CN107765499A - 波长转换元件、光源装置和投影仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供波长转换元件、光源装置和投影仪。提供实现了荧光体的高效的发光、以及抑制了温度劣化的波长转换元件。波长转换元件(40)具有:基材(41);和荧光体层(42),其含有通过激励光入射而发出荧光的荧光体,设置于基材(41),荧光体层(42)具有激励光(蓝色光(E))入射的第1面(42i)和与基材(41)相对的第2面(2e),在第1面(42i)至第2面(42e)之间具有激励光的吸收系数不同的多个区域。
Description
技术领域
本发明涉及波长转换元件、光源装置和投影仪。
背景技术
以往,已知有下述这样的投影仪:根据图像信息,对从光源装置射出的光进行调制,将图像投影到屏幕等投影面上。近年来,提出了在该投影仪用的光源装置中使用荧光体的技术(例如,参照专利文献1)。
专利文献1所述的光源装置具有:固体光源;荧光体层,其包含荧光体,该荧光体被来自固体光源的激励光激励而发出波长比固体光源的发光波长更长的荧光;以及散热基板,其设置在荧光体层的与入射激励光的一侧的面相反的面侧。并且,专利文献1所述的光源装置构成为使用设置于荧光体层和散热基板之间的反射面的反射来取出荧光。
专利文献1:日本特开2011-129354号公报
然而,专利文献1所述的技术被认为难以高效地对伴随激励光的吸收的荧光体层发热进行散热。即,在专利文献1所述的技术中,激励光的大部分被荧光体层的入射侧(荧光体层的与散热基板相反的一侧)吸收,激励光越前进(越接近散热基板),则荧光体层的吸收量越少,因此,越远离散热基板,荧光体层的发热变得越强。由此,可以认为,对于散热基板的热阻较大,散热性较差。当荧光体层的发热明显时,存在这样的可能性:伴随着荧光体的温度上升而出现发光效率降低的现象(温度猝灭)、因此难以射出高亮度的光,以及荧光体层与散热基板的接合部等发生劣化。
发明内容
本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的,可以作为以下的方式或应用例来实现。
[应用例1]
本应用例的波长转换元件的特征在于,具有:基材;和荧光体层,其含有通过射入激励光而发出荧光的荧光体,设置于所述基材,所述荧光体层具有所述激励光入射的第1面以及与所述基材相对的第2面,在所述第1面至所述第2面之间具有所述激励光的吸收系数不同的多个区域。
根据该结构,波长转换元件具有基材和荧光体层,荧光体层具有激励光的吸收系数不同的多个区域。由此,能够形成如下这样的结构:与以吸收系数大致均匀的方式形成的荧光体层相比,在各区域高效地吸收激励光,将伴随激励光吸收的荧光体层的发热高效地传递至基材,提高散热性。由此,能够提供如下这样的波长转换元件:抑制了由于荧光体的分子彼此的相互作用加强而导致发光效率降低的现象(浓度猝灭)、由于能够抑制温度猝灭而实现了荧光体的高效发光、以及抑制了温度劣化。
[应用例2]
在所述应用例的波长转换元件中,优选的是,所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,所述第2区域的所述激励光的吸收量多于所述第1区域的所述激励光的吸收量。
根据该结构,荧光体层形成为:设置于比第1区域更接近基材的位置的第2区域的吸收量多于第1区域的吸收量。由此,能够将由于更多地吸收激励光而更发热的第2区域的热高效地传递至基材。由此,能够进行荧光体层的高效散热,因此,能够提供抑制了温度猝灭以及温度劣化的波长转换元件。
[应用例3]
在所述应用例的波长转换元件中,优选的是,所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,所述第2区域的所述激励光的吸收量与所述第1区域的所述激励光的吸收量同等。
在此,同等是指,不限定于完全相等,而包含波长转换元件的制造中的误差以及规定的误差(例如,±10%的误差等)的差。
根据该结构,第2区域的吸收量形成为与第1区域的吸收量大致相等。由此,能够使第1区域的发热与第2区域的发热成为相同程度,因此,第1区域和第2区域的热朝向基材的传递也良好,能够进行荧光体层的高效散热。
此外,当吸收系数较小时,发光量降低,当吸收系数过大时,会发生浓度猝灭,因此,优选的是,以发光量良好且能够进一步抑制浓度猝灭的吸收系数来形成荧光体层。根据该结构,第2区域的吸收量形成为与第1区域的吸收量大致相等,因此,能够实现荧光体层的高效散热,并且,能够使第1区域和第2区域的吸收系数接近期望的吸收系数的范围。由此,波长转换元件能够实现更高效的发光。
[应用例4]
在所述应用例的波长转换元件中,优选的是,所述第2区域的所述吸收系数大于所述第1区域的所述吸收系数。
根据该结构,第2区域的吸收系数形成得大于第1区域的吸收系数,因此,相比于第1区域和第2区域的吸收系数相同的结构,即使将第2区域的厚度形成得较薄,也能够构成上述的第2区域的吸收量与第1区域的吸收量之间的关系。由此,由于可以将荧光体层的厚度形成得较薄而能够实现荧光体层的散热性的进一步提高。
[应用例5]
在所述应用例的波长转换元件中,优选的是,所述基材具有与所述第2面相对的反射部。
根据该结构,由于具有所述反射部,因此,能够使从荧光体层的与基材相反的一侧入射的激励光所激励的光朝向激励光侧射出,能够提供起到上述效果的波长转换元件。
[应用例6]
本应用例的波长转换元件的特征在于,具有:基材;和荧光体层,其含有通过射入激励光而发出荧光的荧光体,设置于所述基材,所述基材是透过所述激励光的部件,所述激励光从所述基材侧入射到所述荧光体层,所述荧光体层在所述基材侧的面至与所述基材相反的一侧的面之间具有所述激励光的吸收系数不同的多个区域。
根据该结构,由于基材使激励光透过,因此,能够使从基材的与荧光体层相反的一侧入射的激励光所激励的光朝向荧光体层的与基材相反的一侧射出,能够提供起到上述效果的波长转换元件。
[应用例7]
在所述应用例的波长转换元件中,优选的是,所述基材具有与所述第2面相对的反射部,所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,所述第2区域的所述吸收系数大于所述第1区域的所述吸收系数。
根据该结构,由于波长转换元件具有所述反射部,因此,能够使从荧光体层的与基材相反的一侧、即从第1区域侧朝向第2区域侧入射的激励光所激励的光朝向激励光侧射出。
此外,如果吸收系数较大,则对于较大光密度的激励光,发光效率降低,但是,由于第1区域的吸收系数较小,因此,能够实现良好的发光效率。此外,通过第1区域而光密度降低的激励光入射到吸收系数较大的第2区域,第2区域的荧光体被朝向反射部的激励光以及被反射部反射后的激励光激励,因此,在第2区域也能够实现良好的发光效率。进而,荧光体层激励的光从吸收系数较小的第1区域射出,因此,行进不易受到阻碍。由此,能够提供对于较大光密度的激励光提高了发光效率的波长转换元件。
[应用例8]
本应用例的光源装置的特征在于具有:发光部,其射出激励光;和上述任意一项所述的波长转换元件。
根据该结构,由于光源装置具有所述波长转换元件,因此,能够有效地使用从发光部发出的激励光射出高亮度的光。此外,由于光源装置具有抑制了温度劣化的波长转换元件,因此,能够实现长寿命化。
[应用例9]
本应用例的投影仪的特征在于,具有:上述的光源装置;光调制装置,其对从所述光源装置射出的光进行调制;以及投影光学装置,其投射由所述光调制装置调制后的光。
根据该结构,投影仪具有所述光源装置,因此,能够长期进行明亮的图像的投影。
附图说明
图1是示出第1实施方式的投影仪的光学系统的示意图。
图2是第1实施方式的波长转换元件的俯视图。
图3是第1实施方式的波长转换元件的局部剖视图。
图4是示出第1实施方式的荧光体层的各区域的Ce浓度、激励光的吸收系数α、吸收量H、透过光量I和各区域的厚度T的曲线图。
图5是示出Ce浓度与吸收系数α的关系的曲线图。
图6是示出Ce浓度与内部量子效率的关系的曲线图。
图7是用于仿真的模型的示意图。
图8是用于仿真的模型的示意图。
图9是第2实施方式的波长转换元件的局部剖视图。
图10是示出第2实施方式的荧光体层的各区域的Ce浓度、激励光的吸收系数α、吸收量H、透过光量I和各区域的厚度T的曲线图。
图11是用于仿真的模型的示意图。
图12是第3实施方式的波长转换元件的局部剖视图。
图13是示出激励光的光密度与荧光体层的发光量的关系的曲线图。
图14是示出第4实施方式的投影仪的光学系统的示意图。
图15是第4实施方式的波长转换元件的局部剖视图。
图16是变形例的波长转换元件的局部剖视图。
图17是变形例的波长转换元件的局部剖视图。
标号说明
1,11:投影仪;10,13:发光部;40,50,61,80,1000,2000:波长转换元件;41,62,1010,2100:基材;41R:反射膜(反射部);42,52,63,82,1030,2300:荧光体层;101,105:光源装置;400R,400G,400B:光调制装置;421,521,631,821,1031:第1区域;422,522,632,822,1032:第2区域;600:投影光学装置。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式的投影仪根据图像信息对从光源射出的光进行调制,将图像投影到屏幕等投影面上。另外,在以下所示的各图中,在附图上将各构成要素形成为能够识别的程度的大小,因此,适当地使各构成要素的尺寸、比例与实际不同。
(第1实施方式)
图1是示出本实施方式的投影仪1的光学系统的示意图。
如图1所示,投影仪1具有照明装置100、色分离导光光学系统200、光调制装置400R、400G、400B、十字分色棱镜500、以及投影光学系统600。
照明装置100具有第1光源装置101、第2光源装置102、二向色镜103、第1透镜阵列120、第2透镜阵列130、偏振转换元件140、以及重叠透镜150。
第1光源装置101具有第1发光部10、准直光学系统70、准直聚光光学系统90、以及波长转换装置30。
第1发光部10具有半导体激光器,射出作为激励光的蓝色光E(发光强度的峰值:大约445nm)。第1发光部10可以由1个半导体激光器构成,也可以由多个半导体激光器构成。并且,第1发光部10也可以使用射出发光强度的峰值为445nm以外的波长(例如460nm)的蓝色光的半导体激光器。
准直光学系统70具有第1透镜72和第2透镜74,将从第1发光部10射出的光大致平行化。
二向色镜103具有对蓝色光E进行反射并使包含红色光和绿色光的黄色光Y通过的功能。二向色镜103被配置成相对于第1发光部10的光轴具有45度的角度,对从第1发光部10射出而通过准直光学系统70的蓝色光E进行反射。
准直聚光光学系统90具有第1透镜92和第2透镜94。准直聚光光学系统90具有使被二向色镜103反射的蓝色光E聚集在波长转换装置30的后述的荧光体层42的功能、以及将从荧光体层42射出的光大致平行化的功能。
波长转换装置30具有波长转换元件40和马达35。
图2是波长转换元件40的俯视图。
如图1、图2所示,波长转换元件40具有形成为圆板状的基材41和荧光体层42,荧光体层42设置于基材41的一方的面侧。
基材41例如由铝、铜等散热性优异的金属制部件形成,构成为能够借助马达35进行旋转。此外,在基材41上,在准直聚光光学系统90侧设有反射部(反射膜41R)。另外,基材41不限于金属制,也可以使用例如陶瓷等无机材料等。
荧光体层42形成为含有例如YAG系的荧光体(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce,在反射膜41R上呈环状地层叠。荧光体层42被由准直聚光光学系统90聚光后的蓝色光E(激励光)激励而发出包含红色光和绿色光的黄色光Y(荧光)。波长转换元件40利用反射膜41R将激励的黄色光Y向准直聚光光学系统90侧进行反射。这样,波长转换元件40具备具有反射膜41R的基材41,构成为所谓的反射型波长转换元件。
在后面进行详细说明,荧光体层42构成为具有Ce浓度不同的多个区域,散热性以及发光效率良好。
如图1所示,第2光源装置102配置在二向色镜103的与准直光学系统70相反的一侧。第2光源装置102具有第2发光部710、聚光光学系统760、散射板732、以及准直光学系统770。
第2发光部710构成为具有与第1发光部10相同的半导体激光器,射出蓝色光B。
聚光光学系统760具有第1透镜762和第2透镜764,将从第2发光部710射出的蓝色光B向散射板732大致聚光。
散射板732以使入射的蓝色光B成为与从波长转换元件40射出的黄色光Y的配光分布相似的配光分布的方式进行散射。例如,可以使用磨砂玻璃(光学玻璃)作为散射板732。
准直光学系统770具有第1透镜772和第2透镜774,将来自散射板732的光大致平行化。
准直光学系统770平行化后的光被二向色镜103向与准直聚光光学系统90相反的一侧反射。
从第1光源装置101射出的黄色光Y透过二向色镜103,与从第2光源装置102射出而被二向色镜103反射后的蓝色光B进行合成,作为白色光W向第1透镜阵列120射出。
第1透镜阵列120、第2透镜阵列130和重叠透镜150构成积分光学系统。具体而言,第1透镜阵列120具有多个第1小透镜122,该多个第1小透镜122用于将来自二向色镜103的光分割为多个部分光束。多个第1小透镜122在与照明光轴100的光轴100ax正交的平面内排列为矩阵状。
第2透镜阵列130具有与第1透镜阵列120的多个第1小透镜122对应的多个第2小透镜132。第2透镜阵列130与重叠透镜150一同使第1透镜阵列120的各第1小透镜122的像在光调制装置400R、400G、400B的图像形成区域成像。
偏振转换元件140使从第2镜头阵列130射出的随机光统一成光调制装置400R、400G、400B可使用的大致一种偏振光。
色分离导光光学系统200具有二向色镜210、220、反射镜230、240、250以及中继透镜260、270。色分离导光光学系统200将从照明装置100射出的白色光W分离为红色光R、绿色光G、以及蓝色光B,分别向与红色光R、绿色光G、以及蓝色光B对应的光调制装置400R、400G、400B进行导光。并且,在色分离导光光学系统200与光调制装置400R、400G、400B之间配置有场镜300R,300G,300B。
虽然省略详细的图示,光调制装置400R、400G、400B分别具有液晶面板以及入射侧偏振板、射出侧偏振板,所述入射侧偏振板、射出侧偏振板分别配置在液晶面板的光入射侧、光射出侧。并且,光调制装置400R、400G、400B根据图像信息对入射的色光进行调制而形成与各色光对应的图像。
十字分色棱镜500呈通过将4个直角棱镜贴合起来而形成的、俯视时大致正方形状,在直角棱镜彼此贴合的大致X字状的界面上形成有电介质多层膜。十字分色棱镜500对从各光调制装置400R、400G、400B射出的各色光的图像光进行合成。
投影光学装置600构成为具有多个透镜(省略图示),投影光学装置600将由十字分色棱镜500合成后的图像光作为彩色图像而在屏幕等投影面SCR上进行放大投影。
[波长转换元件的结构]
在此,对波长转换元件40进行详细说明。
图3是波长转换元件40的局部剖视图,并且是示出荧光体层42的结构的一例的图。
如上所述,波长转换元件40在基材41的反射膜41R上设有荧光体层42。
可以使用通过将荧光体形成为块状或单结晶状而得到的产物、或者、通过利用无机材料(低熔点玻璃、透光性陶瓷等)或透光性树脂将荧光体粒子形成为粘合状而得到的产物等作为荧光体层42。
在本实施方式中,通过在层叠Ce浓度不同的原料粉末的状态下成型、脱脂、烧结而形成荧光体层42。如图3所示,荧光体层42具有蓝色光E(激励光)入射的第1面42i、以及与基材41(反射膜41R)相对的第2面42e。并且,在荧光体层42的第1面42i至第2面42e之间具有Ce浓度不同的多个区域。具体而言,如图3所示,荧光体层42具有设置于最靠蓝色光E(激励光)入射侧的第1区域421、设置于第1区域421的基材41侧的第2区域422、以及设置于第1区域421和第2区域422之间的第3区域423。
图4是示出荧光体层42的各区域的Ce浓度、激励光的吸收系数α、吸收量H、透过光量I和各区域的厚度T的曲线图。具体而言,图4是示出基于在改变了Ce浓度、以及含有荧光体的层的厚度的样本中测定透过光量I而得到的实验结果的仿真结果的曲线图,其中,吸收系数α是根据式(1)计算出的。
I=I0exp(-αx)···(1)
在此,设I0为激励光的光量,x为含有荧光体的层的厚度。
荧光体层42的各区域的Ce浓度以越接近基材41则越高的方式形成。
具体而言,荧光体层42的Ce浓度在第1区域421形成为大约0.03mol%,在第3区域423形成为大约0.2mol%,在第2区域422形成为大约1.0mol%。此外,荧光体层42的第1区域421和第3区域423的厚度T同等,第2区域422的厚度T是第1区域421的厚度T的大约1.5倍,总厚度形成为大约210μm。
并且,如图4所示,荧光体层42的各区域的吸收系数α和吸收量H越接近基材41则越大。具体而言,荧光体层42的第1区域421的吸收系数α为大约3mm-1,第2区域422的吸收系数α为大约27mm-1。此外,Ce浓度越高,则吸收系数α越大,Ce浓度与吸收系数α具有正的相关关系。并且,所述数值示出了一例,不限于该数值。
这样,荧光体层42具有吸收系数α不同的多个区域(第1区域421、第2区域422、以及第3区域423),设置于第1区域421的基材41侧的第2区域422的吸收系数α形成得比第1区域421的吸收系数α大。
图5是示出Ce浓度与吸收系数α的关系的曲线图,是使用所述实验结果和式(1)求出的曲线图。图6是示出Ce浓度与内部量子效率的关系的曲线图,示出使用测量仪测定的结果。
如图5所示,Ce浓度越高,则吸收系数α越大,在Ce浓度为1.0mol%以上时,Ce浓度的增加减缓。此外,如图6所示,在Ce浓度为1.5mol%时,内部量子效率由于浓度猝灭而显著降低。根据上述结果,优选的是,荧光体层42所使用的Ce浓度在1.0mol%以下。
此外,如图4所示,荧光体层42形成为:第2区域422的吸收量H多于第1区域421的吸收量H,此外,越是接近基材41的区域,吸收量H越多。
与本实施方式的结构不同,在Ce浓度形成得大致均匀的现有技术的结构中,入射到荧光体层的大部分激励光在入射侧被吸收得最多,激励光越前进(越接近基材侧),则吸收量越减少。由此,荧光体层越远离基材,则发热量越大,对基材的热阻较大。
另一方面,根据本实施方式的结构,由于荧光体层42的、接近基材41的第2区域422的吸收量H较多,因此,该第2区域422的发热量变大。即,对基材41的热阻较小,经由基材41的散热良好。
在此,将上述的具有第1区域421和第2区域422的结构的散热性良好的情况与现有技术的结构相比,叙述其仿真结果。
图7、图8是使用该仿真的模型的示意图。具体而言,图7是具有荧光体层42A的波长转换元件40A的局部剖视图,所述荧光体层42A具有Ce浓度(吸收系数α)不同的两个区域,并且,图7是示出不具有本实施方式的波长转换元件40(参照图3)的第3区域423的结构的图。此外,波长转换元件40A具有与波长转换元件40的第1区域421以及第2区域422同样地形成的第1区域421A和第2区域422A。即,波长转换元件40A是如下这样的模型:第1区域421A的Ce浓度被设定为0.03mol%(吸收系数α为3mm-1),第2区域422A的Ce浓度被设定为1.0mol%(吸收系数α为27mm-1),第2区域422A的吸收量H被设定得多于第1区域421A的吸收量H。
图8是现有技术的结构的波长转换元件900的局部剖视图,是具有荧光体层910的模型,所述荧光体层910的Ce浓度均匀地形成为1.0mol%(吸收系数α为27mm-1)。
此外,用于仿真的模型在基材41使用了厚度1mm、外径100mm的铝。在荧光体层42A、910中,设定为外径65mm、内径55mm的环状。并且,荧光体层42A的厚度和荧光体层910的厚度分别被设定为200μm,在荧光体层42A中,第1区域421A和第2区域422A的厚度分别被设定为100μm。
并且,在对该模型照射光密度为20W/mm2的激励光K的情况下,得到了以下的仿真结果。即,在波长转换元件900中,荧光体层910的表面温度为大约171度,在波长转换元件40A中,荧光体层42A的表面温度为大约113度。即,得到了如下结果:在用于仿真的模型中,波长转换元件40A的散热性比波长转换元件900的散热性提高了大约60度。即,得到了荧光体层42A的散热性提高的结果。
本实施方式的波长转换元件40是相对于用于仿真的模型具有第3区域423的结构,但是,在设置于接近基材41的位置的第2区域422的吸收量H较多的结构上没有变化,与现有技术的结构相比,散热性提高。
如以上说明的那样,根据本实施方式的结构,能够获得以下效果。
(1)荧光体层42形成为:设置于比第1区域421更接近基材41的位置的第2区域422的吸收量H多于第1区域421的吸收量H。由此,能够将由于更多地吸收激励光而更加发热的第2区域422的热高效地传递至基材41。由此,能够进行荧光体层42的高效的散热,因此,能够提供抑制了温度猝灭以及温度劣化的波长转换元件40。因此,波长转换元件40能够进行高效的发光,并且,例如能够抑制荧光体层42的变色和破损(特别是,在借助树脂将荧光体粘合而成的结构中的树脂的老化等)、相对于基材41的剥离、以及反射膜41R的反射率降低等。
(2)第2区域422的吸收系数α形成得大于第1区域421的吸收系数α,因此,可以构成为:相比于第1区域421和第2区域422的吸收系数α相同的结构,即使将第2区域422的厚度形成得较薄,第2区域422的吸收量H也多于第1区域421的吸收量H。由此,由于可以将荧光体层42的厚度形成得较薄,能够实现荧光体层42的散热性的进一步提高。
(3)波长转换元件40具有设置于基材41与荧光体层42之间的反射膜41R,因此,能够使得从荧光体层42的与基材41相反的一侧入射的激励光所激励的光朝向激励光侧射出。
(4)第1光源装置101具有波长转换元件40,因此,能够有效地利用从第1发光部10发出的激励光而射出高亮度的光(黄色光Y)。此外,由于第1光源装置101具有抑制了温度劣化的波长转换元件40,因此,能够实现长寿命化。
(5)投影仪1具有第1光源装置101,因此,能够长期进行明亮的图像的投影。
(第2实施方式)
以下,参照附图对第2实施方式的波长转换元件50进行说明。在以下的说明中,对与第1实施方式相同的构成要素标记相同的标号,并省略或简化其详细的说明。
本实施方式的波长转换元件50具有与第1实施方式的波长转换元件40的荧光体层42不同的荧光体层52。
图9是本实施方式的波长转换元件50的局部剖视图。图10是示出荧光体层52的各区域的Ce浓度、激励光的吸收系数α、吸收量H、透过光量I和各区域的厚度T的曲线图,与图4所示的曲线图同样,是通过仿真而求出的曲线图。
如图9所示,荧光体层52与荧光体层42同样,具有Ce浓度(吸收系数α)不同的多个区域。具体而言,荧光体层52具有设置于最靠蓝色光E(激励光)入射侧的第1区域521、设置于第1区域521的基材41侧的第2区域522、以及设置于第1区域521和第2区域522之间的第3区域523。
并且,第1实施方式的荧光体层42的各区域的吸收量H形成为越接近基材41则越大(参照图4),但是,如图10所示,本实施方式的荧光体层52的各区域的激励光的吸收量H形成为同等、即大致相等。并且,荧光体层52的各区域的激励光的吸收量H形成为处于第1实施方式的荧光体层42的第1区域421的吸收量H与第2区域422的吸收量H的大致中间。此外,荧光体层52的各区域的厚度T大致同等,总厚度形成为大约210μm。
在此,将具有形成为吸收量H同等的第1区域521和第2区域522的结构的散热性良好的情况与现有技术的结构进行比较,叙述其仿真结果。
图11是使用该仿真的模型的示意图。具体而言,图11是具有荧光体层52A的波长转换元件50A的局部剖视图,所述荧光体层52A具有吸收量H同等的第1区域521A和第2区域522A这两个区域,并且,图11是示出不具有本实施方式的波长转换元件50(参照图9)的第3区域523的结构的图。在现有技术的结构中,使用了上述波长转换元件900(参照图8)。并且,荧光体层52A的第1区域521A和第2区域522A的厚度分别被设定为100μm。此外,以与在第1实施方式的仿真中叙述的条件同样地设定基材41的材质、形状、以及荧光体层52A、910的平面尺寸。
并且,在对该模型照射光密度为20W/mm2的激励光K的情况下,得到了以下的仿真结果。即,如上所述,波长转换元件900的荧光体层910的表面温度为大约171度,在波长转换元件50A中,荧光体层52A的表面温度为大约116度。即,得到了如下结果:在用于仿真的模型中,波长转换元件50A的散热性比波长转换元件900的散热性提高了大约55度。
本实施方式的波长转换元件50是具有三个区域的结构,但是,由于各个区域的吸收量H形成为同等,因此,朝向基材41的热传递也良好,与现有技术的结构相比,散热性提高。
此外,荧光体层52(参照图9)与第1实施方式的荧光体层42(参照图3)同样,各区域的Ce浓度形成为越接近基材41则越高。并且,与荧光体层42的各区域的Ce浓度相比,荧光体层52的第1区域521的Ce浓度形成得较高,第2区域522的Ce浓度形成得较低。具体而言,如图10所示,荧光体层52的Ce浓度在第1区域521中形成为大约0.07mol%,在第3区域523中形成为大约0.14mol%,在第2区域522中形成为大约0.5mol%。此外,在吸收系数α方面,本实施方式的荧光体层52与第1实施方式的荧光体层42相比,也是第1区域521的吸收系数α形成得较大(吸收系数α:大约5mm-1),第2区域522的吸收系数α形成得较小(吸收系数α:大约20mm-1)。并且,上述数值示出了一例,不限于该数值。
由于第1区域521的Ce浓度形成得高于荧光体层42的第1区域421的Ce浓度,因此,第1区域521的发光量多于第1区域421的发光量。
此外,荧光体层42的第2区域422的Ce浓度优选在1.0mol%以下。由此,虽然抑制了浓度猝灭,但还可能稍微地产生。与此相对,由于荧光体层52的第2区域522的Ce浓度为0.5mol%,因此,相比于Ce浓度为1.0mol%的情况,进一步抑制了浓度猝灭。
这样,关于本实施方式的波长转换元件50的荧光体层52,Ce浓度形成在比第1实施方式的荧光体层42小的范围内,即,形成在发光量更高效、浓度猝灭得到进一步抑制的范围内。
如以上说明的那样,根据本实施方式的结构,能够获得以下效果。
(1)荧光体层52的各区域的激励光的吸收量H形成得大致相等。由此,能够使各区域的发热成为相同程度,因此,荧光体层52的朝向基材41的热传递也良好,能够进行荧光体层52的高效散热。
(2)第2区域522的Ce浓度形成得高于第1区域521的Ce浓度,因此,可以构成为:相比于第1区域521和第2区域522的Ce浓度相同的结构,即使将第2区域522的厚度形成得较薄,第1区域521的吸收量H也与第2区域522的吸收量H同等。由此,可以将荧光体层52的厚度形成得较薄,能够实现荧光体层52的散热性的进一步提高。
(3)关于波长转换元件50,荧光体层52的各区域的Ce浓度形成在发光量更高效、浓度猝灭得到进一步抑制的范围内,因此,能够实现更高效的发光。
(第3实施方式)
以下,参照附图对第3实施方式的波长转换元件80进行说明。
图12是本实施方式的波长转换元件80的局部剖视图。
如图12所示,本实施方式的波长转换元件80具有与第1实施方式、第2实施方式所示的荧光体层42、52不同的荧光体层82。并且,波长转换元件80与波长转换元件40、50同样,具有设置于基材41与荧光体层82之间的反射膜41R。
荧光体层82具有Ce浓度(吸收系数α)不同的第1区域821和第2区域822。第1区域821设置于荧光体层82的蓝色光E(激励光)入射的一侧,第2区域822设置于第1区域821的基材41侧。并且,荧光体层82的第2区域822的Ce浓度形成得高于第1区域821的Ce浓度。即,荧光体层82的第2区域822的吸收系数α形成得大于第1区域821的吸收系数α。
具体而言,本实施方式的荧光体层82的第1区域821的Ce浓度形成为大约0.4mol%,第2区域822的Ce浓度形成为0.8mol%。该数值示出了一例,不限于该数值,但是,如上所述,当Ce浓度超过1.0mol%时,内部量子效率降低,因此,第2区域的Ce浓度优选不超过1.0mol%的值。
图13是根据实验结果而求出激励光的光密度(激励光密度)与荧光体层的发光量的关系的曲线图,是比较本实施方式的波长转换元件80和现有技术的结构的波长转换元件900(参照图8)而得到的曲线图。
波长转换元件900具有将荧光体粒子大致均匀地分散在折射率大约1.5的玻璃粘合剂中而成的荧光体层910。此外,图13是例示出构成为玻璃粘合剂中的荧光体的Ce浓度较低的第1区域821与Ce浓度较高的第2区域822这两者的厚度不同的两种荧光体层82、并例示出Ce浓度不同的两种波长转换元件900的荧光体层910(参照图8)的曲线图。
具体而言,作为两种荧光体层82,例示出第1区域821和第2区域822的厚度在玻璃粘合剂分别干燥之前的状态下形成为大约120μm的荧光体层(在图13中,示为“82A(低浓度、中厚+高浓度、中厚)”)、以及第1区域821的厚度形成为大约60μm、第2区域822的厚度形成为大约180μm的荧光体层(在图13中,示为“82B(低浓度、薄膜+高浓度、厚膜)”)。另一方面,作为现有技术的波长转换元件900的荧光体层910,例示出Ce浓度大约0.4mol%、厚度大约240μm的荧光体层(在图13中,示为“910A(低浓度均匀)”)、以及Ce浓度大约0.8mol%、厚度大约240μm的荧光体层910(在图13中,示为“910B(高浓度均匀)”)。即,以同等的条件来设定4种荧光体层(荧光体层82A、82B、910A、910B)的厚度。
如图13所示,荧光体层82A、82B、910A、910B具有如下特性:当激励光密度增大时,发光量降低。另外,关于投影仪,期望进行更明亮的图像的投影,例如使用发出激励光密度较大的50W/mm2左右的激励光的发光部。如图13所示,具有如下特性:在激励光密度超过30W/mm2的情况下,本实施方式的波长转换元件80(图13的82A、82B)的发光量具有大于现有技术的波长转换元件900(图13的910A、910B)的发光量的特性。即,对于激励光密度较大的光密度的激励光,即使第1区域821、第2区域822的厚度如上所述那样不同,只要将第2区域822的Ce浓度形成得高于第1区域821的Ce浓度,则发光量比Ce浓度形成得大致均匀的荧光体层910A、910B大。
可以认为本实施方式的波长转换元件80的发光量大于现有技术的波长转换元件900的发光量的原因如下。
即,如果Ce浓度较高(吸收系数α较大),则对于较大光密度的激励光,发光效率降低,如果Ce浓度较低(吸收系数α较小),则对于较大光密度的激励光,发光效率不会降低。因此,激励光所入射的第1区域821的Ce浓度较低,因此,吸收较大光密度的激励光的一部分,能够实现良好的发光效率。此外,通过第1区域821而光密度降低的激励光入射到Ce浓度较高的第2区域822,因此,在第2区域822中也能够实现良好的发光效率。进而,荧光体层82激励的光从Ce浓度较低的第1区域821射出,因此,可以认为吸收不易受到Ce的阻碍。由此,可以认为对于较大光密度的激励光,本实施方式的波长转换元件80的发光量大于Ce浓度形成得大致均匀的现有技术的波长转换元件900的发光量。
如以上说明的那样,根据本实施方式的结构,能够获得以下效果。
对于较大光密度的激励光,荧光体层82在第1区域821和第2区域822中高效地发光,因此,能够提供提高了发光效率的波长转换元件80。
具有该波长转换元件80的光源装置能够射出高亮度的光,具有该光源装置的投影仪能够投射明亮的图像。
(第4实施方式)
以下,参照附图对第4实施方式的投影仪11进行说明。
图14是示出本实施方式的投影仪11的光学系统的示意图。本实施方式的投影仪11具有与第1实施方式的投影仪1所具有的照明装置100不同的照明装置104。
相对于第1实施方式的照明装置100具有两个光源装置(第1光源装置101、第2光源装置102)的结构,如图14所示,照明装置104具有1个光源装置105。此外,照明装置104与第1实施方式的照明装置100同样地具有第1透镜阵列120、第2透镜阵列130、偏振转换元件140、以及重叠透镜150。
光源装置105具有发光部13、聚光光学系统75、波长转换装置60、以及准直光学系统95。
发光部13由与照明装置100的第1发光部10相同的半导体激光器构成,射出蓝色光B。
聚光光学系统75具有第1透镜76和第2透镜77,使从发光部13射出的蓝色光B朝向波长转换装置60的荧光体层63聚光。
波长转换装置60具有波长转换元件61和使波长转换元件61旋转的马达35。
波长转换元件61具有形成为圆板状的基材62、以及环状的荧光体层63,该环状的荧光体层63设置于基材62的与聚光光学系统75相反的一侧的面上。
基材62由使从发光部13射出的蓝色光B透过的部件、例如石英玻璃、石英、蓝宝石等形成。
从发光部13射出的蓝色光B透过基材62而入射到荧光体层63。荧光体层63使透过基材62后的蓝色光B的一部分透过,并吸收剩余部分而发出黄色光Y。即,从发光部13射出的蓝色光B还作为激励光发挥功能。并且,从荧光体层63射出的光形成白色光W,该白色光W是由蓝色光B和黄色光Y合成的。
这样,波长转换元件61构成为荧光体层63被透过基材62后的激励光激励的所谓的透过型。
准直光学系统95具有第1透镜96和第2透镜97,将从波长转换元件61射出的白色光W大致平行化。
从准直光学系统95射出的白色光W入射到第1透镜阵列120。第1透镜阵列120之后的光学系统与第1实施方式的光学系统同样地构成。
在此,对波长转换元件61进行详细说明。图15是波长转换元件61的局部剖视图。
如图15所示,荧光体层63在基材62侧的面和与基材62相反一侧的面之间具有Ce浓度(吸收系数α)不同的三个区域。具体而言,荧光体层63形成为从与基材62相反的一侧开始依次具有第1区域631、第3区域633和第2区域632,各区域的Ce浓度(吸收系数α)越接近基材62则越高。即,荧光体层63形成为:设置于第1区域631的基材62侧的第2区域632的吸收系数α大于第1区域631的吸收系数α。此外,荧光体层63形成为第2区域632的吸收量H大于第1区域631的吸收量H。
如以上说明的那样,根据本实施方式的结构,能够获得以下效果。
(1)波长转换元件61的基材62由使激励光透过的部件形成,因此,能够使从基材62的与荧光体层63相反的一侧入射的激励光所激励的光朝向荧光体层63的与基材62相反的一侧射出。
(2)荧光体层63形成为:设置于比第1区域631更接近基材62的位置的第2区域632的吸收量H多于第1区域631的吸收量H。由此,能够将由于更多地吸收激励光而更加发热的第2区域632的热高效地传递至基材62。由此,能够进行荧光体层63的高效散热,因此,能够提供抑制了温度猝灭以及温度劣化的波长转换元件61。
(3)第2区域632的吸收系数α形成得大于第1区域631的吸收系数α,因此,相比于第1区域631和第2区域632的吸收系数α相同的结构,即使将第2区域632的厚度形成得较薄,也可以构成为第2区域632的吸收量H也多于第1区域631的吸收量H。由此,由于可以将荧光体层63的厚度形成得较薄而能够实现荧光体层63的散热性的进一步提高。
并且,本发明不受上述实施方式限定,可以在上述实施方式中添加各种变更及改良等。以下,对变形例进行叙述。
(变形例1)
在上述实施方式中,例示出具有三个区域、以及两个区域作为Ce浓度(吸收系数α)不同的多个区域的结构,但是,只要具有所述的第1区域和第2区域,也可以是具有四个以上的区域的结构。例如,可以例示在第1区域与第2区域之间设置与第3区域不同的第4区域的结构、以及在第2区域与基材之间设置第4区域的结构等,作为具有四个区域的结构。此外,在该结构中,第4区域的吸收系数α可以大于或小于第2区域的吸收系数α。
此外,也可以构成为使第1区域与第2区域相邻,在第2区域与基材之间设置其它区域,利用三个以上的区域来构成荧光体层。该结构的情况下,其它区域的吸收系数α可以大于或小于第2区域的吸收系数α。
此外,设置于荧光体层的多个区域不限于吸收系数α阶段性地不同的结构,也可以是吸收系数α连续变化的结构。
(变形例2)
在上述实施方式中,通过改变Ce浓度而使各区域的吸收系数α不同,但是,也可以是通过改变Ce浓度以外的、例如荧光体的浓度而使各区域的吸收系数α不同的结构。
(变形例3)
图16是变形例的波长转换元件1000的局部剖视图。
如图16所示,波长转换元件1000具有基材1010、反射膜1020、以及荧光体层1030,其中,基材1010在激励光K所入射的一侧的面1010A具有凹部1011,反射膜1020沿凹部1011的内表面形成,荧光体层1030以掩埋凹部1011的方式设置于反射膜1020的内侧。
荧光体层1030从接近反射膜1020的一侧沿远离反射膜1020的方向具有吸收系数α不同的多个区域。具体而言,荧光体层1030具有距反射膜1020最远的第1区域1031、距反射膜1020最近的第2区域1032、以及设置于第1区域1031和第2区域1032之间的第3区域1033。并且,荧光体层1030形成为:越是接近反射膜1020的区域、即越是接近基材1010的区域,则吸收系数α越大。此外,荧光体层1030形成为:越是接近基材1010的区域,则吸收量H越多。
如图16所示,激励光K从面1010A侧入射到荧光体层1030。激励光K在接近荧光体层1030的面1010A部位入射到各区域,在接近凹部1011的底面的部位,按照第1区域1031、第3区域1033、第2区域1032的顺序行进。并且,利用在凹部1011的底面形成的反射膜1020上的光的散射、以及在凹部1011的侧面形成的反射膜1020的反射,从荧光体层1030射出黄色光Y。
这样,波长转换元件1000的荧光体层1030设置于基材1010的凹部1011,形成为越是接近基材1010的区域,则吸收量H越多,因此,除了凹部1011的底面部之外,从侧面部也能够将伴随激励光K的吸收的发热高效地传递至基材1010。由此,波长转换元件1000的散热性变得更良好。
(变形例4)
图17是另一变形例的波长转换元件2000的局部剖视图。
如图17所示,波长转换元件2000具有基材2100和荧光体层2300。基材2100具有:圆板状的第1基材2110;以及具有大于第1基材2110的外径的内径的第2基材2120。并且,在第1基材2110的外周面形成有反射膜2111,在第2基材2120的内周面形成有反射膜2121。荧光体层2300设置于反射膜2111和反射膜2121之间,反射膜2111形成在第1基材2110上,反射膜2121形成在第2基材2120上。激励光K(蓝色光)从基材2100的一方的面侧入射到荧光体层2300。荧光体层2300沿激励光的行进方向具有吸收系数α不同的多个区域。此外,多个区域具有吸收量H形成为同等的至少两个区域。
根据该结构,波长转换元件2000将伴随吸收激励光而发出的热高效地传递至基材2100,因此,能够实现高效的散热。
(变形例5)
上述实施方式的基材41形成为圆板状,但是,不限于圆板状,例如也可以是多边形状。此外,在上述实施方式中,构成为使基材41旋转,但是,也可以是基材41不旋转的结构。
(变形例6)
上述实施方式的投影仪使用了透过型的液晶面板作为光调制装置,但是,也可以是使用反射型的液晶面板的投影仪。此外,还可以使用微镜型的光调制装置、例如DMD(Digital Micromirror Device)等作为光调制装置。
(变形例7)
上述实施方式的光调制装置采用了使用与R光、G光和B光对应的三个光调制装置400R、400G、400B的所谓的3板方式,但是,不限于此,也可以采用单板方式,或者,还可以应用于具有两个或四个以上的光调制装置的投影仪。
Claims (10)
1.一种波长转换元件,其特征在于,所述波长转换元件具有:
基材;和
荧光体层,其含有通过射入激励光而发出荧光的荧光体,设置于所述基材,
所述荧光体层具有所述激励光入射的第1面以及与所述基材相对的第2面,在所述第1面至所述第2面之间具有所述激励光的吸收系数不同的多个区域。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件,其特征在于,
所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,
所述第2区域的所述激励光的吸收量多于所述第1区域的所述激励光的吸收量。
3.根据权利要求1所述的波长转换元件,其特征在于,
所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,
所述第2区域的所述激励光的吸收量与所述第1区域的所述激励光的吸收量同等。
4.根据权利要求2所述的波长转换元件,其特征在于,
所述第2区域的所述吸收系数大于所述第1区域的所述吸收系数。
5.根据权利要求3所述的波长转换元件,其特征在于,
所述第2区域的所述吸收系数大于所述第1区域的所述吸收系数。
6.根据权利要求1所述的波长转换元件,其特征在于,
所述基材具有与所述第2面相对的反射部。
7.一种波长转换元件,其特征在于,所述波长转换元件具有:
基材;和
荧光体层,其含有通过射入激励光而发出荧光的荧光体,设置于所述基材,
所述基材是透过所述激励光的部件,
所述激励光从所述基材侧入射到所述荧光体层,
所述荧光体层在所述基材侧的面至与所述基材相反的一侧的面之间具有所述激励光的吸收系数不同的多个区域。
8.根据权利要求1所述的波长转换元件,其特征在于,
所述基材具有与所述第2面相对的反射部,
所述多个区域具有第1区域和第2区域,所述第2区域设置于所述第1区域的所述基材侧,
所述第2区域的所述吸收系数大于所述第1区域的所述吸收系数。
9.一种光源装置,其特征在于,所述光源装置具有:
发光部,其射出激励光;和
权利要求1至8中的任一项所述的波长转换元件。
10.一种投影仪,其特征在于,所述投影仪具有:
权利要求9所述的光源装置;
光调制装置,其对从所述光源装置射出的光进行调制;以及
投影光学装置,其投射由所述光调制装置调制后的光。
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