CN112859500B

CN112859500B - 波长转换元件、光源装置以及投影仪

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Publication number: CN112859500B
Application number: CN202011348457.3A
Authority: CN
Inventors: 横尾友博
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: US20210165311A1; JP2021086012A; CN112859500A; US11556050B2; JP7022355B2

Abstract

波长转换元件、光源装置以及投影仪。波长转换元件可获得高反射率，光源装置具有该波长转换元件，投影仪具有该光源装置。本发明的波长转换元件具有：波长转换层，其具有第1面和多个气孔，第1面具有凹部，并且通过被第1波段的光激励而生成与第1波段不同的第2波段的光；粒子，其设置于凹部；透光性部件，其被设置成覆盖凹部和粒子；反射层，其与波长转换层的第1面相对设置；以及基材，其与反射层相对设置。

Description

波长转换元件、光源装置以及投影仪

技术领域

本发明涉及波长转换元件、光源装置以及投影仪。

背景技术

近年来，作为投影仪用的照明装置，存在利用荧光作为照明光的照明装置。例如，在下述专利文献1中，公开了利用荧光的照明装置。在该照明装置中，通过在由荧光体陶瓷构成的荧光体的表面设置金属膜(反射层)，反射并取出由荧光体生成的荧光。在该照明装置中，减少了成为妨碍热扩散的主要因素的气孔。

专利文献1：日本特开2011-129354号公报

在为了使由荧光体生成的荧光扩散而在荧光体的内部形成气孔的情况下，在荧光体表面产生由气孔形成的凹部。如果在荧光体表面产生凹部，则在该荧光体表面形成反射部件时，由于凹部而不能均匀地形成反射部件，所以有可能由于反射部件的反射率下降，导致从荧光体取出荧光的效率下降。

发明内容

为了解决上述课题，本发明一个方式的波长转换元件的特征在于，具有：波长转换层，其具有第1面和多个气孔，所述第1面具有凹部，并且通过被第1波段的光激励而生成与所述第1波段不同的第2波段的光；粒子，其设置于所述凹部；透光性部件，其被设置成覆盖所述凹部和所述粒子；反射层，其与所述波长转换层的所述第1面相对设置；以及基材，其与所述反射层相对设置。

本发明一个方式的光源装置的特征在于，具有：上述波长转换元件；以及光源，其向所述波长转换元件射出所述第1波段的光。

本发明一个方式的投影仪的特征在于，具有：上述光源装置；光调制装置，其通过根据图像信息对来自所述光源装置的光进行调制而形成图像光；以及投影光学系统，其投射所述图像光。

附图说明

图1是表示投影仪的概略的图。

图2是表示照明装置的概略的图。

图3是表示波长转换元件的主要部分结构的剖视图。

图4A是表示波长转换元件的制造工艺的一部分的图。

图4B是表示波长转换元件的制造工艺的一部分的图。

图4C是表示波长转换元件的制造工艺的一部分的图。

图4D是表示波长转换元件的制造工艺的一部分的图。

图4E是表示波长转换元件的制造工艺的一部分的图。

标号说明

1：投影仪；4：波长转换元件；10：基材；11：荧光体层(波长转换层)；12：反射层；21：气孔；21a：凹部；23：透光性部件；24：粒子；31：光源部(光源)；100A：光源装置；400B、400G、400R：光调制装置；600：投影光学系统；BL：蓝色光(第1波段的光)；YL：荧光(第2波段的光)。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

另外，在以下说明所使用的附图中，为了容易理解特征，方便起见，有时放大示出特征部分，各结构要素的尺寸比率等不一定与实际相同。

对本实施方式的投影仪的一例进行说明。

图1是表示本实施方式的投影仪的结构的示意图。

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影型图像显示装置。

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。

在本实施方式中，照明装置100朝向色分离导光光学系统200射出白色的照明光WL。

色分离导光光学系统200具有分色镜210、220、反射镜230、240、250和中继透镜260、270。色分离导光光学系统200将来自照明装置100的照明光WL分离为红色光LR、绿色光LG和蓝色光LB，并将红色光LR、绿色光LG和蓝色光LB分别引导至对应的光调制装置400R、400G、400B。

在色分离导光光学系统200与光调制装置400R、400G、400B之间配置有场透镜300R、300G、300B。

分色镜210是使红色光成分穿过、使绿色光成分和蓝色光成分反射的分色镜。

分色镜220是使绿色光成分反射、使蓝色光成分穿过的分色镜。

反射镜230是使红色光成分反射的反射镜。

反射镜240、250是使蓝色光成分反射的反射镜。

穿过分色镜210后的红色光LR被反射镜230反射，并穿过场透镜300R而入射到红色光用的光调制装置400R的图像形成区域。

被分色镜210反射后的绿色光LG进一步被分色镜220反射，并穿过场透镜300G而入射到绿色光用的光调制装置400G的图像形成区域。

透过了分色镜220的蓝色光LB经过中继透镜260、反射镜240、中继透镜270、反射镜250、场透镜300B而入射到蓝色光用的光调制装置400B的图像形成区域。

光调制装置400R、400G、400B根据图像信息对所入射的色光进行调制，从而形成与各色光对应的彩色图像。另外，虽然省略了图示，但在各场透镜300R、300G、300B与各光调制装置400R、400G、400B之间分别配置有入射侧偏振片，在各光调制装置400R、400G、400B与十字分色棱镜500之间分别配置有射出侧偏振片。

十字分色棱镜500是合成从各光调制装置400R、400G、400B射出的各图像光而形成彩色图像的光学元件。

该十字分色棱镜500将4个直角棱镜贴合在一起而得到，俯视时呈大致正方形，在将直角棱镜彼此贴合而形成的大致X字状的界面上形成有电介质多层膜。

从十字分色棱镜500射出的彩色图像被投影光学系统600放大投影，在屏幕SCR上形成图像。

图2是表示照明装置100的结构的概略图。

如上所述，照明装置100向色分离导光光学系统200射出照明光WL。如图2所示，照明装置100具有光源装置100A、积分器光学系统17、偏振转换元件18和重叠透镜19。光源装置100A具有光源部(光源)31、无焦光学系统32、均束光学系统33、偏振分离装置14、相位差板15、拾取光学系统16和波长转换元件4。另外，光源部31具有阵列光源31A和准直光学系统31B。

光源部31的阵列光源31A由多个半导体激光器111构成。

具体而言，阵列光源31A通过在与从该阵列光源31A射出的光束的照明光轴Ax1垂直的一个平面内以阵列状排列多个半导体激光器111而形成。另外，详细内容如后所述，在将由波长转换元件4反射的光束的照明光轴设为Ax2时，照明光轴Ax1和照明光轴Ax2相互垂直。在照明光轴Ax1上，依次排列配置有光源部31、无焦光学系统32、均束光学系统33、偏振分离装置14。

另一方面，在照明光轴Ax2上，沿后述的荧光YL的行进方向依次排列配置有波长转换元件4、拾取光学系统16、相位差板15、偏振分离装置14、积分器光学系统17、偏振转换元件18、重叠透镜19。

构成阵列光源31A的半导体激光器111射出例如在440～480nm的波段内具有峰值波长的激励光(蓝色光BL)。另外，从半导体激光器111射出的蓝色光BL是相干的线偏振光，朝向偏振分离装置14与照明光轴Ax1平行地射出。在本实施方式中，蓝色光BL相当于“第1波段的光”。

另外，阵列光源31A使各半导体激光器111射出的蓝色光BL的偏振方向与由偏振分离装置14的偏振分离层143反射的偏振光成分(例如S偏振光成分)的偏振方向一致。从阵列光源31A射出的蓝色光BL入射到准直光学系统31B。

准直光学系统31B将从阵列光源31A射出的蓝色光BL转换为平行光。准直光学系统31B例如具有与各半导体激光器111对应地配置成阵列状的多个准直透镜27。穿过该准直光学系统31B而被转换为平行光的蓝色光BL入射到无焦光学系统32。

无焦光学系统32调整从准直光学系统31B入射的蓝色光BL的光束直径。该无焦光学系统32具有透镜121和透镜122。穿过该无焦光学系统32而被调整了尺寸的蓝色光BL入射到均束光学系统33。

均束光学系统33与后述的拾取光学系统16协作，使被照明区域中的蓝色光BL的照度分布均匀化。该均束光学系统33具有一对多透镜阵列131和132。从该均束光学系统33射出的蓝色光BL入射到偏振分离装置14。

偏振分离装置14是所谓的棱镜型偏振分束器(PBS)，使P偏振光和S偏振光中的一方的偏振光穿过，使另一方的偏振光反射。该偏振分离装置14具有棱镜141、142以及偏振分离层143。这些棱镜141、142形成为大致三棱柱形状，分别具有相对于照明光轴Ax1呈45°角度的倾斜面，并且相对于照明光轴Ax2呈45°的角度。

偏振分离层143设置于上述倾斜面，具有将入射到该偏振分离层143的第1波段的蓝色光BL分离为S偏振光成分和P偏振光成分的偏振分离功能。该偏振分离层143反射蓝色光BL的S偏振光成分，并使蓝色光BL的P偏振光成分透过。

另外，偏振分离层143具有如下的色分离功能：针对入射到该偏振分离层143的光中的、与第1波段(蓝色光BL的波段)不同的第2波段(绿色光GL和红色光LR)的光，无论其偏振状态如何都使其透过。另外，偏振分离装置14不限于棱镜型，也可以使用板型的偏振分离装置。

在本实施方式中，入射到偏振分离层143的蓝色光BL由于其偏振方向与S偏振光成分一致，所以作为S偏振的激励光(以下，称为蓝色光BLs)朝向波长转换元件4反射。

相位差板15是配置于偏振分离层143与波长转换元件4之间的光路中的1/4波长板。入射到该相差板15的作为S偏振光的蓝色光BLs在被转换为圆偏振的蓝色光BLc后，入射到拾取光学系统16。另外，相位差板15也可以是1/2波长板。

拾取光学系统16将蓝色光BLc朝向波长转换元件4会聚。拾取光学系统16具有透镜161和透镜162。具体而言，拾取光学系统16使入射的多个光束(蓝色光BLc)朝向后述的波长转换元件4会聚并且在该波长转换元件4上相互重叠。

来自拾取光学系统16的蓝色光BLc入射到波长转换元件4。波长转换元件4通过被蓝色光BLc的一部分激励而生成包含红色光和绿色光的荧光YL。荧光YL例如在500～700nm的波段内具有峰值波长。另外，关于波长转换元件4的结构，将在后面进行叙述。蓝色光BLc的一部分如后述那样被波长转换元件4反射。在本实施方式中，荧光YL相当于“第2波段的光”。另外，荧光YL的一部分也被波长转换元件4反射。

然后，从波长转换元件4射出的荧光YL以及由波长转换元件4反射的蓝色光BLc穿过拾取光学系统16、相位差板15而入射到偏振分离装置14。在此，蓝色光BLc再次穿过相位差板15而成为P偏振的蓝色光BLp。蓝色光BLp透过偏振分离层143。此外，荧光YL透过偏振分离层143。荧光YL和蓝色光BLp(p偏振的蓝色光)被合成，生成白色的照明光WL。照明光WL入射到积分器光学系统17。

积分器光学系统17与后述的重叠透镜19协作，使被照明区域中的照度分布均匀化。积分器光学系统17具有一对透镜阵列171、172。这一对透镜阵列171、172由多个透镜呈阵列状排列而成。从该积分器光学系统17射出的照明光WL入射到偏振转换元件18。

偏振转换元件18由偏振分离膜和相位差板构成，将照明光WL转换为线偏振光。从偏振转换元件18射出的照明光WL入射到重叠透镜19。重叠透镜19通过使照明光WL重叠在作为被照明区域的各光调制装置400R、400G、400B的像素形成区域上，使被照明区域的照度分布均匀化。

以下，对波长转换元件4的结构进行说明。

如图2所示，波长转换元件4具有基材10和荧光体层(波长转换层)11。基材10具有处于拾取光学系统16侧的表面10a、和朝向表面10a的相反侧的背面10b。波长转换元件4还具有设置于基材10的表面10a与荧光体层11之间的反射层12、和设置于基材10的背面10b的散热部件26。

在本实施方式中，作为基材10的材料，优选使用导热性好且散热性优异的材料，例如可举出铝、铜等金属和氮化铝、氧化铝、蓝宝石、金刚石等的陶瓷。

在本实施方式中，荧光体层11经由固定部件13被保持在基材10的表面10a上。荧光体层11将入射光的一部分转换为荧光YL后射出，并且射出另一部分而不转换为荧光YL。另外，反射层12使从荧光体层11入射的光朝向拾取光学系统16反射。

散热部件26例如由散热器构成，由具有多个散热片的结构构成。散热部件26设置在基材10的背面10b上，背面10b朝向荧光体层11的相反侧。另外，散热部件26例如通过金属钎焊的接合(金属接合)固定在基材10上。

图3是表示波长转换元件4的主要部分结构的剖视图。

如图3所示，荧光体层11具有光射出面11A和底面11B。光射出面11A是在图2中入射有蓝色光BLc并且射出荧光YL的面。底面11B是与基材10相对的面。另外，在图3中，为了使说明易懂，以底面11B朝向上方的状态图示了波长转换元件4。

在本实施方式中，荧光体层11通过烧结荧光体粒子而形成。作为构成荧光体层11的荧光体粒子，使用含有Ce离子的YAG(Yttrium Aluminum Garnet：钇铝石榴石)荧光体。另外，荧光体粒子的形成材料可以是1种，也可以采用使用2种以上的材料形成的粒子混合而成的材料。作为荧光体层11，优选使用在氧化铝等无机粘合剂中分散有荧光体粒子的荧光体层、通过烧结作为无机材料的玻璃粘合剂和荧光体粒子而形成的荧光体层等。

在荧光体层11的内部设置有多个气孔21。荧光体层11由于多个气孔21而具有光散射特性。多个气孔21例如由平均直径为60μm左右的气孔构成。

多个气孔21的一部分在构成荧光体层11的表面的底面(第1面)11B露出。在荧光体层11的底面11B设有由气孔21形成的凹部21a。本实施方式的波长转换元件4具有多个粒子24和透光性部件23。

多个粒子24设置在凹部21a中。作为粒子24的材料，只要是不易吸收光的部件即可，例如可以使用透光性部件、反射部件或波长转换部件。作为透光性部件，例如可以使用胶态二氧化硅、氧化铝、玻璃粒子、GaN、YAlO₃(YAP)、不含Ce离子的YAG。作为反射部件，例如可以使用Al。作为波长转换部件，可以使用荧光体粒子。另外，如后所述，粒子24也可以由在制造波长转换元件4的过程中进入凹部21a内的材料构成。

粒子24的粒径只要是能够收容在凹部21a内的大小即可，没有特别限定。例如，粒子24的大小与气孔21的大小之间的关系被设定为能够在气孔21内配置至少2个粒子24。

在本实施方式的波长转换元件4中，在荧光体层11内生成的荧光的一部分在与气孔21的界面处被全反射而散射。如上所述，设置在气孔21内的粒子24由不易吸收光的部件构成，因此能够降低因荧光的吸收而产生的能量损失。

透光性部件23被设置成覆盖凹部21a和粒子24。在本实施方式中，透光性部件23的一部分也可以设置成例如通过进入凹部21a内而与粒子24接触的状态。另外，透光性部件23也可以设置成例如不进入凹部21a内而不与粒子24接触的状态。

本实施方式的波长转换元件4通过设置在凹部21a内的多个粒子24，减小了在荧光体层11的表面(底面11B)露出的露出气孔28的大小。由于透光性部件23以填埋或封闭露出气孔28的方式设置在底面11B上，所以透光性部件23成为被抑制了进入露出气孔28的状态。本实施方式的透光性部件23的表面23a形成为没有孔的大致平坦的面。在此，所谓大致平坦的面，是指能够通过蒸镀等使反射层12良好地成膜于表面23a的程度的平面度，容许能够使反射层12成膜的程度的微小凹凸。

作为透光性部件23的材料，使用具有透光性的无机材料，例如氧化铝、Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃、二氧化锆、Lu₃Al₅O₁₂、SiO₂(玻璃膏)或厌气性的粘接剂。在本实施方式中，使用SiO₂作为透光性部件23。

本实施方式的波长转换元件4具有设置在透光性部件23上的反射层12。反射层12隔着透光性部件23与荧光体层11的底面11B相对设置。反射层12例如通过蒸镀而成膜。反射层12例如包含Al或Ag等的反射膜和电介质多层膜。

反射层12经由固定部件13被保持在基材10上。作为利用固定部件13的接合方法，例如优选使用基于银焊料等金属焊料的接合(金属接合)。由此，能够提高反射层12和基材10之间的热传导性。

在本实施方式中，在荧光体层11的光射出面11A形成有未图示的防反射膜(AR涂层膜)。另外，光射出面11A可以与底面11B同样地通过使气孔21的一部分露出而形成凹部，也可以不形成凹部。

接着，说明本实施方式的波长转换元件4的制造工艺。

图4A～图4D是表示波长转换元件4的制造工艺的一部分的图。

首先，调制由构成荧光体层11的荧光体粒子和有机物构成的混合物，并在规定的温度下烧结该混合物。

有机物通过烧结而蒸发，从而如图4A所示，形成包含多个气孔21、并由荧光体构成的荧光体基材9。另外，气孔21的大小或数量可以通过烧结温度或有机物的材质等进行调整。

接着，通过研磨荧光体基材9的两面，如图4B所示，形成具有光射出面11A和底面11B的荧光体层11。通过研磨，气孔21的一部分露出到外部，在荧光体层11的底面11B上形成凹部21a。

接着，如图4C所示，在形成于底面11B的凹部21a中配置多个粒子24。

例如，在将分散有粒子24的溶剂滴落到凹部21a或者使用刮板涂敷到凹部21a后，仅使溶剂干燥，由此能够将粒子24配置到凹部21a。

另外，也可以通过刮板将配置于底面11B的多个粒子24配置到凹部21a内。并且例如，也可以将固体材料的切屑作为粒子24配置在凹部21a中，该固体材料是将形成粒子的材料固化而得的固体材料直接涂抹在底面11B上而产生的。

另外，通过上述的研磨工序，研磨所使用的磨石的磨粒或由研磨产生的荧光体粒子有时也进入凹部21a。本实施方式的波长转换元件4也可以将通过上述研磨工序产生并进入凹部21a的磨粒或荧光体粒子作为多个粒子24的一部分来利用。

接着，如图4D所示，在荧光体层11的底面11B上设置透光性部件23。

假设在底面11B的平坦度低的情况下，难以将透光性部件23均匀地成膜。若透光性部件23的均匀性下降，则设置于透光性部件23上的反射层12的均匀性下降。于是，因为不能朝向光射出面11A高效地反射荧光YL，所以波长转换元件4对荧光YL的取出效率下降。

在本实施方式的波长转换元件4的制造工序中，如图4C所示，通过在凹部21a内设置多个粒子24，预先减小了在荧光体层11的表面(底面11B)露出的露出气孔28的大小。因此，透光性部件23以被抑制了进入露出气孔28内的状态设置在底面11B上。因此，在底面11B上形成的透光性部件23的表面23a成为没有孔的大致平坦的面。

透光性部件23例如可以通过蒸镀或溅射等干式成膜法、或者湿式成膜法的任意一种来成膜。

例如，在使用蒸镀或溅射等干式成膜法的情况下，由于容易抑制透光性部件23进入露出气孔28，所以能够在露出气孔28内大量残留空气层。因此，由于蓝色光BLc在荧光体层11与空气层之间的界面处被高效地反射，所以使蓝色光BLc返回到荧光体层11的内部，由此能够提高荧光体层11的波长转换效率。

另外，在使用湿式成膜法的情况下，与干式成膜法相比，透光性部件23的形成材料容易进入露出气孔28。由此，透光性部件23进入配置在凹部21a内的多个粒子24间的间隙，从而能够增大透光性部件23与荧光体层11的接触面积。因此，经由透光性部件23将荧光体层11的热高效地传递到基材10侧，由此能够抑制荧光体层11的温度上升，减少由温度消光引起的荧光发光效率的下降。另外，通过提高荧光体层11的散热性，能够使散热部件26小型化，因此还能够使波长转换元件4小型化。此外，通过在多个粒子24之间的间隙中填充透光性部件23，还能够提高荧光体层11的机械强度。

接着，如图4E所示，通过蒸镀或溅射等在透光性部件23的表面23a上形成反射层12。反射层12通过形成在大致平坦的面(即、透光性部件23的表面23a)上而均匀地成膜。根据本实施方式的波长转换元件4的制造工序，能够在荧光体层11的底面11B上均匀地形成反射层12。

接着，经由固定部件13将反射层12及荧光体层11的层叠体与基材10固定在一起。最后，在基材10的与荧光体层11相反侧的面上固定散热部件26，由此制造出本实施方式的波长转换元件4。

如以上所说明那样，根据本实施方式的波长转换元件4，由于具有与荧光体层11的底面11B相对设置的均匀的反射层12，所以能够利用均匀的反射层12良好地反射入射到底面11B的荧光YL而使其从光射出面11A射出。因此，本实施方式的波长转换元件4能够提高荧光YL的取出效率。

因此，具有该波长转换元件4的光源装置100A能够提供降低了荧光YL相对于所入射的激励光的量的损失的光源装置。另外，根据本实施方式的投影仪1，由于具有使用了上述光源装置100A的照明装置100，所以该投影仪1能够形成高亮度的图像。

另外，本发明不限于上述实施方式的内容，在不脱离发明主旨的范围内能够适当进行变更。

例如，在上述实施方式中，作为波长转换元件4列举了固定型的波长转换元件，但本发明的波长转换元件还能够应用于旋转轮型的波长转换元件。

并且，在上述实施方式中，作为光调制装置采用了透射型液晶光阀，但是作为光调制装置，还能够采用反射型液晶光阀。此外，作为光调制装置，还可以采用使用了微镜的器件、例如使用了DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)等的光调制装置等除液晶以外的光调制装置。进而，作为照明装置的光源，不限于半导体激光二极管，还能够使用LED(Light Emitting Diode：发光二极管)。

此外，在上述实施方式中示出了将本发明的光源装置搭载于投影仪的例子，但不限于此。本发明的光源装置也可以应用于照明器具、汽车的前照灯等。

Claims

1.一种波长转换元件，其特征在于，具有：

波长转换层，其具有第1面和多个气孔，所述第1面具有凹部，并且通过被第1波段的光激励而生成与所述第1波段不同的第2波段的光；

粒子，其以减小在所述第1面露出的露出气孔的大小的方式，设置于所述凹部；

透光性部件，其以填埋或封闭所述露出气孔的方式，被设置成覆盖所述凹部和所述粒子；

反射层，其与所述波长转换层的所述第1面相对设置；以及

基材，其与所述反射层相对设置。

2.一种光源装置，其特征在于，具有：

权利要求1所述的波长转换元件；以及

光源，其向所述波长转换元件射出所述第1波段的光。

3.一种投影仪，其特征在于，具有：

权利要求2所述的光源装置；

光调制装置，其通过根据图像信息对来自所述光源装置的光进行调制而形成图像光；以及

投影光学系统，其投射所述图像光。