JP6825633B2 - 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、回転蛍光板等の波長変換素子を用いた照明装置が提案されている。回転蛍光板は、蛍光体層が設けられた基板が回転した状態で蛍光体層に励起光が照射されることによって蛍光を発生させ、蛍光を含む照明光を生成する。

下記の特許文献１に、励起用光源と、励起用光源からの励起光を波長変換して蛍光を発する波長変換部材と、波長変換部材を支持する基台と、を備え、波長変換部材の励起光入射面と対向する面に蛍光反射面が設けられた「蛍光光源装置」が開示されている。特許文献１には、基台に設けられた蛍光反射鏡と波長変換部材とが離れて配置され、蛍光反射鏡と波長変換部材との間に空気層が設けられている構成が開示されている。

特開２０１４−１９２１２７号公報

特許文献１に記載の波長変換素子は、波長変換層で生じた蛍光を反射させて外部に取り出す波長変換素子、いわゆる反射型の波長変換素子である。この種の波長変換素子では、波長変換層の励起光入射面と反対側に蛍光を反射させる反射面が設けられている。ところが、蛍光が反射面で反射する際に損失が生じ、発光効率が低下するという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、反射面を有する基材と、第１の波長帯の励起光が入射する第１面と、前記基材と対向する第２面と、を有し、前記励起光を前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、前記基材に対して前記波長変換部を保持する保持部と、前記波長変換部の前記第２面に対向するように前記基材に設けられる第１凹部と前記波長変換部の前記第２面とに囲まれる空間、または、前記基材の前記反射面に対向するように前記波長変換部に設けられる第２凹部と前記基材の前記反射面とに囲まれる空間に設けられる空気層と、を備え、前記第１面のうち、前記反射面および前記空気層に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換部は、前記第１面もしくは前記第２面に交差する第３面をさらに有し、前記保持部は、前記波長変換部の前記第３面と前記基材とを接合する接着剤を有し、前記基材は、前記第１凹部と、少なくとも一部が前記波長変換部の前記第２面と対向し、前記第１凹部から離間して設けられる第３凹部と、を有し、前記接着剤の一部は、前記第３凹部に収容され、前記第１凹部は、第１溝部と、第２溝部と、を有し、前記第２溝部は、前記第１溝部と前記第３凹部との間に設けられ、前記第１溝部の深さよりも深い深さ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において、前記波長変換部の前記第２面と、前記基材の前記第３凹部と前記第２溝部との間に位置する面と、が当接していてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記空間と外部空間とを連通させる連通孔をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換部は、波長変換層と、前記波長変換層の前記反射面と対向する面に設けられた誘電体多層膜と、を有していてもよい。

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、前記波長変換素子に向けて前記励起光を射出する光源と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記波長変換素子は、回転軸の周りに回転可能とされ、前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えていてもよい。

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、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、を備えたことを特徴とする。

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装置の斜視図である。 波長変換装置の正面図である。 図３のIV−IV線に沿う波長変換素子の断面図である。 図３のV−V線に沿う波長変換素子の断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子の断面図である。 第４実施形態の波長変換装置の正面図である。 図８のIX−IX線に沿う波長変換素子の断面図である。 図８のX−X線に沿う波長変換素子の断面図である。 第４実施形態の変形例の波長変換素子の断面図である。

［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４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。

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つの光変調装置を備える。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る。

図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の光学系を示す概略図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター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、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、光変調装置４００Ｂと、光合成素子５００と、投射光学装置６００と、を備えている。
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、波長変換装置３０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、を備えている。

第１光源１０は、発光強度のピーク波長が例えば４４５ｎｍで、波長範囲が例えば４４０〜４５０ｎｍの第１の波長帯の青色の励起光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。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。なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば４６０ｎｍのピーク波長を有する励起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。

コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。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、それぞれ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までの間の光路中に、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとの各々に対して４５°の角度で交差する向きに配置されている。ダイクロイックミラー８０は、励起光Ｅを反射させ、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色の蛍光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を透過した励起光Ｅを集光させて波長変換装置３０の波長変換部４７に入射させる機能と、波長変換装置３０から射出された蛍光Ｙ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、を備える。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、それぞれ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、拡散板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。また、第２光源７１０は、第１光源１０の半導体レーザーとは波長帯が異なる半導体レーザーから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ＬＢを拡散板７３２の拡散面もしくは拡散板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。

拡散板７３２は、第２光源７１０からの青色光ＬＢを拡散させ、波長変換装置３０から射出された蛍光Ｙの配光分布に近い配光分布を有する青色光ＬＢを生成する。拡散板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、を備えている。コリメート光学系７７０は、拡散板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、それぞれ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ＬＢは、ダイクロイックミラー８０で反射され、波長変換装置３０から射出されてダイクロイックミラー８０を透過した蛍光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。波長変換装置３０の詳細な構成については、後で説明する。

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レンズ１２２を備えている。複数の第１レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内において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レンズ１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を有している。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を構成する各第１レンズ１２２の像を光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内において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により分割された複数の部分光束の各々を、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、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域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、波長変換装置３０からの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、を備えている。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ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを、対応する光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導く。

フィールドレンズ３００Ｒは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｇは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射させる。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射させる。

ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射し、フィールドレンズ３００Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射し、フィールドレンズ３００Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光は、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を経て青色光用の光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置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。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置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。

光合成素子５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。光合成素子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すクロスダイクロイックプリズムで構成されている。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。

光合成素子５００から射出された画像光は、投射光学装置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。すなわち、投射光学装置６００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。

以下、波長変換装置３０について説明する。
図２は、波長変換装置３０を示す斜視図である。図３は、波長変換装置３０の平面図である。図４は、図３のIV−IV線に沿う波長変換素子３２の断面図である。図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿う波長変換素子３２の断面図である。

図２および図３に示すように、波長変換装置３０は、波長変換素子３２と、モーター５０（回転装置）と、を備えている。

波長変換素子３２は、回転軸３５の周りに回転可能とされている。モーター５０は、波長変換素子３２を回転軸３５の周りに回転させる。

図４および図５に示すように、波長変換素子３２は、基材４３と、波長変換部４７と、保持部３７と、空気層３８と、を備えている。波長変換素子３２は、励起光Ｅが入射した側と同じ側に向けて蛍光Ｙを射出する。すなわち、波長変換素子３２は、反射型の波長変換素子である。

基材４３は、基材本体４０と、反射層４１と、を有する。基材本体４０は、金属を含む材料で構成されている。一例として、基材本体４０は、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属製の板材から構成されている。図３に示すように、励起光Ｅの入射方向から見た基材４３の形状は、円形である。

反射層４１は、基材本体４０の第１面４０ａの全面に設けられている。反射層４１は、波長変換部４７の第２面４７ｂから射出された蛍光Ｙおよび励起光Ｅを反射する。反射層４１は、例えば銀等の反射率の高い金属から構成されている。反射層４１は、蛍光Ｙおよび励起光Ｅを高い反射率で反射するように設計されている。そのため、平滑な反射層４１を形成するために、基材本体４０の第１面４０ａは高い平滑度を有している。これにより、反射層４１は、蛍光Ｙの大部分を図４の上方向（基材本体４０とは反対側）に向けて反射する。したがって、基材４３は、蛍光Ｙを反射させる反射面４３ｒを有している。

なお、反射層４１の励起光Ｅの入射側に、図示しない保護膜が設けられていてもよい。保護膜には、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の透明膜が用いられる。保護膜が設けられた場合、反射層４１が外部の雰囲気から保護されるとともに、基材４３の表面に様々な角度で入射した蛍光Ｙを高い反射率で反射することができる。さらに、反射層４１と基材本体４０の第１面４０ａとの間に、反射層４１を劣化から保護するための図示しない保護層が設けられていてもよい。

図２および図３に示すように、波長変換部４７は、基材４３の回転軸３５の周囲に開口４７ｈを有する円環状の形状を有する。すなわち、波長変換部４７は、基材４３の反射面４３ｒ側において、回転軸３５を囲むように設けられている。

図４および図５に示すように、波長変換部４７は、波長変換層から構成されている。また、波長変換部４７は、第１の波長帯の励起光Ｅが入射する第１面４７ａと、基材４３と対向する第２面４７ｂと、第１面４７ａもしくは第２面４７ｂに交差する第３面４７ｃと、を有する。

波長変換部４７は、励起光Ｅを励起光Ｅの波長帯とは異なる波長帯の蛍光Ｙに波長変換するセラミック蛍光体を含んでいる。すなわち、波長変換部４７は、励起光Ｅを第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光Ｙに波長変換する。第２の波長帯は、例えば４９０〜７５０ｎｍであり、蛍光Ｙは、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色光である。なお、波長変換部４７は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。

波長変換部４７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、波長変換部４７として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３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。

波長変換部４７の第２面４７ｂに、第２凹部４７ｖが設けられている。第２凹部４７ｖは、波長変換部４７の幅方向の略中央に設けられている。励起光Ｅの入射方向から見た第２凹部４７ｖの形状は、円環状である。波長変換部４７の幅方向における第２凹部４７ｖの寸法Ｗ１は、後述する励起光Ｅの入射領域Ｔよりも大きい。また、第２凹部４７ｖの深さＤ１は、数μｍ程度であればよく、例えば３μｍである。なお、「波長変換部４７の幅方向」は、「円板状の基材４３の径方向」に対応する。

波長変換部４７に設けられた第２凹部４７ｖと基材４３の反射面４３ｒとによって囲まれた内部空間Ｓ１には空気が存在し、この空気を含む空気層３８が形成されている。波長変換部４７の第１面４７ａのうち、反射面４３ｒおよび空気層３８に対向する部分の少なくとも一部が励起光Ｅの入射領域Ｔとされている。

図４に示すように、保持部３７は、波長変換部４７の第３面４７ｃと基材４３とを接合する接着剤を有する。したがって、保持部３７は、波長変換部４７の第３面４７ｃと基材４３の反射面４３ｒとに接するように設けられる。また、波長変換部４７の第２面４７ｂと基材４３の反射面４３ｒとは当接しており、波長変換部４７の第２面４７ｂと基材４３の反射面４３ｒとの間に隙間がなく、この個所に接着剤は浸入していない。また、内部空間Ｓ１にも接着剤は浸入していない。保持部３７は、入射した励起光Ｅおよび蛍光Ｙの無用な吸収や反射を抑えるため、透明な接着剤で構成されていることが望ましい。この種の接着剤として、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、無機接着剤等が用いられる。

保持部３７は、波長変換部４７の両端の第３面４７ｃに沿って設けられている。すなわち、図３に示すように、保持部３７は、波長変換部４７の内周側に位置する第３面４７ｃ、および波長変換部４７の外周側に位置する第３面４７ｃのそれぞれに沿って設けられている。

図３および図５に示すように、波長変換部４７の周方向における２個所に、波長変換部４７の内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔３９が設けられている。連通孔３９は、基材４３の反射面４３ｒと平行な方向に延び、内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させている。保持部３７は、波長変換部４７の内周側および外周側に沿って設けられているが、２個所の連通孔３９の位置で途切れている。したがって、連通孔３９の開口部が保持部３７を構成する接着剤で閉ざされることはない。連通孔３９の数や配置は、本実施形態の例に限定されない。

連通孔３９が設けられたことによって、波長変換部４７の第２凹部４７ｖと基材４３の反射面４３ｒとによって囲まれた内部空間Ｓ１は、密閉された空間とはならず、波長変換素子３２の外部空間Ｓ２と連通した空間となる。これにより、空気は、波長変換部４７の内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２との間で連通孔３９を介して自由に出入りできる。

波長変換部４７に励起光Ｅが入射した際には、波長変換部４７において熱が発生する。本実施形態では、モーター５０によって波長変換素子３２を回転させることにより、波長変換部４７における励起光Ｅの入射位置を時間的に移動させている。これにより、波長変換部４７の同じ位置に励起光Ｅが常時照射されることで、波長変換部４７の一部のみが局所的に加熱され、劣化することが防止される。図３において、励起光Ｅの入射領域を入射領域Ｔとして示す。

本実施形態の波長変換素子３２において、波長変換部４７の内部で等方的に放射された蛍光Ｙは、気孔等の散乱成分に当たって散乱しながら波長変換部４７の内部を進み、蛍光Ｙの一部は波長変換部４７の第１面４７ａに到達し、蛍光Ｙの他の一部は波長変換部４７の第２面４７ｂに到達する。第１面４７ａに到達した蛍光Ｙは、臨界角以上で第１面４７ａに入射して全反射する成分と、臨界角未満で第１面４７ａに入射してフレネル反射する成分と、を除く成分は、第１面４７ａを通過し、波長変換素子３２から射出される。また、上記の２つの反射成分は、再び散乱しながら波長変換部４７の内部を進んで第１面４７ａもしくは第２面４７ｂに到達する。

一方、第２面４７ｂに到達した蛍光Ｙのうち、第２面４７ｂに臨界角以上の入射角で入射した光は、全反射することによって損なわれることなく、再び散乱しながら波長変換部４７の内部を進む。

また、第２面４７ｂに臨界角未満の入射角で入射した蛍光Ｙのうち、第２面４７ｂで反射されなかった成分は、第２面４７ｂを通過して基材４３の反射層４１に到達し、反射層４１で反射する。ところが、銀からなる反射層４１の反射率は高いとは言え、２％程度の吸収率を有するため、蛍光Ｙが反射層４１に入射する毎に蛍光Ｙは減衰する。波長変換部４７の内部で発光した蛍光Ｙのうち、波長変換素子３２から射出されない成分の大部分が反射層４１での吸収成分に相当する。そのため、発光効率を上げるためには、多くの蛍光Ｙを第２面４７ｂで反射させ、蛍光Ｙをできるだけ反射層４１に入射させないようにすることが重要である。

本明細書において、「発光効率」は、以下の（１）、（２）式で定義される。
発光効率＝（波長変換部からの射出光量／波長変換部への励起光入射量） ……（１）
波長変換部からの射出光量＝蛍光の射出光量＋未変換の励起光の射出光量 ……（２）

波長変換部４７の内部における蛍光Ｙの放射分布は全方向に向けて略等方的である。したがって、第２面４７ｂでの臨界角が小さい程、第２面４７ｂで反射する蛍光Ｙを多くし、反射層４１に入射する蛍光Ｙを少なくすることができる。ここで、本実施形態の波長変換素子３２によれば、波長変換部４７の主たる発光領域に対応する励起光Ｅの入射領域Ｔの下方に空気層３８が設けられているため、空気層が設けられていない従来の波長変換素子に比べて、第２面４７ｂでの臨界角を小さくすることができる。これにより、反射層４１に入射する蛍光Ｙの量を少なくし、反射層４１での蛍光Ｙの損失を少なくすることができるため、発光効率を高めることができる。

また、波長変換により生じた熱は、波長変換部４７から基材４３に伝導された後、基材４３の全体にわたって拡散され、基材４３の全面から放出される。したがって、波長変換部４７と基材４３との間に介在する部材の熱抵抗が高いと、十分な排熱が行われないことで波長変換部４７の温度が上昇し、温度消光が生じて発光効率が低下する、という問題が生じる。

この問題に対して、本実施形態の波長変換素子３２では、波長変換部４７と基材４３との間に介在する空気層３８の厚さが数μｍ程度と薄いため、熱伝導率が低い空気であっても熱抵抗が大きく上昇することはない。さらに、波長変換部４７の第２凹部４７ｖが設けられた領域以外の領域では、波長変換部４７の第２面４７ｂと基材４３の反射面４３ｒとが当接しているため、波長変換部４７の熱は基材４３に十分に伝導される。これらの要因により、本実施形態の波長変換素子３２では、波長変換部４７の温度上昇が抑制され、高い発光効率を維持することができる。

また、本実施形態の構成によれば、第２凹部４７ｖの深さを調整することによって空気層３８の厚さを調整することができ、熱抵抗を大きく上昇させない範囲内に熱抵抗を制御することができる。これにより、空気層３８の厚さが厚くなることによって波長変換部４７からの排熱性が低下し、蛍光体の温度上昇に伴う温度消光によって蛍光体の発光効率が下がる現象、および、空気層３８の厚さが薄くなることによる蛍光体−空気界面のフレネル反射率の低下に伴って発光効率が低下する現象を抑えることができる。

なお、上述の特許文献１にも、波長変換部と基材の反射層との間に空気層が設けられた構成が開示されている。しかしながら、特許文献１の光源装置は、角度分布の狭い蛍光を得ることを目的として、直方体状の波長変換部の各面のうち、面積が大きい方の面から励起光を入射させ、面積が小さい方の面から蛍光を射出させることを前提としている。そのため、蛍光射出面に対向する面、すなわち面積が小さい面に空気層が設けられており、励起光入射面に対向する面、すなわち面積が大きい面には空気層が設けられていない。そのため、多くの光は、空気層を介することなく反射層に入射するため、発光効率の向上はあまり期待できない。その点、本実施形態の波長変換素子３２では、空気層３８が設けられた波長変換部４７の第２面４７ｂに多くの光が入射するため、波長変換部４７から基材４３への熱伝導を維持しつつ、発光効率を十分に向上させることができる。

本実施形態の波長変換素子３２においては、波長変換部４７の第２凹部４７ｖと基材４３とによって囲まれた内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔３９が設けられているため、空気は内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２との間で自由に出入りできる。そのため、波長変換部４７から蛍光Ｙが発光する際の温度上昇で空気層３８が膨張して内部空間Ｓ１が拡大し、波長変換部４７と基材４３との間の熱抵抗が増加することを抑制できる。これにより、熱抵抗の増加に伴う発光効率の低下を抑制することができる。さらに、波長変換部４７の温度上昇により空気層３８が膨張して、波長変換部４７が破損することを抑えられる。さらにまた、波長変換部４７の温度上昇により空気層３８が膨張して、波長変換部４７が基材４３から剥離または脱落することを抑えられる。また、波長変換素子３２の製造工程において、波長変換部４７と基材４３とを接合する際に内部空間Ｓ１内で空気が圧縮され、接合が困難になるという弊害を抑えられる。

以上説明した第１実施形態に係る第１照明装置１００によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の第１照明装置１００は、上記の波長変換素子３２を備えているため、波長変換素子における光損失を抑制することができる。
また、本実施形態の第１照明装置１００は、モーター５０（回転装置）によって波長変換部４７上での励起光Ｅの入射位置を時間的に移動させることができるため、波長変換部４７の温度上昇を抑制できる。そのため、波長変換部４７の発光効率の低下を抑制できるとともに、蛍光Ｙの損失が少ない第１照明装置１００を提供することができる。

以上説明した第１実施形態に係るプロジェクター１によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態のプロジェクター１は、上記の第１照明装置１００を備えているため、高輝度の画像を表示することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６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照明装置の全体の説明は省略する。
図６は、第２実施形態の波長変換素子２２の断面図である。この断面図は、図４と同様に、図３のIV−IV線の位置での断面に対応する。
図６において、図４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６に示すように、波長変換素子２２は、基材４４と、波長変換部４８と、保持部３７と、空気層３８と、を備えている。

基材４４は、基材本体４５と、反射層４６と、を有する。基材４４に、第１凹部４４ｖが設けられている。詳細には、基材本体４５の第１面４５ａに第１凹部４４ｖが設けられ、第１凹部４４ｖの底面および側面を含む基材本体４５の全面に反射層４６が設けられている。第１凹部４４ｖは、波長変換部４８の幅方向の略中央に設けられている。第１凹部４４ｖの寸法Ｗ２は、励起光Ｅの入射領域Ｔよりも大きい。また、第１凹部４４ｖの深さＤ２は、数μｍ程度であればよく、例えば３μｍである。基材４４は、反射面４４ｒを有する。

波長変換部４８は、第１の波長帯の励起光Ｅが入射する第１面４８ａと、基材４４と対向する第２面４８ｂと、第１面４８ａもしくは第２面４８ｂに交差する第３面４８ｃと、を有する。

基材４４に設けられた第１凹部４４ｖと波長変換部４８の第２面４８ｂとによって囲まれた内部空間Ｓ１には空気が存在し、この空気を含む空気層３８が形成されている。本実施形態では、第１凹部４４ｖの底面および側面を含む基材本体４５の全面に反射層４６が設けられているが、反射層４６は、必ずしも基材本体４５の全面に設けられていなくてもよく、例えば第１凹部４４ｖの底面のみに設けられていてもよい。
波長変換素子２２のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子３２と同様である。

本実施形態の波長変換素子２２においても、熱伝導を維持しつつ、反射層４６による光の損失を抑えられ、発光効率を十分に向上させることができる、といった第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７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照明装置の全体の説明は省略する。
図７は、第３実施形態の波長変換素子２４の断面図である。この断面図は、図４と同様に、図３のIV−IV線の位置での断面に対応する。
図７において、図４および図６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７に示すように、波長変換素子２４は、基材４４と、波長変換部４７と、保持部３７と、空気層３８と、を備えている。

基材４４は、基材本体４５と、反射層４６と、を有する。基材４４に、第１凹部４４ｖが設けられている。詳細には、基材本体４５の第１面４５ａに第１凹部４４ｖが設けられ、第１凹部４４ｖの底面および側面を含む基材本体４５の全面に反射層４６が設けられている。また、波長変換部４７の第２面４７ｂに、第２凹部４７ｖが設けられている。第１凹部４４ｖと第２凹部４７ｖとは、波長変換部４７の幅方向における略同じ位置に設けられている。波長変換部４７の幅方向における第１凹部４４ｖおよび第２凹部４７ｖの寸法Ｗ３は、略同じであり、励起光Ｅの入射領域Ｔの径よりも大きい。また、第１凹部４４ｖの底面と第２凹部４７ｖの底面との間の距離Ｄ３は、数μｍ程度であればよく、例えば３μｍである。

基材４４に設けられた第１凹部４４ｖと波長変換部４７に設けられた第２凹部４７ｖとによって囲まれた内部空間Ｓ１には空気が存在し、この空気を含む空気層３８が形成されている。本実施形態では、第１凹部４４ｖの底面および側面を含む基材本体４５の全面に反射層４６が設けられているが、反射層４６は、必ずしも基材本体４５の全面に設けられていなくてもよく、例えば第１凹部４４ｖの底面のみに設けられていてもよい。
波長変換素子２４のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子３２と同様である。

本実施形態の波長変換素子２４においても、熱伝導を維持しつつ、反射層４６による光の損失を抑えられ、発光効率を十分に向上させることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図８〜図１０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照明装置の全体の説明は省略する。
図８は、第４実施形態の波長変換素子の正面図である。図９は、図８のIX−IX線に沿う波長変換素子の断面図である。図１０は、図８のＸ−Ｘ線に沿う波長変換素子の断面図である。
図８〜図１０において、上記の各実施形態で用いた図面と共通の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

図８〜図１０に示すように、波長変換素子３３は、基材４９と、波長変換部４８と、保持部３７と、空気層３８と、を備えている。

基材４９は、基材本体５４と、基材本体５４の一部に設けられた反射層５５と、を有する。基材本体５４は、金属を含む材料で構成されている。一例として、基材本体５４は、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属製の板材から構成されている。本実施形態において、基材４９は、波長変換部４８に対向する第１面４９ａを有する。

図９に示すように、基材４９は、第１凹部４９ｖと、２つの第３凹部４９ｕと、を有する。第３凹部４９ｕは、少なくとも一部が波長変換部４８の第２面４８ｂと対向し、第１凹部４９ｖから離間して設けられている。第１凹部４９ｖは、波長変換部４８の幅方向における略中央に設けられている。第３凹部４９ｕは、波長変換部４８の幅方向における端部において、波長変換部４８の下方の領域と波長変換部４８よりも外側の領域とに跨がるように設けられている。

第１凹部４９ｖは、第１溝部４９ｖ１と、２つの第２溝部４９ｖ２と、を有する。第２溝部４９ｖ２は、第１溝部４９ｖ１と第３凹部４９ｕとの間に設けられている。第２溝部４９ｖ２の深さＤ５は、第１溝部４９ｖ１の深さＤ４よりも深い。また、第２溝部４９ｖ２の幅Ｗ５は、第１溝部４９ｖ１の幅Ｗ４よりも狭い。

本実施形態では、反射層５５は、第１溝部４９ｖ１の底面に設けられている。反射層５５は、蛍光Ｙおよび励起光Ｅを高い反射率で反射するように、例えば銀等の反射率の高い金属から構成されている。したがって、基材４９は、蛍光Ｙおよび励起光Ｅを反射する反射面４９ｒを有する。なお、反射層５５は、第１溝部４９ｖ１の底面だけでなく、第２溝部４９ｖ２の底面等を含む第１凹部４９ｖの内壁面、第３凹部４９ｕの内壁面、基材４９の第１面４９ａ等に設けられていてもよい。

保持部３７は、波長変換部４８の第３面４８ｃと基材４９とを接合する接着剤を有する。したがって、保持部３７は、波長変換部４８の第３面４８ｃと基材４９の第１面４９ａとに接するように設けられる。詳細には、保持部３７を構成する接着剤の一部は、第３凹部４９ｕに収容されている。接着剤の他の一部は、波長変換部４８の第３面４８ｃに対向して設けられている。

また、波長変換部４８の第２面４８ｂと、基材４９の第１面４９ａのうち、第３凹部４９ｕと第２溝部４９ｖ２との間に位置する面と、は当接している。そのため、第３凹部４９ｕと第２溝部４９ｖ２との間に位置する面と波長変換部４８の第２面４８ｂとの間に、接着剤は浸入していない。さらに、内部空間Ｓ１にも接着剤は浸入していない。保持部３７は、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、無機接着剤等の接着剤から構成されている。

図８および図１０に示すように、基材４９の周方向における２個所に、波長変換部４８の内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔２９が設けられている。連通孔２９は、基材４９の第１面４９ａと略平行な方向に延び、内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させている。保持部３７は、波長変換部４８の内周側および外周側に沿って設けられているが、２個所の連通孔２９の位置で途切れている。そのため、連通孔２９の開口部は、保持部３７を構成する接着剤で閉ざされることはない。連通孔２９の数や配置は、本実施形態の例に限定されない。
波長変換素子３３のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子３２と同様である。

本実施形態の波長変換素子３３においても、熱伝導を維持しつつ、反射層５５による光の損失を抑えられ、発光効率を十分に向上させることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態の場合、波長変換部４８の幅方向の端部にあたる基材４９の一部に第３凹部４９ｕが設けられ、接着剤の一部が第３凹部４９ｕの内部に収容されている。したがって、第３凹部４９ｕは、接着剤の一部を収容するためのスペースとして機能する。さらに、接着剤が波長変換部４８の第３面４８ｃと第１面４９ａの一部に接合されるため、第１実施形態に比べて、波長変換部４８と基材４９との接着面積が大きくなり、接着強度が高められる。これにより、波長変換部４８の剥離が抑えられ、波長変換素子３３の信頼性を高めることができる。

また、波長変換部４８の第２面４８ｂと基材４９の第１面４９ａとが当接しているため、空気層３８の厚さをより精密に制御することができる。これにより、波長変換部４８の熱が基材４９に伝導する際の熱抵抗を適切に管理することができる。

さらに、基材４９の第１面４９ａのうち、第３凹部４９ｕと第２溝部４９ｖ２との間に位置する面と波長変換部４８の第２面４８ｂとが当接しているため、第３凹部４９ｕに収容された接着剤が第１凹部４９ｖに流れ込みにくくなっている。さらに、第１凹部４９ｖにおいては、第１溝部４９ｖ１の両側に第１溝部４９ｖ１よりも深い第２溝部４９ｖ２が設けられているため、波長変換部４８の第２面４８ｂと基材４９の第１面４９ａとのわずかな隙間を介して、仮に接着剤が第１凹部４９ｖに流れ込んだとしても、接着剤は、第２溝部４９ｖ２の内部に溜まり、反射層５５が設けられた第１溝部４９ｖ１にまでは到達しにくい。これにより、接着剤が反射層５５上に流れ込むことが抑えられ、反射層５５上に流れ込んだ接着剤に起因する発光効率の低下を抑制することができる。

本実施形態においても、内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔２９が設けられているため、空気層３８の膨張によって発光効率が低下する、波長変換部４８が破損する、波長変換部４８の接合が困難になる、等の問題を改善することができる。

第４実施形態の波長変換素子は、以下の構成を有していてもよい。

（変形例）
図１１は、第４実施形態の変形例の波長変換素子３４の断面図である。
図１１において図９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。
なお、図１１は、図８のIX−IX線に沿う断面に相当する。

図１１に示すように、変形例の波長変換素子３４は、波長変換部４８の内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔２７を有する。連通孔２７は、２つの第２溝部４９ｖ２のそれぞれに設けられ、基材５６の反射面５６ｒと交差する方向に延び、基材５６の反射面５６ｒと第２面５６ｂとの間を貫通している。変形例の構成においては、保持部３７は、波長変換部４８の内周側および外周側の全周にわたって途切れることなく、設けられていてもよい。なお、図１１において、連通孔２７は、２つの第２溝部４９ｖ２のそれぞれに設けられているが、一方の第２溝部４９ｖ２のみに設けられていてもよい。
波長変換素子３４のその他の構成は、第４実施形態の波長変換素子３３と同様である。

本変形例においても、内部空間Ｓ１と外部空間Ｓ２とを連通させる連通孔２７が設けられているため、空気層３８の膨張によって波長変換部４８の第２面４８ｂからの放熱性が低下して発光効率が低下することを抑制することができる。また、連通孔２７が設けられているため、波長変換部４８が破損すること、または、波長変換部４８の接合が困難になること等を抑制することができる。

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。
例えば上記実施形態の波長変換素子において、波長変換部の第２面に誘電体多層膜が設けられていてもよい。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とが交互に複数積層された膜で構成される。すなわち、誘電体多層膜は、屈折率が互いに異なる２種の誘電体膜が交互に複数積層された構成を有する。誘電体多層膜を構成する各誘電体膜の種類や層数は、特に限定されない。

波長変換部の第２面に誘電体多層膜が設けられた場合、波長変換部の第２面に臨界角以下の入射角で入射する蛍光のうち、第２面で反射する蛍光の量を誘電体多層膜によって増加させることができる。これにより、基材の反射面に到達する蛍光の量を減少させ、反射面での損失を抑制することができる。その結果、波長変換素子の発光効率を高めることができる。

また、上記実施形態の波長変換素子において、保持部には接着剤が用いられていたが、波長変換部は必ずしも基材に接着されていなくてもよい。保持部として、例えば波長変換部を基材に押し付けることによって保持する板バネ部材、波長変換部の周囲を囲んだ状態で波長変換部の移動を規制し、波長変換部を基材に保持する帯状部材、等の部材が用いられてもよい。

また、上記実施形態では、モーターによって回転可能とされた波長変換素子の例を挙げたが、本発明は、回転可能とされていない固定型の波長変換素子にも適用が可能である。

その他、波長変換装置、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。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搭載してもよい。

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、１０…第１光源（光源）、２７，２９，３９…連通孔、３２，３３，３４…波長変換素子、３５…回転軸、３７…保持部、３８…空気層、４３，４４，４９，５６…基材、４３ｒ，４４ｒ，４９ｒ，５６ｒ…反射面、４４ｖ，４９ｖ…第１凹部、４７，４８…波長変換部、４７ａ，４８ａ…第１面、４７ｂ，４８ｂ…第２面、４７ｃ，４８ｃ…第３面、４７ｖ…第２凹部、４９ａ…第１面、４９ｕ…第３凹部、４９ｖ１…第１溝部、４９ｖ２…第２溝部、５０…モーター（回転装置）、１００…第１照明装置（照明装置）、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…光変調装置、６００…投射光学装置、Ｅ…励起光、Ｙ…蛍光、Ｓ１…空間、Ｓ２…外部空間、Ｔ…（励起光の）入射領域。

Claims (8)

1. 反射面を有する基材と、
   第１の波長帯の励起光が入射する第１面と、前記基材と対向する第２面と、を有し、前記励起光を前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、
   前記基材に対して前記波長変換部を保持する保持部と、
   前記波長変換部の前記第２面に対向するように前記基材に設けられる第１凹部と前記波長変換部の前記第２面とに囲まれる空間、または、前記基材の前記反射面に対向するように前記波長変換部に設けられる第２凹部と前記基材の前記反射面とに囲まれる空間に設けられる空気層と、
   を備え、
   前記第１面のうち、前記反射面および前記空気層に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする波長変換素子。
2. 前記波長変換部は、前記第１面もしくは前記第２面に交差する第３面をさらに有し、
   前記保持部は、前記波長変換部の前記第３面と前記基材とを接合する接着剤を有し、
   前記基材は、前記第１凹部と、少なくとも一部が前記波長変換部の前記第２面と対向し、前記第１凹部から離間して設けられる第３凹部と、を有し、
   前記接着剤の一部は、前記第３凹部に収容され、
   前記第１凹部は、第１溝部と、第２溝部と、を有し、
   前記第２溝部は、前記第１溝部と前記第３凹部との間に設けられ、前記第１溝部の深さよりも深い深さを有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記波長変換部の前記第２面と、前記基材の前記第３凹部と前記第２溝部との間に位置する面と、が当接していることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記空間と外部空間とを連通させる連通孔をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記波長変換部は、波長変換層と、前記波長変換層の前記反射面と対向する面に設けられた誘電体多層膜と、を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項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、
   前記波長変換素子に向けて前記励起光を射出する光源と、を備えたことを特徴とする照明装置。
7. 前記波長変換素子は、回転軸の周りに回転可能とされ、
   前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えたことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 請求項６または請求項７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、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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