JP6507548B2 - 波長変換素子、光源装置、プロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、プロジェクターに関するものである。

従来、レーザー等の光源から射出された励起光を蛍光体層に照射し、蛍光体層から発せられる光を照明光とする光源装置が知られている。また、プロジェクターにおける高輝度化のニーズに対応するために、この光源装置を備えたプロジェクターが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載の光源装置は、蛍光体セラミクスが樹脂などの接合材によって光反射性基板に接合された構成を有している。蛍光体によって生成された蛍光は、接合材を透過して光反射性基板によって反射され、励起光が入射する面と同じ面から外部に射出される。

特開２０１２−６４４８４号公報

しかしながら、蛍光が光反射性基板で反射する度に、蛍光の一部は熱に変換されることで吸収される。つまり、蛍光の損失が発生する。そのため、蛍光体によって生成された蛍光を効率良く利用できない、という問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、蛍光体によって生成された蛍光を効率良く利用できる波長変換素子、光源装置、プロジェクターを提供することを目的の一つとしている。

本発明の一態様における波長変換素子は、基板と、前記基板の一面側に設けられた反射部と、前記反射部の前記基板とは反対側に設けられ、励起光の照射により蛍光を発する波長変換層と、前記波長変換層の前記反射部とは反対側の面と前記反射部との間に設けられ、前記蛍光のうち臨界角以上の角度で入射した光を全反射させる反射面と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様における波長変換素子によれば、波長変換層で生成された蛍光のうち、臨界角以上の入射角度で反射面に入射した光は反射面において全反射される。そのため、本発明に係る反射面を備えない場合と比較して、反射部に入射する蛍光の量が少ない。つまり、反射層による光の損失が少ない。そのため、波長変換層によって生成された蛍光の利用効率が高い。

また、本発明の一態様における波長変換素子は、前記波長変換層と前記反射部との間に、前記波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有する中間層をさらに備え、前記波長変換層と前記中間層との間の界面が前記反射面である構成としてもよい。

本発明によれば、波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有する中間層を設けることによって、波長変換層と中間層との界面を反射面とすることができる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記中間層は、前記蛍光の波長以上の厚みを有してもよい。

この構成によれば、蛍光の多くの成分が反射面で反射するため、反射部に入射する蛍光が少ない。これにより、反射部によって吸収される光が少ないため、波長変換層によって生成された蛍光の利用効率が高い。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記中間層の厚みが１μｍ以上でもよい。

この構成によれば、蛍光の多くの成分が反射面で反射するため、反射部に入射する蛍光が少ない。これにより、反射部によって吸収される光が少ないため、波長変換層によって生成された蛍光の利用効率が高い。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記中間層が接着材で構成されていてもよい。

本発明によれば、波長変換層と反射層とを接着させる接着層を中間層として利用することができる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記中間層の熱伝導率が前記波長変換層の熱伝導性よりも高くてもよい。

本発明によれば、中間層の放熱性が高められ、波長変換層の温度上昇を抑えることができる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記反射面が凹凸を有してもよい。

この構成によれば、反射面において反射する光に散乱性を付与することができる。これにより、反射面によって反射され、波長変換素子の光射出面と外部空間（空気）との界面に入射した光のうち、当該界面によって全反射せずに外部空間へ射出できる光の割合を大きくすることができる。

また、本発明の一態様において、前記反射面は、ボイドと該ボイドの周囲の材料との界面である構成としてもよい。

本発明によれば、製造過程で混入あるいは生成したボイドを有効利用することができる。

また、本発明の一態様において、前記波長変換層は、複数の結晶欠陥あるいは複数の結晶粒界を含み、前記反射面が前記結晶欠陥あるいは前記結晶粒界によって構成される構成としてもよい。

本発明によれば、製造過程で生成した結晶欠陥や結晶粒界を反射面として有効利用できる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記反射部は、励起光を透過するとともに蛍光を反射するダイクロイックミラーであってもよい。

この構成によれば、透過型の波長変換素子を提供することができる。例えば、ダイクロイックミラー及び波長変換層が設けられた基板の一面側とは反対側の他面側から励起光を照射する構成とした場合、励起光はダイクロイックミラーを透過して波長変換層へ入射する。励起光の照射によって発光した蛍光のうち、ダイクロイックミラー側へ進行し、反射面を透過した光は、ダイクロイックミラーにおいて反射されることになる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記波長変換層は、屈折率が互いに異なる複数の材料を含んでいてもよい。

本発明によれば、屈折率の異なる複数の材料によって波長変換層が構成されている場合にも、これら各材料の屈折率よりも低い屈折率を有する中間層を設けることによって、波長変換層からの発光のうち、を効率良く全反射させることができる。

また、本発明の一態様における波長変換素子において、前記波長変換素子は、前記基板の前記一面と交差する回転軸を中心として回転可能であってもよい。

本発明によれば、波長変換層に対して励起光が照射される領域を時間的に移動させることができるので、局所的に温度が上昇するのを避けることができる。これにより、波長変換層の劣化を防ぐことが可能である。

本発明の一態様における光源装置は、励起光を射出する発光素子と、上記の波長変換素子と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、蛍光の利用効率に優れた波長変換素子を備えているため、高輝度発光が可能な光源装置を提供することができる。

本発明の一態様における光源装置において、前記基板の前記一面の法線と平行な方向から見たとき、前記波長変換層に前記励起光が照射される領域と重なる領域に前記反射面が設けられている構成としてもよい。

本発明によれば、励起光によって励起されて波長変換層で生成された蛍光を全反射面において効率よく全反射させることが可能である。

本発明の一態様におけるプロジェクターは、上記の光源装置と、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、前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、より高品質な投射画像を投射することができる。

第１実施形態におけるプロジェクターの光学系を示す平面図。 第１実施形態における回転蛍光板を説明するために示す図であって、（ａ）は回転蛍光板の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ１断面図。 第１実施形態における回転蛍光板の概略構成を示す平面図及び断面図。 （ａ）は蛍光体層において蛍光が発光される様子を示す図、（ｂ）は、接着層又は反射層において蛍光が反射される様子を示す図。 第２実施形態におけるプロジェクターの光学系を示す上面図。 第２実施形態における回転蛍光板を説明するために示す図であって、（ａ）は回転蛍光板の正面図、（ｂ）は図（ａ）のＢ２−Ｂ２断面図。 （ａ）は蛍光体層において蛍光が発光される様子を示す図、（ｂ）は、接着層又は反射層において蛍光が反射される様子を示す図。 第２実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図。 第３実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図。 第４実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図。 第５実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図。

以下、本発明の照明装置及びプロジェクターについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態のプロジェクター］
先ず、第１実施形態におけるプロジェクターの構成について述べる。
図１は、第１実施形態におけるプロジェクター１０００の光学系を示す上面図である。
図２は、第１実施形態における回転蛍光板３０を説明するために示す図である。図２（ａ）は回転蛍光板３０の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ１−Ａ１断面図である。図３は、第１実施形態における回転蛍光板３０を示す図である。図４（ａ）は蛍光体層内において蛍光が生成される様子を示す図であり、図４（ｂ）は、接着層１１又は反射層（反射部）４５において蛍光が反射される様子を示す図である。

まず、第１実施形態に係るプロジェクター１０００の構成を説明する。
プロジェクター１０００は、図１に示すように、第１照明装置１００、色分離導光光学系２００、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００、投射光学系６００及び第２照明装置７０２を備える。第１照明装置１００は、本発明の光源装置に対応する。

第１照明装置１００は、第１固体光源装置１０、コリメート集光光学系２０、回転蛍光板３０、モーター５０、コリメート集光光学系６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を備える。第１固体光源装置１０は、本発明の発光素子に対応する。回転蛍光板３０は、本発明の波長変換素子に対応する。

第１固体光源装置１０は、光軸が照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。第１固体光源装置１０は、励起光Ｌｅとしてレーザー光からなる青色光を射出するレーザー光源からなる。ここでは、発光強度のピークが約４４５ｎｍの青色光を励起光Ｌｅとして射出する。

なお、第１固体光源装置１０は、１つのレーザー光源からなるものであってもよいし、多数のレーザー光源からなるものであってもよい。また、４４５ｎｍ以外の波長（例えば、４６０ｎｍ）の青色光を射出する光源装置を用いることもできる。

コリメート集光光学系２０は、第１レンズ２２と第２レンズ２４とを備え、第１固体光源装置１０からの光を略平行化する。第１レンズ２２及び第２レンズ２４は、凸レンズからなる。

ダイクロイックミラー８０は、コリメート集光光学系２０からコリメート集光光学系６０までの光路中に、第１固体光源装置１０の光軸及び照明光軸１００ａｘのそれぞれに対して４５°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、青色光を反射し、赤色光及び緑色光を通過させる。

コリメート集光光学系６０は、ダイクロイックミラー８０からの励起光Ｌｅを略集光した状態で蛍光体層４２に入射させる機能と、回転蛍光板から射出される蛍光を略平行化する機能とを有する。コリメート集光光学系６０は、第１レンズ６２及び第２レンズ６４を備える。第１レンズ６２及び第２レンズ６４は、凸レンズからなる。

回転蛍光板３０は、青色光（励起光）が入射する側と同じ側に向けて赤色光及び緑色光を含む黄色光（蛍光）を射出する。回転蛍光板３０は、図１及び図２に示すように、モーター５０により回転可能な円板（基板）４０を有している。円板４０は、青色光を透過する材料からなる。円板４０の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

なお、本実施形態においては、金属のように不透明な材料からなる円板を用いてもよい。

円板４０の一面４０ａ上に、反射層４５、本発明の中間層に対応する接着層１１及び本発明の波長変換層に対応する蛍光体層４２がこの順に積層されている。

反射層４５は、可視光を反射するもので、円板４０の一面４０ａの略全体を覆うようにして形成されている。反射層４５は、例えば、銀（Ａｇ）や、アルミニウム（Ａｌ）等の反射率の高い金属で形成される。

蛍光体層４２は、接着層１１を介して反射層４５の表面４５ａに接着されており、円板４０の周方向に沿って設けられている。蛍光体層４２は、円板４０の法線方向から見た平面形状が円板４０と同心の円環状である。すなわち、蛍光体層４２は、円板４０の回転軸４１の周りに帯状に設けられている。

本実施形態において蛍光体層４２は、波長が約４４５ｎｍの青色光によって励起される。蛍光体層４２は、第１固体光源装置１０からの励起光Ｌｅ、つまり青色光Ｂを赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを含む黄色光Ｙに変換する。

蛍光体層４２は、屈折率が互いに異なる材料を含んでおり、図示は省略するが、例えば、母材と、複数の蛍光体粒子と、を含んでいる。蛍光体層４２の母材としては、例えば、アルミナやガラスが挙げられる。蛍光体粒子としては、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを用いることができる。

蛍光体層４２として、母材としてのアルミナとＹＡＧ系蛍光体粒子とを混合した焼結体等を用いることもできるし、母材としてのガラスや樹脂にＹＡＧ系蛍光体粒子を内包したもの等を用いることができる。ここで、アルミナの屈折率は１．７６であり、ガラスの屈折率は１．５である。また、ＹＡＧ系蛍光体粒子の屈折率は１．８３である。

なお、蛍光体層４２として、蛍光体粒子のみからなる焼結体等も用いることができる。

接着層１１は、反射層４５と蛍光体層４２との間に配置され、蛍光体層４２の全体を反射層４５に接着させるためのものである。接着層１１は、蛍光体層４２（蛍光体粒子及び母材）よりも小さい屈折率を有する材料から構成されている。接着層１１の材料としては、屈折率が１．４１のシリコーン樹脂が挙げられる。

接着層１１は、蛍光の波長以上の厚みを持つことが好ましいく、例えば、７５０ｎｍ以上の厚みが好ましい。本実施形態では１μｍ以上の膜厚を有する。

本実施形態における回転蛍光板３０は、第１固体光源装置１０からの励起光Ｌｅが円板４０とは反対側から蛍光体層４２に入射するように構成されている。蛍光体層４２が設けられている領域は、励起光Ｌｅが入射する領域を含む。以下、励起光Ｌｅが入射する領域を、励起光入射領域Ｓ（図３）と称する。

図３に示すように本実施形態では、モーター５０の回転軸４１を中心として回転蛍光板３０を回転させることによって、励起光入射領域Ｓを回転蛍光板３０上で移動させている。これにより、励起光Ｌｅによる熱が一箇所に集中することを防止できる。

コリメート集光光学系６０は、図１に示すように、第１レンズ６２と第２レンズ６４とを備え、回転蛍光板３０からの光を略平行化する。第１レンズ６２及び第２レンズ６４は、凸レンズからなる。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート集光光学系６０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ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小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２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小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第２小レンズ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により分割された各部分光束を、直線偏光に変換する。
偏光変換素子１４０は、回転蛍光板３０からの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４５と、反射層４５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板とを有している。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、回転蛍光板３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

第２照明装置７０２は、第２固体光源装置７１０、集光光学系７６０、散乱板７３２及びコリメート光学系７７０を備える。

第２固体光源装置７１０は、照明光軸１００ａｘを挟んで第１固体光源装置１０と対向配置されるとともに、光軸７００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。第２固体光源装置７１０は、色光として、発光強度のピークが約４４５ｎｍのレーザー光からなる青色光Ｂを射出する、レーザー光源である。

集光光学系７６０は、第１レンズ７６２及び第２レンズ７６４を備える。集光光学系７６０は、第２固体光源装置７１０からの青色光Ｂを散乱板７３２付近に集光する。第１レンズ７６２及び第２レンズ７６４は、凸レンズからなる。

散乱板７３２は、第２固体光源装置７１０からの青色光を散乱し、回転蛍光板３０から射出される蛍光に似た配光分布を有する青色光とする。散乱板７３２としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。

コリメート光学系７７０は、第１レンズ７７２と第２レンズ７７４とを備え、散乱板７３２からの光を略平行化する。第１レンズ７７２及び第２レンズ７７４は、凸レンズからなる。

本実施形態に係るプロジェクター１０００は、第２照明装置７０２からの青色光Ｂを回転蛍光板３０からの黄色光Ｙと合成して白色光Ｗにするダイクロイックミラー８０を備える。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれが対応する液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、本発明の光変調装置に対応する。

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

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分及び青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。
反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。
反射ミラー２４０，２５０は青色光成分を反射する反射ミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、各集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。

クロスダイクロイックプリズム５００は、各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。この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平面視略正方形状をなし、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。

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、投射光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

本実施形態における第１照明装置１００は、反射型の回転蛍光板３０を備えている。回転蛍光板３０は、円板４０の一面４０ａに設けられた反射層４５上に、本発明の中間層としての接着層１１を介して蛍光体層４２が積層されてなる。以下、蛍光体層４２と接着層１１との界面を全反射面１１Ａと称する。全反射面１１Ａは本発明の反射面に対応する。図４（ａ）に示すように、蛍光体層４２の内部で生成された蛍光Ｌｆは、蛍光体層４２の内部において全方位に射出される。上述したように、接着層１１の屈折率は、蛍光体層４２の屈折率よりも低い材料から構成されている。

そのため、図４（ｂ）に示すように、蛍光体層４２の内部で生成された蛍光Ｌｆのうち蛍光Ｌｆ（１）は、臨界角以上の角度で蛍光体層４２と接着層１１との界面へ入射して、当該界面において全反射される。
また、蛍光体層４２の内部で生成された蛍光Ｌｆのうち臨界角未満の角度で全反射面１１Ａへ入射した蛍光の一部Ｌｆ（２）は全反射面１１Ａを透過し、他の一部は全反射面１１Ａによって反射される。全反射面１１Ａを透過した成分（Ｌｆ（２））は反射層４５において反射される。

反射層４５が金属反射膜である場合には、反射の際に一部の光が吸収される。これに対して、本実施形態では、反射層４５と蛍光体層４２との間に蛍光体層４２よりも屈折率の低い接着層１１が設けられているため、蛍光体層４２から全反射面１１Ａに入射した光の一部は、全反射面１１Ａにおいて全反射する。そのため、蛍光体層４２の内部で反射層４５へ向かって射出された蛍光のうち一部の成分しか反射層４５へ入射しない。また、全反射面１１Ａにおいては光の損失が生じない。したがって、本発明に係る接着層１１が設けられていない場合と比較して、反射層４５による光の吸収が少なく、回転蛍光板３０における蛍光の利用効率が高い。

これにより、より高輝度な第１照明装置１００を備えたプロジェクター１０００となる。

本実施形態では、円板４０の法線方向から見て、蛍光体層４２と重なる領域全体に接着層１１が設けられているが、少なくとも蛍光体層４２に対して励起光が照射される入射領域Ｓと重なる領域に接着層１１が設けられていてもよい。蛍光体層４２に照射された励起光によって生成された光のうち多くの成分を、全反射面１１Ａにおいて全反射できる構成であればよい。

また、本実施形態では、接着層１１が蛍光の波長以上の厚みを有しているため、全反射面１１Ａにおける良好な全反射状態が得られる。

［第２実施形態のプロジェクター］
次に、本発明に係る第２実施形態のプロジェクターの構成について述べる。
図５は、第２実施形態におけるプロジェクター１００２の光学系を示す上面図である。
図６は、第２実施形態における回転蛍光板を説明するために示す図であって、（ａ）は回転蛍光板３０の正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ２−Ｂ２断面図である。図７（ａ）は蛍光体層内において蛍光が生成される様子を示す図であり、図７（ｂ）は、接着層１１又はダイクロイックミラー４６において蛍光が反射される様子を示す図である。

第２実施形態に係るプロジェクター１００２の構成を説明する。
プロジェクター１００２は、透過型の回転蛍光板３１を備えている点において、先の実施形態とは異なっている。よって、以下の説明では、先の実施形態と異なる部分において詳細に説明し、同様の構成については説明を省略する。回転蛍光板３１は、本発明の波長変換素子に対応する。

プロジェクター１００２は、図５に示すように、本発明の光源装置に対応する照明装置１０２、色分離導光光学系２００、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投射光学系６００を備える。

照明装置１０２は、本発明の発光素子に対応する固体光源装置１０、コリメート集光光学系２０、回転蛍光板３１、モーター５０、コリメート集光光学系６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を備える。これらコリメート集光光学系２０、コリメート集光光学系６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０は、各々の光軸が、固体光源装置１０の光軸と略一致するように配置されている。

回転蛍光板３１は、図６（ｂ）に示すように、モーター５０によって回転可能な円板４０の一面４０ａ上に、本発明の反射部に対応するダイクロイックミラー４６、接着層１１及び蛍光体層４２がこの順に積層されている。固体光源装置１０からの励起光は、円板４０側から蛍光体層４２に入射するように構成されている。

接着層１１は、蛍光体層４２の屈折率よりも低い屈折率を有する。

ダイクロイックミラー４６は、励起光を透過させ、蛍光を反射させるものである。ダイクロイックミラー４６は、誘電体多層膜からなり、円板４０の一面４０ａの略全体を覆うようにして形成されている。ダイクロイックミラー４６を透過した励起光は、接着層１１を透過して蛍光体層４２へと入射する。

蛍光体層４２は、先の実施形態と同様の材料からなり、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、接着層１１を介してダイクロイックミラー４６の表面４６ａに接着されている。

蛍光体層４２は、図５に示す固体光源装置１０からの励起光Ｌｅ、つまり青色光Ｂを赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを含む黄色光Ｙに変換し、かつ、励起光Ｌｅの残りの一部を変換せずに通過させる。蛍光体層４２からは、黄色光Ｙと青色光Ｂとが合成された白色光Ｗが射出される。

図７（ａ）に示すように、蛍光体層４２で生成された蛍光Ｌｆは、蛍光体層４２の内部において全方位に射出される。

上述したように、接着層１１の屈折率は、蛍光体層４２の屈折率よりも低い。よって、接着層１１と蛍光体層４２との界面である全反射面１１Ａは、蛍光体層４２からの光の一部を反射させるとともに、残りの光をダイクロイックミラー４６側へ透過させる。

そのため、図７（ｂ）に示すように、蛍光体層４２の内部で生成された蛍光Ｌｆのうち蛍光Ｌｆ（１）は、臨界角以上の角度で全反射面１１Ａへ入射して、全反射面１１Ａにおいて全反射される。また、蛍光体層４２の内部で生成された蛍光Ｌｆのうち臨界角未満の角度で全反射面１１Ａへ入射した蛍光Ｌｆ（２）の一部は、全反射面１１Ａを透過して接着層１１へ入射し、ダイクロイックミラー４６において反射される。蛍光Ｌｆ（２）の他の一部は、全反射面１１Ａによって反射される。

一般的に、ダイクロイックミラーの反射特性は、入射する光の入射角と波長とに依存する。そのため、ダイクロイックミラーによる反射には損失が伴う。しかし、本実施形態においては、蛍光体層４２の内部でダイクロイックミラー４６へ向かって射出された蛍光のうち一部の成分しかダイクロイックミラー４６へ入射しないため、本発明に係る接着層１１が設けられていない場合と比較して、ダイクロイックミラー４６による光の損失が少なく、回転蛍光板３１における蛍光の利用効率が高い。

このように、透過型の回転蛍光板３１であっても蛍光の利用効率が高く、より高輝度なプロジェクター１００２となる。

［回転蛍光板の第２実施形態］
次に、回転蛍光板の第２実施形態の構成について述べる。
図８は、第２実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図である。

第２実施形態の回転蛍光板３２は、本発明の波長変換素子に対応するもので、図８に示すように円板４０の一面４０ａ上に反射層４５、接着層１２及び蛍光体層４２がこの順に積層されている。本実施形態では、蛍光体層４２と、蛍光体層４２の屈折率よりも低い屈折率を有する接着層１２と、の界面に凹凸１３が設けられている。
具体的には、蛍光体層４２を形成する際に、光射出面４２Ａとは反対側の面４２Ｂを荒らしておくことによって、接着層１２との界面に微細な凹凸１３を形成することができる。このような凹凸１３によって、蛍光体層４２からの光を反射させる全反射面１２Ａに散乱性を付与することができる。

全反射面１２Ａに凹凸１３を形成する方法としては、面４２Ｂを低い平坦度で平坦化することによって形成してもいいし、面４２Ｂを荒らす処理を施してもよい。凹凸１３は、ランダム形状であってもよいし、周期的な形状であってもよい。但し、全反射面１２Ａの平均表面粗さは、接着層１２上に蛍光体層４２を良好に形成できる程度とする。

接着層１２の材料としては、先の実施形態における接着層１１と同様に、屈折率（第２屈折率）が１．４１のシリコーン樹脂が挙げられる。

本実施形態によれば、蛍光Ｌｆが全反射面１２Ａにおいて全反射される際、微細な凹凸１３によってそれぞれ異なる方向へ全反射される。つまり、全反射面１２Ａが備える微細な凹凸１３（散乱構造）によって全反射面１２Ａからの反射光を散乱させることで、蛍光体層４２の光射出面４２Ａに対する光の入射角を変化させることができる。このように、蛍光体層４２の内部での光散乱が小さい場合、あるいは殆ど光散乱が起こらない場合でも、蛍光体層４２と接着層１２との界面に散乱構造を設けることによって、蛍光体層４２の光射出面４２Ａ側から射出される成分を多くすることができる。

これに対して、全反射面１２Ａが散乱構造を持たない場合、接着層１２の屈折率は１よりも大きいため、全反射面１２Ａで全反射した光は光射出面４２Ａと空気との界面において全反射されてしまう。つまり、全反射面１２Ａで全反射した光は全反射面１２Ａ及び光射出面４２Ａに対してそれぞれ臨界角以上の角度で入射するため、蛍光体層４２から外部へ射出されない。

そのため、本実施形態では全反射面１２Ａに微小な凹凸１３を設けて、全反射面１２Ａにおいて反射される反射光を散乱させるようにした。これにより、全反射面１２Ａにおいて全反射された反射光のうち多くの成分が臨界角未満の角度で光射出面４２Ａに入射するため、より多くの光を光射出面４２Ａから射出させることが可能となる。
これにより、蛍光の利用効率をより向上させることができる。

［回転蛍光板の第３実施形態］
次に、回転蛍光板の第３実施形態の構成について述べる。
図９は、第３実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図である。

第３実施形態の回転蛍光板３２は、図９に示すように、円板４０の一面４０ａ上に反射層４５、接着層１４及び蛍光体層４２がこの順に積層されている。本実施形態の接着層（中間層）１４は、接着材１４ａと、接着材１４ａ内に含まれた複数のボイド１５と、を有している。ボイド１５は、必ずしも全周が接着材１４ａによって包囲されている必要はない。

接着層１４の材料としては、例えば、蛍光体層４２の屈折率と同じ屈折率を有する材料が用いられる。気泡であるボイド１５の屈折率は１．０であって、蛍光体層４２を構成する材料である母材及び蛍光体粒子の屈折率よりも低い。そのため、ボイド１５とその周囲の材料との界面が全反射面１５Ａとして機能する。

本実施形態によれば、蛍光体層４２内で生成された蛍光のうち、臨界角以上の角度で全反射面１５Ａに入射した蛍光Ｌｆは、全反射面１５Ａにおいて全反射される。全反射面１５Ａは曲面をなす。そのため、全反射面１５Ａに入射する位置によって、光が全反射される方向が異なる。よって、全反射面１５Ａにおいて反射された光は散乱光となる。

一方、接着層１４のうちボイド１５以外の領域に入射した蛍光は、接着層１４を透過して反射層４５において反射されることになる。反射層４５における光の吸収を抑えるためには、接着層１４のボイド１５、つまり全反射面１５Ａによってなるべく多くの蛍光を全反射させて、反射層４５へ入射する光の量を少なくする必要がある。

本実施形態では、ボイド１５の大きさや数を調整することによって、全反射面１５Ａによって全反射される成分を多くすることができ、反射層４５によって反射される光を減少させることが可能である。

また、接着層１４の材料として、蛍光体層４２の屈折率よりも低い屈折率を有する材料を用いてもよい。例えば、先の実施形態と同様に、屈折率が１．４１のシリコーン樹脂を用いて接着層１４を形成した場合、接着層１４と蛍光体層４２との界面も全反射面１４Ａとして機能することになる。

蛍光体層４２と接着層１４との間の界面に臨界角以上の角度で入射した蛍光は、当該界面によって全反射される。臨界角未満の角度で当該界面に入射した蛍光の一部は当該界面を透過する。透過光のうち、臨界角以上の角度で接着層１４とボイド１５との間の界面に入射した光は、当該界面によって全反射される。
このため、反射層４５へ入射する光を減少させることができ、反射層４５での光の吸収をより一層抑えることが可能となる。

ボイド１５は、回転蛍光板３２の製造工程において、接着層１４内にボイドを生成あるいは混入させることによって形成することができる。

なお、本実施形態では、接着層１４内に複数のボイドが含まれた構成を例に挙げたが、これに限られず、例えば、蛍光体層４２内に複数のボイドが含まれた構成としてもよい。

［回転蛍光板の第４実施形態］
次に、回転蛍光板の第４実施形態の構成について述べる。
図１０は、第４実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図である。

第４実施形態の回転蛍光板３４は、本発明の波長変換素子に対応する。図１０に示すように円板４０の一面４０ａ上に反射層４５、接着層１１及び蛍光体層４３がこの順に積層されている。本実施形態の波長変換素子では、蛍光体層４３が有する結晶欠陥あるいは結晶粒界が複数の全反射面４３ｃに相当する。結晶欠陥あるいは結晶粒界の割合は、蛍光体層４３を形成する際の製造条件等によって制御することができる。

接着層１１は、先の実施形態と同様のもので、蛍光体層４３と接着層１１との間の界面は全反射面１１Ａとなっている。

本実施形態によれば、全反射面４３ｃに臨界角以上の角度で入射した蛍光は、全反射面４３ｃによって全反射される。全反射面４３ｃに臨界角未満の角度で入射した蛍光の一部は全反射面４３ｃを透過して、全反射面１１Ａに入射する。
臨界角以上の入射角度で全反射面１１Ａに入射した光は全反射面１１Ａによって全反射されるが、臨界角未満の入射角度で入射した光の一部は、全反射面１１Ａを透過して反射層４５によって反射される。

本実施形態では、接着層１１と蛍光体層４３との界面だけでなく、蛍光体層４３自体が蛍光を全反射させる機能を有している。上述したように蛍光体層４３は、結晶欠陥あるいは結晶粒界によって構成される複数の全反射面４３ｃを有している。各全反射面４３ｃは、蛍光体層４３内にランダムに存在するとともに様々な方向に向いている。そのため、これら全反射面４３ｃによって、蛍光体層４３の光射出面４３Ａ側及び接着層１１側のいずれの方向にも向かわない光を、光射出面４３Ａ側あるいは接着層１１側へ全反射させることができる。これにより、蛍光体層４３における光の取り出し効率を高めることができる。

また、蛍光Ｌｆを全反射面４３ｃによって全反射させることで、全反射面１１Ａに入射する蛍光が少なくなる。そのため、全反射面１１Ａを透過して反射層４５に入射する光も先の実施形態に比べて減少し、反射層４５において吸収される光はわずかである。

このように、接着層１１の全反射面１１Ａにおいて全反射させるだけでなく、蛍光体層４３内の全反射面４３ｃによってある程度の蛍光を全反射させておくことによって、反射層４５に入射する光量が減少し、反射層４５での光の吸収を抑えることが可能である。
これにより、蛍光の利用効率がより一層向上し、高輝度な照明光が得られる。

なお、本実施形態においては、蛍光体層４３が全反射面４３ｃを備えているため、接着層１１の屈折率は、必ずしも蛍光体層４３の屈折率よりも小さくなくてもよい。しかし、蛍光の利用効率を向上させるためには、接着層１１の屈折率は蛍光体層４３の屈折率よりも小さいことが好ましい。

［回転蛍光板の第５実施形態］
次に、回転蛍光板の第５実施形態の構成について述べる。
図１１は、第５実施形態の回転蛍光板の構成を部分的に拡大して示す断面図である。

第５実施形態の回転蛍光板３５は、本発明の波長変換素子に対応するもので、図１１に示すように円板４０の一面４０ａ上に反射層４５、接着層１６、低屈折率層３６及び蛍光体層４３がこの順に積層されている。

低屈折率層３６は、蛍光体層４３の屈折率よりも低い屈折率を有する。これにより、低屈折率層３６と蛍光体層４３との界面が全反射面３６Ａとして機能する。

接着層１６の材料として、蛍光体層４３よりも高い熱伝導性を有する材料を用いることで、接着層１６の放熱性が高められ、蛍光体層４３の温度上昇を抑えることができる。接着層１６の材料としては、例えば、銀ペーストが挙げられる。

接着層１６の屈折率が低屈折率層３６の屈折率以上の場合、全反射面３６Ａによって全反射されずに透過した光は、低屈折率層３６と接着層１６との界面も透過して、反射層４５によって反射されることになる。

一方、接着層１６の屈折率が低屈折率層３６の屈折率未満の場合、接着層１６と低屈折率層３６との界面が全反射面１６Ａとして機能することになる。全反射面１６Ａでは、全反射面３６Ａを透過した光のうち、臨界角以上の入射角度で入射した光を全反射させる。このように、全反射面３６Ａだけでなく、全反射面１６Ａにおいても光を全反射する。このため、接着層１６の屈折率が低屈折率層３６の屈折率以上の場合よりも反射層４５へ入射する光は少なく、蛍光の利用効率がより一層向上し、高輝度な照明光が得られる。

なお、図８〜図１１に示した回転蛍光板の第２実施形態から第５実施形態においては、反射型の回転蛍光板の構成について述べたが、反射層４５に換えてダイクロイックミラー４６を用いることによって、透過型の回転蛍光板を提供することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態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。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。各実施形態の構成を適宜組み合わせてもよい。

例えば、回転蛍光板の第１実施形態から第５実施形態の構成のうちのいずれかを組み合わせてもよいし、全ての構成を組み合わせてもよい。

上記各実施形態においては、蛍光体層と円板との間に反射層が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、円板が可視光を反射する材料からなる場合、反射層を省略してもよい。この場合、光反射性円板が本発明における反射層に相当する。

また、上記各実施形態においては、レーザー光源からなる光源装置及び第２光源装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、発光ダイオードからなる光源装置及び第２光源装置を用いてもよい。

また、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てもよい。

また、上記各実施形態においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、自動車のヘッドランプ、照明機器等。）に適用することもできる。

１０…固体光源装置、第１固体光源装置（発光素子）、１１，１４…接着層（中間層）、１１Ａ，１４Ａ，１５Ａ，１６Ａ，３４ｃ，３６Ａ，４３ｃ…全反射面、１３…凹凸、１４ａ…接着材、１５…ボイド、３０，３１，３２，３４…回転蛍光板（波長変換素子）、４０…円板（基板）、４０ａ…一面、４１…回転軸、４２…蛍光体層（波長変換層）、４２Ａ，４３Ａ…光射出面、４５…反射層、４５ａ，４６ａ…表面、４６…ダイクロイックミラー（反射層）、Ｌｅ…励起光、Ｌｆ…蛍光、１００…第１照明装置（光源装置）、４００Ｒ…液晶光変調装置（光変調装置）、６００…投射光学系、７０２…第２照明装置（光源装置）、７１０…第２固体光源装置（発光素子）、１０００，１００２…プロジェクター

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板の一面側に設けられた反射部と、
   前記反射部の前記基板とは反対側に設けられる中間層と、
   前記中間層の前記反射部とは反対側に設けられ、励起光の照射により蛍光を発する波長変換層と、を備え、
   前記中間層は、前記波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有し、
   前記波長変換層は、複数の結晶粒界を含み、
   前記波長変換層と前記中間層との間の界面に対して、臨界角以上の角度で入射した前記蛍光は、前記界面において全反射され、
   前記結晶粒界に対して、臨界角以上の角度で入射した前記蛍光は、前記結晶粒界において全反射される、
   ことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記反射部が、前記基板の一面の略全体を覆うように形成されている
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記中間層は、前記蛍光の波長以上の厚みを有する、
   請求項１または２に記載の波長変換素子。
4. 前記中間層の厚みが１μｍ以上である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記中間層が接着材で構成されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 前記中間層の熱伝導率が前記波長変換層の熱伝導率よりも高い、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記界面が凹凸を有する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記反射部が、前記励起光を透過するとともに前記蛍光を反射するダイクロイックミラーである、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記波長変換層は、屈折率が互いに異なる複数の材料を含む、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の波長変換素子。
10. 前記基板が、前記基板の前記一面と交差する回転軸を中心として回転可能とされている、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の波長変換素子。
11. 前記波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層を有し、
    前記基板の一面上に前記反射部、前記中間層、前記低屈折率層及び前記波長変換層がこの順に積層され、
    前記中間層の屈折率が前記低屈折率層の屈折率未満である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の波長変換素子。
12. 励起光を射出する発光素子と、
    請求項１から１１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。
13. 前記基板の前記一面の法線と平行な方向から見たとき、前記波長変換素子の前記界面は、前記波長変換層に前記励起光が照射される領域と重なる領域に設けられている、
    請求項１２に記載の光源装置。
14. 請求項１２または１３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、
    前記光変調装置からの変調光を投射画像として投射する投射光学系と、を備える
    ことを特徴とするプロジェクター。

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