JP7052475B2 - 波長変換素子、光源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、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いられる光源装置として、半導体レーザー等の発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。ところが、この種の光源装置においては、使用する蛍光体材料によって蛍光の波長帯域が決まるため、所望の色味を有する蛍光が得られない場合がある。そこで、この問題を解決するため、互いに異なる波長帯域を有する複数種の蛍光体材料を備えた光源装置が提案されている。

例えば下記の特許文献１には、赤色光源装置と、青色光源装置と、緑色光源装置と、を備え、緑色光源装置が、緑色蛍光体層とシアン色蛍光体層とが基板の一面に積層された蛍光板を有する光源装置が開示されている。特許文献１には、この光源装置においては、シアン色波長帯域の蛍光によって緑色波長帯域の蛍光の色味を短波長側に調整することができる、と記載されている。

特開２０１６－０６２０１２号公報

特許文献１の光源装置においては、互いに異なる波長帯域を有する２層の蛍光体層が基板の一方の面に積層されている。そのため、２層の蛍光体層からの放熱が不十分となって蛍光体層の波長変換効率が低下し、光源装置から射出される光の色域が変化する虞があった。このように、光源装置が所望の色域を有する光を安定して射出することができない、という問題があった。

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、所望の色域を有する光を安定して射出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光源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、上記の光源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、第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、を備え、前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けら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、前記第２の波長変換層の波長変換効率は、前記第１の波長変換層の波長変換効率よりも低くてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２の波長変換層から射出される前記第２の蛍光の量は、前記第１の波長変換層から射出される前記第１の蛍光の量よりも多くてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第１の波長変換層の前記第１の入射面と反対側の第１の射出面と前記基板の第１面との間に、第１の空気層が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２の波長変換層の前記第２の入射面と前記基板の第２面との間に、第２の空気層が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、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プロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像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。

本発明の一つの態様のプロジェクターにおいて、前記光透過部に対応する前記基板の前記第１面または前記第２面は、前記励起光、前記第１の蛍光、または前記第２の蛍光を拡散させる拡散面を有していてもよい。

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。 波長変換装置の平面図である。 図３のIV－IV線に沿う波長変換素子の断面図である。 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。
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１０００の概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１０００は、照明装置１００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、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学装置６００と、を備えている。

照明装置１００は、光源装置８０と、ピックアップ光学系６０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。光源装置８０は、光源１０と、コリメート光学系２０と、集光光学系７０と、波長変換装置３０と、を備えている。

光源１０は、青色光Ｂを射出する。詳しくは後述するが、波長変換装置３０は、光源１０から射出された青色光Ｂの一部を黄色の蛍光Ｙおよび赤色の蛍光Ｒに変換して、青色光Ｂの他の一部とともに射出する。このようにして、光源装置８０は、全体として白色光を射出する。

光源１０は、複数の半導体レーザー１５を備えている。半導体レーザー１５は、例えばピーク波長が４５５ｎｍの第１の波長帯を有する青色光Ｂを射出する。第１の波長帯は、例えば４５０～４８０ｎｍである。なお、半導体レーザー１５は、ピーク波長が４５５ｎｍ以外の青色光Ｂ、例えばピーク波長が４６２ｎｍの青色光Ｂを射出してもよい。また、半導体レーザー１５は、青色光Ｂに限らず、紫外光を射出してもよい。なお、光源１０は、半導体レーザー１５に限らず、発光ダイオード等の固体光源を備えていてもよい。

以下の説明では、青色光Ｂの主光線の方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な平面内で互いに直交する方向をｘ方向およびｙ方向とする直交座標系を用いる。
複数の半導体レーザーは、ｘ方向およびｙ方向に所定の間隔をおいて２次元のアレイ状に配列されている。

本実施形態において、複数の半導体レーザー１５は、ｘｙ平面において４行４列に配列されている。すなわち、複数の半導体レーザー１５は、ｘ方向に配列された４列の半導体レーザー列１５Ｒを有する。また、１列の半導体レーザー列１５Ｒは、ｙ方向に配列された４個の半導体レーザー１５を有する。ただし、半導体レーザー１５の個数は、特に限定されない。

半導体レーザー１５は、光を射出する光射出面１５ａを有している。光射出面１５ａは、ｚ方向から見て、長手方向と短手方向とを有する略長方形状の平面形状を有している。本実施形態においては、光射出面の長手方向はｘ方向と平行であり、短手方向はｙ方向と平行である。

半導体レーザー１５から射出された青色光Ｂは、例えば光射出面の長手方向と平行な偏光方向を有する直線偏光からなる。青色光Ｂの光射出面の短手方向での発散角は、青色光Ｂの光射出面の長手方向での発散角よりも大きい。そのため、ｘｙ平面における青色光Ｂの断面形状は、ｙ方向を長手方向とし、ｘ方向を短手方向とした楕円形状となる。

図１では図示を省略するが、半導体レーザー１５は、ベース基板上に実装されている。ベース基板は、半導体レーザー１５の熱を効果的に放出するために、銅等の熱伝導性が高い金属が用いられることが望ましい。また、半導体レーザー１５は、サブマウントを介してベース基板に実装されていてもよい。さらに、ベース基板の半導体レーザーの実装面と反対側の面に、ヒートシンク等の冷却器が設けられていてもよい。

コリメート光学系２０は、複数の半導体レーザー１５の配列に対応して２次元のアレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ２１を備えている。コリメーターレンズ２１は、凸レンズで構成されている。複数の半導体レーザー１５の各々から射出された光線束は、コリメート光学系２０を構成する複数のコリメーターレンズ２１の各々を透過することによって平行化される。

集光光学系７０は、コリメート光学系２０から射出された青色光Ｂを集束させて波長変換素子４５に入射させる。集光光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。第１レンズ７２および第２レンズ７４は、ともに凸レンズで構成されている。

図２は、本実施形態の波長変換装置３０の斜視図である。図３は、光の射出側から見た波長変換装置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４５の断面図である。

図２～図４に示すように、波長変換装置３０は、波長変換素子４５と、波長変換素子４５を回転させるモーター５０と、を備えている。波長変換素子４５は、基板３８と、第１の蛍光体層４１と、第２の蛍光体層４２と、を備えている。波長変換装置３０は、青色光Ｂが入射する側と反対側に向けて白色光Ｗを射出する。すなわち、波長変換装置３０は、透過型の波長変換素子４５を備えている。

基板３８は、モーター５０の駆動によって回転軸５１を中心として回転する。波長変換素子４５を回転軸５１の延在方向（ｚ方向）から見たとき、基板３８の形状は円形である。基板３８は、青色光Ｂおよび後述する第１の蛍光Ｙを透過させることが可能な材料から構成されている。基板３８の材料として、例えば光学ガラス、石英ガラス、サファイアガラス、水晶、透明樹脂等を用いることができる。また、基板３８の第１面３８ａおよび第２面３８ｂの少なくとも一方に、反射抑制層が設けられていてもよい。

波長変換素子４５にはレーザー光からなる青色光Ｂが入射するため、第１の蛍光体層４１および第２の蛍光体層４２において熱が発生する。本実施形態では、モーター５０により波長変換素子４５を回転させることによって、第１の蛍光体層４１および第２の蛍光体層４２における青色光Ｂの入射位置を時間的に変化させている。これにより、第１の蛍光体層４１および第２の蛍光体層４２の同じ位置に青色光Ｂが常時照射され、第１の蛍光体層４１および第２の蛍光体層４２が局所的に加熱されることが抑制される。図３において、青色光Ｂの入射位置を符号Ｔの円で示す。

図３に示すように、第１の蛍光体層４１および第２の蛍光体層４２は、回転軸５１の周囲に開口４２ｈを有する円環状の形状を有する。すなわち、第１の蛍光体層４１は、基板３８の第１面３８ａにおいて、回転軸５１を囲むように設けられている。第２の蛍光体層４２は、基板３８の第２面３８ｂにおいて、回転軸５１を囲むように設けられている。第１の蛍光体層４１の径方向の幅Ｗ１と第２の蛍光体層４２の径方向の幅Ｗ２とは、略等しい。したがって、波長変換素子４５を回転軸５１の延在方向（ｚ方向）から見たとき、第１の蛍光体層４１の外形と第２の蛍光体層４２の外形とは、略重なっている。

図４に示すように、第１の蛍光体層４１は、第１の波長帯を有する青色光Ｂ（励起光）が入射する第１の入射面４１ａと、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光Ｙと、第１の蛍光体層４１の励起に使われなかった青色光Ｂと、を射出する第１の射出面４１ｂと、を有する。第１の蛍光体層４１は、第１の射出面４１ｂが基板３８の第１面３８ａに対向して設けられている。本実施形態において、第１の蛍光Ｙの第２の波長帯は、例えば約４８０～７００ｎｍ（ピーク波長が約５４０ｎｍ）の波長帯であり、第１の蛍光体層４１が射出する第１の蛍光Ｙは、黄色光である。

第１の蛍光体層４１は、例えば賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ_１－ｘ，Ｇｄ_ｘ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（０≦ｘ≦１）からなるＹＡＧ系蛍光体（Ｃｅ：ＹＡＧ）から構成されている。黄色蛍光体は、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体のバルク体であってもよいし、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体からなる蛍光体粒子とバインダーとから構成されていてもよい。

第２の蛍光体層４２は、第１の波長帯とは異なり、かつ第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光Ｒを射出する。第２の蛍光体層４２は、少なくとも第１の蛍光Ｙが入射する第２の入射面４２ａを有する。本実施形態においては、第２の蛍光体層４２は、青色光Ｂと第１の蛍光Ｙとが入射する第２の入射面４２ａと、青色光Ｂと第１の蛍光Ｙと第２の蛍光Ｒとを射出する第２の射出面４２ｂと、を有する。第２の蛍光体層４２は、第２の入射面４２ａが基板３８の第２面３８ｂに対向して設けられている。本実施形態において、第３の波長帯は、例えば約５００～８００ｎｍ（ピーク波長が約６１０ｎｍ）の波長帯であり、第２の蛍光体層４２が射出する第２の蛍光Ｒは赤色光である。

第２の蛍光体層４２は、例えば賦活剤としてＰｒ、Ｅｕ、Ｃｒのいずれかが分散された（Ｙ_１－ｘ，Ｇｄ_ｘ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２からなるＹＡＧ系蛍光体（Ｐｒ：ＹＡＧ，Ｅｕ：ＹＡＧ，Ｃｒ：ＹＡＧのいずれか）から構成されている。なお、賦活剤は、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｃｒから選ばれる一種が含まれていてもよいし、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｃｒから選ばれる複数種が含まれた共賦活の賦活剤であってもよい。黄色蛍光体と同様、赤色蛍光体は、上記の蛍光体のバルク体であってもよいし、上記の蛍光体からなる蛍光体粒子とバインダーとから構成されていてもよい。

第１の蛍光体層４１と第２の蛍光体層４２とは、基板３８を挟んで第１の射出面４１ｂと第２の入射面４２ａとが対向して設けられている。本実施形態の場合、基板３８は、全体が石英ガラス等の青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｙを透過させる光透過性材料から構成されており、全領域が青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｙを透過させる光透過部として機能する。ただし、本実施形態の構成に代えて、基板３８の全領域のうち、第１の蛍光体層４１と第２の蛍光体層４２とが対向する領域のみが青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｙを透過させる光透過性材料で構成され、当該領域のみが光透過部として機能してもよい。

また、赤色の第２の蛍光Ｒを射出する第２の蛍光体層４２の波長変換効率は、黄色の第１の蛍光Ｙを射出する第１の蛍光体層４１の波長変換効率よりも低い。

波長変換素子４５において、第１の蛍光体層４１に入射した青色光Ｂの一部は、励起光として第１の蛍光体層４１で波長変換され、第１の蛍光Ｙとなる。青色光Ｂの他の一部は、第１の蛍光体層４１を透過する。これにより、青色光Ｂの他の一部および第１の蛍光Ｙは、第１の蛍光体層４１から射出される。また、第２の蛍光体層４２に入射した青色光Ｂの一部は、励起光として第２の蛍光体層４２で波長変換され、第２の蛍光Ｒとなる。青色光Ｂの他の一部および第１の蛍光Ｙは、第２の蛍光体層４２を透過する。これにより、青色光Ｂの他の一部、第１の蛍光Ｙおよび第２の蛍光Ｒは、第２の蛍光体層４２から射出される。

図１に示すように、ピックアップ光学系６０は、第１ピックアップレンズ６２と、第２ピックアップレンズ６４と、を備えている。ピックアップ光学系６０は、波長変換装置３０から射出された光を略平行化して後段の光学系に射出する。第１ピックアップレンズ６２および第２ピックアップレンズ６４は、それぞれ凸レンズから構成されている。

第１レンズアレイ１２０は、複数の第１レンズ１２２を備えている。第１レンズアレイ１２０は、ピックアップ光学系６０から射出された光を複数の部分光束に分割する。複数の第１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レンズ１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を備えている。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第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の画像形成領域の近傍に結像させる。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直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、波長変換装置３０から射出された光に含まれる偏光成分のうち、一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差層と、を備えている。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された複数の部分光束を、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの画像形成領域の近傍に重畳させる。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、画像形成領域において、波長変換装置３０からの光の強度分布を均一化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、照明装置１００から射出された光を赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢに分離し、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を、これら各色光に対応した光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂに導光する。

色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間には、集光レンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間には、集光レンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｂが配置されている。

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する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を透過させる。

ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ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ＬＧは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射し、集光レンズ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ＬＢは、リレーレンズ２６０、反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、反射ミラー２５０、集光レンズ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、入射した色光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、透過型の液晶パネルから構成されている。図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒと光変調装置４００Ｒとの間、集光レンズ３００Ｇと光変調装置４００Ｇとの間、集光レンズ３００Ｂと光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置されている。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ，光変調装置４００Ｂの各々とクロスダイクロイックプリズム５００との間には、射出側偏光板が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの各々から射出された画像光を合成する。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構成を有する。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に、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。

射出される蛍光の色味を調整するため、互いに異なる発光波長帯を有する複数種の蛍光体材料を備えた波長変換素子は、従来から提案されている。ところが、従来の波長変換素子においては、互いに異なる波長帯を有する２層の蛍光体層が基板の一方の面に積層されており、基板に直接接触していない側の蛍光体層で発生した熱は、基板に直接接触している側の蛍光体層を介して基板に伝達される。そのため、特に基板に直接接触していない側の蛍光体層からの放熱が不十分となり、この蛍光体層の波長変換効率が低下する結果、光源装置から射出される光の色域が変化する虞があった。

この問題に対して、本実施形態の波長変換素子４５においては、２層の蛍光体層４１，４２が基板３８の一方の面に積層されておらず、第１の蛍光体層４１が基板３８の第１面３８ａに対向して設けられ、第２の蛍光体層４２が基板３８の第２面３８ｂに対向して設けられている。そのため、波長変換素子４５においては、従来の波長変換素子に比べて、各蛍光体層４１，４２で発生した熱が基板３８に伝達されやすい。これにより、波長変換素子４５は、各蛍光体層４１，４２における波長変換効率の低下を抑えることができ、所望の色域を有する光を安定して射出することができる。

さらに、本実施形態の波長変換素子４５においては、各蛍光体層４１，４２が基板３８の各面３８ａ，３８ｂにそれぞれ設けられたことに加えて、第１の蛍光体層４１が基板３８の第１面３８ａの側（青色光Ｂの入射側）に設けられ、第２の蛍光体層４２が基板３８の第２面３８ｂの側（青色光Ｂの射出側）に設けられたことにより、以下の作用、効果を奏する。

蛍光体層においては、励起光の入射面の近傍で多くの熱が発生する。また、波長変換効率が互いに異なる２つの蛍光体層に同じ強度の励起光を入射させた場合、波長変換効率が相対的に低い蛍光体層で発生する熱は、波長変換効率が相対的に高い蛍光体層で発生する熱よりも多い。

本実施形態の波長変換素子４５においては、第２の蛍光体層４２の波長変換効率が第１の蛍光体層４１の波長変換効率よりも低いため、第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａの近傍で最も多くの熱が発生する。ところが、第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａが基板３８の第２面３８ｂに接触しているため、熱の発生個所から基板３８までの距離が短く、第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａの近傍で発生する多くの熱が基板３８に伝達されやすい。このようにして、本実施形態の波長変換素子４５は、２つの蛍光体層４１，４２の全体としての波長変換効率の低下が抑えられ、所望の色域を有する白色光を安定して射出することができる。

このように、本実施形態の波長変換素子４５によれば、一般的に赤色光成分が不足する黄色蛍光体材料からなる第１の蛍光体層４１からの第１の蛍光Ｙの色味に、第２の蛍光体層４２からの第２の蛍光Ｒの赤味を付加することができ、所望の白色光を得ることができる。

また、本実施形態の光源装置８０は、各蛍光体層４１，４２における波長変換効率の低下が抑えられた波長変換素子４５を備えているため、所望の色域を有する白色光を安定して射出することができる。

また、本実施形態のプロジェクター１０００は、所望の色域を有する白色光を安定して射出できる光源装置８０を備えているため、高輝度で広色域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５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光源装置の構成は第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光源装置の全体の説明は省略する。
図５は、第２実施形態の波長変換素子の断面図である。この断面図は図３のIV－IV線の位置での断面に対応する。
図５において、第１実施形態で用いた図面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５に示すように、本実施形態の波長変換素子６５は、基板３８と、第１の蛍光体層４４と、第２の蛍光体層４７と、を備えている。

第１の蛍光体層４４は、第１の波長帯を有する紫外光ＵＶ（励起光）が入射する第１の入射面４４ａと、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光ＤＢを射出する第１の射出面４４ｂと、を有する。第１の蛍光体層４４は、第１の射出面４４ｂが基板３８の第１面３８ａに対向して設けられている。本実施形態において、第１の波長帯は、例えば約３６０～４００ｎｍの波長帯である。第２の波長帯は、例えばピーク波長が４６２ｎｍの約４６０～４６５ｎｍの波長帯であり、第１の蛍光体層４４が射出する第１の蛍光ＤＢは、青色光である。

第１の蛍光体層４４は、例えば賦活剤としてＥｕが分散されたＳｒ_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ等の青色蛍光体材料から構成されている。

第２の蛍光体層４７は、第１の波長帯とは異なり、かつ第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光Ｙを射出する。第２の蛍光体層４７は、少なくとも第１の蛍光ＤＢが入射する第２の入射面４７ａを有する。本実施形態において、第２の蛍光体層４７は、第１の蛍光ＤＢが入射する第２の入射面４７ａと、第１の蛍光ＤＢと第２の蛍光Ｙとを射出する第２の射出面４７ｂと、を有する。第２の蛍光体層４７は、第２の入射面４７ａが基板３８の第２面３８ｂに対向して設けられている。本実施形態において、第３の波長帯は、例えば約４８０～７００ｎｍの波長帯であり、第２の蛍光体層４７が射出する第２の蛍光Ｙは、黄色光である。

第２の蛍光体層４７は、第１実施形態の第２の蛍光体層４２と同様、例えば賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ_１－ｘ，Ｇｄ_ｘ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（０≦ｘ≦１）からなるＹＡＧ系蛍光体（Ｃｅ：ＹＡＧ）から構成されている。あるいは、ピーク波長が４６２ｎｍの第１の蛍光ＤＢを励起光としたときに、第２の蛍光体層４２で用いた蛍光体材料の波長変換効率よりも高い波長変換効率を有する蛍光体材料から構成されていてもよい。

また、第２の蛍光体層４７から射出される第２の蛍光Ｙの量は、第１の蛍光体層４４から射出される第１の蛍光ＤＢの量よりも多い。

波長変換素子６５において、第１の蛍光体層４４に入射した紫外光ＵＶの一部は、励起光として第１の蛍光体層４４で波長変換され、第１の蛍光ＤＢとなる。これにより、第１の蛍光ＤＢは、第１の蛍光体層４１から射出される。なお、紫外光ＵＶの他の一部は、第１の蛍光ＤＢとともに第１の蛍光体層４１から射出されてもよい。また、第２の蛍光体層４７に入射した第１の蛍光ＤＢの一部は、励起光として第２の蛍光体層４７で波長変換され、第２の蛍光Ｙとなる。これにより、第１の蛍光ＤＢの他の一部および第２の蛍光Ｙは、第２の蛍光体層４７から射出される。

本実施形態の波長変換素子６５においても、第１の蛍光体層４４が基板３８の第１面３８ａに設けられ、第２の蛍光体層４７が基板３８の第２面３８ｂに設けられているため、従来の波長変換素子に比べて、各蛍光体層４４，４７で発生した熱が基板３８に伝達されやすい。これにより、波長変換素子６５は、各蛍光体層４４，４７における波長変換効率の低下を抑えることができ、所望の色域を有する光を安定して射出することができる。

さらに、本実施形態の波長変換素子６５においては、各蛍光体層４４，４７が基板３８の各面３８ａ，３８ｂにそれぞれ設けられたことに加えて、第１の蛍光体層４４が基板３８の第１面３８ａの側（第１の蛍光ＤＢの入射側）に設けられ、第２の蛍光体層４７が基板３８の第２面３８ｂの側（第１の蛍光ＤＢの射出側）に設けられたことにより、以下の作用、効果を奏する。

射出される蛍光の量が相対的に少ない蛍光体層よりも、射出される蛍光の量が相対的に多い蛍光体層で多くの熱が発生する。本実施形態の波長変換素子６５においては、白色光のホワイトバランスを考慮すると、第２の蛍光体層４７から射出される第２の蛍光Ｙの量が第１の蛍光体層４４から射出される第１の蛍光ＤＢの量よりも多いため、第２の蛍光体層４７の第２の入射面４７ａの近傍で多くの熱が発生する。ところが、第２の蛍光体層４７の第２の入射面４７ａが基板３８の第２面３８ｂに対向して設けられているため、第２の蛍光体層４７の第２の入射面４７ａの近傍で発生する多くの熱が基板３８に伝達されやすい。このようにして、本実施形態の波長変換素子６５は、２つの蛍光体層４４，４７の全体としての波長変換効率の低下が抑えられ、所望の色域を有する光を安定して射出することができる。

第１実施形態において、光源１０から射出される青色光Ｂのピーク波長は４５５ｎｍであり、青色光Ｂの波長域の中で若干短波長寄りに位置している。その結果、青色光Ｂを用いて白色光を構成したときの色域が若干狭くなる問題を有している。この問題に対し、本実施形態の波長変換素子６５においては、第１の蛍光体層４４で生成される第１の蛍光ＤＢ（青色光）のピーク波長は４６２ｎｍであるため、第１実施形態で用いられた青色光Ｂよりも波長が長い。その結果、第１の蛍光ＤＢを用いて白色光を構成した場合、広色域の白色光を得ることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６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光源装置の構成は第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光源装置の全体の説明は省略する。
図６は、第３実施形態の波長変換素子の断面図である。この断面図は図３のIV－IV線の位置での断面に対応する。
図６において、第１実施形態で用いた図面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、本実施形態の波長変換素子７５は、基板３８と、第１の蛍光体層４９と、第２の蛍光体層４２と、第１のダイクロイック層５３と、第２のダイクロイック層５４と、第３のダイクロイック層５５と、反射抑制層５６と、接合層５７と、第１の空気層５８と、第２の空気層５９と、を備えている。第２の蛍光体層４２は、第２の入射面４２ａが基板３８の第２面３８ｂに対向して設けられている。

第１の蛍光体層４９は、第１の波長帯を有する青色光Ｂ（励起光）が入射する第１の入射面４９ａと、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光Ｇと、第１の蛍光体層４９の励起に使われなかった青色光Ｂと、を射出する第１の射出面４９ｂと、を有する。第１の蛍光体層４９は、第１の射出面４９ｂが基板３８の第１面３８ａに対向して設けられている。本実施形態において、第１の蛍光Ｇの第２の波長帯は、例えば５００～５７０ｎｍ（ピーク波長が５３５ｎｍ）の波長帯であり、第１の蛍光体層４９が射出する第１の蛍光Ｇは、緑色光である。

第１の蛍光体層４９は、例えば、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＋系蛍光体等の緑色蛍光体材料から構成されている。

第１のダイクロイック層５３は、第１の蛍光体層４９の第１の入射面４９ａに設けられている。第１のダイクロイック層５３は、青色域の光を透過し、緑色域の光を反射する波長選択性を有する。そのため、第１のダイクロイック層５３は、青色光Ｂを透過し、第１の蛍光体層４９の内部で生成された第１の蛍光Ｇを反射する。これにより、第１の蛍光Ｇが第１の入射面４９ａから射出されることが抑えられる。

第２のダイクロイック層５４は、第１の蛍光体層４９の第１の射出面４９ｂに設けられている。第２のダイクロイック層５４は、青色域の光を透過し、緑色域の光を透過する波長選択性を有する。そのため、第２のダイクロイック層５４は、青色光Ｂを透過し、第１の蛍光体層４９の内部で生成された第１の蛍光Ｇを透過する。

第３のダイクロイック層５５は、第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａに設けられている。第３のダイクロイック層５５は、青色域および緑色域の光を透過し、赤色域の光を反射する波長選択性を有する。そのため、第３のダイクロイック層５５は、青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇを透過し、第２の蛍光体層４２の内部で生成された第２の蛍光Ｒを反射する。これにより、第２の蛍光Ｒが第２の入射面４２ａから射出されることが抑えられる。

反射抑制層５６は、第２の蛍光体層４２の第２の射出面４２ｂに設けられている。そのため、反射抑制層５６は、第２の蛍光体層４２の第２の射出面４２ｂに入射した全ての光を透過し、第２の蛍光体層４２からピックアップ光学系６０に向けて射出させる。本実施形態では、第１の蛍光体層４９および第２の蛍光体層４２の励起に使われなかった青色光Ｂと、第１の蛍光体層４９で生成された第１の蛍光Ｇ（緑色光）と、第２の蛍光体層４２で生成された第２の蛍光Ｒ（赤色光）と、からなる白色光が波長変換素子７５から射出される。

第１の蛍光体層４９は、第１の蛍光体層４９の内周側および外周側に設けられた接合層５７を介して、第１の射出面４９ｂが第１面３８ａに対向するように基板３８に貼り付けられている。この構成により、第１の蛍光体層４９の第１の射出面４９ｂと基板３８の第１面３８ａとの間には、第１の空気層５８が設けられている。したがって、第１の空気層５８の厚さは、接合層５７の厚さと略等しく、例えば５μｍ以下程度である。

同様に、第２の蛍光体層４２は、第２の蛍光体層４２の内周側および外周側に設けられた接合層５７を介して、第２の入射面４２ａが第２面３８ｂに対向するように基板３８に貼り付けられている。この構成により、第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａと基板３８の第２面３８ｂとの間には、第２の空気層５９が設けられている。したがって、第２の空気層５９の厚さは、接合層５７の厚さと略等しく、例えば５μｍ以下程度である。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の波長変換素子７５においても、２つの蛍光体層４９，４２の全体としての波長変換効率の低下が抑えられ、所望の色域を有する白色光を安定して射出することができる、といった第１実施形態の同様の効果が得られる。

なお、本実施形態の場合、各蛍光体層４９，４２と基板３８との間に各空気層５８，５９が設けられており、各蛍光体層４９，４２と基板３８とは直接接触していない。しかしながら、各空気層５８，５９の厚さが例えば５μｍ以下程度と非常に薄いため、各空気層５８，５９が熱伝達の妨げとなることはなく、各蛍光体層４９，４２で発生した熱は基板３８に伝達される。

また、本実施形態の場合、第１の空気層５８が設けられたことによって、以下の効果が得られる。
第１の蛍光体層４９で発生し、基板３８に向かって進む第１の蛍光Ｇのうち、第１の射出面４９ｂに対して臨界角未満の入射角で入射した第１の蛍光Ｇは第１の射出面４９ｂを透過し、第１の射出面４９ｂに対して臨界角以上の入射角で入射した第１の蛍光Ｇは第１の射出面４９ｂで反射する。第１の蛍光体層４９と基板３８との間に第１の空気層５８が設けられた本実施形態の構成では、第１の空気層５８が設けられていない場合に比べて、第１の蛍光体層４９とその射出側に位置する部材（第１の空気層５８または基板３８）との界面における屈折率差が大きくなり、臨界角が大きくなる。その結果、第１の射出面４９ｂを透過する第１の蛍光Ｇの量が多くなり、第１の蛍光体層４９から射出される第１の蛍光Ｇの量を増やすことができる。

同様に、本実施形態の場合、第２の空気層５９が設けられたことによって、以下の効果が得られる。
第２の蛍光体層４２の第２の入射面４２ａに入射した青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇのうち、第２の入射面４２ａに対して臨界角未満の入射角で入射した青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇは第２の入射面４２ａを透過して第２の蛍光体層４２に入射し、第２の入射面４２ａに対して臨界角以上の入射角で入射した青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇは第２の入射面４２ａで反射する。第２の蛍光体層４２と基板３８との間に第２の空気層５９が設けられた本実施形態の構成では、第２の空気層５９が設けられていない場合に比べて、第２の蛍光体層４２とその入射側に位置する部材（第２の空気層５９または基板３８）との界面における屈折率差が大きくなり、臨界角が大きくなる。その結果、第２の入射面４２ａを透過する青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇの量が多くなり、第２の蛍光体層４２に入射する青色光Ｂおよび第１の蛍光Ｇの量を増やすことができる。

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。
例えば第１実施形態の波長変換素子は、黄色の第１の蛍光を射出する第１の蛍光体層と、赤色の第２の蛍光を射出する第２の蛍光体層と、を備えているが、各蛍光体層の発光色の組み合わせはこれに限ることなく、例えば緑色の第１の蛍光を射出する第１の蛍光体層と、赤色の第２の蛍光を射出する第２の蛍光体層と、を備えていてもよい。

また、波長変換素子から射出される光は、必ずしも白色光でなくてもよい。その場合には、例えば青色の第１の蛍光を射出する第１の蛍光体層と、赤色の第２の蛍光を射出する第２の蛍光体層と、を備えていてもよいし、青色の第１の蛍光を射出する第１の蛍光体層と、緑色の第２の蛍光を射出する第２の蛍光体層と、を備えていてもよい。

また、光透過部に対応する基板の第１面または第２面は、励起光、第１の蛍光、または第２の蛍光を拡散させる拡散面を有していてもよい。この構成によれば、励起光（例えば青色光）の発光分布と第１の蛍光（例えば黄色光）または第２の蛍光（例えば赤色光）の発光分布とが異なる場合に、励起光、第１の蛍光、または第２の蛍光を拡散面により拡散させ、励起光の発光分布と第１の蛍光または第２の蛍光の発光分布とを近付けることができる。これにより、色ムラの発生を抑制しつつ、広色域の画像を表示できるプロジェクターを提供することができる。

例えば第３実施形態では、第１の蛍光体層や第２の蛍光体層の各入射面や各射出面にダイクロイック層や反射抑制層が設けられた例を示したが、この種のダイクロイック層や反射抑制層は、第１実施形態や第２実施形態の波長変換素子に適用してもよい。

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。

１０…光源、３８…基板、３８ａ…第１面、３８ｂ…第２面、４１，４４，４９…第１の蛍光体層（第１の波長変換層）、４１ａ，４４ａ，４９ａ…第１の入射面、４２…第２の蛍光体層（第２の波長変換層）、４２ａ…第２の入射面、４５，６５，７５…波長変換素子、５８…第１の空気層、５９…第２の空気層、８０…光源装置、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…光変調装置、６００…投射光学装置、１０００…プロジェクター、Ｂ…青色光（励起光）、ＵＶ…紫外光（励起光）、ＤＢ，Ｙ，Ｇ…第１の蛍光、Ｒ，Ｙ…第２の蛍光。

Claims (13)

1. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
   少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面と第２の射出面とを有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を前記第２の射出面から射出する第２の波長変換層と、
   第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
   を備え、
   前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられるとともに、前記基板を透過した少なくとも前記第１の蛍光と前記第２の蛍光とを前記第２の射出面から射出することを特徴とする波長変換素子。
2. 前記第２の波長変換層の波長変換効率は、前記第１の波長変換層の波長変換効率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記第２の波長変換層から射出される前記第２の蛍光の量は、前記第１の波長変換層から射出される前記第１の蛍光の量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
4. 前記第１の波長変換層の前記第１の射出面と前記基板の第１面との間に、第１の空気層が設けられている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. 前記第２の波長変換層の前記第２の入射面と前記基板の第２面との間に、第２の空気層が設けられてい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. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
   少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、
   第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
   を備え、
   前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層の波長変換効率は、前記第１の波長変換層の波長変換効率よりも低いことを特徴とする波長変換素子。
7. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
   少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、
   第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
   を備え、
   前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層から射出される前記第２の蛍光の量は、前記第１の波長変換層から射出される前記第１の蛍光の量よりも多いことを特徴とする波長変換素子。
8. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
   少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、
   第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
   を備え、
   前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられ、
   前記第１の波長変換層の前記第１の射出面と前記基板の第１面との間に、第１の空気層が設けられていることを特徴とする波長変換素子。
9. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
   少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、
   第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
   を備え、
   前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられ、
   前記第２の波長変換層の前記第２の入射面と前記基板の第２面との間に、第２の空気層が設けられていることを特徴とする波長変換素子。
10. 第１の波長帯を有する励起光が入射する第１の入射面と、前記第１の入射面とは反対側の第１の射出面と、を有し、前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯を有する第１の蛍光を射出する第１の波長変換層と、
    少なくとも前記第１の蛍光が入射する第２の入射面を有し、前記第１の波長帯とは異なり、かつ前記第２の波長帯とは異なる第３の波長帯を有する第２の蛍光を射出する第２の波長変換層と、
    第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、少なくとも前記第１の蛍光を透過させる光透過部と、を有する基板と、
    を備え、
    前記第１の波長変換層は、前記第１の射出面が前記基板の第１面に対向して設けられ、
    前記第２の波長変換層は、前記第２の入射面が前記基板の第２面に対向して設けられ、
    前記光透過部に対応する前記基板の前記第１面または前記第２面は、前記励起光、前記第１の蛍光、または前記第２の蛍光を拡散させる拡散面を有することを特徴とする波長変換素子。
11. 請求項１から請求項１０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光源装置。
12. 請求項１１に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像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。
13. 前記光透過部に対応する前記基板の前記第１面または前記第２面は、前記励起光、前記第１の蛍光、または前記第２の蛍光を拡散させる拡散面を有することを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクター。

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