射層４４は、所定波長の光の一部を反射させ、他の一部を透過させるとともに、他の所定波長の光を透過させる機能を有する。
具体的に、第２反射層４４は、ピックアップ光学装置３１６から光散乱層４５を介して入射される励起光の一部を反射させ、他の一部の光を透過させる機能を有する。また、第２反射層４４は、当該第２反射層４４を透過して波長変換層４３に入射され、当該波長変換層４３にて生じた蛍光を透過（略全透過）させる機能を有する。すなわち、第２反射層４４は、波長選択性の反射／透過特性を有する。
本実施形態では、第２反射層４４の透過率は、入射された励起光の透過率は略８０％となるように設定されており、透過されない残り略２０％の励起光は、当該第２反射層４４にて反射される。しかしながら、これに限らず、第２反射層４４の励起光の透過率は、照明装置３１から出射される白色光の色合い等に応じて、適宜変更可能である。

波長変換層４３は、それぞれ上記した光散乱層４５及び第２反射層４４を介して入射される励起光によって励起され蛍光を出射する。すなわち、波長変換層４３は、第１波長（青色光の波長域）の励起光を第２波長（緑色光〜赤色光の波長域）の蛍光に波長変換する。このような波長変換層４３の波長変換材料には、黄色蛍光体と、緑色蛍光体及び赤色蛍光体とのいずれかの混合物が含まれる。これら蛍光体の含有比率は、照明装置３１から出射される照明光ＷＬの波長に基づいて設定される。このような蛍光体としては、第１反射層４２及び第２反射層４４との接合を考慮し、セラミック蛍光体や、蛍光体粉末とガラスバインダーとを混合した蛍光体を例示できる。なお、本実施形態では、波長変換層４３の厚さ寸法は、略１ｍｍに設定されているが、当該厚さ寸法は１ｍｍより小さくてもよい。
第１反射層４２は、基板４１と波長変換層４３との間に位置し、当該波長変換層４３から入射される蛍光を、当該波長変換層４３側に反射させる。

［波長変換素子における光の光路］
上記のように、ピックアップ光学装置３１６から出射された励起光は、波長変換素子４においてピックアップ光学装置３１６側に位置する光散乱層４５に入射される。
この光散乱層４５に入射された光は、光入射面でもある光拡散面４５１にて拡散され、当該光散乱層４５内を第２反射層４４側に進行する。
第２反射層４４に到達した励起光のうち一部の励起光は、上記のように、当該第２反射層４４を通過して波長変換層４３に入射され、蛍光に波長変換される。この蛍光の一部は、第２反射層４４側に進行し、他の一部は、第１反射層４２側に進行する。これらのうち、第１反射層４２側に進行した蛍光は、当該第１反射層４２にて反射されて、第２反射層４４側に進行する。このようにして第２反射層４４に到達した蛍光は、当該第２反射層４４を通過し、光散乱層４５に入射される。そして、当該蛍光は、光散乱層４５の光拡散面４５１にて拡散されて、波長変換素子４の外部に出射される。
一方、第２反射層４４にて反射された励起光は、光散乱層４５を通過し、光拡散面４５１にて再度拡散されて、波長変換素子４の外部に出射される。

このように、波長変換素子４に入射された励起光のうち、青色光として用いられる一部の励起光は、波長変換層４３にて他の一部の励起光が波長変換されて生成される蛍光と同様に、光散乱層４５にて散乱（拡散）されて出射される。このため、光散乱層４５がない場合に比べて、波長変換素子４からの蛍光（緑色光及び赤色光）の放射角と、青色光の放射角とを揃えやすくすることができる。従って、蛍光の光路径と青色光の光路径とを揃えやすくすることができ、投射画像に色むらが発生することを抑制できる。
また、第２反射層４４における励起光の透過率を調整することにより、波長変換素子４から出射される励起光（青色光）と蛍光とのバランスを良好に設定することができ、当該波長変換素子４から出射される白色光の色合いを適切に調整できる。

なお、光散乱層４５の厚さ寸法（波長変換素子４から出射される光の進行方向に沿う寸法であり、上記第２照明光軸Ａｘ２に沿う寸法）は、小さいことが好ましい。これは、光散乱層４５の厚さ寸法が大きいと、光拡散面４５１に入射される光の角度が臨界角より大きくなって、当該光拡散面４５１にて内面反射されて波長変換素子４外に出射されづらくなる光が多くなる他、光散乱層４５にて吸収されやすくなってしまうためである。このため、本実施形態では、光散乱層４５の厚さ寸法は、数μｍ〜数十μｍに設定されている。
また、光散乱層４５の屈折率が、波長変換層４３の屈折率と同じ、或いは、当該波長変換層４３の屈折率より大きい場合には、波長変換層４３から第２反射層４４を介して光散乱層４５に入射される光（蛍光）の光拡散面４５１への入射角が大きくなる。この場合、光散乱層４５の厚さ寸法が大きい場合と同様に、波長変換素子４外に当該光が出射されづらくなる。これに対し、本実施形態では、光散乱層４５の屈折率は、波長変換層４３の屈折率より小さい値となるように設定されており、これにより、光拡散面４５１に対する当該光の入射角を小さくし、当該光が波長変換素子４外に出射されやすくしている。

［実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１によれば、以下の効果がある。
ピックアップ光学装置３１６から波長変換素子４に入射された励起光（第１波長の光）は、光散乱層４５を通過する際に散乱されて、第２反射層４４に到達する。この際、一部の励起光は、第２反射層４４を透過して波長変換層４３に入射され、蛍光（第２波長の光）に波長変換される。この蛍光の一部は、第２反射層４４に向かって進行し、他の一部は、第１反射層４２側に進行して当該第１反射層４２にて反射され、第２反射層４４に向かって進行する。この第２反射層４４は、上記のように、蛍光を透過させる特性を有することから、当該蛍光は、第２反射層４４を通過して光散乱層４５に入射され、当該光散乱層４５（光拡散面４５１）にて散乱されて、波長変換素子４外に出射される。
一方、第２反射層４４に到達した他の一部の励起光は、当該第２反射層４４にて反射され、光散乱層４５（光拡散面４５１）を通過する際に散乱されて、波長変換素子４外に出射される。
これによれば、蛍光だけでなく、青色光である励起光を光散乱層４５にて散乱させて波長変換素子４から出射できる。従って、波長変換素子４から出射される励起光及び蛍光のそれぞれの放射角及び光路径を揃えやすくすることができる。そして、励起光が青色光であり、蛍光が緑色光及び赤色光を含む光であるので、それぞれ含まれる色光の光路径が揃えられ、色むらの発生が抑制された白色光である照明光ＷＬを、波長変換素子４から出射できる。そして、これにより、照明装置３１は、色むらの発生が抑制された照明光を得ることができ、プロジェクター１は、色むらの発生が抑制された投射画像を投射できる。

光散乱層４５は、当該光散乱層４５において第２反射層４４とは反対側の面である光拡散面４５１に、散乱構造としての凹部４５２を複数有する。これによれば、当該散乱構造がない場合に比べて、光散乱層４５を通過する光の放射角をより大きくすることができる。従って、波長変換素子４からの励起光の放射角をより大きくすることができるので、当該波長変換素子４から出射される励起光及び蛍光のそれぞれの放射角及び光路径を確実に揃えやすくすることができる。

上記凹部４５２は、レンズ形状を有する。これによれば、光散乱層４５から波長変換素子４外に出射される光を、より確実に散乱させることができる。従って、波長変換素子４からの励起光及び蛍光のそれぞれの放射角及び光路径をより確実に揃えやすくすることができる。

ここで、光散乱層４５の屈折率が波長変換層４３の屈折率と同じ場合、或いは、当該波長変換層４３の屈折率より高い場合、光散乱層４５の厚さ寸法が小さいと、当該光散乱層４５と波長変換素子４の外部との界面である光拡散面４５１に、比較的大きな角度で蛍光が入射される。この場合、蛍光は、当該光拡散面４５１に光散乱層４５の内側から臨界角以上の角度で入射されやすくなり、当該蛍光が波長変換素子４外に出射されづらくなる。
これに対し、光散乱層４５の屈折率は、波長変換層４３の屈折率より小さいので、光拡散面４５１に臨界角以下の角度で蛍光を入射させやすくすることができる。従って、光拡散面４５１から蛍光を波長変換素子４外に出射させやすくすることができ、当該光拡散面４５１にて散乱させて波長変換素子４外に蛍光を出射できる。
なお、波長変換層４３が、蛍光体粉末とガラスバインダーとを混合した蛍光体である場合には、光散乱層４５の屈折率を当該ガラスバインダーの屈折率より小さくすることにより、当該光散乱層４５の屈折率を波長変換層４３の屈折率より確実に小さくすることができる。

光散乱層４５は、シリコーン樹脂により形成されている。これによれば、光散乱層４５を容易に薄く形成できる。この他、光散乱層４５に、上記散乱構造としての凹部４５２を、光散乱層４５に型を押圧する等して容易に形成できる。更に、光散乱層４５の屈折率を波長変換層４３の屈折率より確実に小さくすることができる。

ピックアップ光学装置３１６から波長変換素子４（光散乱層４５）に入射される第１波長の光としての励起光は、青色光であり、第２波長の光としての蛍光は、緑色光及び赤色光を含む光である。これによれば、照明装置３１から出射される照明光ＷＬを、白色光とすることができる。従って、照明装置３１の利便性を向上させることができる。この他、光源としてのアレイ光源３１１Ａから出射された励起光を分けて拡散させる構成を別途設ける必要や、青色光用の光源を別途設ける必要がないので、照明装置３１の構成を簡略化できる。

［実施形態の変形］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、波長変換素子４の光散乱層４５は、励起光が入射され、照明光ＷＬが出射される界面である光拡散面４５１に、散乱構造としての凹部４５２を複数有し、各凹部４５２は、レンズ形状を有するとした。しかしながら、これに限らず、散乱構造の形状は、他の形状でもよい。

図４は、波長変換素子４の第１変形例としての波長変換素子４Ａを示す断面図であり、図５は、第２変形例としての波長変換素子４Ｂを示す断面図であり、図６は、第３変形例としての波長変換素子４Ｃを示す断面図である。
例えば、図４〜図６に示す波長変換素子４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、上記波長変換素子４と同様に、基板４１、第１反射層４２、波長変換層４３、第２反射層４４及び光散乱層４５を有する。しかしながら、図４に示す波長変換素子４Ａの光散乱層４５は、光拡散面４５１に、複数の凹部４５２に代えて複数の凸部４５Ａ１を有する。これら凸部４５Ａ１は、それぞれ、互いに端縁が接する略半球状（レンズ形状）を有する凸部である。
また、図５に示す波長変換素子４Ｂの光散乱層４５は、光拡散面４５１に、複数の凹部４５２に代えて鋸歯状の複数の凸部４５Ｂ１を有する。
更に、図６に示す波長変換素子４Ｃの光散乱層４５は、光拡散面４５１に、複数の凹部４５２に代えて複数の微細な凹凸４５Ｃ１を有する。なお、複数の微細な凹凸４５Ｃ１は、図６に示すような断面視で矩形波状に限定されず、例えば、凸部と凹部とを連結する側面が、波長変換素子４Ｃに入射される励起光の入射方向に対し、傾斜していてもよい。
このように、光拡散面４５１に形成される散乱構造は、凹状のレンズ形状に限らず、更に光拡散面４５１を粗面とした構造であってもよい。
このような波長変換素子４Ａ〜４Ｃによっても、上記波長変換素子４と同様の効果を奏することができ、当該波長変換素子４Ａ〜４Ｃが波長変換素子４に代えて採用された照明装置及びプロジェクターによっても、上記照明装置３１及びプロジェクター１と同様の効果を奏することができる。

上記実施形態及び上記第１〜第３変形例では、光散乱層４５の屈折率は、波長変換層４３の屈折率より小さいとした。しかしながら、これに限らず、第１波長の光としての励起光、及び、第２波長の光としての蛍光を光拡散面４５１から散乱させて出射できれば、光散乱層４５の屈折率は、波長変換層４３の屈折率と同じでもよく、大きくてもよい。

上記実施形態及び上記第１〜第３変形例では、光散乱層４５は、シリコーン樹脂により形成されているとした。しかしながら、これに限らず、光散乱層４５が要求する耐光性、耐熱性及び光透過性を有する材料であれば、当該光散乱層４５の材料は問わない。なお、シリコーン樹脂は、これら耐熱性及び光透過性の他、凹凸を容易に形成できる転写性が高い材料であるので、上記光散乱層４５を確実かつ容易に形成できる。

上記実施形態では、照明装置３１は、波長変換素子４に入射される第１波長の光を出射する光源として、４４０〜４８０ｎｍの波長域にピーク波長を有する励起光を出射するアレイ光源３１１Ａを有するとした。そして、波長変換素子４は、第２波長の光として緑色光及び赤色光を含む蛍光を出射するとした。しかしながら、これに限らず、波長変換素子に入射される光の波長と、当該波長変換素子の波長変換層にて生じる光の波長とが異なれば、本発明における第１波長及び第２波長は、上記に限定されない。波長変換素子４に代えて、波長変換素子４Ａ〜４Ｃのいずれかが採用される場合でも同様である。

上記実施形態では、プロジェクター１は、３つの光変調装置３４（３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ）を備えるとした。しかしながら、これに限らず、例えば２つ以下、或いは、４つ以上の光変調装置を備えたプロジェクターにも、本発明は適用可能である。
上記実施形態では、画像投射装置３は、図２に示した構成及び形状を有するとした。しかしながら、これに限らず、例えば平面視略Ｌ字状やＵ字状等、他の構成及び形状を有する画像投射装置を備えるプロジェクターに、本発明を適用してもよい。

上記実施形態では、光変調装置３４として、光入射面と光出射面とが異なる液晶パネルを用いていた。しかしながら、これに限らず、光変調装置は、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の液晶パネルを用いた構成としてもよい。また、入射光束を変調して画像情報に応じた画像を形成可能な光変調装置であれば、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を採用してもよい。

１…プロジェクター、３１…照明装置、３１１Ａ…アレイ光源（光源）、３４（３４Ｂ，３４Ｇ，３４Ｒ）…光変調装置、３６…投射光学装置、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…波長変換素子、４１…基板、４２…第１反射層、４３…波長変換層、４４…第２反射層、４５…光散乱層、４５１…光拡散面、４５２…凹部（散乱構造）、４５Ａ１…凸部（散乱構造）、４５Ｂ１…凸部（散乱構造）、４５Ｃ１…凹凸（散乱構造）。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板における一方の面に位置する第１反射層と、
   前記第１反射層に対して前記基板とは反対側に位置し、入射された第１波長の光を前記第１波長とは異なる第２波長の光に変換する波長変換層と、
   前記波長変換層に対して前記第１反射層とは反対側に位置する第２反射層と、
   前記第２反射層に対して前記波長変換層とは反対側に位置し、入射される光を散乱させる光散乱層と、を有し、
   前記第２反射層は、前記第１波長の光の一部を反射させ、他の一部を透過させるとともに、前記第２波長の光を透過させる特性を有することを特徴とする波長変換素子。
2. 請求項１に記載の波長変換素子において、
   前記光散乱層は、前記光散乱層において前記第２反射層とは反対側の面に、凹部及び凸部のうち少なくともいずれかの散乱構造を複数有することを特徴とする波長変換素子。
3. 請求項２に記載の波長変換素子において、
   前記散乱構造は、レンズ形状であることを特徴とする波長変換素子。
4. 請求項３に記載の波長変換素子において、
   複数の前記レンズ形状のそれぞれの端縁は、前記光散乱層に平坦な部分が生じないように、互いに接していることを特徴とする波長変換素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の波長変換素子において、
   前記光散乱層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率より小さいことを特徴とする波長変換素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長変換素子において、
   前記光散乱層は、シリコーン樹脂により形成されていることを特徴とする波長変換素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記第１波長の光を出射する光源と、を備えることを特徴とする照明装置。
8. 請求項７に記載の照明装置において、
   前記第１波長の光は、青色光であり、
   前記第２波長の光は、緑色光及び赤色光を含む光であることを特徴とする照明装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載の照明装置と、
   前記照明装置から出射された光を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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