JP2024081246A - 波長変換素子、光源装置、およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】第２光の利用効率に優れる波長変換素子を提供する。
【解決手段】本発明の波長変換素子は、第１波長帯の第１光が入射する第１面と、第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、第１光を第２波長帯の第２光に変換する波長変換層と、第１面に対向して配置され、第１光を透過する第１基板と、第２面に対向して配置され、第２光を透過する第２基板と、を備える。波長変換層と第１基板とは光学的に接触しておらず、波長変換層と第２基板とは光学的に接触していない。
【選択図】図３

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る光源装置として、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。

下記の特許文献１に、蛍光体層と、蛍光体層を両面から挟み込む第１ガラス層および第２ガラス層と、を有する積層体を備え、この積層体を回転可能としたプロジェクター用蛍光体ホイールが開示されている。特許文献１には、第１ガラス層、蛍光体層、および第２ガラス層を積層して焼成することにより、これらの３層を一体化でき、蛍光体ホイールの機械的強度を高めることができる、と記載されている。

特開２０１６－１７０３２６号公報

特許文献１の蛍光体ホイールでは、蛍光体層が２つのガラス層と一体化しているため、蛍光体層の内部で生成された蛍光は、２つのガラス層にそれぞれ入射する。各ガラス層に入射した蛍光は、各ガラス層の面方向に広がって伝播した後、ガラス層から射出される。この場合、蛍光は、元来の蛍光体層の発光領域よりも外側に広がった領域から射出されることになる。その結果、蛍光体ホイールの後段の光学系に入射する蛍光が減り、蛍光の利用効率が低下する、という課題がある。以上、蛍光体ホイールを例に挙げて説明したが、上記の課題は、蛍光体ホイール以外の波長変換素子にも共通する課題である。

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、第１波長帯の第１光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換層と、前記第１面に対向して配置され、前記第１光を透過する第１基板と、前記第２面に対向して配置され、前記第２光を透過する第２基板と、を備える。前記波長変換層と前記第１基板とは光学的に接触しておらず、前記波長変換層と前記第２基板とは光学的に接触していない。

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入射させる前記第１光を射出する発光素子と、を備える。

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前記第２光を含む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。

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実施形態の光源装置の概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の断面図である。 波長変換層を拡大視した断面図である。 波長変換層と基板との間隔と波長変換層の温度との関係を示す図である。 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素子の断面図である。 第５実施形態の波長変換素子の平面図である。 図９のＸ－Ｘ線に沿う波長変換素子の断面図である。 第６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、図面を参照して詳細に説明する。
以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法の比率などが実際の物と同じであるとは限らない。

本実施形態のプロジェクターは、３つの透過型液晶ライトバルブを用いたプロジェクターの一例である。
図１は、本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。

図１に示すように、プロジェクター１は、光源装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、光合成光学系５と、投射光学装置６と、を備える。光源装置２は、白色の照明光ＷＬを照射する。色分離光学系３は、光源装置２からの照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。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、各色光を画像情報に応じて変調し、各色の画像光を形成する。光合成光学系５は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂから射出される各色の画像光を合成する。投射光学装置６は、光合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて投射する。

光源装置２は、半導体レーザーから射出された青色光のうち、波長変換されずに射出される青色光の一部と、蛍光体による励起光の波長変換によって生じる黄色の蛍光光と、が合成された白色の照明光（白色光）ＷＬを射出する。光源装置２は、略均一な照度分布を有する照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。光源装置２の具体的な構成については後述する。

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、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、第３反射ミラー８ｃと、第１リレーレンズ９ａと、第２リレーレンズ９ｂと、を備える。

第１ダイクロイックミラー７ａは、光源装置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とが混合された光と、に分離する。そのため、第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過し、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。そのため、第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２反射ミラー８ｂおよび第３反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに向けて反射する。

第１リレーレンズ９ａおよび第２リレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中の第２ダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。第１リレーレンズ９ａおよび第２リレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲの光路長および緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることによる青色光ＬＢの光損失を補償する。

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、液晶パネルから構成されている。光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれの光入射側および光射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。

光変調装置４Ｒの光入射側には、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化するフィールドレンズ２０Ｒが設けられている。光変調装置４Ｇの光入射側には、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化するフィールドレンズ２０Ｇが設けられている。光変調装置４Ｂの光入射側には、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化するフィールドレンズ２０Ｂが設けられている。

光合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。光合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれから射出される各色の画像光を合成し、合成された画像光を投射光学装置６に向かって射出する。

投射光学装置６は、複数の投射レンズから構成されている。投射光学装置６は、光合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

以下、本実施形態の光源装置２について説明する。
図２は、光源装置２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、光源装置２は、光源部１１０と、集光レンズ１１と、導光体１２と、波長変換素子１３と、ピックアップ光学系１４と、インテグレーター光学系１５と、を備える。

光源部１１０は、レーザー光からなる青色光Ｂ１を射出する複数の発光素子１１０ａを有する。発光素子１１０ａは、半導体レーザーから構成される。発光素子１１０ａから射出される青色光Ｂ１の第１波長帯は、例えば４４５ｎｍ～４６５ｎｍの範囲であり、ピーク波長は、例えば４５５ｎｍである。複数の発光素子１１０ａは、照明光軸１００ａｘと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。光源装置２から射出される照明光ＷＬの中心軸を照明光軸１００ａｘと定義する。発光素子１１０ａの数は、特に限定されない。また、発光素子１１０ａから射出される青色光Ｂ１の波長帯は、上記に限定されない。

本実施形態の光源部１１０は、第１波長帯の青色光Ｂ１を複数含む光線束からなる青色光Ｂを波長変換素子１３に向けて射出する。本実施形態の青色光Ｂは、特許請求の範囲の第１光に対応する。

集光レンズ１１は、光源部１１０の光射出側に設けられている。集光レンズ１１は、凸レンズから構成されている。集光レンズ１１は、光源部１１０から射出される青色光Ｂを集光して導光体１２に入射させる。

導光体１２は、光入射面１２ａと、光射出面１２ｂと、側面１２ｃと、を有する。光入射面１２ａは、集光レンズ１１によって集光された青色光Ｂが入射する端面である。光射出面１２ｂは、光入射面１２ａとは反対側の端面であって、導光体１２の内部を伝播した青色光Ｂを射出する端面である。側面１２ｃは、光入射面１２ａおよび光射出面１２ｂに交差する面である。

導光体１２は、光入射面１２ａから導光体１２の内部に入射する青色光Ｂを側面１２ｃでの全反射によって伝播させつつ、青色光Ｂの一部を光射出面１２ｂから射出する。導光体１２は、長軸方向に延在するロッドレンズで構成されている。導光体１２は、中心軸に直交する断面積が光入射面１２ａから光射出面１２ｂに向かって変化しない四角柱形状を有する。

導光体１２は、例えばＢＫ７等のホウケイ酸ガラス、石英、合成石英、水晶、およびサファイア等の透光性部材で構成されている。導光体１２は、例えば、第１波長帯の青色光Ｂの吸収が少ない特性を有する石英で構成される。これにより、導光体１２は、青色光Ｂを効率良く伝播させて波長変換素子１３に導くことができる。

導光体１２に入射した青色光Ｂは、導光体１２の内部を全反射しながら伝播することにより、照度分布の均一性が向上した状態で光射出面１２ｂから射出される。導光体１２によって照度分布の均一性が高められた青色光Ｂは、波長変換素子１３に入射する。波長変換素子１３は、青色光Ｂによって励起されることで蛍光Ｙを生成して射出する。本実施形態の蛍光Ｙは、特許請求の範囲の第２光に対応する。

波長変換素子１３に入射した青色光Ｂの一部は、波長変換素子１３を透過して射出される。すなわち、波長変換素子１３は、青色光Ｂの一部と蛍光Ｙとが合成された白色の照明光ＷＬを射出する。波長変換素子１３の構成については後述する。

ピックアップ光学系１４は、第１レンズ１４ａと、第２レンズ１４ｂと、を備える。ピックアップ光学系１４は、波長変換素子１３から射出された照明光ＷＬを略平行化する。第１レンズ１４ａおよび第２レンズ１４ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。ピックアップ光学系１４を構成するレンズの数は、特に限定されない。

インテグレーター光学系１５は、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、を備える。第１レンズアレイ１２０は、ピックアップ光学系１４から射出された照明光ＷＬを複数の部分光束に分割する複数の第１レンズ１２０ａを有する。複数の第１レンズ１２０ａ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１２０ａに対応する複数の第２レンズ１３０ａを有する。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１２０ａの像を光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３０ａ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２レンズアレイ１３０から射出された照明光ＷＬを所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、反射膜と偏光分離膜と位相差板と（図示略）を備える。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出される各部分光束を集光して光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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、波長変換素子１３からの光の強度分布を均一にするインテグレーター光学系１５を構成する。

以下、波長変換素子１３について説明する。
図３は、波長変換素子１３の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、波長変換素子１３は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、を備える。なお、波長変換素子１３は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２を保持する保持部材を備えていてもよい。

波長変換層３０は、蛍光体を含み、第１波長帯を有する青色光Ｂを、第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する蛍光Ｙに変換する。波長変換層３０は、青色光Ｂが入射する第１面３０ａと、第１面３０ａとは反対側に位置する第２面３０ｂと、を有する。

波長変換層３０は、青色光Ｂを蛍光Ｙに波長変換する多結晶蛍光体からなるセラミック蛍光体を含む。蛍光Ｙが有する第２波長帯は、例えば４９０～７５０ｎｍの黄色の波長帯である。すなわち、蛍光Ｙは、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色の蛍光である。波長変換層３０は、多結晶蛍光体に代えて、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。または、波長変換層３０は、蛍光ガラスから構成されていてもよい。または、波長変換層３０は、ガラスまたは樹脂からなるバインダー中に多数の蛍光体粒子が分散された材料から構成されていてもよい。このような材料からなる波長変換層３０は、青色光Ｂを蛍光Ｙに変換することができる。

具体的には、波長変換層３０の材料は、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。賦活剤としてのセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例に挙げると、波長変換層３０の材料として、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、ゾ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、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粒子等が用いられる。

第１基板３１は、波長変換層３０の第１面３０ａに対向して配置され、青色光Ｂを透過する。第１基板３１は、波長変換層３０の第１面３０ａに対向する第３面３１ｃと、第３面３１ｃとは反対側に位置する第４面３１ｄと、を有する。第１基板３１の材料は、青色光Ｂを透過できる透光性を有していれば特に限定されないが、例えばガラス、石英、サファイア、ＹＡＧ、ＳｉＣ、ダイアモンド等が用いられる。第１基板３１は、波長変換層３０から伝達される熱を外部空間に放出する放熱部材としても機能する。

第２基板３２は、波長変換層３０の第２面３０ｂに対向して配置され、蛍光Ｙおよび青色光Ｂを透過する。第２基板３２は、波長変換層３０の第２面３０ｂに対向する第５面３２ｅと、第５面３２ｅとは反対側に位置する第６面３２ｆと、を有する。第２基板３２の材料は、蛍光Ｙおよび青色光Ｂを透過できる透光性を有していれば特に限定されないが、第１基板３１と同様、例えばガラス、石英、サファイア、ＹＡＧ、ＳｉＣ、ダイアモンド等が用いられる。第２基板３２の材料は、第１基板３１の材料と同じでもよいし、第１基板３１の材料と異なっていてもよい。第２基板３２は、第１基板３１と同様、波長変換層３０から伝達される熱を外部空間に放出する放熱部材としても機能する。

第２基板３２の屈折率は、１．５以上であることが好ましい。この構成によれば、蛍光Ｙが第５面３２ｅから第２基板３２に入射する際の屈折角は、第２基板３２の屈折率が１．５未満の場合よりも大きくなる。その結果、蛍光Ｙが第６面３２ｆから射出される際の広がりをより小さくすることができる。または、蛍光Ｙが第６面３２ｆから射出される際の広がりが第２基板３２の屈折率が１．５未満の場合と同等でよければ、第２基板３２を厚くできるため、第２基板３２の放熱性を高めることができる。この観点から、第２基板３２の材料として、屈折率が１．７６のサファイア、屈折率が２．４のダイアモンド、屈折率が２．６のＳｉＣなどが好ましく用いられる。

第１基板３１の熱伝導率は、波長変換層３０の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。この構成によれば、波長変換層３０の熱が第１基板３１に伝達された際にその熱を第４面３１ｄから効率良く外部空間に放出することができる。同様に、第２基板３２の熱伝導率は、波長変換層３０の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。この構成によれば、波長変換層３０の熱が第２基板３２に伝達された際にその熱を第６面３２ｆから効率良く外部空間に放出することができる。

反射層３３は、波長変換層３０と第１基板３１との間に設けられている。反射層３３は、屈折率が互いに異なる複数の膜が積層された誘電体多層膜で構成され、青色波長帯の光を透過して黄色波長帯の光を反射する。すなわち、反射層３３は、青色光Ｂを透過して蛍光Ｙを反射するダイクロイック層として機能する。本実施形態の場合、反射層３３は、波長変換層３０の第１面３０ａと対向する第１基板３１の第３面３１ｃに設けられている。この構成によれば、第１基板３１の第３面３１ｃは波長変換層３０の第１面３０ａに比べて平坦性が高いため、所望の特性を有する反射層３３を形成しやすい。

反射層３３は、波長変換層３０の第１面３０ａに設けられていてもよい。この構成によれば、蛍光Ｙが波長変換層３０の第１面３０ａから外部空間に射出されることなく、反射層３３で反射するため、蛍光Ｙの損失を最小限に抑えることができる。あるいは、反射層３３は、他の基板上に形成されて波長変換層３０と第１基板３１との間に配置されていてもよい。

蛍光Ｙは、波長変換層３０に含まれる蛍光体から等方的に発光し、あらゆる方向に向かって進む。そのため、蛍光Ｙの一部は、波長変換層３０の第２面３０ｂから射出され、蛍光Ｙの他の一部は、波長変換層３０の第１面３０ａから射出される。本実施形態の場合、後述するように、波長変換層３０の第１面３０ａから射出される蛍光Ｙの量は少ないが、波長変換層３０と第１基板３１との間に反射層３３が設けられているため、波長変換層３０の第１面３０ａから射出される蛍光Ｙは、反射層３３で反射して波長変換層３０に再度入射し、波長変換層３０の第２面３０ｂから射出される。これにより、光源部１１０の側に戻る蛍光Ｙを減らし、蛍光Ｙの利用効率を高めることができる。

波長変換層３０と第１基板３１とは、光学的に接触していない。また、波長変換層３０と第２基板３２とは、光学的に接触していない。本明細書における「光学的に接触していない」とは、一方の部材と他方の部材とが一部で物理的に接触しているか否かにかかわらず、一方の部材の内部を進行する光が他方の部材に伝播しないことを意味する。

具体的には、波長変換層３０と第１基板３１とは、互いに離間している。波長変換層３０と第２基板３２とは、互いに離間している。波長変換層３０と第１基板３１との間隔をＬ１とし、波長変換層３０と第２基板３２との間隔をＬ２としたとき、０μｍ＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０μｍ＜Ｌ２≦５０μｍの関係を満たすことが望ましい。間隔Ｌ１と間隔Ｌ２とは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。上記の数値の根拠については、後で説明する。

図４は、波長変換層３０の第２面３０ｂを拡大視した断面図である。なお、図示を省略するが、波長変換層３０の第１面３０ａも第２面３０ｂと同様の構成を有する。
通常の光散乱性を有する波長変換層の場合、波長変換層３０の第１面３０ａおよび第２面３０ｂは、高さおよび形状がランダムな凹凸を有する。第１面３０ａおよび第２面３０ｂの算術平均粗さＲａは、一般的に０＜Ｒａ＜１μｍである。したがって、図４の例で言えば、波長変換層３０の第２面３０ｂのうち、相対的に高い凸部の頂部は、第２基板３２の第５面３２ｅに接触するが、それよりも低い多くの凸部の頂部は、第２基板３２の第５面３２ｅに接触しない。そのため、波長変換層３０の第２面３０ｂの一部が第２基板３２の第５面３２ｅに物理的に接触したとしても、波長変換層３０の第２面３０ｂと第２基板３２の第５面３２ｅとの間には空気層が介在する。したがって、波長変換層３０と第２基板３２とは、光学的に接触していない。

本明細書において、間隔Ｌ２は、波長変換素子に入射する青色光Ｂの入射方向に沿う方向において、波長変換層３０の第２面３０ｂのうち、最も低い凹部の底部と第２基板３２の第５面３２ｅとの間隔である。同様に、間隔Ｌ１は、波長変換素子に入射する青色光Ｂの入射方向に沿う方向において、波長変換層３０の第１面３０ａのうち、最も低い凹部の底部と第１基板３１の第３面３１ｃとの間隔である。すなわち、場所によって異なる複数の間隔のうち、最も広い間隔を間隔Ｌ１およびＬ２と定義する。したがって、０μｍ＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０μｍ＜Ｌ２≦５０μｍの関係を満たせば、全ての間隔について、この関係を満たすことになる。

本発明者は、第１基板３１および第２基板３２のそれぞれと波長変換層３０とを光学的に接触させないことで、波長変換層３０から各基板３１，３２に伝播する蛍光Ｙの量を減らせば、蛍光Ｙの広がりが抑えられ、蛍光Ｙの利用効率の低下を抑制できることに想到した。ところが、波長変換層３０と各基板３１，３２との間隔が広すぎると、波長変換層３０で発生する熱が各基板３１，３２に伝達されにくくなり、波長変換層３０の温度が上昇する場合がある。その結果、波長変換効率が低下する、または波長変換層３０が損傷する等の不具合が生じるおそれがある。

そこで、本発明者は、波長変換層と基板との間隔の変化に伴う波長変換層の温度の変化を調べるシミュレーションを行った。
図５は、シミュレーション結果を示す図であり、波長変換層と基板との間隔と、波長変換層の温度と、の関係を示すグラフである。グラフの横軸は、波長変換層と基板との間隔（μｍ）である。グラフの縦軸は、波長変換層の温度（℃）である。
シミュレーション条件として、波長変換層の材料をＹＡＧ：Ｃｅとし、基板の材料をサファイアとした。波長変換層と基板との間には、熱伝導率が０．０２Ｗ／ｍ・Ｋの空気が介在するものとした。基板を接触させていない状態で波長変換層を発熱源に設定した。

図５に示すように、波長変換層と基板との間隔を０μｍから大きくすると、波長変換層の温度は１４０℃から急激に上昇する傾向を示す。波長変換層と基板との間隔を３０μｍ程度にすると、波長変換層の温度上昇が緩やかになる。波長変換層と基板との間隔が５０μｍを超えると、波長変換層の温度が約１８５℃で略一定となる。すなわち、波長変換層と基板との間隔が５０μｍを超えると、波長変換層で発生する熱は基板にほとんど伝達されなくなることが判った。

以上のシミュレーション結果から、波長変換層３０と第１基板３１との間隔Ｌ１、および波長変換層３０と第２基板３２との間隔Ｌ２のそれぞれは、０μｍよりも大きく、５０μｍ以下とするのが望ましいことが判った。これにより、図３に示すように、波長変換層３０から各基板３１，３２への蛍光Ｙの伝播を抑えつつ、波長変換層３０で発生する熱Ｈを各基板３１，３２に伝達することで波長変換層３０の温度上昇を抑えることができる。

本実施形態の波長変換素子１３は、波長変換層３０と第１基板３１との間隔、および波長変換層３０と第２基板３２との間隔を保持するための部材を備えていない。ところが、上述したように、波長変換層３０の第１面３０ａおよび第２面３０ｂの算術平均粗さＲａが１μｍ未満であるから、個別に作製した第１基板３１、波長変換層３０、および第２基板３２を単に積層したとしても、波長変換層３０と各基板３１，３２との間に微小な空気層が介在し、０μｍ＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０μｍ＜Ｌ２≦５０μｍの関係を満たす。これにより、第１基板３１および第２基板３２のそれぞれと波長変換層３０とは光学的に接触せず、波長変換層３０から第１基板３１および第２基板３２のそれぞれに伝播する蛍光Ｙの量を抑えつつ、波長変換層３０の熱Ｈを第１基板３１および第２基板３２のそれぞれに伝達させることができる。

［第１実施形態の効果］
本実施形態の波長変換素子１３は、青色光Ｂが入射する第１面３０ａと、第１面３０ａとは反対側に位置する第２面３０ｂと、を有し、青色光Ｂを蛍光Ｙに変換する波長変換層３０と、第１面３０ａに対向して配置され、青色光Ｂを透過する第１基板３１と、第２面３０ｂに対向して配置され、蛍光Ｙを透過する第２基板３２と、を備える。波長変換層３０と第１基板３１とは光学的に接触しておらず、波長変換層３０と第２基板３２とは光学的に接触していない。具体的には、波長変換層３０と第１基板３１とは、互いに離間し、波長変換層３０と第２基板３２とは、互いに離間し、波長変換層３０と第１基板３１との間隔Ｌ１、および波長変換層３０と第２基板３２との間隔Ｌ２は、０＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０＜Ｌ２≦５０μｍの関係を満たす。

本実施形態の構成によれば、波長変換層３０で生成された蛍光Ｙの第１基板３１および第２基板３２への伝播が抑制されるため、波長変換層３０から射出される蛍光Ｙは、各基板３１，３２の面方向に導光することが少なく、元来の波長変換層３０の発光領域から大きく広がって射出されるのを抑えることができる。その結果、波長変換素子１３の後段の光学系に入射する蛍光Ｙの減少が抑えられ、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができる。一方、波長変換層３０で発生する熱Ｈが第１基板３１および第２基板３２に伝達されるため、波長変換層３０の温度上昇を抑えることができる。その結果、波長変換効率が低下する、または波長変換層３０が損傷する等の不具合を抑えることができる。

本実施形態の光源装置２は、本実施形態の波長変換素子１３を備えているため、蛍光Ｙの利用効率に優れる。

本実施形態のプロジェクター１は、本実施形態の光源装置２を備えているため、高効率のプロジェクターを実現できる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図面を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と略同様であり、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の概略構成を示す断面図である。
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２２は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、放熱部材３５と、を備える。

放熱部材３５は、波長変換層３０、第１基板３１、第２基板３２、および反射層３３の周囲を囲むように設けられている。すなわち、放熱部材３５は開口部３５ｈを有し、波長変換層３０、第１基板３１、第２基板３２、および反射層３３は開口部３５ｈの内側に配置されている。放熱部材３５は、第１基板３１の第４面３１ｄの周縁部に直接接触する突出部３５ｔを有する。放熱部材３５は、突出部３５ｔを介して第１基板３１と熱的に接続されている。これにより、波長変換層３０の熱Ｈの一部は、第１基板３１から放熱部材３５に伝達され、放熱部材３５から外部空間に放出される。したがって、放熱部材３５は、所定の強度を有し、熱伝導率が高い材料で構成されることが望ましい。放熱部材３５の材料として、例えば銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属が用いられる。

本実施形態の場合、放熱部材３５は、第１基板３１と熱的に接続される一方、波長変換層３０および第２基板３２とは熱的に接続されていないが、この構成に限らず、波長変換層３０および第２基板３２と熱的に接続されていてもよい。すなわち、放熱部材３５は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のうちの少なくとも一つと熱的に接続されていればよい。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１３と同様である。

［第２実施形態の効果］
本実施形態においても、蛍光Ｙの射出領域の広がりを抑制し、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができるとともに、波長変換層３０の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層３０の損傷等の発生を抑えることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に本実施形態の場合、波長変換素子２２が第１基板３１と熱的に接続された放熱部材３５を備えているため、波長変換層３０の温度上昇をより効果的に抑えることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図面を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と略同様であり、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説明は省略する。
図７は、第３実施形態の波長変換素子２３の概略構成を示す断面図である。
図７において、以前の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７に示すように、本実施形態の波長変換素子２３は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、放熱部材３６と、を備える。

第２実施形態と同様、放熱部材３６は、波長変換層３０、第１基板３１、第２基板３２、および反射層３３の周囲を囲むように設けられている。放熱部材３６は、高熱伝導性を有する接合材３７を介して、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２と熱的に接続されている。これにより、波長変換層３０の熱Ｈの一部は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のそれぞれから放熱部材３６に伝達され、放熱部材３６から外部空間に放出される。高熱伝導性を有する接合材３７として、例えばナノ銀ペースト等が用いられる。放熱部材３６は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のうちの少なくとも一つと熱的に接続されていればよい。波長変換素子２３のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子１３と同様である。

［第３実施形態の効果］
本実施形態においても、蛍光Ｙの射出領域の広がりを抑制し、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができるとともに、波長変換層３０の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層３０の損傷等の発生を抑えることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に本実施形態の場合、波長変換素子２３が波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のそれぞれと熱的に接続された放熱部材３６を備えているため、波長変換層３０の温度上昇をより効果的に抑えることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図面を用いて説明する。
第４実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と略同様であり、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説明は省略する。
図８は、第４実施形態の波長変換素子２４の概略構成を示す断面図である。
図８において、以前の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８に示すように、本実施形態の波長変換素子２４は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、放熱部材３６と、を備える。

第３実施形態と同様、放熱部材３６は、波長変換層３０、第１基板３１、第２基板３２、および反射層３３の周囲を囲むように設けられている。放熱部材３６は、放熱部材３６の側面が波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２の各側面と直接接触することによって、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のそれぞれと熱的に接続されている。これにより、波長変換層３０の熱Ｈの一部は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のそれぞれから放熱部材３６に伝達され、放熱部材３６から外部空間に放出される。放熱部材３６は、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のうちの少なくとも一つと熱的に接続されていればよい。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１３と同様である。

［第４実施形態の効果］
本実施形態においても、蛍光Ｙの射出領域の広がりを抑制し、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができるとともに、波長変換層３０の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層３０の損傷等の発生を抑えることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に本実施形態の場合、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２のそれぞれと放熱部材３６とが、接合材等を介することなく、直接接触することで熱的に接続されているため、波長変換層３０の温度上昇をより効果的に抑えることができる。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図面を用いて説明する。
第５実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と略同様であり、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説明は省略する。
図９は、第５実施形態の波長変換素子２５の概略構成を示す平面図である。図１０は、図９のＸ－Ｘ線に沿う波長変換素子２５の断面図である。
図９および図１０において、以前の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９および図１０に示すように、本実施形態の波長変換素子２５は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、スペーサー３８と、を備える。

図９に示すように、スペーサー３８は、照明光軸１００ａｘの方向から見て、矩形枠状の形状を有し、青色光Ｂを入射させ、蛍光Ｙおよび青色光Ｂを射出させる開口部３８ｈが中央に設けられている。なお、スペーサー３８は、必ずしも波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２の全周にわたって設けられていなくてもよく、波長変換層３０、第１基板３１、および第２基板３２の全周のうちの一部に設けられていてもよい。

図１０に示すように、スペーサー３８は、側板部３８ｓと、枠部３８ｗと、を有する。側板部３８ｓは、波長変換層３０の側面に接触する。枠部３８ｗは、側板部３８ｓの両端から波長変換層３０の第１面３０ａおよび第２面３０ｂのそれぞれに沿って延び、波長変換層３０の第１面３０ａと第１基板３１の第３面３１ｃとの間、および波長変換層３０の第２面３０ｂと第２基板３２の第５面３２ｅとの間のそれぞれに介在する。枠部３８ｗの厚さｔは、５０μｍ以下に設定されている。これにより、波長変換層３０と第１基板３１との間隔Ｌ１、および波長変換層３０と第２基板３２との間隔Ｌ２のそれぞれは、スペーサー３８の枠部３８ｗが介在することで、０μｍよりも大きく、５０μｍ以下に保持される。スペーサー３８の材料は、特に限定されないが、波長変換層３０の放熱を促進するため、熱伝導率の高い金属等が用いられることが望ましい。波長変換素子２５のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子１３と同様である。

［第５実施形態の効果］
本実施形態においても、蛍光Ｙの射出領域の広がりを抑制し、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができるとともに、波長変換層３０の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層３０の損傷等の発生を抑えることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図面を用いて説明する。
第６実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と略同様であり、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説明は省略する。
図１１は、第６実施形態の波長変換素子２６の概略構成を示す断面図である。
図１１において、以前の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１１に示すように、本実施形態の波長変換素子２６は、波長変換層３０と、第１基板３１と、第２基板３２と、反射層３３と、スペーサー３９と、を備える。

スペーサー３９は、波長変換層３０の第１面３０ａと第１基板３１の第３面３１ｃとの間、および波長変換層３０の第２面３０ｂと第２基板３２の第５面３２ｅとの間のそれぞれに介在する。スペーサー３９は、ギャップ材４０を含む接着材から構成される。ギャップ材４０は、例えば球状の中空シリカ粒子から構成されている。ギャップ材４０の直径ｄは、５０μｍ以下に設定されている。これにより、波長変換層３０と第１基板３１との間隔Ｌ１、および波長変換層３０と第２基板３２との間隔Ｌ２のそれぞれは、０μｍよりも大きく、５０μｍ以下の範囲に保持される。波長変換素子２６のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子１３と同様である。

［第６実施形態の効果］
本実施形態においても、蛍光Ｙの射出領域の広がりを抑制し、蛍光Ｙの利用効率を十分に確保することができるとともに、波長変換層３０の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層３０の損傷等の発生を抑えることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

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。また、本発明の一つの態様は、上記実施形態および変形例の特徴部分を適宜組み合わせた構成とすることができる。

波長変換素子、光源装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料など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、固定型の波長変換素子に本発明を適用したが、回転ホイール型の波長変換素子に本発明を適用してもよい。また、上記実施形態では、青色光の一部を黄色の蛍光に変換し、蛍光と青色光の他の一部とが合成された白色光を射出する波長変換素子の例を挙げたが、この構成に代えて、青色光の全てを黄色の蛍光に変換する波長変換素子であってもよい。

上記実施形態では、本発明による光源装置を、液晶パネルを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。本発明による光源装置を、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適用してもよい。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、１つの光変調装置のみを有していてもよい。

上記実施形態では、本発明の光源装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明の光源装置は、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。

［本開示のまとめ］
以下、本開示のまとめを付記する。

（付記１）
第１波長帯の第１光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換層と、
前記第１面に対向して配置され、前記第１光を透過する第１基板と、
前記第２面に対向して配置され、前記第２光を透過する第２基板と、
を備え、
前記波長変換層と前記第１基板とは光学的に接触しておらず、
前記波長変換層と前記第２基板とは光学的に接触していない、波長変換素子。

付記１の構成によれば、第２光の射出領域の広がりを抑制し、第２光の利用効率を十分に確保することができる。

（付記２）
前記波長変換層と前記第１基板とは、互いに離間し、
前記波長変換層と前記第２基板とは、互いに離間し、
前記波長変換層と前記第１基板との間隔をＬ１とし、前記波長変換層と前記第２基板との間隔をＬ２としたとき、
０＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０＜Ｌ２≦５０μｍである、付記１に記載の波長変換素子。

付記２の構成によれば、波長変換層の熱を第１基板および第２基板のそれぞれに伝達できるため、第２光の利用効率を十分に確保できることに加えて、波長変換層の温度上昇を抑制し、波長変換効率の低下、または波長変換層の損傷等の発生を抑えることができる。

（付記３）
前記第２基板の屈折率は、１．５以上である、付記１または付記２に記載の波長変換素子。

付記３の構成によれば、第２光が第２基板に入射する際の屈折角が、第２基板の屈折率が１．５未満の場合よりも大きくなるため、第２光が第２基板から射出される際の広がりを小さくすることができる。または、蛍光が射出される際の広がりが第２基板の屈折率が１．５未満の場合と同等でよければ、第２基板を厚くできるため、第２基板の放熱性を高めることができる。

（付記４）
前記波長変換層と前記第１基板との間に設けられ、前記第１光を透過して前記第２光を反射する反射層をさらに備える、付記１から付記３までのいずれか一つに記載の波長変換素子。

付記４の構成によれば、波長変換層から第１基板に向けて射出される第２光を反射層で反射させ、波長変換層に戻すことができるため、第２基板から射出される第２光を増やすことができる。

（付記５）
前記反射層は、前記波長変換層の前記第１面に設けられる、付記４に記載の波長変換素子。

付記５の構成によれば、第２光が波長変換層の第１面から外部空間に射出されることなく、反射層で反射するため、第２光の損失を最小限に抑えることができる。

（付記６）
前記反射層は、前記第１基板の前記第１面と対向する面に設けられる、付記４に記載の波長変換素子。

付記６の構成によれば、第１基板の第１面と対向する面は波長変換層の第１面に比べて平坦性が高いため、所望の特性を有する反射層を形成しやすい。

（付記７）
前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きい、付記１から付記６までのいずれか一つに記載の波長変換素子。

付記７の構成によれば、波長変換層の熱を第１基板および第２基板のそれぞれから効率良く外部空間に放出することができる。

（付記８）
前記波長変換層の前記第１面および前記第２面の算術平均粗さをＲａとしたとき、
前記Ｒａは、０＜Ｒａ＜１μｍである、付記１から付記７までのいずれか一つに記載の波長変換素子。

付記８の構成によれば、波長変換層を第１基板および第２基板のそれぞれに当接させても、波長変換層と第１基板および第２基板のそれぞれとが光学的に接触しない構成を実現することができる。

（付記９）
前記第１基板、前記波長変換層、および前記第２基板のうちの少なくとも一つに熱的に接続される放熱部材をさらに備える、付記１から付記８までのいずれか一つに記載の波長変換素子。

付記９の構成によれば、波長変換素子が放熱部材を備えているため、波長変換層の温度上昇をより効果的に抑えることができる。

（付記１０）
付記１から付記９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入射させる前記第１光を射出する発光素子と、
を備える、光源装置。

付記１０の構成によれば、第２光の利用効率が高い光源装置が得られる。

（付記１１）
付記１０に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出される前記第２光を含む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、プロジェクター。

付記１１の構成によれば、高効率のプロジェクターが得られる。

１…プロジェクター、２…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、１３，２２，２３，２４，２５，２６…波長変換素子、３０…波長変換層、３０ａ…第１面、３０ｂ…第２面、３１…第１基板、３２…第２基板、３３…反射層、３５，３６…放熱部材、１１０ａ…発光素子、Ｂ…青色光（第１光）、Ｙ…蛍光（第２光）。

Claims (11)

1. 第１波長帯の第１光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換層と、
   前記第１面に対向して配置され、前記第１光を透過する第１基板と、
   前記第２面に対向して配置され、前記第２光を透過する第２基板と、
   を備え、
   前記波長変換層と前記第１基板とは光学的に接触しておらず、
   前記波長変換層と前記第２基板とは光学的に接触していない、波長変換素子。
2. 前記波長変換層と前記第１基板とは、互いに離間し、
   前記波長変換層と前記第２基板とは、互いに離間し、
   前記波長変換層と前記第１基板との間隔をＬ１とし、前記波長変換層と前記第２基板との間隔をＬ２としたとき、
   ０＜Ｌ１≦５０μｍ、かつ、０＜Ｌ２≦５０μｍである、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記第２基板の屈折率は、１．５以上である、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記波長変換層と前記第１基板との間に設けられ、前記第１光を透過して前記第２光を反射する反射層をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
5. 前記反射層は、前記波長変換層の前記第１面に設けられる、請求項４に記載の波長変換素子。
6. 前記反射層は、前記第１基板の前記第１面と対向する面に設けられる、請求項４に記載の波長変換素子。
7. 前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
   前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
8. 前記波長変換層の前記第１面および前記第２面の算術平均粗さをＲａとしたとき、
   前記Ｒａは、０＜Ｒａ＜１μｍである、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
9. 前記第１基板、前記波長変換層、および前記第２基板のうちの少なくとも一つに熱的に接続される放熱部材をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
10. 請求項１または請求項２に記載の波長変換素子と、
    前記波長変換素子に入射させる前記第１光を射出する発光素子と、
    を備える、光源装置。
11. 請求項１０に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出される前記第２光を含む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、プロジェクター。

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