JP5672949B2 - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

従来、プロジェクターにおいては、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的であった。ところが、この種の放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、ランプから放射される紫外線が液晶ライトバルブを劣化させる、等の課題がある。そこで、放電ランプに代わる方式の光源を用いたプロジェクターが提案されている。

例えば、特許文献１で提案されているプロジェクターでは、蛍光体に外部から励起光を入射させ、得られる発光光（蛍光）を射出させる光源が用いられている。特許文献１の光源では、蛍光体の可視光放射方向端面の面積総和が、励起光発光端面の面積総和より小さく設定されており、励起光の光源を直接用いるよりも、さらに小さな面積から強い光を放つことができる光源として提案されている。この構造により、光利用効率が高く、低コスト低消費電力で明るいプロジェクターが実現可能である。

特開２００４−３２７３６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光源では、蛍光体に光を集めすぎると、次のような理由により発光量が低下してしまう。

まず、蛍光体は発光するときに一部のエネルギーが熱に変わり自己発熱を起こす。一方で、蛍光体の発光効率（励起光の入射光量に対する蛍光体の発光量の割合）は温度に依存しており、温度が高いほど変換効率が低下することが知られている。そのため、蛍光体に励起光を集めすぎると、自己発熱により温度が上昇し、発光効率が低下しやすくなる。

また、励起光の光密度が大きいと、蛍光体分子の中で励起される電子の割合が増え、励起できる電子（基底状態の電子）が減少するため、励起光の光量に応じた発光ができなくなる、いわゆる光飽和現象が発生する。これによっても、発光効率が低下してしまう。

そのため、上記特許文献１のような光源を用い、強い光を得ようとして励起光量を増やしたとしても、上記理由により発光効率が低下することから、所望の光量を得ることが難しかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、発光効率の低下を抑制し、強い（光量の多い）光を射出することが可能な光源装置を提供することを目的とする。また、このような光源装置を有し、高品質な画像表示が可能なプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、励起光を射出する光源と、前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有していることを特徴とする。
この構成によれば、蛍光体層の入射面に傾斜面が形成されていることにより、励起光が照射される位置における励起光の照射面積が拡大されるため、励起光が照射される位置における励起光の光密度が低下する。したがって、このような蛍光体層を有する光源装置では、光照射による加熱や光飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる。なお、本発明における「傾斜面」とは、製造時に意図せず形成されてしまう表面プロファイルによる傾斜を除くものである。

本発明においては、前記蛍光体層の表面には、前記蛍光体層の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁によって前記傾斜面が形成されていることが望ましい。

この構成によれば、蛍光体層の表面に凹部を形成することにより、蛍光体層の表面に傾斜面を形成し、励起光の光密度を低減することができる。

また、励起光が照射された蛍光体層から発せられる蛍光は、指向性がなく等方的に射出される。そのため、仮に凹部ではなく蛍光体層に凸部を形成することにより、上記のような光密度低減を図ることとすると、凸部の斜面から等方的に蛍光が発せられ、周囲に広がってしまう。対して、発光箇所が凹部となっており、互いに対向する傾斜面を有していると、一方の傾斜面から射出される蛍光は、向かい合う傾斜面で反射して外部に射出されるため、蛍光の広がりを抑制し、励起光の光源を直接用いるよりも、さらに小さな面積から強い光を射出させることが可能となる。

したがって、発光効率の低下を抑制し、小さな面積から強い光を射出させることが可能な光源装置とすることができる。

また、本発明においては、前記蛍光体層は基板上に形成されており、前記基板の前記蛍光体層が形成された面には、前記基板の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁に沿って前記蛍光体層が形成されることによって、前記蛍光体層の表面に前記傾斜面が形成されていることとしてもよい。

この構成によれば、基板の表面形状を反映して蛍光体層そのものが屈曲し、傾斜面を形成することで、励起光の光密度を低減することができる。また、傾斜面が基板の凹部に沿って形成されるため、互いに対向する傾斜面を有することとなり、蛍光の広がりを抑制し、励起光の光源を直接用いるよりも、さらに小さな面積から強い光を射出させることが可能となる。したがって、発光効率の低下を抑制し、小さな面積から強い光を射出させることが可能な光源装置とすることができる。

本発明においては、前記蛍光体層の表面には、複数の前記凹部が形成されていることが望ましい。
この構成によれば、励起光の照射面積をより拡大することができ、励起光が照射される位置における励起光の光密度を一層低下させることができる。また、蛍光体層の表面に複数の凹部を形成すると、隣合う凹部間が「畝」状に連なり凸条部を形成することとなる。凸条部は、単なる凸部（例えば錘状）と異なり、先端に熱が籠もりにくく、加熱による変換効率の低下を生じにくい。そのため、発光効率の低下を抑制した光源装置とすることができる。

本発明においては、前記複数の凹部は、前記蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の平均粒径よりも大きい間隔で２次元方向に周期的に形成されていることが望ましい。
この構成によれば、蛍光体層において隣り合う凹部間の凸条部内にも蛍光体粒子が分散する。そのため、凹部の傾斜面で屈折し光密度が低下した励起光が、低下した光密度のまま蛍光体粒子に照射される。したがって、良好に光飽和現象による発光効率の低下を抑制することができる光源装置とすることが可能となる。

本発明においては、前記複数の凹部は、前記蛍光体層の前記入射面側から見て、互いに隙間無く配置されていることが望ましい。
この構成によれば、励起光が必ず傾斜面に照射されることとなり、確実に発光効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明においては、前記傾斜面の仰角と、前記集光手段の集光角と、の和が９０度未満であることが望ましい。
この構成によれば、凹部間の凸条部で励起光が遮られにくくなり、凹部の底にまで励起光が届きやすくなるため、凸条部の先端に励起光が集中することなく、凹部全体で発光をさせることができる。そのため、効果的に発光効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明においては、前記蛍光体層は、回転基板上に、前記回転基板の回転方向に沿って形成されていることが望ましい。
この構成によれば、励起光の照射点が一点に固定されないため、励起光の照射により蛍光体層において発生する熱を周方向に沿った広い領域において放散させることができ、加熱による発光効率の低下を抑制することができる。

本発明においては、前記凹部は、平面視形状が、照射される前記励起光のスポット形状と相似形であり、平面視面積が前記スポットの面積と同等以上であることが望ましい。
この構成によれば、励起光のスポット位置と凹部とが相対的に固定されていると、励起光を無駄なく凹部内に照射することができるため、励起光の光密度を低下させ、発光効率の低下を抑制することが可能な光源装置とすることができる。例えば、励起光のスポット形状が円形である場合、逆円錐状の凹部とするとよい。

また、発明者の検討により、凹部の傾斜面は、曲面よりも平面である方が効果的であることがわかった。そのため、本発明においては、前記傾斜面は、一定の傾きを有していることが望ましい。

本発明においては、前記光源は、複数のレーザー光源が配列したレーザー光源アレイであることが望ましい。
この構成によれば、励起光の光量を大きくすることで、大きな光量の蛍光を取り出すことが可能となる。

また、本発明のプロジェクターは、上述の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上述の光源装置を有するため、光飽和現象の発生が抑制されることにより光量が安定し、明るさムラが抑制されて高品質な画像表示が可能なプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す模式図である。 光源装置に含まれる光源部の正面図である。 光源装置に含まれる光源部の側面図である。 光源装置および蛍光体層の発光特性を示すグラフである。 偏光変換素子の説明図である。 第１実施形態の発光素子を示す説明図である。 励起光の光密度に対する蛍光体の発光効率を示したグラフである。 比較例の発光素子の構造を示す模式図である。 第１実施形態の発光素子の構造を示す模式図である。 蛍光体粒子の大きさと凹部のピッチとの関係を示す説明図である。 斜面の角度に対する励起光密度や蛍光発光効率の関係を示すグラフである。 励起光の入射角度に応じた斜面の発熱状態を説明する説明図である。 第２実施形態に係る光源装置に用いられる発光素子の概略斜視図である。 第３実施形態に係る光源装置に用いられる発光素子の概略断面図である。

［第１実施形態］
以下、図１〜図１２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る光源装置およびプロジェクターについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の光源装置１００ＡおよびプロジェクターＰＪを示す模式図である。図に示すようにプロジェクターＰＪは、第１の光源装置１００Ａ、第２の光源装置１００Ｂ、ダイクロイックミラー２００、液晶ライトバルブ（光変調素子）３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂ、色合成素子４００、投写光学系５００を含んでいる。なお、第１の光源装置１００Ａに含まれる構成が、本発明の光源装置に該当する。

プロジェクターＰＪは、概略すると以下のように動作する。第１の光源装置１００Ａから射出された光は、ダイクロイックミラー２００により赤色光Ｒおよび緑色光Ｇに分離される。また、第２の光源装置１００Ｂからは、青色光Ｂが射出される。これら赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂは、それぞれ対応する液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂにより変調された各色光は、色合成素子４００に入射して合成される。色合成素子４００により合成された光は、投写光学系５００により壁やスクリーン等の被投射面６００に拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。以下、プロジェクターＰＪの各構成要素について説明する。

光源装置１００Ａは、光源部１０Ａ、コリメート光学系２０Ａ、ダイクロイックミラー３０、ピックアップ光学系（集光手段）４０、発光素子５０Ａ、集光光学系６０、偏光変換素子７０、ロッドインテグレーター８０、平行化レンズ９０が、光路上にこの順に配置された構成になっている。光源装置１００Ａでは、光源部１０Ａから射出される励起光を発光素子５０Ａに照射することにより、発光素子５０が備える蛍光体層５２から、液晶ライトバルブの照明光として用いる蛍光を射出させる構成となっている。なお、後述するように、蛍光体層５２の表面（入射面）には傾斜面が形成されている、

図２は、光源部１０Ａの正面図である。図に示すように、光源部１０Ａは、基台１１上にレーザー光源１２が５個×５個の正方形状に２次元配列（合計２５個）で並べられているレーザー光源アレイである。図３に示すように、光源部１０Ａから出射され励起光は、コリメート光学系２０Ａに含まれるコリメーターレンズアレイ２１で平行化され、集光レンズ２３で集光された後に平行化レンズ２５を透過することにより、励起光全体として光線束が細められる。

光源部１０Ａは、後述する発光素子５０Ａが備える蛍光物質を励起させる励起光として、青色（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ、図４（ａ）参照）のレーザー光を射出する。図４（ａ）において、符号ＬＢで示すのは、光源部１０Ａが励起光として射出する色光成分である。なお、光源部１０Ａは、図２，３に示すようなレーザー光源アレイではなく、１つだけレーザー光源を用いることとしても良い。また、後述する蛍光物質を励起させることができる波長の光であれば、４４５ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を射出する光源であっても構わない。図１では、光源部１０Ａから射出される励起光を、符号ＬＢで示している。

コリメート光学系２０Ａを透過した励起光は、ダイクロイックミラー３０で反射される。ダイクロイックミラー３０は、ガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー３０は、励起光の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる波長選択性を有している。具体的には、ダイクロイックミラー３０は青色光を反射させ、青色光よりも長波長の光（例えば、４８０ｎｍよりも長波長の光）を透過させる。そして、励起光はピックアップ光学系４０に入射する。

ピックアップ光学系４０は、凸レンズである第１レンズ４１と、第１レンズ４１を介した励起光が入射する片凸レンズである第２レンズ４２と、を備えている。ピックアップ光学系４０は、ダイクロイックミラー３０で反射される励起光ＬＢの光線軸上に配置され、励起光ＬＢを発光素子５０Ａに集光する。

ピックアップ光学系４０の集光角度は、例えば最大２５度である。また、発光素子５０Ａ上において、光源部１０Ａに含まれるレーザー光源１２の個々のスポットは、集光位置が完全には重畳しないように設定されており、例えば、各レーザー光源１２のスポットが全体で１ｍｍ角の略正方形状を描くように構成されている。以下の説明において、励起光の「スポット」または「ビームスポット」とは、光源部１０Ａに含まれるレーザー光源１２のスポット全体（上述の例では、略正方形状のスポット全体）を示す。

また、ピックアップ光学系４０は、発光素子５０Ａにて等方的に発せられる蛍光を集光し（ピックアップ）、平行化する機能も有している。

発光素子５０Ａは、板状の基体５１と、基体５１の励起光入射側の面に形成された蛍光体層５２と、を有している。蛍光体層５２は、蛍光を発する蛍光体粒子を有しており、励起光（青色光）を吸収し黄色（発光強度のピーク：約５５０ｎｍ、図４（ｂ）参照）の蛍光に変換する機能を有する。図４（ｂ）において符号Ｒで示した成分は、蛍光体層５２が射出する黄色光のうち赤色光として利用可能な色光成分であり、符号Ｇで示した成分は、同様に緑色光として利用可能な色光成分である。図１では、赤色光を符号Ｒ、緑色光を符号Ｇで示し、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを含む蛍光を符号ＲＧで示している。発光素子５０の構成については、後に詳述する。

発光素子５０Ａから射出される蛍光ＲＧは、ピックアップ光学系４０で平行化された後、ダイクロイックミラー３０を透過して、集光光学系６０に入射する。集光光学系６０は、蛍光を集光し偏光変換素子７０に入射させる。

偏光変換素子７０は、入射する蛍光をｐ偏光とｓ偏光とに分離し、ｐ偏光およびｓ偏光のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光の偏光方向と揃えて出射する機能を有している。

図５は、偏光変換素子７０の説明図である。図に示す様に、偏光変換素子７０は、蛍光ＲＧのうち例えばｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッター膜（以下、ＰＢＳ膜）７１と、反射膜７２と、ｓ偏光をｐ偏光に変換するλ／２位相差膜７３と、を有している。

偏光変換素子７０に入射した蛍光ＲＧは、まず、蛍光ＲＧの光軸に対して約４５度の傾きをなして設けられたＰＢＳ膜７１によってｓ偏光とｐ偏光とに分離される。ＰＢＳ膜７１は、ｐ偏光（図中、符号Ｐ２で示す）を透過させると共に、ｓ偏光をＰＢＳ膜７１の表面に対して約４５度の方向に反射させる。

反射されたｓ偏光の向かう先には、当該ｓ偏光の光軸に対して約４５度の傾きをなして設けられた反射膜７２が設けられており、ｓ偏光は、ＰＢＳ膜７１で分離されたｐ偏光の進行方向と同方向に向きを変え、λ／２位相差膜７３を透過することにより、ｐ偏光（図中、符号Ｐ１で示す）に揃えた略平行光として射出される。もちろん、ＰＢＳ膜７１の構成により、上述したｓ偏光とｐ偏光との関係がすべて入れ替わり、蛍光ＲＧをｓ偏光に揃えて射出する構成も可能である。

偏光変換素子７０で偏光方向が揃えられた蛍光ＲＧは、ロッドインテグレーター８０の一端側に入射する。ロッドインテグレーター８０は、光路方向に延在する角柱状の光学部材であり、内部を透過する光に多重反射を生じさせることにより、偏光変換素子７０から射出された光を混合し、輝度分布を均一化するものである。ロッドインテグレーター８０の光路方向に直交する断面形状は、液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。

ロッドインテグレーター８０の他端側から射出された蛍光ＲＧは、平行化レンズ９０により平行化され、光源装置１００Ａから射出される。

一方、第２の光源装置１００Ｂは、青色光Ｂを射出するＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源である光源部１０Ｂ、青色光Ｂが入射する第１レンズ２７と第１レンズ２７を透過したレーザー光を平行化する第２レンズ２９とを有し光源部１０Ｂから射出された青色光Ｂを平行化するコリメート光学系２０Ｂ、および光源装置１００Ａと同様の集光光学系６０、偏光変換素子７０、ロッドインテグレーター８０、平行化レンズ９０が、光路上にこの順に配置された構成になっている。すなわち、光源装置１００Ｂは、液晶ライトバルブの照明光として用いる青色光を射出する構成となっている。

光源装置１００Ａから射出された蛍光ＲＧは、ダイクロイックミラー２００に入射する。ダイクロイックミラー２００は、上述のダイクロイックミラー３０と同様に、ガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー２００は、緑色光Ｇを反射させ、赤色光Ｒを透過させる波長選択性を有している。

蛍光ＲＧに含まれる赤色光Ｒは、ダイクロイックミラー２００を透過し、ミラー２１０にて反射して、液晶ライトバルブ３００Ｒに入射する。また、蛍光ＲＧに含まれる緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２００で反射し、ミラー２２０にて反射して、液晶ライトバルブ３００Ｇに入射する。

さらに光源装置１００Ｂから射出された青色光Ｂは、ミラー２３０にて反射し、液晶ライトバルブ３００Ｂに入射する。

液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂは、通常知られたものを用いることができ、例えば、液晶素子３１０と液晶素子３１０を挟持する偏光素子３２０、３３０とを有した、透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成される。偏光素子３２０，３３０は、例えば透過軸が互いに直交する構成（クロスニコル配置）となっている。

液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するＰＣ等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素ごとに空間変調して画像を形成する。液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ３００Ｒ、液晶ライトバルブ３００Ｇ、液晶ライトバルブ３００Ｂにより変調された光（形成された画像）は、色合成素子４００に入射する。

色合成素子４００は、ダイクロイックプリズム等により構成される。ダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズムの内面に、赤色光Ｒが反射し緑色光Ｇが透過するミラー面と、青色光Ｂが反射し緑色光Ｇが透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズムに入射した緑色光Ｇは、ミラー面を通ってそのまま射出される。ダイクロイックプリズムに入射した赤色光Ｒ、青色光Ｂは、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光Ｇの射出方向と同じ方向に射出される。このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系５００によって被投射面６００に拡大投写される。
本実施形態のプロジェクターＰＪでは、以上のようにして画像表示を行う。

次に、図６〜図１２を参照しながら、本実施形態の光源装置１００Ａが有する発光素子５０Ａについて、詳細に説明する。

図６は、発光素子５０Ａを示す説明図であり、図６（ａ）は概略斜視図、図６（ｂ）は概略断面図である。

図に示すように、発光素子５０Ａは、板状の基体５１の一面に蛍光体層５２が形成されており、蛍光体層５２に表面には、複数の凹部５３が２次元方向に周期的に形成されている。各凹部５３は、平面視形状が矩形であり、蛍光体層５２の深さ方向に開口面積が漸次減少する逆四角錐形状となっており、蛍光体層５２の励起光ＬＢの入射面側から見て、互いに隙間無く配置されている。

また、凹部５３の内壁（傾斜面）５３ａが、凹部５３に入射する励起光ＬＢの光線束の中心軸ＬＢｓに対して傾斜した傾斜面となっている。また、凹部５３同士が隣り合って形成されていることで、凹部５３の間は凸条部５３ｂとなっている。

基体５１は、励起光である青色光を反射する表面を有しており、形成材料としては例えば、アルミニウム基板やシリコン基板のような金属（半金属を含む）基板などの光反射性を有する形成材料の板材や、石英ガラス、水晶、サファイア（単結晶コランダム）、透明樹脂などの光透過性を有する形成材料の板材の表面に反射膜を形成したものを用いることができる。本実施形態の基体５１は、アルミニウム基板を用いて形成されているものとする。

蛍光体層５２は、複数の蛍光体粒子５５と、蛍光体粒子５５を包埋する基材５６とを有している。

蛍光体粒子５５は、図１に示す光源部１０Ａから射出される励起光ＬＢを吸収し蛍光ＲＧを発する粒子状の蛍光物質である。例えば、蛍光体粒子５５には、波長が約４４５ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、光源部１０Ａが射出する励起光の一部を、赤色の波長帯域から緑色の波長帯域までを含む光に変換して射出する。このような蛍光体粒子５５として、平均粒径が１μｍから数十μｍ程度のものが高い発光効率を示すことが知られている。

蛍光体粒子５５としては、通常知られたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。例えば、平均粒径が１０μｍの（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体（屈折率：約１．８）を用いることができる。

なお、蛍光体粒子５５の形成材料は、１種であっても良く、２種以上の形成材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子５５として用いることとしても良い。

ここで、蛍光体粒子５５の平均粒径は、レーザー回折散乱方式を測定原理とした粒度分布測定装置（例えば、ＳＡＬＤ２２００（島津製作所社製））を用いて測定することができる。本実施形態では、平均粒径としてメジアン粒径（Median Size：粒径分布の中央値）を採用した。

基材５６の形成材料としては、光透過性を有する樹脂材料を用いることができる。成型のし易さから硬化性樹脂を好適に用いることができ、中でも高い耐熱性を有するシリコーン樹脂（屈折率：１．４２）を好適に用いることができる。

本実施形態の発光素子５０Ａでは、逆四角錐アレイは、ピッチが１００μｍ、高さが１００μｍとなっており、斜面の角度は６３度程度である。このような発光素子５０Ａは、例えば基体５１であるアルミニウム基板に、蛍光体粒子を分散させた透明樹脂の前駆体を塗布し、逆四角錐アレイのパターンが刻まれた型を押し当てて型を転写した状態で、前駆体を硬化させることにより蛍光体層５２とすることで作成することができる。

このような表面形状を有する蛍光体層５２に、図１に示すピックアップ光学系４０により集光された励起光ＬＢが照射されると、蛍光体層５２内に含まれる蛍光体粒子が蛍光ＲＧを発する。

ここで、蛍光体層５２に対して励起光ＬＢを照射すると、蛍光ＲＧを得られるのであるが、蛍光体層５２に対する励起光ＬＢの照射量は、多いほどよいというものではない。図７は、照射する励起光の光密度に対する、蛍光体層５２の蛍光体（蛍光体粒子）の発光効率を示したグラフである。図では、横軸に照射する励起光の光密度を示し、縦軸に蛍光体の発光効率（蛍光体に照射する励起光の光量に対する、蛍光体が発する蛍光の光量の比）を示している。また、縦軸および横軸の値は、いずれも相対値となっている。

図において、横軸である光密度が「０」とは、励起光を照射していない状態である。すなわち、図７では、蛍光体は、光密度が原点に近づくに従い励起光の光密度が低下し、それに伴って発光効率が限りなく１００％に近づくという関係にあることを示している。換言すれば、蛍光体層５２に用いられる蛍光体は、照射される励起光の光密度が増加すると発光効率が低下するという特性を持っている。これは、励起光が集中することにより、蛍光体の温度が上昇すること、および蛍光体に対する励起光量が多すぎるため光飽和現象を生じること、による。

ここで、図８に示すように、プロジェクターＰＪが有する発光素子が、表面に凹凸が形成されていない蛍光体層５４を備えた発光素子５０ｘであると（図８（ａ））、図８（ｂ）に示すように、励起光ＬＢは、蛍光体層５４の基材５６入射するときに屈折を生じない、またはわずかな角度曲がる程度の屈折しか生じないため、光密度に大きな変化が生じることがない。そのため、光密度を維持した励起光ＬＢにより、蛍光体粒子５５が励起され発光を生じることとなる。

対して、図９に示すように、本実施形態の発光素子５０Ａのように、蛍光体層５２の表面に逆四角錐状の複数の凹部５３が形成され、互いに対向する斜面５３ａを有する構造であると（図９（ａ））、図９（ｂ）に示すように、照射される励起光ＬＢは、蛍光体層５２に入射するときに斜面５３ａで屈折するため、蛍光体層５２への入射前と比べて光密度が低減する。そのため、光密度が低減した励起光ＬＢにより、蛍光体粒子５５が励起されることから、蛍光体粒子の温度上昇や光飽和現象を抑制することが可能となる。

なお、発明者の検討により、斜面５３ａが曲面であるよりも、一定の傾きを有する平面である方が、発光効率の低下抑制に効果が高いことがわかった。

ここで、凹部５３を形成することにより、発光素子５０Ａでは蛍光体層５２の表面積が広がったとみることもできる。蛍光体層５２の表面積を広げることを目的とした場合、複数の凸部を設けることとしても同様の効果を示すようにも思えるが、凹部５３を形成することとすることで、以下のような効果が生じる。

まず、発光素子が、本実施形態の発光素子５０Ａの凹部５３と凹凸が逆転した四角錐状の複数の凸部を有していることとした場合、励起光が照射されると、各凸部の斜面で励起光が屈折して凸部内に入射する。このとき、凸部においては、平面視で全周から励起光が入射するため、凸部内の蛍光体粒子に励起光の照射が集中してしまい、光飽和現象を生じやすい。

一方、本実施形態の発光素子５０Ａのように、蛍光体層の表面に複数の凹部を形成した結果、隣合う凹部間が「畝」状に連なり凸条部を形成することとすると、凸条部（凹部の斜面）で励起光が屈折し凸条部内に入射する。しかし、凸条部においては、平面視で凸条部の延在方向に交差する方向からのみ励起光が入射するため、凸条部内の蛍光体粒子には励起光が集中しにくく、光飽和現象を生じにくい。そのため、蛍光体層５２の表面には凹部を形成するほうが好ましい。

また、励起光ＬＢが照射された蛍光体層５２から発せられる蛍光ＲＧは、指向性がなく等方的に射出される。そのため、仮に凹部ではなく蛍光体層５２に凸部を形成することとすると、凸部の斜面から等方的に蛍光が発せられ、周囲に広がってしまう。しかし、凹部５３では、互いに対向する斜面５３ａを有しているため、一方の斜面５３ａから射出される蛍光ＲＧは、対向する斜面５３ａで反射して外部に射出されるため、蛍光ＲＧの広がりを抑制することができる。したがって、励起光ＬＢの光源を直接用いるよりも、さらに小さな面積から強い光を射出させることが可能となる。

このような発光素子５０Ａは、上述した蛍光体の温度上昇や光飽和現象を抑制するために、（i）蛍光体層５２に含まれる蛍光体粒子の大きさと凹部５３のピッチ（間隔）との関係、（ii）蛍光体層５２の斜面５３ａの角度、について制御されて作成される。さらに、図１に示すピックアップ光学系４０との関係において、（iii）蛍光体層５２に入射する励起光の入射角度と蛍光体層５２の斜面５３ａの角度との関係、についても考慮に入れた上で設計される。
以下、これらについて詳しく説明する。

（蛍光体粒子の大きさと凹部のピッチとの関係）
まず、本実施形態の発光素子５０Ａでは、凹部５３のピッチ（Ｌ１：１００μｍ）は、蛍光体粒子５５の平均粒径（１０μｍ）よりも十分大きいものとなっている。両者がこのような関係にあると、図１０（ａ）に示すように、隣り合う凹部５３の間に形成される凸条部５３ｂの内部に入り込む蛍光体粒子５５ｘが生じるため、蛍光体粒子５５に光が均等に分配され、光密度が低減された状態で蛍光体粒子を照射することができる。

対して、図１０（ｂ）に示すように、凹部５３のピッチ（Ｌ２）が、蛍光体粒子５５の平均粒径よりも小さいと、凸条部５３ｂの内部に蛍光体粒子５５ｘが入り込みにくいため、斜面５３ａで屈折した励起光ＬＢが集光して重なり合いながら凸条部５３ｂの下方に包埋されている蛍光体粒子５５ｘに照射されることとなる。このような励起光ＬＢの照射状態では、光密度が低減された状態で蛍光体粒子５５を照射しにくく、自己発熱による過熱や光飽和現象を生じやすい。

なお、蛍光体粒子の「平均粒径」と凹部５３のピッチとの比較であるため、蛍光体粒子全体のなかには、凸条部５３ｂ内に入り込むものも含まれると考えられる。しかし、蛍光体層５２からの発光量は、励起光が照射される蛍光体粒子の体積に相関しているため、凸条部５３ｂ内にわずかに蛍光体粒子が入り込む程度では、蛍光体粒子の光飽和減少を抑制するほどには至らないと考えられる。

また、微細凹部５３が形成されることにより、微細凹部５３がない場合と比べ、蛍光を発する部分の面積が励起光の集光スポットより拡大する。そのため、ピッチが大きすぎると集光スポット径が拡大し、下流側における光学系での効率の低下を招いてしまう。

本実施形態では、図１に示すピックアップ光学系４０を介した励起光ＬＢの集光スポットの大きさが１ｍｍ角であるのに対して、微細凹部５３のピッチが１００μｍと１／１０程度であるため、スポット径の拡大による効率低下の影響が少ない。この程度だと集光光束とパターンのアライメントも不要である。

また、凹部５３のピッチが大きすぎると、高さ（蛍光体の厚さ）も大きくなり、基体５１への放熱性が悪くなって発光効率が低下するという問題も発生してしまうが、１００μｍ程度のピッチではこのような問題も発生しにくい。

（蛍光体層の斜面の角度）
図１１は、蛍光体層５２表面に形成される凹部５３の斜面５３ａの角度に対する、励起光の光密度（図１１（ａ））や、蛍光の発光効率（図１１（ｂ））の関係を示すグラフである。ここでは、蛍光体層５２の基材５６を形成する樹脂の屈折率を、１．４２であることとして算出している。また、「斜面の角度」は、蛍光体層５２の表面に凹部がない場合を０度とし、蛍光体層５２に形成される斜面５３ａの仰角を採用している。

図に示すように、斜面の角度が４５度よりも大きくなると、光密度が大きく（２０％以上）低減し（図１１（ａ））、その結果、平坦な表面（０度）の蛍光体層に励起光を照射する場合（発光効率７２％）と比べ、４５度では発光効率が７６％となり、発光効率が数％程度改善しているのが分かる（図１１（ｂ））。さらに、本実施形態の発光素子５０Ａのように、斜面の角度が６０度を超えると、発光効率が１割以上改善（６０度で発光効率７９％）するため好ましい。

（励起光の入射角度と蛍光体層の斜面の角度との関係）
図１２は、蛍光体層５２に入射する励起光ＬＢの入射角度を異ならせた場合の、斜面５３ａにおける発熱状態を説明する説明図である。

まず、本実施形態の発光素子５０Ａでは、凹部５３の斜面５３ａの角度（仰角）は６３度であり、図１に示すピックアップ光学系４０の集光角度は、最大２５度である。すなわち、斜面５３ａの角度と励起光ＬＢの最大集光角度との和は８８度であり、９０度を超えないような設定になっている。

図１２（ａ）は、斜面５３ａの角度θと、励起光ＬＢの最大集光角度φ１との和が９０度を超えない場合を示す説明図である。このように、和が９０度を超えない場合、励起光ＬＢは斜面５３ａ全てに照射され、光が集中することがない。そのため、蛍光体粒子の温度上昇や光飽和現象を抑制することが可能となる。

対して、図１２（ｂ）に示すように、角度θと最大集光角度φ２との和が９０度を超える場合、励起光ＬＢは斜面５３ａの上部（図中符号ＡＲ１で示す）に集中してしまう。また、斜面５３ａの下部（図中符号ＡＲ２で示す）は、凸条部５３ｂの影となり、照射される励起光の光量が少なくなる。そのため、上部では蛍光体粒子の温度上昇や光飽和現象が生じやすくなる一方で、下部では励起光量が不足し、有効な発光ができないおそれが生じる。

以上のような本実施形態のプロジェクターＰＪが有する光源装置１００Ａについて性能を概算すると、次のようになる。

液晶ライトバルブ３００Ｒが、対角０．６インチ（１２．２×９．１ｍｍ）の大きさで開口率６０％であることとし、投写光学系５００のＦナンバーがＦ２．０であることとすると、液晶ライトバルブ３００Ｒと投写光学系５００から計算されるエテンデューは１２．５（ｍｍ^２srad)となる。対して光源側は、光源面積（ピックアップ光学系４０で集光された励起光ＬＢの面積）が１ｍｍ^２、ピックアップ光学系４０の取り込み角が片側８０度とした場合、偏光変換素子７０で２倍になることを考慮するとエテンデューは１０．４（ｍｍ^２srad）となり、液晶ライトバルブと投写光学系５００とから計算されるエテンデューより小さく設定することができる。そのため、光源装置１００Ａから下流での光利用効率を損なうことがない。

以上のような構成の光源装置１００Ａによれば、光飽和現象の発生が抑制されることにより光量が安定し、従来に比べて発光効率の高い光源とすることができる。

また、以上のような構成のプロジェクターＰＪによれば、光飽和現象の発生が抑制されることにより光量が安定し、明るさムラが抑制されて高品質な画像表示が可能となる。

なお、本実施形態においては、凹部５３の平面視形状が矩形であることとしたが、蛍光体層５２の表面に隙間無く配置できる形状であればこれに限らず、例えば三角形や六角形などの平面視形状を有する凹部であることとしてもよい。また、平面視形状が全て同じである必要はなく、複数種の形状の凹部を組み合わせることで、蛍光体層５２の表面に凹部を敷き詰めることとしてもかまわない。

［第２実施形態］
図１３は、本発明の第２実施形態に係る光源装置に用いられる発光素子５０Ｂの概略斜視図である。本実施形態の発光素子５０Ｂは、第１実施形態の光源装置が備える発光素子５０Ａと一部共通している。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図に示すように、発光素子５０Ｂは、円板（回転基板）５０１と、円板５０１上において周方向に連続して形成された単一の蛍光体層５０２とを有している。蛍光体層５０２の表面には、第１実施形態と同様に複数の凹部が形成されている。また、円板５０１の中心には、入射光である励起光ＬＢの光線束の中心軸と平行に設定されている回転軸５０３を介してモーター５０４が接続され、回転軸５０３の周り回転可能に設けられている。

また、ピックアップ光学系４０により集光される励起光ＬＢの焦点位置（ビームスポットＢＳ）が蛍光体層５０２と重なるように配置されている。例えば、円板５０１の直径は５０ｍｍであり、平面視で円板５０１の中心から約２２．５ｍｍ離れた位置に蛍光体層５０２が設けられていると共に、該蛍光体層５０２上に励起光ＬＢが入射するように設けられている。

モーター５０４は、発光素子５０Ａを使用時において例えば７４００ｒｐｍで回転させる。この場合、ビームスポットＢＳは、蛍光体層５０２の上を約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター５０４は、発光素子５０Ａ上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光ＬＢが発光素子５０Ａ上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の熱劣化を防止し、また、放熱性が飛躍的に高まるため、装置を長寿命化することができる。

なお、本実施形態でもビームスポットＢＳが１ｍｍ角であるのに対して、蛍光体層５０２の表面に形成された凹部のピッチが１００μｍと１／１０程度であるため、パターンを回転させて動かしてもスポット径の拡大は問題にならない。

このような発光素子５０Ｂを有する光源装置であっても、光飽和現象の発生が抑制されることにより光量が安定し、従来に比べて発光効率の高い光源とすることができる。

［第３実施形態］
図１４は、本発明の第３実施形態に係る光源装置に用いられる発光素子５０Ｃの概略断面図である。本実施形態の発光素子５０Ｃは、第１実施形態の光源装置が備える発光素子５０Ａと一部共通している。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１４（ａ）に示すように、発光素子５０Ｃは、深さ方向に開口面積が漸次減少する逆四角錐形状の凹部５１３が表面に形成された基体５１１と、凹部５１３の表面に設けられた蛍光体層５１２とを有している。凹部５１３は、平面視で１辺１ｍｍの四角形であり、不図示のピックアップ光学系によって集光された励起光ＬＢのスポット形状と相似形となっている。また、凹部５１３の平面視面積は、励起光ＬＢのスポットの面積と同程度となるように設計されている。深さは１ｍｍである。

蛍光体層５１２は、凹部５１３内に上述の蛍光体粒子を包埋する透明性樹脂を塗布することにより形成する。凹部５１３の内壁に沿って蛍光体層５１２が形成されることによって、蛍光体層５１２の表面が屈曲し、傾斜面５１４が形成されている。励起光ＬＢのスポット位置は、この蛍光体層５１２に位置調整されている。

このような発光素子５０Ｃでは、第１実施形態の発光素子５０Ａ、および第２実施形態の発光素子５０Ｂのような微細な形状を形成する必要がないため、低コストで製造できる。また、蛍光体層５１２の厚みが一定で薄くできるため放熱性が良く、温度上昇による効率低下を防ぐことができる。さらに、スポット径の拡大が発生しないため、光利用効率が低下しない。

なお、本実施形態では、凹部の平面視面積が、励起光ＬＢのスポット面積と同程度であることとしたが、凹部の平面視面積の方が励起光ＬＢのスポット面積よりも大きいこととしても、凹部内に励起光ＬＢをもれなく飲み込むことができるため、効果的に励起光ＬＢの光密度を低下させることができる。

また、本実施形態では、凹部の平面視形状を四角形としたが、凹部の平面視形状が円形であることとしてもよい。このような凹部は、例えば、図１４（ｂ）に示すように、逆円錐形状の凹部とすることで実現できる。この場合には、励起光ＬＢのビームスポットが円形であることとしても励起光を有効利用することが可能となるため、例えば、励起光の光源としてレーザーアレイを用いることなく、高出力の単一の光源を用いることとしてもよい。

このような発光素子５０Ｃを有する光源装置であっても、光飽和現象の発生が抑制されることにより光量が安定し、従来に比べて発光効率の高い光源とすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、第１実施形態、第２実施形態においては、平坦な基板の表面に蛍光体層を形成し、蛍光体層に複数の凹部を形成する構成としたが、１つだけ凹部を設けることとしてもよい。また、第３実施形態においては、凹部を１つ有する基板の表面に蛍光体層を形成することにより、蛍光体層を１箇所で屈曲させることとしたが、複数の凹部を有する基板の表面に蛍光体層を形成し、蛍光体層を複数箇所で屈曲させることとしても構わない。

１２…レーザー光源（光源部）、４０…ピックアップ光学系（集光手段）、５１…基板、５２，５０２，５１２…蛍光体層、５３…凹部、５３ａ…内壁（傾斜面）、５５…蛍光体粒子、５６…基材、１００Ａ，１００Ｂ…光源装置、３００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、３００Ｇ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、３００Ｒ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、５００…投写光学系、５０１…円板（回転基板）、５１３…凹部、５１４…傾斜面、ＬＢ…励起光、ＰＪ…プロジェクター、ＲＧ…蛍光、

Claims (15)

1. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、
   前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、
   前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有しており、
   前記蛍光体層の表面には、前記蛍光体層の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁によって前記傾斜面が形成されており、
   前記蛍光体層の表面には、複数の前記凹部が形成されており、
   前記複数の凹部は、前記蛍光体層の前記入射面側から見て、互いに隙間無く配置されており、
   前記複数の凹部は、前記蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の平均粒径よりも大きい間隔で２次元方向に周期的に形成されていることを特徴とする光源装置。
2. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、
   前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、
   前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有しており、
   前記蛍光体層は基板上に形成されており、前記基板の前記蛍光体層が形成された面には、前記基板の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁に沿って前記蛍光体層が形成されることによって、前記蛍光体層の表面に前記傾斜面が形成されており、
   前記蛍光体層の表面には、複数の前記凹部が形成されており、
   前記複数の凹部は、前記蛍光体層の前記入射面側から見て、互いに隙間無く配置されており、
   前記複数の凹部は、前記蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の平均粒径よりも大きい間隔で２次元方向に周期的に形成されていることを特徴とする光源装置。
3. 前記蛍光体層は、回転基板上に、前記回転基板の回転方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、
   前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、
   前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有しており、
   前記蛍光体層の表面には、前記蛍光体層の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁によって前記傾斜面が形成されており、
   前記凹部は、平面視形状が、照射される前記励起光のスポット形状と相似形であり、平面視面積が、前記スポットの面積と同等以上であることを特徴とする光源装置。
5. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、
   前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、
   前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有しており、
   前記蛍光体層は基板上に形成されており、前記基板の前記蛍光体層が形成された面には、前記基板の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁に沿って前記蛍光体層が形成されることによって、前記蛍光体層の表面に前記傾斜面が形成されており、
   前記凹部は、平面視形状が、照射される前記励起光のスポット形状と相似形であり、平面視面積が、前記スポットの面積と同等以上であることを特徴とする光源装置。
6. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体層と、
   前記励起光を前記蛍光体層に集光する集光手段と、を有し、
   前記蛍光体層における前記励起光の入射面は、入射する前記励起光の光線束の中心軸に対して傾斜した傾斜面を有しており、
   前記傾斜面の傾斜は、一定の傾きを有しており、
   前記傾斜面の仰角と、前記集光手段の集光角と、の和が９０度未満であることを特徴とする光源装置。
7. 前記蛍光体層の表面には、前記蛍光体層の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁によって前記傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記蛍光体層は基板上に形成されており、前記基板の前記蛍光体層が形成された面には、前記基板の深さ方向に開口面積が漸次減少する凹部が形成され、前記凹部の内壁に沿って前記蛍光体層が形成されることによって、前記蛍光体層の表面に前記傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
9. 前記蛍光体層の表面には、複数の前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光源装置。
10. 前記複数の凹部は、前記蛍光体層に含まれる蛍光体粒子の平均粒径よりも大きい間隔で２次元方向に周期的に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 前記複数の凹部は、前記蛍光体層の前記入射面側から見て、互いに隙間無く配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
12. 前記蛍光体層は、回転基板上に、前記回転基板の回転方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の光源装置。
13. 前記凹部は、平面視形状が、照射される前記励起光のスポット形状と相似形であり、平面視面積が、前記スポットの面積と同等以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の光源装置。
14. 前記光源は、複数のレーザー光源が配列したレーザー光源アレイであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の光源装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とするプロジェクター。

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