JP7119486B2 - 波長変換素子、照明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、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、プロジェクター用の照明装置として、回転蛍光板等の波長変換装置を用いた照明装置が提案されている。回転蛍光板は、蛍光体層が設けられた基板が回転した状態で蛍光体層に励起光が照射されることによって蛍光を発生させ、蛍光を含む照明光を生成する。

下記の特許文献１に、基板と、基板に設けられた反射部と、反射部の基板とは反対側の面に設けられた波長変換層と、波長変換層の反射部とは反対側の面と反射部との間に設けられ、臨界角以上の角度で入射した蛍光を全反射させる反射面と、を備えた「波長変換素子」が開示されている。また、特許文献１には、波長変換層と反射部との間に、波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有するシリコーン樹脂等の中間層が設けられた構成が開示されている。

下記の特許文献２に、励起用光源と、励起用光源からの励起光を波長変換して蛍光を発する波長変換部材と、波長変換部材を支持する基台と、を備え、波長変換部材の励起光入射面と対向する面に蛍光反射面が設けられた「蛍光光源装置」が開示されている。また、特許文献２には、基台に設けられた蛍光反射鏡と波長変換部材との間が離間し、蛍光反射鏡と波長変換部材との間に空気層が設けられている構成が開示されている。

特開２０１６－７０９４７号公報 特開２０１４－１９２１２７号公報

特許文献１，２に記載の波長変換素子は、波長変換層で生じた蛍光を反射させて外部に取り出す波長変換素子、いわゆる反射型の波長変換素子である。この種の波長変換素子では、波長変換層の励起光入射面と反対側に蛍光を反射させる反射面が設けられる。ところが、蛍光が反射面で反射する際に損失が生じ、発光効率が低下する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、発光効率の低下を抑制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。本発明の一つの態様は、上記の波長変換装置を備えた照明装置を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の照明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、反射面を有する基材と、第１の波長帯の励起光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記励起光を前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、前記波長変換部と前記基材とを接合する接合部と、を備え、前記反射面と前記第２面とが互いに離間した状態で、前記波長変換部と前記基材とが前記接合部を介して接合されたことにより、前記反射面と前記第２面との間の一部に空気層が設けられ、前記第１面のうち、前記空気層に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする。

本明細書において、「発光効率」は、以下の（１）、（２）式で定義される。
発光効率＝（波長変換層からの射出光量／波長変換層への励起光入射量） ……（１）
波長変換層からの射出光量＝蛍光の射出光量＋未変換の励起光の射出光量 ……（２）

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記接合部は、前記反射面と前記第２面との間の間隔を保持する保持部材を含んでいてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記接合部は、前記基材と前記波長変換部と前記接合部とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部を有していてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換部は、波長変換層と、前記波長変換層の前記反射面と対向する面に設けられた誘電体多層膜と、を有していてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法は、反射面を有する基材を準備する工程と、第１面と第２面とを有する波長変換部を準備する工程と、前記反射面の一部および前記第２面の一部の少なくとも一方に、保持部材を含む接合材を塗布する工程と、前記波長変換部と前記基材とを前記反射面と前記第２面とが対向するように前記接合材を介して配置する工程と、前記保持部材によって前記反射面と前記第２面との間の間隔を保持した状態で前記接合材を硬化させて接合部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一つの態様の照明装置は、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照明装置において、前記波長変換素子は、回転軸の周りに回転可能とされ、前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えていてもよい。

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照明装置と、前記照明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、を備えたことを特徴とする。

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装置の斜視図である。

［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。
なお、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。
本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの光変調装置を備える。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備える。

図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の光学系を示す概略図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、第１照明装置１００と、第２照明装置１０２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、光合成素子５００と、投射光学装置６００と、を備えている。
本実施形態の第１照明装置１００は、特許請求の範囲の照明装置に対応する。

第１照明装置１００は、第１光源１０と、コリメート光学系７０と、ダイクロイックミラー８０と、コリメート集光光学系９０と、波長変換装置３０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。

第１光源１０は、発光強度のピーク波長が例えば４４５ｎｍで、波長範囲が例えば４４０～４５０ｎｍの第１の波長帯の青色の励起光Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。第１光源１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。第１光源１０は、第１光源１０から射出されるレーザー光の光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば４６０ｎｍのピーク波長を有する励起光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の光源に対応する。

コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。コリメート光学系７０は、第１光源１０から射出された光を略平行化する。第１レンズ７２および第２レンズ７４は、それぞれ凸レンズで構成されている。

ダイクロイックミラー８０は、コリメート光学系７０からコリメート集光光学系９０までの間の光路中に、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとの各々に対して４５°の角度で交差する向きに配置されている。ダイクロイックミラー８０は、励起光Ｅを反射させ、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色の蛍光Ｙを透過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０を透過した励起光Ｅを集光させて波長変換装置３０の波長変換層４２に入射させる機能と、波長変換装置３０から射出された蛍光Ｙを略平行化する機能とを有する。コリメート集光光学系９０は、第１レンズ９２と、第２レンズ９４と、を備える。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、それぞれ凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、拡散板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備えている。

第２光源７１０は、第１照明装置１００の第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。第２光源７１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。また、第２光源７１０は、第１光源１０の半導体レーザーとは波長帯が異なる半導体レーザーから構成されていてもよい。

集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備えている。集光光学系７６０は、第２光源７１０から射出された青色光Ｂを拡散板７３２の拡散面もしくは拡散板７３２の近傍に集光させる。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、凸レンズで構成されている。

拡散板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを拡散させ、波長変換装置３０から射出された蛍光Ｙの配光分布に近い配光分布を有する青色光Ｂを生成する。拡散板７３２として、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、を備えている。コリメート光学系７７０は、拡散板７３２から射出された光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、それぞれ凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０で反射され、波長変換装置３０から射出されてダイクロイックミラー８０を透過した蛍光Ｙと合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗは、第１レンズアレイ１２０に入射する。波長変換装置３０の詳細な構成については、後で説明する。

第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０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レンズ１２２を備えている。複数の第１レンズ１２２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１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を有している。第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０を構成する各第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のそれぞれの画像形成領域近傍に結像させる。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、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域近傍で互いに重畳させる。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、波長変換装置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。

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、第１照明装置１００と第２照明装置１０２とから得られた白色光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを、対応する光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導く。

フィールドレンズ３００Ｒは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｇは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。

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させる。ダイクロイックミラー２２０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２３０は、赤色光成分を反射させる。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射させる。

ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射し、フィールドレンズ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で反射した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射し、フィールドレンズ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、およびフィールドレンズ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４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂ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４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂ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４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

光合成素子５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂ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。光合成素子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。

光合成素子５００から射出された画像光は、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。すなわち、投射光学装置６００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。

以下、波長変換装置３０について説明する。
図２は、波長変換装置３０を示す斜視図である。図３は、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３２の断面図である。
図２、図３に示すように、本実施形態の波長変換装置３０は、波長変換素子３２と、モーター５０（回転装置）と、を備えている。

波長変換素子３２は、回転軸３５の周りに回転可能とされている。モーター５０は、波長変換素子３２を回転軸３５の周りに回転させる。

図４に示すように、本実施形態の波長変換素子３２は、基材４３と、波長変換部４７と、接合部３７と、空気層３８と、を備えている。波長変換素子３２は、励起光Ｅが入射した側と同じ側に向けて蛍光Ｙを射出する。すなわち、波長変換素子３２は、反射型の波長変換素子である。

基材４３は、基材本体４０と、反射層４１と、を有する。基材本体４０は、金属を含む材料で構成されている。一例として、基材本体４０は、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属製の円形の板材から構成されている。

反射層４１は、基材本体４０の第１面４０ａの全面に設けられている。反射層４１は、波長変換部４７の第２面４７ｂから射出された蛍光Ｙおよび励起光Ｅを反射する。反射層４１は、例えば銀等の反射率の高い金属から構成されている。反射層４１は、蛍光Ｙおよび励起光Ｅを高い反射率で反射するように設計されている。そのため、平滑な反射層４１を形成するために、基材本体４０の第１面４０ａは高い平滑度を有している。これにより、反射層４１は、蛍光Ｙの大部分を図４の上方向（基材本体４０とは反対側）に向けて反射する。すなわち、基材４３は、蛍光Ｙを反射させる反射面４３ｒを有する。

なお、反射層４１の励起光Ｅの入射側に、図示しない保護膜が設けられていてもよい。保護膜には、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の透明膜が用いられる。保護膜が設けられた場合、反射層４１が外部の雰囲気から保護されるとともに、基材４３の表面に様々な角度で入射した蛍光Ｙを高い反射率で反射することができる。さらに、反射層４１と基材本体４０の第１面４０ａとの間に、反射層４１を劣化から保護するための図示しない保護層が設けられていてもよい。

図２および図３に示すように、波長変換部４７は、基材４３の回転軸３５の周囲に開口４７ｈを有する円環状の形状を有する。すなわち、波長変換部４７は、基材４３の反射面４３ｒ側において、回転軸３５を囲むように設けられている。

図４に示すように、波長変換部４７は、波長変換層４２と、波長変換層４２の反射面４３ｒと対向する面に設けられた誘電体多層膜３９と、を有する。また、波長変換部４７は、第１の波長帯の励起光Ｅが入射する第１面４７ａと、第１面４７ａとは反対側の第２面４７ｂと、を有する。

波長変換層４２は、第１の波長帯の励起光Ｅが入射する第１面４２ａと、第１面４２ａとは反対側の第２面４２ｂと、を有する。波長変換層４２は、励起光Ｅを励起光Ｅの波長帯とは異なる波長帯の蛍光Ｙに波長変換するセラミック蛍光体を含んでいる。すなわち、波長変換層４２は、励起光Ｅを第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光Ｙに波長変換する。第２の波長帯は、例えば４９０～７５０ｎｍであり、蛍光Ｙは、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色光である。なお、波長変換層４２は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。

波長変換層４２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、波長変換層４２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。

また、波長変換層４２の第２面４２ｂに、誘電体多層膜３９が設けられている。誘電体多層膜３９は、例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２とが交互に複数積層された膜である。すなわち、誘電体多層膜３９は、屈折率が互いに異なる２種の誘電体膜が交互に複数積層された構成を有する。誘電体多層膜３９を構成する各誘電体膜の層数は、特に限定されない。

波長変換部４７に励起光Ｅが入射した際には、波長変換部４７において熱が発生する。本実施形態では、モーター５０によって波長変換素子３２を回転させることにより、波長変換部４７における励起光Ｅの入射位置を時間的に移動させている。これにより、波長変換部４７の同じ位置に励起光Ｅが常時照射されることで、波長変換部４７の一部のみが局所的に加熱され、劣化することが防止される。図３において、励起光Ｅの入射領域を符号Ｔの円で示す。

図４に示すように、接合部３７は、波長変換部４７と基材４３とを接合する。接合部３７は、入射した光の吸収や反射を抑えるために透明な接着剤で構成されていることが望ましい。この種の接着剤として、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、無機接着剤等が用いられる。

接合部３７は、波長変換部４７の第１面４７ａにおける励起光Ｅの入射領域Ｔを除く領域に設けられている。換言すると、接合部３７は、励起光Ｅの入射領域Ｔよりも波長変換部４７の内周側の領域に設けられた接合部（図４の右側の接合部３７Ｉ）と、励起光Ｅの入射領域Ｔよりも波長変換部４７の外周側の領域に設けられた接合部（図４の左側の接合部３７Ｅ）と、を含む。

すなわち、接合部３７は、波長変換部４７の第２面４７ｂの全面には設けられておらず、波長変換部４７の第２面４７ｂの内周側の一部と外周側の一部とにおいて波長変換部４７を基材４３に接合する。これにより、波長変換部４７の幅方向Ｗの中央部においては、基材４３の反射面４３ｒと波長変換部４７の第２面４７ｂとが互いに離間する。波長変換部４７の幅方向Ｗは、図３に示すように、円環状の波長変換部４７の径方向に対応する。

図４に示すように、反射面４３ｒと第２面４２ｂとが互いに離間した状態で、波長変換部４７と基材４３とが接合部３７を介して接合されたことによって、反射面４３ｒと第２面４２ｂとの間の一部に空気層３８が設けられている。空気層３８の厚さは、接合部３７の厚さと略等しく、約１～２μｍ程度である。また、波長変換部４７の第１面４７ａのうち、空気層３８に対向する部分の少なくとも一部が励起光Ｅの入射領域Ｔとされている。

図３に示すように、接合部３７Ｉおよび接合部３７Ｅの各々は、周方向の一部で途切れており、複数の開口部３７ｈを有している。本実施形態では、接合部３７Ｉおよび接合部３７Ｅの各々が３つの開口部３７ｈを有しているが、開口部３７ｈの数は、特に限定されない。さらに、本実施形態では、内周側の接合部３７Ｉの開口部３７ｈと外周側の接合部３７Ｅの開口部３７ｈとが幅方向Ｗで重ならない位置に設けられているが、各接合部３７Ｉ，３７Ｅの開口部３７ｈの位置は、特に限定されない。

このように、接合部３７に開口部３７ｈが設けられたことによって、基材４３と波長変換部４７と接合部３７とによって囲まれた空間は、密閉された空間とはならず、波長変換素子３２の外部空間と連通する。換言すると、接合部３７は、基材４３と波長変換部４７と接合部３７とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部３７ｈを有する。

本実施形態の波長変換素子３２において、波長変換層４２の内部で等方的に放射された蛍光Ｙは、空孔等の散乱成分に当たって散乱しながら波長変換層４２の内部を進み、蛍光Ｙの一部は波長変換部４７の第１面４７ａに到達し、蛍光Ｙの他の一部は波長変換部４７の第２面４７ｂに到達する。第１面４７ａに到達した蛍光Ｙは、臨界角以上で第１面４７ａに入射して全反射する成分と、臨界角未満で第１面４７ａに入射してフレネル反射する成分と、を除く成分は、第１面４２ａを通過し、波長変換素子３２から射出される。また、上記の２つの反射成分は、再び散乱しながら波長変換部４７の内部を進んで第１面４７ａもしくは第２面４７ｂに到達する。

一方、第２面４７ｂに到達した蛍光Ｙのうち、第２面４７ｂ（波長変換部４７と空気層３８との界面）に臨界角以上の入射角で入射した光は、全反射することによって損なわれることなく、再び散乱しながら波長変換部４７の内部を進む。

また、第２面４７ｂ（波長変換部４７と空気層３８との界面）に臨界角未満の入射角で入射した蛍光Ｙのうち、波長変換層４２と誘電体多層膜３９とによって反射されなかった成分は、第２面４７ｂを通過して基材４３の反射層４１で反射する。ところが、銀からなる反射層４１の反射率は高いとは言え、２％程度の吸収率を有するため、蛍光Ｙが反射層４１に入射する毎に蛍光Ｙは減衰する。波長変換層４２の内部で発光した蛍光Ｙのうち、波長変換素子３２から射出されない成分の大部分が反射層４１での吸収成分に相当する。したがって、蛍光Ｙをできるだけ反射層４１に入射させないようにして発光効率を上げるためには、できるだけ多くの蛍光Ｙを第２面４７ｂで反射させることが重要である。

波長変換層４２の内部における蛍光Ｙの放射分布は全方向に向けて略等方的である。したがって、第２面４７ｂ（波長変換部４７と空気層３８との界面）での臨界角が小さい程、第２面４７ｂで反射する蛍光Ｙを多くし、反射層４１に入射する蛍光Ｙを少なくすることができる。ここで、本実施形態の波長変換素子３２によれば、波長変換層４２の主たる発光領域に対応する励起光Ｅの入射領域Ｔの下方に空気層３８が設けられているため、空気層が設けられていない従来の波長変換素子に比べて、第２面４７ｂでの臨界角を小さくすることができる。これにより、反射層４１に入射する蛍光Ｙの量を少なくし、反射層４１での蛍光Ｙの損失を少なくすることができるため、発光効率を高めることができる。

本発明者の実験結果によれば、本実施形態の波長変換素子３２においては、波長変換層と基材との間の空間をシリコーン樹脂で充填した従来の波長変換素子に対して、１．０４倍の発光効率が得られることが確認された。

以上説明した第１実施形態に係る波長変換素子３２によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の波長変換素子３２は、励起光Ｅが入射する第１面４２ａ（第１面４７ａ）のうち、空気層３８に対向する部分の少なくとも一部が励起光Ｅの入射領域Ｔとされているため、入射領域Ｔに入射した励起光Ｅは波長変換されて蛍光Ｙとなり、等方的に発光する蛍光Ｙの一部は波長変換部４７の第２面４７ｂに到達する。ここで、本実施形態の波長変換素子３２によれば、波長変換部４７の第２面４７ｂが波長変換部４７と空気層３８との界面であるため、空気層３８が設けられていない従来の構成に比べて、第２面４７ｂにおける臨界角が小さくなり、第２面４７ｂに到達した蛍光Ｙのうち、第２面４７ｂで反射する蛍光Ｙの量が多くなる。そのため、波長変換部４７の第２面４７ｂを透過して基材４３（基材本体４０）の反射面４３ｒにまで到達する蛍光Ｙの量が少なくなり、反射面４３ｒにおける損失を抑えることができる。これにより、波長変換素子３２の発光効率を高めることができる。

また、波長変換により生じた熱は、波長変換部４７から基材４３に伝導された後、基材４３の全体にわたって拡散され、基材４３の全面から放射される。したがって、波長変換部４７と基材４３との間に介在する部材の熱抵抗が高いと、十分な排熱が行われないために波長変換部４７の温度が上昇し、温度消光が生じて発光効率が低下するという問題がある。この問題に対し、本実施形態の波長変換素子３２では、波長変換部４７と基材４３との間に介在する空気層３８の厚さが約１～２μｍ程度と薄いため、熱伝導率が低い空気であっても熱抵抗が大きく上昇することはなく、高い発光効率を維持することができる。

また、本実施形態の波長変換素子３２においては、基材４３と波長変換部４７と接合部３７とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部３７ｈが設けられているため、この空間が密閉された空間とはならず、この空間と外部空間との間で空気が自由に出入りできる。これにより、波長変換部４７から蛍光Ｙが発光する際に生じる熱による温度上昇で空気層３８が膨張して当該空間が拡大し、波長変換部４７と基材４３との間の熱抵抗が増加することを抑制できる。これにより、熱抵抗の増加に伴う発光効率の低下を抑制することができる。さらに、波長変換部４７で生じる熱による温度上昇で空気層３８が膨張して、波長変換部４７が破損することを抑制することができる。さらにまた、波長変換部４７で生じる熱による温度上昇で空気層３８が膨張して、波長変換部４７が基材４３から剥離または脱落することを抑制することができる。また、波長変換部４７と基材４３とが接合される際に密閉空間内で空気が圧縮され、接合が困難になるという弊害を抑制できる。

さらに、本実施形態の波長変換素子３２においては、波長変換層４２の第２面４２ｂに誘電体多層膜３９が設けられているため、波長変換部４７の第２面４７ｂに臨界角以下の入射角で入射する蛍光Ｙのうち、第２面４７ｂで反射する蛍光Ｙの量を誘電体多層膜３９によって増やすことができる。これにより、基材４３の反射面４３ｒに到達する蛍光Ｙの量を減少させ、反射面４３ｒでの損失を抑制することができる。その結果、波長変換素子３２の発光効率を高めることができる。

以上説明した第１実施形態に係る第１照明装置１００によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の第１照明装置１００は、上記の波長変換素子３２を備えているため、波長変換素子における損失が抑制された照明装置が実現できる。
また、本実施形態の第１照明装置１００は、モーター５０（回転装置）によって波長変換層４２上での励起光Ｅの入射位置を時間的に移動させることができるため、波長変換層４２の温度上昇を抑制できる。そのため、波長変換層４２の発光効率の低下を抑制できるとともに、蛍光Ｙの損失が少ない第１照明装置１００を提供することができる。

以上説明した第１実施形態に係るプロジェクター１によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態のプロジェクター１は、上記の第１照明装置１００を備えているため、高輝度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１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４と同様に、図３のIV－IV線の位置での断面に対応する。
図５において、図４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５２は、基材４３と、波長変換部４７と、接合部５５と、空気層３８と、を備えている。

接合部５５は、樹脂部５３と、樹脂部５３の内部に含有された複数の保持部材５４と、を有する。樹脂部５３は、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂で構成されている。保持部材５４は、反射面４３ｒと第２面４２ｂとの間の間隔を保持する。保持部材５４は、１～２μｍ程度の直径を有する球状の粒子で構成されている。保持部材５４の材料としては、例えばシリカからなる球状の粒子が用いられる。複数の保持部材５４は、互いに重なり合うことなく１層に並んだ状態で波長変換層４２と基材４３との間に挟持される。保持部材５４は、波長変換層４２と基材４３との間に挟持された状態で保持部材５４自身が変形しないだけの剛性を有している。
波長変換素子５２のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子３２と同様である。

本実施形態の波長変換素子５２を製造する際には、反射面４３ｒを有する基材４３を準備する。
また、第１面４７ａと第２面４７ｂとを有する波長変換部４７を準備する。

次に、直径１～２μｍの複数のシリカ粒子を、接合材を塗布した際にシリカ粒子同士が互いに重なり合うことのない所定の濃度で熱硬化性のシリコーン樹脂中に添加し、攪拌を行って均等に分散させることにより、複数の保持部材５４がシリコーン樹脂中に混錬された接合材を調製する。

次に、基材４３の反射面４３ｒの所定の位置に、保持部材５４を含む上記の接合材を円環状に塗布する。上記の所定の位置は、次工程で基材４３の反射面４３ｒと波長変換部４７の第２面４７ｂとを互いに対向させた際に第２面４７ｂと対向する位置である。このとき、接合材が円環の複数の個所で途切れるように接合材の塗布を行う。
なお、波長変換部４７の第２面４７ｂの所定の位置に、保持部材５４を含む上記の接合材を円環状に塗布してもよい。この場合も、接合材が円環の複数の個所で途切れるように接合材の塗布を行う。さらに、反射面４３ｒの所定の位置と波長変換部４７の第２面４７ｂの所定の位置との両方に、保持部材５４を含む上記の接合材を円環状に塗布してもよい。すなわち、この工程においては、反射面４３ｒの所定の位置と波長変換部４７の第２面４７ｂの所定の位置との少なくとも一方に、保持部材５４を含む上記の接合材を円環状に塗布すればよい。

次に、基材４３の反射面４３ｒと波長変換部４７の第２面４７ｂとが互いに対向するように、基材４３の所定の位置に接合材を介して波長変換部４７を位置合わせする。
次に、保持部材５４によって反射面４３ｒと第２面４２ｂとの間の間隔を保持した状態で加圧しつつ加熱を行い、接合材を硬化させることにより接合部５５を形成し、基材４３と波長変換部４７とを接合する。
以上の工程により、本実施形態の波長変換素子５２が作製される。

すなわち、本実施形態の波長変換素子５２の製造方法は、反射面４３ｒを有する基材４３を準備する工程と、第１面４７ａと第２面４７ｂとを有する波長変換部４７を準備する工程と、反射面４３ｒの一部および第２面４７ｂの一部の少なくとも一方に、保持部材５４を含む接合材を塗布する工程と、波長変換部４７と基材４３とを、反射面４３ｒと第２面４２ｂとが対向するように接合材を介して配置する工程と、保持部材５４によって反射面４３ｒと第２面４２ｂとの間の間隔を保持した状態で接合材を硬化させて接合部５５を形成する工程と、を備えている。

本実施形態においても、反射層４１での蛍光Ｙの損失を少なくできるため、発光効率を高めることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

第１実施形態でも述べたように、空気の熱伝導率は接合部５５の材料であるシリコーン樹脂等の樹脂の熱伝導率よりも低いため、波長変換層４２と基材４３との間の熱抵抗を従来よりも増大させないためには、空気層３８の厚さが十分に薄い所定値になるように制御する必要がある。

このとき、ギャップ材を備えていない波長変換素子の場合、接合部の厚さが所定値になるように、例えば接合材の粘度を細かく調整する、波長変換部と基材との間隔を保持するための治具を用いる等の手法を用いて、空気層の厚さを制御することが考えられる。ところが、接合材の粘度調整作業に要する手間や時間が掛かる、波長変換層と基材との接合工程で特殊な治具が必要になる、などの製造プロセス上の問題点がある。

この問題に対し、本実施形態の波長変換素子５２の製造方法によれば、保持部材５４を予め含有させた接合材を用いて波長変換部４７と基材４３とを接合するだけで、波長変換層４２と基材４３との間の間隔が保持部材５４の直径に一致し、空気層３８の厚さが所定値になるように制御される。そのため、製造プロセス上の手間や時間が増えることなく、空気層３８の厚さを適切に制御できる。すなわち、反射面４３ｒと第２面４７ｂとの間の間隔が保持部材５４によって保持されるため、保持部材５４の大きさを調整することで反射面４３ｒと第２面４７ｂとの間の間隔（空気層３８の厚さ）を調整することができる。これにより、反射面４３ｒと第２面４７ｂとの間の間隔を小さく保持することで波長変換部４７と基材４３との間の熱抵抗を小さくすることができ、波長変換部４７の熱を効率良く基材４３に伝達することができる。その結果、波長変換部４７の温度上昇による温度消光に起因して、発光効率が低下することを抑制できる。
また、波長変換素子５２が完成した後においても、波長変換層４２と基材４３との間隔が保持部材５４によって確実に保持される。このようにして、発光効率に優れた波長変換素子５２を得ることができる。

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。
例えば上記実施形態の波長変換素子においては、接合部が基材と波長変換層と接合部とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部を有していたが、開口部を有していない場合の問題点が気にならない程度であれば、接合部は開口部を有していなくてもよい。

また、上記実施形態の波長変換素子においては、波長変換層の第２面に誘電体多層膜が設けられていたが、誘電体多層膜は必ずしも設けられていなくてもよい。

また、上記実施形態では、モーターによって回転可能とされた波長変換素子の例を挙げたが、本発明は、回転可能とされていない固定型の波長変換素子にも適用が可能である。

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。

１…プロジェクター、１０…第１光源（光源）、３２，５２…波長変換素子、３５…回転軸、３７，３７Ｅ，３７Ｉ，５５…接合部、３７ｈ…開口部、３８…空気層、３９…誘電体多層膜、４２…波長変換層、４２ｂ…（波長変換層の）第２面、４３…基材、４３ｒ…反射面、４７…波長変換部、４７ａ…（波長変換部の）第１面、４７ｂ…（波長変換部の）第２面、５０…モーター（回転装置）、５４…保持部材、１００…第１照明装置（照明装置）、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…光変調装置、６００…投射光学装置、Ｅ…励起光、Ｙ…蛍光、Ｔ…（励起光の）入射領域。

Claims (9)

1. 反射面を有する基材と、
   第１の波長帯の励起光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記励起光を前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、
   前記波長変換部と前記基材とを接合する接合部と、
   を備え、
   前記反射面と前記第２面とが互いに離間した状態で、前記波長変換部と前記基材とが前記接合部を介して接合されたことにより、前記反射面と前記第２面との間の一部に空気層が設けられ、
   前記接合部は、前記基材と前記波長変換部と前記接合部とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部を有し、
   前記第１面のうち、前記空気層に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする波長変換素子。
2. 前記接合部は、前記反射面と前記第２面との間の間隔を保持する保持部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 反射面を有する円形の基材と、
   第１の波長帯の励起光が入射する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記励起光を前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の蛍光に波長変換する円環状の波長変換部と、
   前記波長変換部と前記基材とを接合する接合部と、
   を備え、
   前記反射面と前記第２面とが互いに離間した状態で、前記波長変換部と前記基材とが前記接合部を介して接合されたことにより、前記反射面と前記第２面との間の一部に空気層が設けられ、
   前記第１面のうち、前記空気層に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされており、
   前記接合部は、前記励起光の入射領域よりも前記波長変換部の内周側の領域において前記反射面と前記第２面との間に挟持される第１の接合部と、前記励起光の入射領域よりも前記波長変換部の外周側の領域において前記反射面と前記第２面との間に挟持される第２の接合部と、を含む
   ことを特徴とする波長変換素子。
4. 前記接合部は、前記波長変換部と前記基材との間に挟持されることで、前記反射面と前記第２面との間の間隔を保持する保持部材を含むことを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子。
5. 前記接合部は、前記基材と前記波長変換部と前記接合部とによって囲まれた空間と外部空間とを連通させる開口部を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の波長変換素子。
6. 前記波長変換部は、波長変換層と、前記波長変換層の前記反射面と対向する面に設けられた誘電体多層膜と、を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 請求項１から請求項６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照明装置。
8. 前記波長変換素子は、回転軸の周りに回転可能とされ、
   前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えたことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 請求項７または請求項８に記載の照明装置と、
   前記照明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、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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