CN112068390B - 波长转换元件、光源装置和投影仪 - Google Patents

波长转换元件、光源装置和投影仪 Download PDF

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Abstract

波长转换元件、光源装置和投影仪。提供波长转换元件，具有较高的散热性，发光效率较高。本发明的波长转换元件具有：波长转换层，其具有供第1波段的激励光入射的第1面和与第1面不同的第2面，将激励光转换为具有与所述第1波段不同的第2波段的荧光；以及基材，其设置成与第2面相对。基材具有：第1散热部，其设置成与第1面中的激励光的入射区域相对；以及第2散热部，该第2散热部在与第1面交叉的第1方向上的导热率比第1散热部低。

Description

波长转换元件、光源装置和投影仪
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
作为用于投影仪的光源装置，提出了利用在将从光源射出的激励光照射到荧光体时从荧光体发出的荧光的光源装置。当对荧光体照射激励光时，荧光体的温度由于吸收激励光而上升。但是，在荧光体中存在发光效率伴随温度上升而下降从而荧光发光量下降的称作温度淬灭的现象。
作为抑制温度淬灭的手段，提出了通过提高支承荧光体的基材的导热率来提高散热性的波长转换元件。在下述的专利文献1中，公开了一种散热基板作为支承荧光体层的散热基板，该散热基板由金属浸渍石墨构成，在一个面上设置有金属反射层，在另一个面上设置有用于促进散热的凹凸构造。
专利文献1：日本特开2013-69547号公报
一般而言，已知石墨类的碳材料具有优异的导热性。但是，存在如下课题：即使使用专利文献1所记载的由金属浸渍石墨构成的散热基板，也无法获得较高的散热性，难以抑制发光效率的下降。
发明内容
为了解决上述课题，本发明的一个方式的波长转换元件具有：波长转换层，其具有供第1波段的激励光入射的第1面、以及与所述第1面不同的第2面，将所述激励光转换为具有与所述第1波段不同的第2波段的荧光；以及基材，其设置成与所述第2面相对，所述基材具有：第1散热部，其设置成与所述第1面中的所述激励光的入射区域相对；以及第2散热部，该第2散热部在与所述第1面交叉的第1方向上的导热率比所述第1散热部低。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部设置成在与所述第1方向交叉的第2方向上与所述第2散热部抵接，所述第1散热部在所述第2方向上的导热率比所述第2散热部在所述第2方向上的导热率低。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第2散热部具有第1散热元件和第2散热元件，所述第1散热元件和所述第2散热元件沿着所述第2方向设置，所述第1散热部设置在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部在与所述第1方向及所述第2方向交叉的第3方向上的导热率比所述第2散热部在所述第3方向上的导热率高。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部在所述第3方向上的端部被所述第2散热部覆盖。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部在与所述第1方向及所述第2方向交叉的第3方向上的端部被保护部件覆盖，该保护部件设置在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部在所述第3方向上的导热率比所述第2散热部在所述第3方向上的导热率高。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述波长转换元件具有金属膜，该金属膜设置在所述第2面与所述第1散热部之间。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部包含石墨。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第1散热部包含金属。
在本发明的一个方式的波长转换元件中，也可以是，所述第2散热部包含金属。
本发明的一个方式的光源装置具有：本发明的一个方式的波长转换元件；以及光源，其沿着所述第1方向朝向所述波长转换元件射出所述激励光。
本发明的一个方式的投影仪具有：本发明的一个方式的光源装置；光调制装置，其根据图像信息对来自所述光源装置的光进行调制；以及投射光学装置，其投射由所述光调制装置调制后的光。
附图说明
图1是第1实施方式的投影仪的概略结构图。
图2是照明装置的概略结构图。
图3是波长转换元件的立体图。
图4是波长转换元件的剖视图。
图5是波长转换元件的俯视图。
图6是第2实施方式的波长转换元件的俯视图。
图7是第3实施方式的波长转换元件的俯视图。
图8是第1变形例的波长转换元件的剖视图。
图9是第1变形例的其他波长转换元件的剖视图。
图10是示出第1散热部的尺寸与荧光体表面的最高温度的关系的曲线图。
图11是第2变形例的波长转换元件的俯视图。
图12A是示出第2变形例的波长转换元件的制造工艺的一个工序的立体图。
图12B是示出图12A之后的工序的立体图。
图12C是示出图12B之后的工序的立体图。
图13是第3变形例的波长转换元件的俯视图。
图14是比较例的波长转换元件的立体图。
图15是示出比较例的波长转换元件中的石墨层的厚度与荧光体表面的最高温度的关系的曲线图。
标号说明
1：投影仪；2A：光源装置；4B、4G、4R：光调制装置；21A：阵列光源(光源)；40、50、55、60、65、68、70、80：波长转换元件；41、56、61、67、71、81：基材；42：波长转换层；42a：(波长转换层的)第1面；42b：(波长转换层的)第2面；42r：入射区域；51、57、62、72：第1散热部；52、58、63、73、82：第2散热部；52A、58A、63A、73A、82A：第1散热元件；52B、58B、63B、73B、82B：第2散热元件；83：保护部件；E：激励光；Y：荧光；W1：第1散热部的尺寸；W2：波长转换层的尺寸；W3：入射区域的大小。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，使用图1～图5对本发明的第1实施方式进行说明。
另外，在以下的各图中，为了容易观察各结构要素，有时按照结构要素使比例尺不同而示出。
对本实施方式的投影仪的一例进行说明。
图1是示出本实施方式的投影仪的概略结构的图。
如图1所示，本实施方式的投影仪1是在屏幕SCR上显示彩色影像的投射型图像显示装置。投影仪1具有照明装置2、颜色分离光学系统3、光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B、合成光学系统5和投射光学装置6。在后文说明照明装置2的结构。
颜色分离光学系统3具有第1分色镜7a、第2分色镜7b、反射镜8a、反射镜8b、反射镜8c、中继透镜9a和中继透镜9b。颜色分离光学系统3将从照明装置2射出的照明光WL分离为红色光LR、绿色光LG和蓝色光LB，将红色光LR引导至光调制装置4R，将绿色光LG引导至光调制装置4G，将蓝色光LB引导至光调制装置4B。
场透镜10R配置在颜色分离光学系统3与光调制装置4R之间，使所入射的光大致平行而朝光调制装置4R射出。场透镜10G配置在颜色分离光学系统3与光调制装置4G之间，使所入射的光大致平行而朝光调制装置4G射出。场透镜10B配置在颜色分离光学系统3与光调制装置4B之间，使所入射的光大致平行而朝光调制装置4B射出。
第1分色镜7a使红色光成分透过，使绿色光成分和蓝色光成分反射。第2分色镜7b使绿色光成分反射，使蓝色光成分透过。反射镜8a使红色光成分反射。反射镜8b和反射镜8c使蓝色光成分反射。
透过第1分色镜7a的红色光LR被反射镜8a反射，透过场透镜10R而入射到红色光用的光调制装置4R的图像形成区域。被第1分色镜7a反射后的绿色光LG被第2分色镜7b进一步反射，透过场透镜10G而入射到绿色光用的光调制装置4G的图像形成区域。透过第2分色镜7b的蓝色光LB经过中继透镜9a、入射侧的反射镜8b、中继透镜9b、射出侧的反射镜8c和场透镜10B而入射到蓝色光用的光调制装置4B的图像形成区域。
光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B分别根据图像信息调制所入射的色光，从而形成图像光。光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B分别由液晶光阀构成。虽然省略图示，但在光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B的光入射侧分别配置有入射侧偏振片。在光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B的光射出侧分别配置有射出侧偏振片。
合成光学系统5对从光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B射出的各图像光进行合成而形成全彩色的图像光。合成光学系统5由十字分色棱镜构成，该十字分色棱镜是将4个直角棱镜贴合在一起而得到的，俯视观察呈大致正方形。在将直角棱镜彼此贴合起来而形成的大致X字状的界面上形成有电介质多层膜。
从合成光学系统5射出的图像光被投射光学装置6放大投射，在屏幕SCR上形成图像。即，投射光学装置6投射由光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B调制后的光。投射光学装置6由多个投射透镜构成。
对本实施方式的照明装置2的一例进行说明。
图2是示出照明装置2的概略结构的图。
如图2所示，照明装置2具有光源装置2A、积分器光学系统31、偏振转换元件32和重叠透镜33a。积分器光学系统31和重叠透镜33a构成重叠光学系统33。
光源装置2A具有阵列光源21A、准直光学系统22、无焦光学系统23、第1相位差板28a、偏振分离元件25、第1会聚光学系统26、波长转换元件40、第2相位差板28b、第2会聚光学系统29和扩散反射元件30。
阵列光源21A、准直光学系统22、无焦光学系统23、第1相位差板28a、偏振分离元件25、第2相位差板28b、第2会聚光学系统29和扩散反射元件30依次排列配置在光轴ax1上。波长转换元件40、第1会聚光学系统26、偏振分离元件25、积分器光学系统31、偏振转换元件32和重叠透镜33a依次排列配置在照明光轴ax2上。光轴ax1与照明光轴ax2位于同一面内，彼此垂直。
阵列光源21A具有作为固体光源的多个半导体激光器211。多个半导体激光器211在与光轴ax1垂直的面内呈阵列状地排列配置。半导体激光器211射出第1波段的蓝色的光线BL、具体而言峰值波长例如为460nm的第1波段的激光。阵列光源21A射出由多个光线BL构成的光束。本实施方式的阵列光源21A相当于权利要求的“光源”。
从阵列光源21A射出的光线BL入射到准直光学系统22。准直光学系统22将从阵列光源21A射出的光线BL转换为平行光。准直光学系统22由呈阵列状地排列配置的多个准直透镜22a构成。多个准直透镜22a分别与多个半导体激光器211对应地配置。
通过了准直光学系统22的光线BL入射到无焦光学系统23。无焦光学系统23调整由光线BL构成的光束的粗细(直径)。无焦光学系统23例如由凸透镜23a和凹透镜23b构成。
通过了无焦光学系统23的光线BL入射到第1相位差板28a。第1相位差板28a例如为能够旋转的1/2波长板。从半导体激光器211射出的光线BL为直线偏振光。通过适当地设定第1相位差板28a的旋转角度，能够使透过第1相位差板28a的光线BL成为以规定比率包含针对偏振分离元件25的S偏振成分和P偏振成分的光线。通过使第1相位差板28a旋转，能够使S偏振成分与P偏振成分的比率发生变化。
包含通过第1相位差板28a而生成的S偏振成分和P偏振成分的光线BL入射到偏振分离元件25。偏振分离元件25例如由具有波长选择性的偏振分束器构成。偏振分离元件25与光轴ax1以及照明光轴ax2成45°的角度。
偏振分离元件25具有将光线BL分离为相对于偏振分离元件25的S偏振成分的光线BLs和P偏振成分的光线BLp的偏振分离功能。具体而言，偏振分离元件25使S偏振成分的光线BLs反射，使P偏振成分的光线BLp透过。并且，偏振分离元件25除了偏振分离功能以外，还具有无论偏振状态如何都使波段与蓝色的光线BL不同的黄色光成分透过的颜色分离功能。
从偏振分离元件25射出的S偏振的光线BLs入射到第1会聚光学系统26。第1会聚光学系统26使光线BLs朝向波长转换元件40会聚。第1会聚光学系统26由第1透镜26a和第2透镜26b构成。第1透镜26a和第2透镜26b由凸透镜构成。从第1会聚光学系统26射出的光线BLs在会聚至波长转换元件40的状态下入射。
波长转换元件40具有基材41、波长转换层42、反射层43和散热片44。在本实施方式中，波长转换层42由荧光体构成。在本实施方式中，作为波长转换元件40，使用不可利用例如马达等进行旋转的固定型波长转换元件。
波长转换层42借助接合材料(省略图示)保持于基材41。例如，使用纳米银烧结金属材料作为接合材料。波长转换层42将所入射的激励光的一部分转换为与激励光的第1波段不同的第2波段的荧光YL。此外，反射层43使从波长转换层42入射的光朝向第1会聚光学系统26反射。
散热片44具有多个翘片。散热片44设置成隔着基材41与波长转换层42相对。散热片44例如通过金属接合而固定在基材41上。在波长转换元件40中，能够经由散热片44散热，因此，能够防止波长转换层42的热劣化。在后文详细地说明波长转换元件40的结构。
由波长转换元件40生成的黄色的荧光YL在被第1会聚光学系统26平行化之后，入射到偏振分离元件25。如上所述，偏振分离元件25具有无论偏振状态如何都使黄色光成分透过的特性，因此，荧光YL透过偏振分离元件25。
另一方面，从偏振分离元件25射出的P偏振的光线BLp入射到第2相位差板28b。第2相位差板28b由1/4波长板构成，该1/4波长板配置在偏振分离元件25与扩散反射元件30之间的光路中。因此，从偏振分离元件25射出的P偏振的光线BLp在被第2相位差板28b转换为例如右旋的圆偏振的蓝色光BLc1之后，入射到第2会聚光学系统29。
第2会聚光学系统29由第1透镜29a和第2透镜29b构成。第1透镜29a和第2透镜29b由凸透镜构成。第2会聚光学系统29在使蓝色光BLc1会聚的状态下入射到扩散反射元件30。
扩散反射元件30配置在从偏振分离元件25射出的光线BLp的光路上，使从第2会聚光学系统29射出的蓝色光BLc1朝偏振分离元件25扩散反射。作为扩散反射元件30，优选使蓝色光BLc1进行朗伯特反射，并且不扰乱蓝色光BLc1的偏振状态。
以下，将被扩散反射元件30扩散反射后的光称作蓝色光BLc2。在本实施方式中，通过使蓝色光BLc1扩散反射，能够获得大致均匀的照度分布的蓝色光BLc2。例如，右旋的圆偏振的蓝色光BLc1被扩散反射元件30扩散反射，成为左旋的圆偏振的蓝色光BLc2。
蓝色光BLc2在被第2会聚光学系统29转换为平行光之后，再次入射到第2相位差板28b。左旋的圆偏振的蓝色光BLc2被第2相位差板28b转换为S偏振的蓝色光BLs1。S偏振的蓝色光BLs1被偏振分离元件25朝向积分器光学系统31反射。
由此，蓝色光BLs1与透过偏振分离元件25的荧光YL进行合成，被用作照明光WL。即，蓝色光BLs1和荧光YL从偏振分离元件25起朝向彼此相同的方向射出，生成对蓝色光BLs1与荧光(黄色光)YL进行合成而得到的白色的照明光WL。
照明光WL朝向积分器光学系统31射出。积分器光学系统31由第1透镜阵列31a和第2透镜阵列31b构成。第1透镜阵列31a和第2透镜阵列31b分别具有呈阵列状地排列多个透镜的结构。
透过了积分器光学系统31后的照明光WL入射到偏振转换元件32。偏振转换元件32具有偏振分离膜和相位差板。偏振转换元件32将包含非偏振的荧光YL的照明光WL转换为入射到光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B的直线偏振光。
透过了偏振转换元件32的照明光WL入射到重叠透镜33a。重叠透镜33a与积分器光学系统31协作而使被照明区域中的照明光WL的照度分布均匀。这样，照明装置2生成照明光WL。
以下，对波长转换元件40的结构进行说明。
图3是波长转换元件40的立体图。图4是沿着图3和图5的IV-IV线的波长转换元件40的剖视图。图5是波长转换元件40的俯视图。另外，在图3～图5中，省略散热片44的图示。
如图4所示，波长转换层42具有供激励光E入射的第1面42a、以及与第1面42a不同的第2面42b。此外，如图5所示，从与第1面42a垂直的方向观察时，波长转换层42具有矩形的形状。在本实施方式中，波长转换层42的第1面42a中的供激励光E入射的区域42r具有比波长转换层42的外形小的矩形的形状。
以下，将从与第1面42a垂直的方向观察波长转换元件40的情况称作俯视观察。此外，将波长转换层42的第1面42a上的供激励光E入射的区域42r定义为入射区域42r。此外，将与波长转换层42的第1面42a垂直的方向定义为X方向(第1方向)、与X方向垂直并且后述的第1散热元件、第1散热部以及第2散热元件排列的方向定义为Y方向(第2方向)、与X方向及Y方向垂直的方向定义为Z方向(第3方向)。
波长转换层42包含陶瓷荧光体，该陶瓷荧光体将激励光E转换成与激励光E的第1波段不同的第2波段的荧光YL。第2波段例如为490～750nm，荧光YL为包含绿色光成分和红色光成分的黄色光。另外，波长转换层42也可以包含单晶荧光体。
波长转换层42例如也可以包含钇/铝/石榴石(YAG)系荧光体。以含有铈(Ce)的YAG：Ce作为活化剂为例，作为波长转换层42，可以使用混合了包含Y2O3、Al2O3、CeO3等构成元素的原料粉末而进行固相反应后的材料、通过共沉淀法、溶胶凝胶法等湿式法获得的Y-Al-O无定形粒子、通过喷雾干燥法、火焰热解法和热等离子体法等气相法获得的YAG粒子等。
基材41设置成与波长转换层42的第2面42b相对。在波长转换层42的第2面42b与基材41之间设置有反射层43。基材41的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。基材41具有第1散热部51和第2散热部52。在本实施方式的情况下，第2散热部52具有第1散热元件52A和第2散热元件52B，第1散热部51沿着Y方向夹在第1散热元件52A与第2散热元件52B之间。第1散热部51设置成在Y方向上与第1散热元件52A抵接。第1散热部51设置成在Y方向上与第2散热元件52B抵接。此外，第1散热部51设置成与波长转换层42的第1面42a上的激励光E的入射区域42r的一部分相对。
在第1散热部51与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。波长转换层42的第2面42b与反射层43抵接。第1散热部51的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。同样地，在第1散热元件52A与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。第1散热元件52A的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。并且，同样地，在第2散热元件52B与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。第2散热元件52B的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。
第1散热部51与第2散热部52由相互不同的材料构成。第1散热部51由包含石墨的材料构成。此外，包含石墨的材料例如也可以如在石墨中浸渍有铜的铜石墨那样还包含金属。包含石墨的材料的导热率具有各向异性。另一方面，第2散热部52例如由包含铜、铝等金属的材料构成。包含这些金属的材料的导热率不具有各向异性。第1散热元件52A和第2散热元件52B由尺寸、材料、导热率等全部相同的金属材料构成。另外，第1散热元件52A和第2散热元件52B也可以由尺寸、材料、导热率等不同的材料构成。
石墨具有六边板状的晶体结构，具有多个层。在各层内，多个碳通过共价键牢固地结合，另一方面，相邻的2个层彼此通过范德华力较弱地结合。因此，石墨具有容易呈层状地剥离的性质。此外，关于导热率，各层内的导热率是均匀的而不依赖于方向，但是，各层内的导热率与相邻的2个层之间的导热率相互不同。即，石墨在各层内相互垂直的2个方向上具有相对较大的导热率，在层叠有多个层的方向上具有相对较小的导热率。这样，包含石墨的材料的导热率具有各向异性。
本实施方式的第1散热部51由包含配置成各层内相互垂直的2个方向对应于X方向和Z方向、层叠有多个层的方向对应于Y方向的石墨的材料构成。作为一例，石墨的X方向和Z方向上的导热率为大约1700W/m·K，石墨的Y方向上的导热率为大约7W/m·K。此外，铜石墨的X方向和Z方向上的导热率为大约650W/m·K，铜石墨的Y方向上的导热率为大约30W/m·K。
与此相对，构成第2散热部52的金属材料的导热率不具有各向异性，因此，第2散热部52在全部方向上具有相同的导热率。作为一例，铜的X方向、Y方向和Z方向上的导热率均为大约380W/m·K。
这样，第2散热部52的与波长转换层42的第1面42a垂直的X方向上的导热率比第1散热部51低。反过来说，第1散热部51的与波长转换层42的第1面42a垂直的X方向上的导热率比第2散热部52高。此外，第1散热部51的Y方向上的导热率比第2散热部52的Y方向上的导热率低。此外，第1散热部51的Z方向上的导热率比第2散热部52的Z方向上的导热率高。
在本实施方式的情况下，如图5所示，在从X方向观察的俯视观察时，第1散热部51的Y方向上的尺寸W1比波长转换层42的Y方向上的尺寸W2小，比入射区域42r的Y方向上的大小W3小。因此，在从X方向观察的俯视观察时，波长转换层42的一部分与第1散热部51重叠，并且入射区域42r的一部分与第1散热部51重叠。
本发明人在研究导热率较高的石墨作为支承波长转换层的基材的材料时，设想了以下所示的比较例的波长转换元件。
图14是比较例的波长转换元件140的立体图。
如图14所示，比较例的波长转换元件140具有波长转换层142、反射层143和基材141。此外，基材141具有石墨层144和铜层145。石墨层144层叠在铜层145的第1面145a上。即，比较例的波长转换元件140与本实施方式的波长转换元件40不同，沿着X方向并列地配置有石墨层144和铜层145。另外，石墨层144的X方向上的导热率为7W/m·K，石墨层144的Y方向和Z方向上的导热率为1700W/m·K。此外，铜层145的X方向、Y方向和Z方向上的导热率均为大约380W/m·K。
本发明人针对比较例的波长转换元件140进行了计算改变石墨层144的厚度时的波长转换层142的第1面142a的温度的仿真。第1面142a是供激励光入射的面。此外，将波长转换层42的第1面142a上的、供激励光入射的区域142r定义为入射区域142r。
作为仿真的条件，设波长转换层142的尺寸为1mm×1mm、波长转换层142的厚度为50μm、波长转换层142的材料为以Ce为活化剂的YAG陶瓷、YAG陶瓷的导热率为9W/m·K。此外，设激励光的入射区域142r的大小为0.8mm×0.8mm。此外，设激励光量为40W，从铜层145的第2面145b进行散热以使铜层145的第2面145b的温度以60℃保持恒定。
即，作为仿真的条件，波长转换层142的Y方向上的尺寸为1mm，波长转换层142的Z方向上的尺寸为1mm，波长转换层142的X方向上的尺寸为50μm。此外，激励光E的入射区域42r的Y方向和Z方向上的大小为0.8mm。
石墨层144的厚度如0mm、0.010mm、0.025mm、0.050mm、0.075mm的5种那样不同。另外，石墨层144的厚度为0mm是指基材141全部由铜层145构成、不存在石墨层144的情况。
[表1]示出石墨层144的厚度与波长转换层142的第1面142a的温度的关系。
【表1】
Figure BDA0002528653150000121
图15是使[表1]图表化后的图，是示出比较例的波长转换元件140中的石墨层144的厚度与波长转换层142的第1面142a的温度的关系的曲线图。曲线图的横轴为石墨层144的厚度(mm)，曲线图的纵轴为波长转换层142的第1面142a的最高温度(℃)。波长转换层142的第1面142a的温度具有规定的分布，因此，采用了面内的最高温度。
如图15所示，在不存在石墨层144、基材141全部为铜层145的情况、即、石墨层144的厚度为0mm的情况下，波长转换层142的第1面142a的最高温度为大约223℃。与此相对，当追加了石墨层144时，波长转换层142的第1面142a的最高温度示出上升的趋势，例如，可知当石墨层144的厚度达到0.075mm时，波长转换层142的第1面142a的最高温度超过580℃。即，在比较例的波长转换元件140的情况下，可知石墨层144的厚度越厚，则散热性越下降。
根据本发明人的推测，作为上述的散热性下降的理由，可认为第一原因是由于：在比较例的波长转换元件140的情况下，在沿着波长转换层142的第1面142a的石墨层144的面方向(图14的Y方向和Z方向)上，导热率较高，在该面方向上容易传导热。作为上述的散热性下降的理由，可认为第二原因是由于：与波长转换层142的第1面142a垂直的方向(图14的X方向)上的石墨层144的导热率比铜层145的X方向上的导热率低，难以传导热。根据这些理由，可认为难以从石墨层144向铜层145传导热。
因此，本发明人想到利用石墨的导热率各向异性，以导热率较高的方向与基材的厚度方向一致的朝向配置石墨从而容易在基材的厚度方向上传导热，并且，通过以抵接的方式将不具有导热率各向异性的铜等金属材料配置于石墨，在基材的面方向上也容易传导热，由此，散热性提高，获得了本实施方式的波长转换元件40的结构。
如上所述，在本实施方式的波长转换元件40中，X方向上的导热率比第2散热部52高的第1散热部51设置成与波长转换层42的入射区域42r相对，因此，在波长转换层42中产生的热通过第1散热部51在X方向上充分地扩散。并且，第1散热部51的Z方向上的导热率比第2散热部52高，因此，传递到第1散热部51的热在Z方向上充分地扩散。此外，Y方向上的导热率比第1散热部51高的第1散热元件52A和第2散热元件52B沿Y方向夹入第1散热部51，因此，传递到第1散热部51的热在传递到第2散热部52之后，通过第2散热部52沿Y方向充分地扩散。
这样，根据本实施方式的波长转换元件40，在波长转换层42中所产生的热在基材41的全部方向上充分地扩散，因此，能够获得较高的散热性，可抑制波长转换层42的温度上升。由此，能够实现发光效率较高的波长转换元件40。即，根据本实施方式的波长转换元件40，能够获得较高的散热性，能够实现波长转换效率较高的波长转换元件40。
此外，本实施方式的光源装置2A具有上述的波长转换元件40，因此，能够提高发光效率。此外，本实施方式的投影仪1具有上述的光源装置2A，因此，能够获得较明亮的图像。
[第2实施方式]
以下，使用图6对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的投影仪以及照明装置的结构与第1实施方式相同，波长转换元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略投影仪和照明装置的整体的说明。
图6是第2实施方式的波长转换元件55的俯视图。
在图6中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图6所示，第2实施方式的波长转换元件55具有波长转换层42和基材56。基材56具有第1散热部57和第2散热部58。第2散热部58具有第1散热元件58A和第2散热元件58B，第1散热部57沿着Y方向被夹入在第1散热元件58A与第2散热元件58B之间。此外，第1散热部57设置成与波长转换层42的第1面42a上的激励光E的入射区域42r相对。
在第2实施方式的情况下，在从X方向观察的俯视观察时，第1散热部57的Y方向上的尺寸W1比波长转换层42的Y方向上的尺寸W2小，比入射区域42r的Y方向上的大小W3大。因此，在从X方向观察的俯视观察时，波长转换层42的一部分与第1散热部57重叠，并且入射区域42r全部与第1散热部57重叠。
波长转换元件55的其它结构与第1实施方式相同。
在第2变形方式中，也能够获得如下这样的与第1实施方式相同的效果：获得较高的散热性，抑制波长转换层42的温度上升，由此能够实现发光效率较高的波长转换元件55。
[第3实施方式]
以下，使用图7对本发明的第3实施方式进行说明。
第3实施方式的投影仪以及照明装置的结构与第1实施方式相同，波长转换元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略投影仪和照明装置的整体的说明。
图7是第3实施方式的波长转换元件60的俯视图。
在图7中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图7所示，第3实施方式的波长转换元件60具有波长转换层42和基材61。基材61具有第1散热部62和第2散热部63。第2散热部63具有第1散热元件63A和第2散热元件63B，第1散热部62沿着Y方向被夹入第1散热元件63A与第2散热元件63B之间。此外，第1散热部62设置成与波长转换层42的第1面42a上的激励光E的入射区域42r相对。
在第3实施方式的情况下，在从X方向观察的俯视观察时，第1散热部62的Y方向上的尺寸W1比波长转换层42的Y方向上的尺寸W2大，比入射区域42r的Y方向上的大小W3大。因此，在从X方向观察的俯视观察时，波长转换层42全部与第1散热部62重叠，并且入射区域42r全部与第1散热部62重叠。
波长转换元件60的其它结构与第1实施方式相同。
在第3变形方式中，也能够获得如下这样的与第1实施方式相同的效果：获得较高的散热性，抑制波长转换层42的温度上升，由此能够实现发光效率较高的波长转换元件60。
在上述的第1～第3实施方式的任意一个波长转换元件40、55、60中，都可以采用以下的第1变形例～第3变形例的结构。
[第1变形例]
以下，使用图8和图9对第1变形例进行说明。
图8是第1变形例的波长转换元件65的剖视图。
在图8中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图8所示，第1变形例的波长转换元件65具有波长转换层42和基材67。基材67具有第1散热部51、第2散热部52和保护层66。第2散热部52具有第1散热元件52A和第2散热元件52B。第1散热部51沿着Y方向被夹入第1散热元件52A与第2散热元件52B之间。
基材67设置成与波长转换层42的第2面42b相对。在波长转换层42的第2面42b与基材67之间设置有反射层43。基材67的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。基材67具有第1散热部51和第2散热部52。在本变形例的情况下，第2散热部52具有第1散热元件52A和第2散热元件52B，第1散热部51沿着Y方向被夹入第1散热元件52A与第2散热元件52B之间。第1散热部51设置成在Y方向上与第1散热元件52A抵接。第1散热部51设置成在Y方向上与第2散热元件52B抵接。此外，第1散热部51设置成与波长转换层42的第1面42a上的激励光E的入射区域42r的一部分相对。
在第1散热部51与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。波长转换层42的第2面42b与反射层43抵接。在第1散热元件52A与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。第1散热元件52A的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。并且，同样地，在第2散热元件52B与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43。第2散热元件52B的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于反射层43。
保护层66设置于与波长转换层42的第2面42b相对的第1散热部51的X方向上的第1端面51t。即，保护层66夹设在波长转换层42与第1散热部51之间。因此，反射层43中的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于波长转换层42的第2面42b，反射层43中的与保护层66相对的面抵接于保护层66。另外，保护层66也可以设置于与第1端面51t不同的第2端面51s。
保护层66也可以由铜与金的层叠膜、或镍、铜与金的层叠膜构成。即，也可以构成为从波长转换层42朝向第1散热部51依次层叠波长转换层42、反射层43、保护层66的第1层(包含金的层)、保护层66的第2层(包含铜的层)和第1散热部51。此外，也可以构成为从波长转换层42朝向第1散热部51依次层叠波长转换层42、反射层43、保护层66的第1层(包含金的层)、保护层66的第2层(包含铜的层)、保护层66的第3层(包含镍的层)和第1散热部51。另外，配置于最接近波长转换层42的一侧的保护层66的第1层的材料根据与基材67接合的接合材料来适当地选择波长转换层42即可。即，在使用例如纳米银烧结金属材料作为接合材料的情况下，优选使用金作为保护层66的第1层的材料。保护层66通过对与波长转换层42的第2面42b相对的第1散热部51的X方向上的第1端面51t实施金属镀层来形成。
另外，保护层66也可以是以下的图9所示的方式。
图9是第1变形例的其他波长转换元件68的剖视图。
在图9中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图9所示，在波长转换元件68中，保护层66不仅设置于与波长转换层42的第2面42b相对的第1散热部51的X方向上的第1端面51t上，还设置于第2散热部52的与波长转换层42的第2面42b相对的面上。即，在第1散热元件52A与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43和保护层66。第1散热元件52A的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于保护层66。并且，同样地，在第2散热元件52B与波长转换层42的第2面42b之间设置有反射层43和保护层66。第2散热元件52B的与波长转换层42的第2面42b相对的面抵接于保护层66。
本发明人在第1变形例的波长转换元件65中进行了计算改变第1散热部51的Y方向上的尺寸时的波长转换层42的第1面42a的温度的仿真。第1面42a是供激励光E入射的面。此外，将波长转换层42的第1面42a上的、供激励光E入射的区域42r定义为入射区域42r。
作为仿真的条件，设波长转换层42的尺寸为1mm×1mm、波长转换层42的厚度为50μm、波长转换层42的材料为以Ce为活化剂的YAG陶瓷、YAG陶瓷的导热率为9W/m·K。此外，设激励光E的入射区域42r的大小为0.8mm×0.8mm。此外，设第1散热部51的X方向和Z方向上的导热率为1700W/m·K、第1散热部51的Y方向上的导热率为7W/m·K。另外，第2散热部52的X方向、Y方向和Z方向上的导热率均为380W/m·K。此外，设激励光量为40W，从基材67的第2面67b进行散热以使基材67的第2面67b的温度以60℃保持恒定。
即，作为仿真的条件，波长转换层42的Y方向上的尺寸为1mm，波长转换层42的Z方向上的尺寸为1mm，波长转换层42的X方向上的尺寸为50μm。此外，激励光E的入射区域42r的Y方向和Z方向上的大小为0.8mm。
保护层66的材质为镀铜，保护层66的厚度tx(X方向上的尺寸)如0.02mm、0.05mm、0.10mm、0.20mm、0.50mm、1.00mm的6种那样不同。此外，第1散热部51的Y方向上的尺寸为0mm相当于基材67全部由铜构成、不存在由石墨构成的第1散热部51的情况。
图10是示出第1变形例的波长转换元件65中的第1散热部51的Y方向上的尺寸与波长转换层42的第1面42a的温度的关系的曲线图。曲线图的横轴为第1散热部51的Y方向上的尺寸(mm)，曲线图的纵轴为波长转换层42的第1面42a的最高温度(℃)。另外，波长转换层42的第1面42a的温度具有规定的分布，因此，采用了面内的最高温度。
当设第1散热部51的Y方向上的尺寸为W1时，如图10所示，在W1＝0mm的情况、即、不存在由石墨构成的第1散热部51、基材67全部由铜构成的情况下，波长转换层42的第1面42a的最高温度为大约223℃。与此相对，在W1>0mm的情况、即、存在由石墨构成的第1散热部51的情况下，波长转换层42的第1面42a的最高温度在全部条件中示出W1＝0mm处的最高温度下降的趋势。因此，根据上述全部实施方式的结构，可知存在使波长转换层42的温度下降的效果。
特别是，关注于本变形例的保护层66，可知如果设保护层66的厚度为tx，在设为0.02mm≤tx≤0.1mm的情况下，在0.3mm≤W1≤0.8mm的范围内，与0.8mm<W1的情况相比，最高温度下降。其结果，当设入射区域42r的Y方向上的大小为W3＝0.8mm时，第1散热部51的Y方向上的尺寸W1优选满足以下的(1)式，保护层66的厚度tx优选满足以下的(2)式。
W3×3/8≤W1≤W3……(1)
0.02mm≤tx≤0.1mm……(2)
在第1变形例中，也能够如以下这样的与第1实施方式相同的效果：能够获得较高的散热性，抑制波长转换层42的温度上升，由此能够实现发光效率较高的波长转换元件65。即，根据本变形例的波长转换元件65，能够获得较高的散热性，能够实现波长转换效率较高的波长转换元件65。
如上所述，石墨具有容易呈层状地剥离的特性，但是，根据第1变形例的波长转换元件65，由于在第1散热部51的第1端面51t上设置有保护层66，所以，可以抑制石墨呈层状地剥离，能够提高基材67的机械强度。此外，通过在与波长转换层42相对的保护层66的最上层使用与接合材料的密接性较高的金属，能够提高波长转换层42与基材67及第1散热部51的接合强度。此外，能够提高反射层43与基材67及第1散热部51的接合强度。
[第2变形例]
以下，使用图11和图12A～图12C对第2变形例进行说明。
图11是第2变形例的波长转换元件70的俯视图。
在图11中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图11所示，第2变形例的波长转换元件70具有波长转换层42和基材71。基材71具有第1散热部72和第2散热部73。第2散热部73具有第1散热元件73A和第2散热元件73B。第1散热部72沿着Y方向被夹入第1散热元件73A与第2散热元件73B之间。
并且，在第2变形例的情况下，第1散热部72的Z方向上的端部72c被第2散热部73覆盖。更具体而言，在构成第2散热部73的第1散热元件73A的与第2散热元件73B相对的面上设置有具有与第1散热部72的厚度相当的深度的凹部73v，第1散热部72收纳于凹部73v的内部。根据该结构，第1散热部72的Z方向上的端部72c被第1散热元件73A的凹部73v的内壁面覆盖。上述的凹部73v可以设置于第2散热元件73B，凹部73v也可以设置于第1散热元件73A和第2散热元件73B双方。
本变形例的波长转换元件70例如通过以下的图12A～图12C所示的工序来制作。
首先，如图12A所示，准备2个铜制的块75A、75B和1片石墨板76。这时，预先在一个块75A上形成凹部75v，该凹部75v具有能够收纳石墨板76的宽度和深度。
接着，如图12B所示，在将石墨板76收纳至一个块75A的凹部75v之后，用2个块75A、75B夹入石墨板76。在该状态下，施加压力和温度而对各块75A、75B与石墨板76进行扩散接合，制作使2个块75A、75B与石墨板76一体化的层叠体77。这时，也可以在石墨板76的与块75A、75B接触的面上实施用于提高界面接合力的金属镀层。
接着，如图12C所示，以期望的厚度切断层叠体77，制作基材71。然后，在制作第2变形例的波长转换元件70的情况下，在与所剪切的基材71的波长转换层42接合的面上形成保护层66即可。即，在第1散热部72的与波长转换层42相对的面上形成保护层66即可。或者，在第1散热元件73A和第2散热元件73B的与波长转换层42相对的面上形成保护层66即可。作为保护层66的结构，也可以采用第1变形例的图8所示的方式。或者，作为保护层66的结构，也可以采用第1变形例的图9所示的方式。
接着，经由接合材料将波长转换层42与基材71的一个面接合。
通过以上的工序，本变形例的波长转换元件70完成。
在第2变形例中，也能够如以下这样的与第1实施方式相同的效果：能够获得较高的散热性，抑制波长转换层42的温度上升，由此能够实现发光效率较高的波长转换元件70。
此外，如上所述，石墨具有容易呈层状地剥离的特性，但是，根据第2变形例的波长转换元件70，由于第1散热部72的Z方向上的端部72c被第2散热部73覆盖，所以可抑制石墨呈层状地剥离，能够提高基材71的机械强度。
此外，在第1散热元件73A的与第2散热元件73B相对的面中的、除了设置有凹部73v的区域以外的区域中，第1散热元件73A和第2散热元件73B在不经由第1散热部72的情况下直接接合。由此，能够提高第1散热元件73A与第2散热元件73B的接合强度，能够提高基材71的机械强度。
此外，根据第2变形例的波长转换元件70，通过切断图12C所示的层叠体77，能够一并制作多个基材71。因此，能够生产性较好且以低成本制造波长转换元件70。
[第3变形例]
以下，使用图13说明第3变形例。
图13是第3变形例的波长转换元件80的俯视图。
在图13中，对于与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图13所示，第3变形例的波长转换元件80具有波长转换层42和基材81。基材81具有第1散热部72、第2散热部82和保护部件83。第2散热部82具有第1散热元件82A和第2散热元件82B。第1散热部72沿着Y方向被夹入第1散热元件82A与第2散热元件82B之间。
并且，在第3变形例的情况下，第1散热部72的Z方向上的端部72c被保护部件83覆盖，该保护部件83被夹入在第1散热元件82A与第2散热元件82B之间。保护部件83优选如第1变形例、第2变形例中所述的那样保护构成第1散热部72的石墨的端部，并且线膨胀系数接近构成波长转换层42的荧光体的线膨胀系数。
在使用Ce：YAG作为波长转换层42的材料的情况下，Ce：YAG的线膨胀系数为大约8.0×10-6/℃。因此，作为保护部件83的材料，可以使用线膨胀系数为5.4×10-6/℃的钛镍钴合金、线膨胀系数为7.5～9.8×10-6/℃的铜钼合金、线膨胀系数为6.4～9.8×10-6/℃的铜钨合金、线膨胀系数为7.2×10-6/℃的氧化铝等。另外，构成第2散热部82的铜的线膨胀系数为大约17×10-6/℃。
在第3变形例中，也能够如以下这样的与第1实施方式相同的效果：能够获得较高的散热性，抑制波长转换层42的温度上升，由此能够实现发光效率较高的波长转换元件80。
此外，在第3变形例的情况下，基材81的一部分由具有与波长转换层42的线膨胀系数接近的线膨胀系数的保护部件83构成，因此，与不具有保护部件83的情况相比，基材81的线膨胀系数与波长转换层42的线膨胀系数之差减小。因此，能够在波长转换层42的温度上升时缓和在基材81与波长转换层42的界面产生的应力。由此，能够抑制基材81与波长转换层42的接合面由于应力而剥离，能够提高波长转换元件80的可靠性。
另外，也可以通过组合上述的第1变形例与第2变形例或者第1变形例与第3变形例来应用于各实施方式。即，波长转换元件也可以为第1散热部的全部端面不朝基材的外部露出的结构。
另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内施加各种变更。
例如，在上述实施方式中，列举了第2散热部由相互分开的第1散热元件和第2散热元件构成的例子，但是也可以是使第1散热元件与第2散热元件成为一体并由一个部件构成的第2散热部。
在上述实施方式中，作为第1散热部的材料，列举了包含石墨的材料的例子，但是除此以外，能够使用使任意的高导热性填充剂在特定的方向上取向的材料等。
在上述实施方式中，列举了不可旋转的固定型波长转换元件的例子，但是本发明还可以应用于能够通过马达旋转的波长转换元件。
此外，波长转换元件、光源装置和投影仪的各结构要素的形状、数量、配置、材料等具体记载不限于上述实施方式，能够适当地进行变更。在上述实施方式中示出了将本发明的光源装置搭载于采用液晶光阀的投影仪的例子，但是不限于此。也可以将本发明的光源装置搭载于采用数字微镜器件作为光调制装置的投影仪。
在上述实施方式中，虽然示出了将本发明的光源装置搭载于投影仪的例子，但不限定于此。本发明的光源装置还能够应用于照明器材或汽车的前照灯等。

Claims (15)

1.一种波长转换元件，其具有：
波长转换层，其具有供第1波段的激励光入射的第1面、以及与所述第1面不同的第2面，将所述激励光转换为具有与所述第1波段不同的第2波段的荧光；
基材，其设置成与所述第2面相对，具有与所述第2面相对的第3面以及与所述第3面不同的第4面；以及
第1保护部件，其形成于所述基材的所述第3面，由层叠膜构成，
所述基材具有：
第1散热部，其与所述第2面相对，从与所述第1面正交的方向观察时设置在与所述激励光的入射区域重叠的位置；以及
第2散热部，该第2散热部在与所述第1面交叉的第1方向上的导热率比所述第1散热部低，
所述第2散热部具有第1散热元件和第2散热元件，
所述第1散热元件和所述第2散热元件沿着与所述第1方向交叉的第2方向设置，
沿着与所述第1方向交叉且与所述第2方向正交的第3方向的所述第1散热部的2个端部相对于所述波长转换层延伸到外侧，
所述第1散热部设置在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间，
所述第1散热部的所述第1方向上的第1端面在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间与所述第3面共面，
所述第1散热部的所述第1方向上的第2端面在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间与所述第4面共面，
所述第1保护部件设置成遍及所述第1散热部的所述波长转换层侧的面和所述第2散热部的所述波长转换层侧的面，
所述第1保护部件中的位于最接近所述波长转换层的一侧的第1层由能够与接合材料进行接合的材料构成，所述接合材料接合所述波长转换层和所述基材。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部设置成在所述第2方向上与所述第2散热部抵接，
所述第1散热部在所述第2方向上的导热率比所述第2散热部在所述第2方向上的导热率低。
3.根据权利要求2所述的波长转换元件，其中，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
4.根据权利要求2所述的波长转换元件，其中，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸小于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
5.根据权利要求2所述的波长转换元件，其中，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述波长转换层在所述第2方向上的尺寸，
在从所述第1方向观察时，所述第1散热部在所述第2方向上的尺寸大于所述入射区域在所述第2方向上的大小。
6.根据权利要求2所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部在与所述第1方向及所述第2方向交叉的第3方向上的导热率比所述第2散热部在所述第3方向上的导热率高。
7.根据权利要求6所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部在所述第3方向上的端部被所述第2散热部覆盖。
8.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部在与所述第1方向及所述第2方向交叉的第3方向上的端部被第2保护部件覆盖，该第2保护部件设置在所述第1散热元件与所述第2散热元件之间。
9.根据权利要求8所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部在所述第3方向上的导热率比所述第2散热部在所述第3方向上的导热率高。
10.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述波长转换元件具有反射层，该反射层设置在所述第2面与所述第1散热部之间，反射从所述波长转换层入射的光。
11.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部包含石墨。
12.根据权利要求11所述的波长转换元件，其中，
所述第1散热部包含金属。
13.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述第2散热部包含金属。
14.一种光源装置，其具有：
权利要求1～13中的任意一项所述的波长转换元件；以及
光源，其沿着所述第1方向朝向所述波长转换元件射出所述激励光。
15.一种投影仪，其具有：
权利要求14所述的光源装置；
光调制装置，其根据图像信息对来自所述光源装置的光进行调制；以及
投射光学装置，其投射由所述光调制装置调制后的光。
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