JP6992247B2 - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents
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Description
上記第1態様によれば、波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、第2面において接合材が位置する接合領域の内側に第1波長の光が照射される照射領域が第1面において設定されているので、当該接合領域の外側の領域に第1波長の光が入射することを抑制できる。また、波長変換部の第2面において第1面の照射領域に対向する位置に接合材が確実に位置するので、当該照射領域に照射された第1波長の光により当該照射領域の温度が上昇した場合に、当該照射領域(波長変換部)の熱を、接合材を介して基板に伝達できる。従って、波長変換部を効率よく冷却できるので、当該波長変換部の波長変換効率の低下を抑制できる。
このような構成によれば、波長変換層を介して入射された光を波長変換層に向けて反射させることができるので、例えば、波長変換部が上記反射層を有していない波長変換素子に比べて、第1波長の光を第2波長の光に変換する波長変換効率を高めることができる。
なお、上記金属としては、銀(Ag)を例示できる。上記「層状」とは、上記接合材が基板と波長変換部の第2面とを接合する際に、金属バンプのように断続的ではなく、一様に基板と第2面とを接合することを意味している。上記接合材を形成するために、金属ペーストを焼結してもよい。なお、上記層状に一様に形成された接合材は、金属バンプのように肉眼で目視できる程度に断続的でなければ、当該接合材の内部に微細な気泡を含んでいてもよい。すなわち、内部がポラス状の金属層であってもよい。
このような構成によれば、波長変換部の第2面よりも内側に位置する接合材が金属を含み層状に構成されていることから、当該接合材を金属バンプのように断続的でなく密に構成できるので、当該接合材を介して波長変換部の熱を基板により確実に伝達できる。従って、波長変換部を更に効率よく冷却できるので、当該波長変換部の波長変換効率の低下を更に抑制できる。
このような構成によれば、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。また、自然対数の底をeとし、光源から出射される第1波長の光束の中心強度を1としたときに、上記光強度が中心強度の1/e2以上となる部分光束が接合領域の内側に出射されるので、例えば、当該接合領域より外側に上記第1波長の光束が照射された場合であっても、当該接合領域より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が照射されるので、波長変換部の温度上昇を抑制できる。従って、波長変換素子の温度上昇を抑制できるので、当該光源装置から安定して第2波長の光を含む光を安定して出射させることができる。
上記位置変更部としては、波長変換素子に入射される第1波長の光束を集光するピックアップ光学装置を例示できる。
このような構成によれば、位置変更部により照射領域内における第1波長の光束の照射位置を変更できるので、予め設定された照射領域に連続して第1波長の光束が入射される場合に比べて、波長変換素子の温度上昇を抑制でき、当該波長変換素子の波長変換効率の低下を抑制できる。また、位置変更部により照射領域内における第1波長の光束の照射位置を変更できるので、予め設定された照射領域に連続して第1波長の光束が入射される場合に比べて、当該入射される第1波長の光束に基づく波長変換素子の劣化を抑制できる。従って、波長変換素子により波長変換された第2波長の光を含む光束をより安定して出射させることができる。また、波長変換素子の劣化を抑制できるので、当該波長変換素子、ひいては、光源装置の長寿命化を図ることができる。
上記第3態様によれば、上記第2態様に係る光源装置と同様の効果を奏することができる。また、光源装置から第2波長の光を含む光が安定して出射されるので、投射光学装置から安定して投射画像を投射でき、プロジェクターの信頼性を高めることができる。
[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の外観を示す斜視図である。
本実施形態に係るプロジェクター1は、後述する照明装置41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、形成された画像をスクリーン等の被投射面PS上に拡大投射する投射型画像表示装置である。このプロジェクター1は、図1に示すように、外観を構成する外装筐体2と、当該外装筐体2内に収容配置される装置本体3(図2参照)と、を備える。
このようなプロジェクター1は、詳しくは後述するが、基板51と波長変換部52とを接合する接合材55が当該波長変換部52の第2面(反射層54の接合面54B)よりも内側に位置し、光源部411から出射された励起光が、波長変換部52の第1面(波長変換層53の第1面53A)における接合材55が位置する接合領域Ar1の内側に入射される点を、特徴の1つとしている(図3参照)。
以下、プロジェクター1の構成について説明する。
外装筐体2は、それぞれ合成樹脂により形成されたアッパーケース2A、ロアーケース2B、フロントケース2C及びリアケース2Dが組み合わされて、略直方体形状に構成されている。このような外装筐体2は、天面部21、底面部22、正面部23、背面部24、左側面部25及び右側面部26を有する。
正面部23の中央部分には、後述する投射光学装置46の端部461を露出させ、当該投射光学装置46により投射される画像が通過する開口部231が形成されている。
また、正面部23において左側面部25側の位置には、外装筐体2内の熱を帯びた冷却気体が排出される排気口232が形成され、当該排気口232には、複数のルーバー233が設けられている。
一方、正面部23において右側面部26側の位置には、プロジェクター1の動作状態を示す複数のインジケーター234が設けられている。
右側面部26には、外部の空気を冷却気体として内部に導入する導入口261が形成され、当該導入口261には、フィルター(図示省略)が設けられたカバー部材262が取り付けられている。
図2は、装置本体3の構成を示す模式図である。
装置本体3は、図2に示すように、画像投射装置4を備える。更に、図示を省略するが、装置本体3は、プロジェクター1の動作を制御する制御装置、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、及び、冷却対象を冷却する冷却装置を備える。
画像投射装置4は、上記制御装置から入力される画像信号に応じた画像を形成して、上記被投射面PS上に投射する。この画像投射装置4は、照明装置41、色分離装置42、
平行化レンズ43、光変調装置44、色合成装置45及び投射光学装置46を備える。
これらのうち、照明装置41は、光変調装置44を均一に照明する照明光WLを出射する。この照明装置41の構成については、後に詳述する。
ダイクロイックミラー421は、上記照明光WLに含まれる青色光LBを透過させ、緑色光LG及び赤色光LRを反射させる。このダイクロイックミラー421を透過した青色光LBは、反射ミラー423にて反射され、平行化レンズ43(43B)に導かれる。
ダイクロイックミラー422は、上記ダイクロイックミラー421にて反射された緑色光LG及び赤色光LRのうち、緑色光LGを反射させて平行化レンズ43(43G)に導き、赤色光LRを透過させる。この赤色光LRは、リレーレンズ426、反射ミラー424、リレーレンズ427及び反射ミラー425を介して、平行化レンズ43(43R)に導かれる。
平行化レンズ43(赤、緑及び青の各色光用の平行化レンズを、それぞれ43R,43G,43Bとする)は、入射される光を平行化する。
色合成装置45は、各光変調装置44R,44G,44Bから入射される色光LR,LG,LBに基づく画像を合成する。この色合成装置45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によって構成することも可能である。
投射光学装置46は、色合成装置45にて合成された画像を上記被投射面PSに拡大投射する。このような投射光学装置46として、例えば、鏡筒と、当該鏡筒内に配置される複数のレンズとにより構成される組レンズを採用できる。
図3は、照明装置41の構成を示す模式図である。
照明装置41は、本発明の光源装置に相当し、照明光WLを色分離装置42に向けて出射する。この照明装置41は、図3に示すように、光源部411、アフォーカル光学装置412、ホモジナイザー光学装置413、偏光分離装置414、位相差板415、ピックアップ光学装置416、波長変換素子5、インテグレーター光学装置417、偏光変換素子418及び重畳レンズ419を備える。
これらのうち、光源部411、アフォーカル光学装置412及びホモジナイザー光学装置413は、第1照明光軸Ax1上に配置されている。一方、位相差板415、ピックアップ光学装置416、波長変換素子5、インテグレーター光学装置417、偏光変換素子418及び重畳レンズ419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414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。
アレイ光源411A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4111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4111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4111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414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4111が出射する励起光ELの偏光方向は、偏光分離装置414の偏光分離層4143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。
このような偏光分離装置414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415側に反射させる。また、詳しくは後述するが、偏光分離装置414は、位相差板415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417に入射させる。
なお、偏光分離装置414は、プリズム型に限らず、プレート型でもよい。
ピックアップ光学装置416は、位相差板415から入射される励起光ELcを波長変換素子5に集光する。このピックアップ光学装置416は、2つのレンズ4161,4162及び位置変更部4163を有する。これらのうち、位置変更部4163は、2つのレンズ4161,4162のそれぞれに接続され、これら2つのレンズ4161,4162の位置を変更し、後述する照射領域Ar2内における励起光の照射位置を変更する。
なお、本実施形態では、ピックアップ光学装置416は、2つのレンズ4161,4162を備えることとしたが、当該ピックアップ光学装置416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。また、上記位置変更部4163は、なくてもよい。
これらのうち、励起光ELcは、波長変換素子5にて反射されるときに、当該波長変換素子5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415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414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417に青色光として入射される。
一方、波長変換素子5から出射された蛍光YLは非偏光光であり、偏光分離層4143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416及び位相差板415を通過した後、第2照明光軸Ax2に沿って偏光分離装置414を通過して、インテグレーター光学装置417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414を介してインテグレーター光学装置417に入射される。
偏光変換素子418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418から出射された照明光WLは、重畳レンズ419に入射する。
そして、当該重畳レンズ419を介した照明光WLは、上記色分離装置42のダイクロイックミラー421に入射される。
図4は、波長変換素子5を示す断面図であり、図5は、波長変換素子5の平面及び接合領域Ar1における光強度分布を示す図である。なお、図4では、説明を分かりやすくするため、励起光ELcを斜線にて示している。
波長変換素子5は、上記のように、ピックアップ光学装置416から入射される励起光ELcの一部を拡散反射させるとともに、他の一部の励起光ELcを波長変換して生成される蛍光YLを、当該励起光ELcの入射側(すなわちピックアップ光学装置416側)に出射する。この波長変換素子5は、図4に示すように、基板51、波長変換部52及び接合材55を有する。また、これらのうち波長変換部52は、波長変換層53及び反射層54を有する。
これらは、ピックアップ光学装置416からの励起光ELcの入射側から、波長変換層53、反射層54、接合材55の順に、基板51上に積層されている。
具体的に、接合材55は、基板51における一方の面側(励起光ELcの入射側の面51A側)に位置し、当該基板51と、波長変換部52の第2面に相当する反射層54の接合面54Bと、を接合する。すなわち、波長変換層53は、当該波長変換層53に蒸着された(一体化された)反射層54が接合材55によって基板51に接合されることにより、当該基板51に固定されている。
このような基板51は、上記ピックアップ光学装置416から出射された励起光ELcが波長変換部52(波長変換層53)に入射される位置に固定されている。
この波長変換層53は、入射される励起光ELcによって励起され、蛍光YLを出射する。すなわち、波長変換層53は、第1波長(青色光の波長域)の励起光ELcを第2波長(緑色光~赤色光の波長域)の蛍光YLに波長変換する。このような波長変換層53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41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、反射層54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53の厚さ寸法は、略100μmに設定されているが、当該厚さ寸法は100μmより小さくてもよい。
このような波長変換層53は、図5に示すように、略矩形板状に形成され、励起光ELcが入射される第1面53Aと、当該第1面53Aとは反対方向側(反射層54側)に位置する第2面53Bを有し、当該第2面53Bには、反射層54の反射面54Aが位置する。
接合材55は、波長変換部52の反射層54と基板51とを接合し、波長変換層53及び反射層54を基板51の上記面51A上に固定する。この接合材55は、図4に示すように、基板51側に向かうに従って外周側に拡大する略四角錐状に形成される。
接合材55は、図4に示すように、金属バンプのように断続的ではなく、層状に一様に形成される。また、接合材55は、金属を含む金属ペーストにより構成される。本実施形態では、接合材55は、上記金属として銀(Ag)を含む金属ペーストである銀半田により構成されている。
このような接合材55は、基板51の上記面51A上に塗布され、焼結されることによって、当該基板51と上記反射層54(波長変換部52の第2面)とを接合する。上記反射層54の接合面54B及び基板51の面51Aに固着し、基板51に反射層54が固定される。
なお、上記焼結後の当該接合材55は、金属バンプのように肉眼で目視できる程度に断続的でなければ、当該接合材の内部に微細な気泡を含むポラス状の銀板であってもよい。
このような接合材55は、図4及び図5に示すように、波長変換層53に入射される励起光ELcの進行方向に沿って見た場合に、波長変換部52の第2面である接合面54Bの内側に位置する。具体的に、反射層54の接合面54Bと接合材55とが固着している接合領域Ar1は、図5に示すように、波長変換層53の外周端より内側に位置する略矩形状の領域である。すなわち、接合領域Ar1における上記励起光ELcの入射方向に直交する方向の寸法L2は、波長変換部52の励起光ELcの入射方向に直交する方向の寸法L3よりも小さい。このため、波長変換層53及び反射層54の外周端近傍には、接合材55が位置していない。
これに対し、本実施形態では、接合材55は、波長変換部52の第2面である反射層54の接合面54Bの内側に位置している。すなわち、接合材55は、波長変換層53及び反射層54の外周端に位置していないので、当該接合材55によって波長変換素子5から出射される蛍光YLの出射効率、すなわち、波長変換効率が低下することを抑制できる。
また、ピックアップ光学装置416から波長変換部52(波長変換層53)に入射される励起光ELcは、図4及び図5に示すように、当該波長変換部52の第1面(波長変換層53の第1面53A)において、接合面54Bの接合材55が位置する接合領域Ar1の内側に照射される。具体的に、ピックアップ光学装置416から波長変換部52の第1面(上記第1面53A)に入射される励起光ELcは、当該ピックアップ光学装置416により当該第1面53Aの中心Cに向けて集光されるので、当該励起光ELcの第1面53Aにおける照射領域Ar2は、上記接合領域Ar1の内側に位置する。このため、波長変換層53の第1面53Aにおける照射領域Ar2の上記励起光ELcの入射方向に直交する方向の寸法L1は、上記第1面53Aにおける上記接合領域Ar1の寸法L2よりも小さい。すなわち、波長変換部52を励起光ELcの入射方向に沿う方向から見た場合に、当該波長変換部52における接合材55が位置する範囲内に上記励起光ELcが照射される。
光源部411から出射され、ピックアップ光学装置416を介して照射領域Ar2に照射されるレーザー光の光強度は、波長変換部52の波長変換層53により波長変換が可能な光強度の光に設定されている。具体的に、照射領域Ar2に照射される励起光ELcの光強度は、図5に示すように、照射領域Ar2の中心Cが最も高く、外側に向かうに従って低くなっており、いずれもが自然対数の底をeとし、励起光ELcの光強度の中心強度(中心Cにおける光強度)を1としたときに、1/e2より大きい光強度の部分光束が入射される。
これに対し、本実施形態では、自然対数の底をeとし、励起光ELcの光強度の中心強度を1としたときに、1/e2以上となる部分光束、すなわち、波長変換部52の波長変換層53により波長変換が可能な光強度の励起光ELcが接合領域Ar1の内側(照射領域Ar2)に出射される。このため、例えば、当該接合領域Ar1の外側に上記励起光ELcの一部が入射した場合であっても、当該接合領域Ar1より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が入射するので、波長変換部52の温度が上昇する可能性が低い。換言すると、照射領域Ar2の面積が上記接合領域Ar1の面積より大きくなった場合でも、当該接合領域Ar1より外側に位置する領域に入射される励起光ELcの光強度が、自然対数の底をeとし、当該励起光ELcの光強度の中心強度を1としたときに、1/e2未満の光が入射されるので、波長変換部52の発熱量が小さくなる。このため、当該接合領域Ar1の外側の領域にて発生した熱は、接合材55により基板51に伝達される。
以上説明した本実施形態に係るプロジェクター1は、以下の効果を奏する。
波長変換部52における励起光ELcが入射される第1面53Aにおいて、接合面54Bの接合材55が位置する接合領域Ar1の内側に当該励起光ELcが照射される照射領域Ar2が設定されているので、当該接合領域Ar1の外側の領域に励起光ELcが入射することを抑制できる。また、波長変換部52の第2面(接合面54B)における照射領域Ar2に対向する位置に接合材55が確実に位置するので、当該照射領域Ar2に照射された励起光ELcにより当該照射領域Ar2の温度が上昇した場合に、当該照射領域Ar2(波長変換部52)の熱を、接合材55を介して基板51に伝達できる。従って、波長変換部52を効率よく冷却できるので、当該波長変換部52の波長変換効率の低下を抑制できる。
また、照明装置41から蛍光YLを含む照明光WLが安定して出射されるので、投射光学装置46から安定して投射画像を投射でき、プロジェクター1の信頼性を高めることができる。
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5は、励起光ELcの入射によって生じる蛍光YLを当該励起光ELcの入射側に出射する反射型の波長変換素子として構成した。しかしながら、これに限らず、基板51の面51Aとは反対側の面から蛍光YLを出射する透過型の波長変換素子として構成してもよい。この場合、基板51を透光性部材とし、反射層54に代えて、励起光ELcを透過し、蛍光YLを反射させる波長選択性反射層を、波長変換層53に対して基板51とは反対側に配置することにより、当該透過型の波長変換素子を構成できる。すなわち、波長変換素子5の波長変換部52は、反射層54を有していなくてもよい。
また、上記実施形態では、波長変換層53の第1面53Aにおける接合領域Ar1及び照射領域Ar2のそれぞれは、励起光ELcの入射方向に沿って見た場合に略矩形状に形成されているが、これに限らず、例えば、上記波長変換層53の形状に合わせて、略長方形状や略円形状であってもよい。すなわち、波長変換部52(波長変換層53)の励起光ELcの入射方向に沿って見た場合の形状は、適宜変更可能である。
上記実施形態では、プロジェクターは、光入射面と光出射面とが異なる透過型の液晶パネルを有する光変調装置44を備えるとした。しかしながら、これに限らず、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有する光変調装置を採用してもよい。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。
Claims (5)
- 基板と、
入射された第1波長の光を前記第1波長の光とは異なる第2波長の光に変換する波長変換部と、
金属を含む層状に形成され、前記基板と前記波長変換部とを接合する接合材と、を備え、
前記波長変換部は、
前記第1波長の光を前記第2波長の光に変換する波長変換層と、
前記波長変換層を介して入射された光を反射させる反射層と、
前記第1波長の光が入射される第1面と、
前記反射層において前記波長変換層と対向する面とは反対側の面であり、前記波長変換部において前記第1面とは反対側に位置する第2面と、を有し、
前記接合材は、前記波長変換部から前記基板に向かうに従って外周側に拡大して、前記波長変換部の前記第2面と前記基板とを接合するとともに、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、前記第2面において前記第2面よりも内側に位置する第1接合領域を形成し、
前記波長変換部は、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に前記第1接合領域よりも内側に、前記第1波長の光が照射される照射領域が前記第1面において設定され、
前記基板における前記接合材との第2接合領域の外縁は、前記第1面を平面視した場合に前記波長変換部の外縁と重なることを特徴とする波長変換素子。 - 請求項1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第1波長の光束を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。 - 請求項2に記載の光源装置において、
前記第1接合領域の内側には、自然対数の底をeとし、前記光源から出射される前記第1波長の光束の光強度の中心強度を1としたとき、前記第1波長の光束のうち、前記光強度が前記中心強度の1/e2以上となる部分光束が照射されることを特徴とする光源装置。 - 請求項2又は請求項3に記載の光源装置において、
前記波長変換素子に入射される前記第1波長の光束の前記照射領域内における照射位置を変更する位置変更部を有することを特徴とする光源装置。 - 請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された前記第1波長の光束を含む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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