JP7283327B2 - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

光源から射出された励起光を蛍光体に照射し、蛍光体から発せられる蛍光を照明光として利用する光源装置が提案されている。下記特許文献１には、導光体の第１面から入射させた励起光を、導光体の第１面と反対の第２面側に配置された蛍光体に入射させることで蛍光を生成し、励起光及び蛍光を含む照明光を蛍光体の端面から取り出す光源装置が開示されている。

米国特許第９９２１３５３号明細書

しかしながら、上記光源装置では蛍光体に照射される励起光の照度分布が不均一となる。また、蛍光体の特定領域に局所的に励起光が照射されることで蛍光体が発熱するため、蛍光発光効率の低下を招いてしまう。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の波長変換素子は、第１光により励起されて前記第１光とは異なる波長帯を有する第２光を射出する第１波長変換部材と、前記第１光および前記第２光を透過させる第１導光部材と、が接合された接合体と、前記接合体の複数の外周面のうち、第１方向に平行な少なくとも一つの面に対向して配置され、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方を反射する反射部材と、を備え、前記接合体は、前記第１波長変換部材における前記第１方向に平行な第１面と、前記第１導光部材における前記第１方向に平行な第２面と、が互いに接合されて構成されており、前記第１光は、前記複数の外周面のうち、前記第１方向と交差する第１外周面から前記接合体に入射することを特徴とする。

前記接合体は、前記第１導光部材の前記第２面と反対の第３面に接合された第２波長変換部材を有しており、前記第１導光部材は、前記第１波長変換部材と前記第２波長変換部材とで挟まれている構成としてもよい。

前記第２波長変換部材は、前記第１光により励起されて前記第１光および前記第２光と異なる波長帯を有する第３光を射出する構成としてもよい。

前記接合体は、前記第１波長変換部材の前記第１面と反対の第４面に接合され、前記第１光および前記第２光を透過させる第２導光部材を有しており、前記第１波長変換部材は、前記第１導光部材と前記第２導光部材とで挟まれている構成としてもよい。

前記第１波長変換部材は、前記第１光により励起されて前記第２光を射出する第１部材と、前記第１光により励起されて前記第１光および前記第２光とは異なる波長帯を有する第３光を射出する第２部材と、を備える構成としてもよい。

前記接合体の外周面のうち、前記第１外周面と反対の第２外周面に対向して配置され、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方を拡散させる拡散素子をさらに備える構成としてもよい。

前記第１導光部材はサファイアである構成としてもよい。

本発明の一態様の光源装置は、前記第１光を射出する光源と、上記態様の波長変換素子と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様のプロジェクターは、上記態様の光源装置と、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。

第一実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。 照明装置の概略構成を示す図である。 波長変換素子の断面図である。 第二実施形態のプロジェクターにおける波長変換素子の断面図である。 第三実施形態の波長変換素子の断面図である。 第四実施形態の波長変換素子の断面図である。 第五実施形態の波長変換素子の断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１～図３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。

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。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ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１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、を備えている。照明装置２の構成については、後で説明する。

色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３は、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。

第１ダイクロイックミラー７ａ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。第２ダイクロイックミラー７ｂ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８ａは、赤色光成分を反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、青色光成分を反射させる。

第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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。合成光学系５は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視で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。

合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６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６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、複数の投射レンズで構成されている。

本実施形態の照明装置２の一例について説明する。
図２は、照明装置２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａと、を備えている。インテグレーター光学系３１と重畳レンズ３３ａとは、重畳光学系３３を構成している。

光源装置２Ａは、アレイ光源（光源）２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第１集光光学系２６と、波長変換素子４０と、第２位相差板２８ｂと、第２集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、を備えている。

アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第２位相差板２８ｂと、第２集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。波長変換素子４０と、第１集光光学系２６と、偏光分離素子２５と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとは、照明光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。

アレイ光源２１Ａは、固体光源としての複数の半導体レーザー２１を備えている。複数の半導体レーザー２１は、光軸ａｘ１と直交する面内においてアレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１は、第１波長帯の青色の光線ＢＬ、具体的にはピーク波長が例えば４６０ｎｍの第１波長帯のレーザー光を射出する。アレイ光源２１Ａは、複数の光線ＢＬからなる光線束を射出する。本実施形態のアレイ光源２１Ａは、特許請求の範囲の「光源」に相当する。

アレイ光源２１Ａから射出された光線ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１Ａから射出された光線ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、アレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａの各々は、複数の半導体レーザー２１の各々に対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光線ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。
アフォーカル光学系２３は、光線ＢＬからなる光線束の太さ（径）を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａと凹レンズ２３ｂとから構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過した光線ＢＬは、第１位相差板２８ａに入射する。第１位相差板２８ａは、例えば回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１から射出された光線ＢＬは、直線偏光である。第１位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１位相差板２８ａを透過する光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。第１位相差板２８ａを回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。

第１位相差板２８ａを通過することで生成されたＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光線ＢＬは、偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、例えば波長選択性を有する偏光ビームスプリッターから構成されている。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１および照明光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなしている。

偏光分離素子２５は、光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分の光線ＢＬｓとＰ偏光成分の光線ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有する。具体的に、偏光分離素子２５は、Ｓ偏光成分の光線ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光線ＢＬｐを透過させる。さらに、偏光分離素子２５は、偏光分離機能に加えて、青色の光線ＢＬとは波長帯が異なる黄色光成分を、偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子２５から射出されたＳ偏光の光線ＢＬｓは、第１集光光学系２６に入射する。第１集光光学系２６は、光線ＢＬｓを励起光として波長変換素子４０に向けて集光させる。第１集光光学系２６は、第１レンズ２６ａと第２レンズ２６ｂとから構成されている。第１レンズ２６ａおよび第２レンズ２６ｂは、凸レンズから構成されている。第１集光光学系２６から射出された光線ＢＬｓは、波長変換素子４０に集光した状態で入射する。

本実施形態において、波長変換素子４０は入射された励起光（光線ＢＬｓ）を、励起光の第１波長帯とは異なる第２波長帯の蛍光ＹＬに変換する。本実施形態の波長変換素子４０は、例えばモーター等によって回転可能とされていない固定型の波長変換素子で構成される。
なお、波長変換素子４０の構成については後に説明する。

波長変換素子４０で生成された黄色の蛍光ＹＬは、第１集光光学系２６で平行化された後、偏光分離素子２５に入射する。上述したように、偏光分離素子２５が偏光状態にかかわらず黄色光成分を透過させる特性を有しているため、蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５を透過する。

一方、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂに入射する。第２位相差板２８ｂは、偏光分離素子２５と拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂによって、例えば右回りの円偏光の青色光ＢＬｃ１に変換された後、第２集光光学系２９に入射する。

第２集光光学系２９は、第１レンズ２９ａと第２レンズ２９ｂとから構成されている。第１レンズ２９ａおよび第２レンズ２９ｂは、凸レンズから構成されている。第２集光光学系２９は、青色光ＢＬｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。

拡散反射素子３０は、偏光分離素子２５から射出された光線ＢＬｐの光路上に配置され、第２集光光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ１を偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬｃ１をランバート反射させるとともに、青色光ＢＬｃ１の偏光状態を乱さないことが望ましい。

以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬｃ２と称する。本実施形態においては、青色光ＢＬｃ１が拡散反射することによって略均一な照度分布の青色光ＢＬｃ２が得られる。例えば右回りの円偏光の青色光ＢＬｃ１は、拡散反射素子３０によって拡散反射され、左回りの円偏光の青色光ＢＬｃ２となる。

青色光ＢＬｃ２は、第２集光光学系２９によって平行光に変換された後、第２位相差板２８ｂに再度入射する。左回りの円偏光の青色光ＢＬｃ２は、第２位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５によってインテグレーター光学系３１に向けて反射される。

これにより、青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５を透過した蛍光ＹＬと合成され、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬｓ１と蛍光ＹＬとは、偏光分離素子２５から互いに同じ方向に向けて射出され、青色光ＢＬｓ１と蛍光（黄色光）ＹＬとが合成された白色の照明光ＷＬが生成される。

照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に向けて射出される。インテグレーター光学系３１は、第１レンズアレイ３１ａと第２レンズアレイ３１ｂとから構成されている。
第１レンズアレイ３１ａおよび第２レンズアレイ３１ｂのそれぞれは、複数のレンズがアレイ状に配列された構成を有している。

インテグレーター光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とを有している。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂに入射させる直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３ａに入射する。重畳レンズ３３ａは、インテグレーター光学系３１と協働して、被照明領域における照明光ＷＬの照度分布を均一化する。このようにして、照明装置２は、照明光ＷＬを生成する。

以下、波長変換素子４０の構成について説明する。
図３は、波長変換素子４０の断面図である。図３以下では、蛍光体層４３に入射することで蛍光ＹＬを生成する光線ＢＬｓを励起光Ｅと示す場合もある。
図３に示すように、波長変換素子４０は、接合体４１と、反射部材４２と、を備えている。接合体４１は、蛍光体層（第１波長変換部材）４３および導光部材（第１導光部材）４４を接合して構成される。本実施形態の波長変換素子４０は、励起光Ｅが入射した面から蛍光ＹＬを射出させる反射型の波長変換素子である。

接合体４１は六面体で構成される。接合体４１は六つの外周面を有する。具体的に接合体４１は、第１外周面４１ａと、第２外周面４１ｂと、第３外周面４１ｃと、第４外周面４１ｄと、第５外周面４１ｅと、第６外周面４１ｆと、を有している。

本実施形態において、第１外周面４１ａの法線方向から見た接合体４１の形状は矩形状である。第１外周面４１ａは波長変換素子４０における励起光Ｅの入射面および蛍光ＹＬの射出面である。第２外周面４１ｂは第１外周面４１ａに対向する面である。すなわち、第１外周面４１ａおよび第２外周面４１ｂは互いに反対側を向いている。本実施形態において、第２外周面４１ｂは接合体４１における底部を構成する面である。第３外周面４１ｃは、第１外周面４１ａに交差し、波長変換素子４０に対して励起光Ｅが入射する第１方向Ｄ１に平行な面である。ここで、第１方向Ｄ１とは、図３中の上下に沿う方向である。

第４外周面４１ｄは第３外周面４１ｃに対向する面である。すなわち、第４外周面４１ｄおよび第３外周面４１ｃは互いに反対側を向いている。第５外周面４１ｅおよび第６外周面４１ｆは互いに反対側を向いている。本実施形態において、第５外周面４１ｅは接合体４１における図３の紙面貫通方向手前側の外面であり、第６外周面４１ｆは接合体４１における図３の紙面貫通方向奥側の外面である。

蛍光体層４３は、第１方向Ｄ１に平行な第１接合面（第１面）４３ａと、第１接合面４３ａと反対を向く表面４３ｂと、上面４３ｃと、下面４３ｄと、前側面４３ｅと、後側面４３ｆと、を含む。

蛍光体層４３の上面４３ｃは第１方向Ｄ１に交差する面であり、接合体４１の第１外周面４１ａの一部を構成する。蛍光体層４３の下面４３ｄは第１方向Ｄ１に交差する面であり、接合体４１の第２外周面４１ｂの一部を構成する。蛍光体層４３の表面４３ｂは接合体４１の第３外周面４１ｃを構成する。蛍光体層４３の前側面４３ｅは接合体４１における図３の紙面貫通方向手前側の外面の一部を構成し、蛍光体層４３の後側面４３ｆは接合体４１における図３の紙面貫通方向奥側の外面の一部を構成する。

蛍光体層４３は、アレイ光源２１Ａから射出された励起光（第１光）Ｅを、励起光Ｅとは異なる波長帯を有する蛍光（第２光）ＹＬに変換する蛍光体材料を含む。第２波長帯は、例えば４９０～７５０ｎｍであり、蛍光ＹＬは、緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。なお、蛍光体層４３は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。

蛍光体層４３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、蛍光体層４３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。

導光部材４４は励起光Ｅおよび蛍光ＹＬを透過させる部材である。
導光部材４４は、第１方向Ｄ１に平行な第２接合面（第２面）４４ａと、第２接合面４４ａと反対を向く表面４４ｂと、上面４４ｃと、下面４４ｄと、前側面４４ｅと、後側面４４ｆと、を含む。

導光部材４４の上面４４ｃは第１方向Ｄ１に交差する面であり、接合体４１の第１外周面４１ａの一部を構成する。導光部材４４の下面４４ｄは第１方向Ｄ１に交差する面であり、接合体４１の第２外周面４１ｂの一部を構成する。導光部材４４の表面４４ｂは接合体４１の第４外周面４１ｄを構成する。前側面４４ｅは接合体４１における図３の紙面貫通方向手前側の外面の一部を構成し、後側面４４ｆは接合体４１における図３の紙面貫通方向奥側の外面の一部を構成する。

なお、導光部材４４の構成材料は、特に限定されないが、屈折率が蛍光体層４３に近く、かつ、熱伝導率が高い材料が用いられることが望ましい。導光部材４４の構成材料としては、例えば、サファイアを用いることができる。

本実施形態の接合体４１は、蛍光体層４３における第１接合面４３ａと、導光部材４４における第２接合面４４ａと、を互いに接合して構成されている。蛍光体層４３の第１接合面４３ａと導光部材４４の第２接合面４４ａとの間には不図示の接着材が設けられている。接着材としては蛍光体層４３および導光部材４４に対して屈折率差の小さい材料を用いるのが好ましい。

本実施形態において、反射部材４２は、接合体４１の複数の外周面４１ａ～４１ｆのうち、第１方向Ｄ１に平行な面である第３外周面４１ｃおよび第４外周面４１ｄのそれぞれに対向して配置されている。

反射部材４２は、励起光Ｅおよび蛍光ＹＬを反射させる。反射部材４２の構成材料として、アルミニウム、銀等の光反射率の高い金属材料が用いられてもよいし、誘電体多層膜が用いられてもよい。

反射部材４２は、接合体４１の外周面に対して離れて配置されるのが望ましい。すなわち、接合体４１の第２外周面４１ｂと反射部材４２との間、接合体４１の第３外周面４１ｃと反射部材４２との間、および接合体４１の第４外周面４１ｄと反射部材４２との間には、空気層４５がそれぞれ介在していることが望ましい。

波長変換素子４０は、接合体４１の第１外周面４１ａを第１集光光学系２６の第２レンズ２６ｂに対向させるように配置されている。これにより、第１集光光学系２６から射出された励起光Ｅは第１外周面４１ａを介して接合体４１内に入射する。

続いて、本実施形態の波長変換素子４０の作用および効果について説明する。
波長変換素子４０において、第１集光光学系２６により集光された励起光Ｅは第１外周面４１ａから接合体４１内に入射する。具体的に励起光Ｅは上面４４ｃから第１方向Ｄ１に沿って導光部材４４内に入射される。

本実施形態の波長変換素子４０は、導光部材４４内を励起光Ｅが伝播する伝搬方向（第１方向Ｄ１）と導光部材４４および蛍光体層４３の接合界面とが平行である。そのため、導光部材４４に入射した励起光Ｅは導光部材４４内を第１方向Ｄ１に進むことで下面４４ｄ側に向かって導波しつつ、第１接合面４３ａを介して蛍光体層４３に入射して蛍光ＹＬを生成する。このとき、導光部材４４および蛍光体層４３の接合界面に沿うように導光部材４４内を励起光Ｅが伝搬するので、励起光Ｅは蛍光体層４３（第１接合面４３ａ）に対して均一に照射される。よって、励起光Ｅにおける蛍光体層４３に対する照射密度が低く抑えられる。

したがって、本実施形態の波長変換素子４０によれば、励起光Ｅの蛍光体層４３に対する照射密度を抑えることで蛍光体層４３における局所的な発熱が抑制されて、蛍光体層４３の温度上昇に伴う蛍光発光効率の低下を抑制することができる。

また、蛍光体層４３は、励起光Ｅの入射面において導光部材４４と接合されるため、励起光Ｅの入射によって発熱した蛍光体層４３の熱は導光部材４４を介して効率良く放熱される。また、本実施形態では、導光部材４４として熱伝導率の高いサファイアを用いるため、蛍光体層４３を効率良く放熱させることで蛍光体層４３の温度上昇を抑制することで高い蛍光変換効率を実現できる。

本実施形態の波長変換素子４０において、蛍光体層４３で生成された蛍光ＹＬは導光部材４４内に射出され、導光部材４４内を伝搬して導光部材４４の上面４４ｃから射出される。なお、蛍光ＹＬの一部は蛍光体層４３の上面４３ｃからも射出される。すなわち、接合体４１の第１外周面４１ａから射出される蛍光ＹＬは、導光部材４４の上面４４ｃから射出される蛍光成分と、蛍光体層４３の上面４３ｃから射出される蛍光成分とで構成される。

また、導光部材４４内を伝搬する光（励起光Ｅおよび蛍光ＹＬ）の一部は、導光部材４４の表面４４ｂに到達する。導光部材４４の表面４４ｂに到達した光のうち、臨界角以上の入射角で表面４４ｂに入射した光は表面４４ｂで全反射されて導光部材４４内に戻され、再び導光部材４４内を伝搬する。

一方、臨界角未満の入射角で表面４４ｂに入射した光は表面４４ｂを通過して導光部材４４の外部に射出される。本実施形態の波長変換素子４０では、導光部材４４の表面４４ｂに対向するように反射部材４２を設けているため、表面４４ｂを通過した光は反射部材４２で反射されて再び導光部材４４内を伝搬する。

また、導光部材４４内を伝搬する光（励起光Ｅおよび蛍光ＹＬ）の一部は、導光部材４４の下面４４ｄに到達する。導光部材４４の下面４４ｄに到達した光は、下面４４ｄで全反射、あるいは下面４４ｄを透過した場合でも下面４４ｄに対向するように設けられた反射部材４２で反射されて導光部材４４内に戻され、再び導光部材４４内を伝搬する。

また、蛍光体層４３で生成された蛍光ＹＬの一部あるいは蛍光体層４３で蛍光ＹＬに変換されなかった励起光Ｅの一部は、蛍光体層４３の表面４３ｂに到達する。表面４３ｂに到達した蛍光ＹＬあるいは励起光Ｅのうち、臨界角以上の入射角で表面４３ｂに入射した光は表面４３ｂで全反射されて蛍光体層４３内に戻され、励起光Ｅは蛍光ＹＬの生成に利用され、蛍光ＹＬは蛍光体層４３を透過して導光部材４４内に取り込まれる。

また、臨界角未満の入射角で表面４３ｂに入射した蛍光ＹＬあるいは励起光Ｅは、表面４３ｂを通過して接合体４１の外部に射出されるが、蛍光体層４３の表面４３ｂに対向するように配置された反射部材４２で反射されて蛍光体層４３内に戻され、励起光Ｅは蛍光ＹＬの生成に利用され、蛍光ＹＬは蛍光体層４３を透過して導光部材４４内に取り込まれる。もしくは反射部材４２で反射された蛍光ＹＬは、反射部材４２と蛍光体層４３の表面４３ｂとの隙間から放射される。

以上述べたように、本実施形態の波長変換素子４０においては、導光部材４４および蛍光体層４３を接合した接合体４１の接合界面に沿うように励起光Ｅが導光部材４４内を伝搬するので、蛍光体層４３（第１接合面４３ａ）における励起光Ｅの光密度を低く抑えることで励起光Ｅの照度分布の均一性を高めることができる。これにより、蛍光体層４３における局所的な発熱が抑制されて、蛍光体層４３の温度上昇に伴う蛍光発光効率の低下を抑制できる。よって、蛍光体層４３において蛍光ＹＬが効率良く生成されるので、明るい照明光ＷＬを生成することができる。

このように、本実施形態の波長変換素子４０によれば、蛍光体層４３における励起光Ｅの照度分布を均一化させるとともに蛍光体層４３の温度上昇が抑制される。これにより、発光効率の高い波長変換素子４０を実現することができる。すなわち、本実施形態の波長変換素子４０によれば、高い放熱性が得られ、波長変換効率の高い波長変換素子４０を実現することができる。

また、本実施形態の光源装置２Ａは、上記の波長変換素子４０を備えているため、発光効率を向上させることができる。また、本実施形態のプロジェクター１は、上記の光源装置２Ａを備えるため、明るい画像を投射することができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。
第二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一実施形態と異なる。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４は本実施形態の波長変換素子１４０の断面図である。
図４に示すように、波長変換素子１４０は、接合体１４１と、反射部材４２と、を備えている。本実施形態の接合体１４１は、第１蛍光体層（第１波長変換部材）１４３と、第２蛍光体層（第２波長変換部材）１４４と、導光部材４４と、を接合して構成される。

第１蛍光体層１４３および第２蛍光体層１４４は第一実施形態の蛍光体層４３と同様の構成を有する。第１蛍光体層１４３は、第１方向Ｄ１に平行な第１接合面（第１面）１４３ａと、第１接合面１４３ａと反対を向く表面１４３ｂとを含む。第２蛍光体層１４４は、第１方向Ｄ１に平行な第１接合面１４４ａと、第１接合面１４４ａと反対を向く表面１４４ｂとを含む。

本実施形態において、反射部材４２は、接合体１４１における複数の外周面１４１ａ～１４１ｆのうち、第１方向Ｄ１に平行な第３外周面１４１ｃおよび第４外周面１４１ｄに対向して配置されている。

本実施形態の接合体１４１は、第１蛍光体層１４３における第１接合面１４３ａと導光部材４４における第２接合面４４ａとが互いに接合され、第２蛍光体層１４４における第１接合面１４４ａと導光部材４４における第２接合面４４ａと反対の裏面（第３面）４４ｂとが互いに接合されることで、構成されている。

すなわち、本実施形態の導光部材４４は、第１蛍光体層１４３と第２蛍光体層１４４とで挟まれている。本実施形態において、第１蛍光体層１４３の表面１４３ｂは接合体１４１の第３外周面１４１ｃを構成し、第２蛍光体層１４４の表面１４４ｂは接合体１４１の第４外周面１４１ｄを構成する。

本実施形態の波長変換素子１４０では、第１蛍光体層１４３と第２蛍光体層１４４との間に導光部材４４を挟んだ接合体１４１を備えるので、導光部材４４内を伝搬する励起光Ｅが第１蛍光体層１４３および第２蛍光体層１４４に入射して蛍光ＹＬを生成することで明るい蛍光ＹＬを得ることができる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態について、図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態の波長変換素子の断面図である。
図５に示すように、本実施形態の波長変換素子７０は、接合体７１と、反射部材４２と、を備えている。本実施形態の接合体７１は、蛍光体層４３と、第１導光部材７２と、第２導光部材７３と、を接合して構成される。

第１導光部材７２および第２導光部材７３は第一実施形態の導光部材４４と同様の構成を有する。第１導光部材７２は、第１方向Ｄ１に平行な第２接合面（第２面）７２ａと、第２接合面７２ａと反対を向く表面７２ｂと、を含む。第２導光部材７３は、第１方向Ｄ１に平行な第２接合面７３ａと、第２接合面７３ａと反対を向く表面７３ｂと、を含む。

本実施形態において、反射部材４２は、接合体７１における複数の外周面のうち、第１方向Ｄ１に平行な第３外周面７１ｃおよび第４外周面７１ｄに対向して配置されている。

本実施形態の接合体７１は、蛍光体層４３における第１接合面４３ａと第１導光部材７２における第２接合面７２ａとが互いに接合され、蛍光体層４３における第１接合面４３ａと反対の表面（第４面）４３ｂと第２導光部材７３における第２接合面７３ａとが互いに接合されることで、構成される。

すなわち、本実施形態の蛍光体層４３は、第１導光部材７２と第２導光部材７３とで挟まれている。本実施形態において、第１導光部材７２の表面７２ｂは接合体７１の第４外周面７１ｄを構成し、第２導光部材７３の表面７３ｂは接合体７１の第３外周面７１ｃを構成する。

本実施形態の波長変換素子７０では、第１導光部材７２と第２導光部材７３との間に蛍光体層４３を挟んで構成した接合体７１を備えるので、励起光Ｅが第１導光部材７２および第２導光部材７３内を伝搬することで蛍光体層４３の両面（第１接合面４３ａおよび表面４３ｂ）に効率良く入射させることができる。これにより、蛍光体層４３において明るい蛍光ＹＬを生成することができる。

（第四実施形態）
以下、本発明の第四実施形態について、図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態の波長変換素子の断面図である。
図６に示すように、本実施形態の波長変換素子８０は、接合体４１と、反射部材４２と、拡散素子８２と、を備えている。拡散素子８２は、接合体４１の外周面のうち、第１外周面４１ａと反対の第２外周面４１ｂに対向して配置される。拡散素子８２は第２外周面４１ｂに接合されている。なお、拡散素子８２は第２外周面４１ｂとの間に隙間を設けて配置されてもよい。

拡散素子８２は導光部材４４内を伝搬する光に対して光拡散性を有する素子である。本実施形態の拡散素子８２は蛍光体層８２ａである。蛍光体層８２ａは蛍光体層４３と同様の構成を有する。なお、蛍光体層８２ａとしては、気孔の含有率の高い蛍光体材料を用いたり、表面に微細な凹凸形状を形成した蛍光体を用いることで光拡散性を高めてもよい。

本実施形態の波長変換素子８０では、接合体４１の第２外周面４１ｂに拡散素子８２としての蛍光体層８２ａを設けるため、導光部材４４内を伝搬して接合体４１の第２外周面４１ｂに到達した励起光Ｅを蛍光体層８２ａによって蛍光ＹＬに変換することができる。これにより、より明るい蛍光ＹＬを生成することができる。また、蛍光体層８２ａは励起光Ｅの一部を拡散反射させる拡散素子としても機能する。蛍光体層８２ａにより励起光Ｅは種々の方向に拡散反射させることで蛍光体層４３に入射し、蛍光ＹＬの生成に利用される。
以上のように本実施形態の波長変換素子８０によれば、第一実施形態の波長変換素子４０に比べてより明るい蛍光ＹＬを生成することができる。

なお、拡散素子８２を拡散板で構成してもよい。この場合によれば、接合体４１の第３外周面４１ｃに入射した励起光Ｅを拡散して種々の方向に反射させることで蛍光体層４３に入射させ易くすることができる。

（第五実施形態）
以下、本発明の第五実施形態について、図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の波長変換素子の断面図である。
図７に示すように、本実施形態の波長変換素子９０は、接合体１４１と、反射部材４２と、拡散素子８２と、を備えている。拡散素子８２は、接合体１４１の外周面のうち、第１外周面１４１ａと反対の第２外周面１４１ｂに対向して配置される。拡散素子８２は第２外周面１４１ｂに接合されている。なお、拡散素子８２は第２外周面１４１ｂとの間に隙間を設けて配置されてもよい。

拡散素子８２は導光部材４４内を伝搬する光を拡散反射する。本実施形態の拡散素子８２は蛍光体層８２ａである。
本実施形態の波長変換素子９０では、接合体１４１の第２外周面１４１ｂに拡散素子としての蛍光体層８２ａを設けるため、導光部材４４内を伝搬する励起光Ｅが蛍光体層８２ａに入射することでより明るい蛍光ＹＬを生成することができる。また、蛍光体層８２ａは励起光Ｅの一部を拡散反射させる拡散素子としても機能する。蛍光体層８２ａにより励起光Ｅは種々の方向に拡散反射させることで第１蛍光体層１４３或いは第２蛍光体層１４４に入射し、蛍光ＹＬの生成に利用される。
本実施形態の波長変換素子９０によれば、第二実施形態の波長変換素子１４０よりも明るい蛍光ＹＬを生成できる。

なお、拡散素子８２は拡散板で構成されてもよい。この場合、拡散素子８２は励起光Ｅを拡散して種々の方向に反射させることで第１蛍光体層１４３或いは第２蛍光体層１４４に入射させ易くすることができる。

なお、上記実施形態では本発明の一態様について説明したが、本発明の内容は上記に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、第２外周面４１ｂ、第３外周面４１ｃおよび第４外周面４１ｄに対向して反射部材４２を配置させたが、第１方向Ｄ１に平行な第５外周面４１ｅおよび第６外周面４１ｆに反射部材４２を配置するようにしてもよい。この構成によれば、接合体４１から外部に射出された光を接合体４１内に戻すことで光利用効率を向上させることができる。なお、第二実施形態においても、第１方向Ｄ１に平行な第５外周面１４１ｅおよび第６外周面１４１ｆに反射部材４２を配置してもよい。

また、上記実施形態においては、波長変換素子４０、７０、８０、９０、１４０として反射型の波長変換素子を例に挙げたが、本発明は励起光Ｅの入射面と異なる面から蛍光ＹＬを射出させる透過型の波長変換素子にも適用可能である。

また、上記第二実施形態あるいは第五実施形態において、第１蛍光体層１４３及び第２蛍光体層１４４は特性が異なる蛍光体で構成されていてもよい。例えば、第１蛍光体層１４３を青色の励起光（第１光）によって緑色蛍光（第２光）を射出し、第２蛍光体層１４４は青色の励起光（第１光）によって励起光及び緑色蛍光とは異なる波長帯を有する黄色蛍光もしくは赤蛍光（第３光）を発する蛍光体とすることで所望の分光特性を得ることもできる。

また、上記第一実施形態、上記第三実施形態あるいは上記第四実施形態において、蛍光体層４３を異なる特性を有する２つの蛍光体を積層して構成してもよい。例えば、蛍光体層４３は、青色の励起光（第１光）によって緑色蛍光（第２光）を射出する第１蛍光部材（第１部材）と、青色の励起光（第１光）によって励起光及び緑色蛍光とは異なる波長帯を有する黄色蛍光もしくは赤蛍光（第３光）を発する第２蛍光部材（第２部材）とを積層して構成されていてもよい。

１…プロジェクター、２Ａ…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、２１Ａ…アレイ光源（光源）、４０，７０，８０，９０，１４０…波長変換素子、４１，７１，１４１…接合体、４１ａ，１４１ａ…第１外周面、４１ｂ，７１ｂ，１４１ｂ…第２外周面、４２…反射部材、４３…蛍光体層（第１波長変換部材）、４４…導光部材（第１導光部材）、７３…第２導光部材、８２…拡散素子、１４３…第１蛍光体層（第１波長変換部材）、１４４…第２蛍光体層（第２波長変換部材）、Ｄ１…第１方向、Ｅ…励起光（第１光）、ＹＬ…蛍光（第２光）。

Claims (10)

1. 第１光により励起されて前記第１光とは異なる波長帯を有する第２光を射出する第１波長変換部材と、前記第１光および前記第２光を透過させる第１導光部材と、が接合された接合体と、
   前記接合体の複数の外周面のうち、第１方向に平行な少なくとも一つの面に対向して配置され、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方を反射する反射部材と、を備え、
   前記接合体は、前記第１波長変換部材における前記第１方向に平行な第１面と、前記第１導光部材における前記第１方向に平行な第２面と、が互いに接合されて構成されており、
   前記第１光は、前記複数の外周面のうち、前記第１方向と交差する第１外周面から前記接合体に入射し、
   前記反射部材は、前記第１光が入射する前記接合体の前記第１外周面に対向する第２外周面にも対向して設けられ、
   前記第２光は、前記接合体の前記第１外周面を構成する前記第１波長変換部材と前記第１導光部材から射出する
   ことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記接合体は、前記第１導光部材の前記第２面と反対の第３面に接合された第２波長変換部材を有しており、
   前記第１導光部材は、前記第１波長変換部材と前記第２波長変換部材とで挟まれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記反射部材は、前記接合体の複数の外周面のうち前記第１波長変換部材からなる外周面と前記第２波長変換部材からなる外周面とに対向して設けられる
   ことを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記第２波長変換部材は、前記第１光により励起されて前記第１光および前記第２光と異なる波長帯を有する第３光を射出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
5. 前記接合体は、前記第１波長変換部材の前記第１面と反対の第４面に接合され、前記第１光および前記第２光を透過させる第２導光部材を有しており、
   前記第１波長変換部材は、前記第１導光部材と前記第２導光部材とで挟まれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
6. 前記第１波長変換部材は、前記第１光により励起されて前記第２光を射出する第１部材と、前記第１光により励起されて前記第１光および前記第２光とは異なる波長帯を有する第３光を射出する第２部材と、を備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記接合体の外周面のうち、前記第１外周面と反対の第２外周面に対向して配置され、
   前記第１光および前記第２光の少なくとも一方を拡散させる拡散素子をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記第１導光部材はサファイアである
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記第１光を射出する光源と、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の波長変換素子と、を備える
   ことを特徴とする光源装置。
10. 請求項９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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