CN113391509A - 波长转换元件及其制造方法、光源装置、投影仪 - Google Patents

Abstract

提供波长转换元件及其制造方法、光源装置、投影仪，荧光的利用效率优异。本发明的波长转换元件具有：基板；分色层，其设置于基板的第一面；中间层，其设置为隔着分色层与基板对置；波长转换层，其设置为隔着中间层与分色层对置，将第一波段的光转换为第二波段的光。分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设波长转换层的折射率为n_m，中间层的折射率为n_Lm，两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，n_H大于n_L时，关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

Description

波长转换元件及其制造方法、光源装置、投影仪

技术领域

本发明涉及波长转换元件、光源装置、投影仪以及波长转换元件的制造方法。

背景技术

作为在投影仪中使用的光源装置，提出了如下的光源装置：该光源装置利用了在向荧光体照射从发光元件射出的激励光时从荧光体发出的荧光。下述专利文献1公开了具有荧光体层、中间层、电介质多层膜、粘接层以及基板的波长转换元件。专利文献1记载了中间层的折射率例如为2.2～2.4，荧光体层的折射率为1.83。

专利文献1：日本特开2016-99566号公报

专利文献1中记载了通过设置具有比荧光体层的折射率大的折射率的中间层，与未设置中间层的情况相比，能够缩小荧光相对于电介质多层膜的入射角，因此被电介质多层膜反射的荧光增加，从而能够提高荧光的利用效率。然而，在专利文献1中，未考虑荧光向中间层以及电介质多层膜入射时的布鲁斯特条件，因此荧光所包含的P偏振成分的利用效率降低，从而可能无法提高荧光的利用效率。

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：基板；分色层，其设置于所述基板的第一面；中间层，其设置为隔着所述分色层与所述基板对置；以及波长转换层，其设置为隔着所述中间层与所述分色层对置，将第一波段的光转换为与所述第一波段不同的第二波段的光。所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，n_H大于n_L时，关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

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；以及发光元件，其向所述波长转换元件射出所述第一波段的光。

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，其对被所述光调制装置调制后的光进行投射。

本发明的一个方式的波长转换元件的制造方法具有：第一工序，在基板的第一面形成分色层；第二工序，在所述分色层的两个面中的不同于与所述基板的第一面对置的第二面的第三面形成中间层，或者与波长转换层的第四面对置地形成中间层；第三工序，在包含所述基板的第一部件形成第一接合层；第四工序，在包含所述波长转换层的第二部件形成第二接合层；以及第五工序，将所述第一接合层与所述第二接合层接合，所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，n_H大于n_L时，关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

附图说明

图1是第一实施方式的投影仪的概略结构图。

图2是第一实施方式的照明装置的概略结构图。

图3是第一实施方式的波长转换元件的剖视图。

图4A是按照工序顺序示出第一实施方式的波长转换元件的制造方法的剖视图。

图4B是示出图4A之后的工序的剖视图。

图4C是示出图4B之后的工序的剖视图。

图4D是示出图4C之后的工序的剖视图。

图4E是示出图4D之后的工序的剖视图。

图5A是示出比较例的波长转换元件的剖视图。

图5B是用于说明(1)式的导出过程的图。

图6是示出在比较例的波长转换元件中从波长转换层入射到中间层的荧光的反射率的角度特性的曲线图。

图7是示出在实施例的波长转换元件中从波长转换层入射到中间层的荧光的反射率的角度特性的曲线图。

图8是示出改变波长转换层的折射率时的中间层的折射率与全反射角的关系的曲线图。

图9是示出改变低折射率层的折射率和高折射率层的折射率时的布鲁斯特角的曲线图。

图10是示出低折射率层的折射率与布鲁斯特角的关系以及低折射率层的折射率与折射率差的关系的曲线图。

图11是第二实施方式的波长转换元件的剖视图。

图12A是按照工序顺序示出第二实施方式的波长转换元件的制造方法的剖视图。

图12B是示出图12A之后的工序的剖视图。

图12C是示出图12B之后的工序的剖视图。

图12D是示出图12C之后的工序的剖视图。

图12E是示出图12D之后的工序的剖视图。

图12F是示出图12E之后的工序的剖视图。

标号说明

1：投影仪；4B、4G、4R：光调制装置；6：投射光学装置；11：第一光源装置(光源装置)；20a1：发光元件；23、24：波长转换元件；61：基板；61a：第一面；62：分色层；63：中间层；65：第一接合层；66：第二接合层；67：波长转换层；E：激励光(第一波段的光)；Y：荧光(第二波段的光)。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，使用图1～图10对本发明的第一实施方式进行说明。

为了在以下的各附图中使各构成要素容易看到，有时根据构成要素使尺寸的比例尺不同而示出。

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1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以及投射光学装置6。关于照明装置2的结构，在后面进行说明。

颜色分离光学系统3具有第一分色镜7a、第二分色镜7b、反射镜8a、反射镜8b、反射镜8c、中继透镜9a以及中继透镜9b。颜色分离光学系统3将从照明装置2射出的照明光WL分离成红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB，并将红色光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配置于颜色分离光学系统3与光调制装置4R之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4R射出。场透镜10G配置于颜色分离光学系统3与光调制装置4G之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4G射出。场透镜10B配置于颜色分离光学系统3与光调制装置4B之间，使入射的光大致平行化并朝向光调制装置4B射出。

第一分色镜7a使红色光成分透过，并使绿色光成分和蓝色光成分反射。第二分色镜7b使绿色光成分反射，并使蓝色光成分透过。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。

透过了第一分色镜7a的红色光LR被反射镜8a反射，并透过场透镜10R而入射到红色光用的光调制装置4R的图像形成区域。被第一分色镜7a反射的绿色光LG被第二分色镜7b进一步反射，并透过场透镜10G而入射到绿色光用的光调制装置4G的图像形成区域。透过了第二分色镜7b的蓝色光LB经由中继透镜9a、入射侧的反射镜8b、中继透镜9b、射出侧的反射镜8c以及场透镜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以及光调制装置4B分别根据图像信息对入射的色光进行调制，从而形成图像光。光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置4B分别由液晶光阀构成。虽然省略了图示，但在光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置4B的光入射侧分别配置有入射侧偏振板。在光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置4B的光射出侧分别配置有射出侧偏振板。

合成光学系统5对从光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置4B射出的各图像光进行合成而形成全彩的图像光。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四个直角棱镜贴合起来而成的，在俯视时呈大致正方形状。在将直角棱镜彼此贴合起来的大致X字状的界面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放大透射而在屏幕SCR上形成图像。即，投射光学装置6投射被光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置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是照明装置2的概略结构图。

如图2所示，照明装置2具有第一光源装置11、第二光源装置12、分色镜13以及均匀化照明光学系统14。本实施方式的第一光源装置11相当于权利要求书的光源装置。

第一光源装置11具有第一光源部20、扩散部21、聚光光学系统22、波长转换元件23以及拾取光学系统27，该第一光源部20具有将激励光E向波长转换元件23射出的发光元件20a1。

第一光源部20将激励光E朝向波长转换元件23射出。第一光源部20具有光源单元20a和准直光学系统20b。光源单元20a由射出具有第一波段的蓝色的激励光E的多个发光元件20a1构成。发光元件20a1由射出激光的半导体激光元件构成。激励光E的发光强度的峰值波长例如为445nm。

多个发光元件20a1在与照明光轴100ax垂直的一个平面内呈阵列状配置。发光元件20a1也可以射出具有445nm以外的峰值波长、例如455nm或460nm的峰值波长的蓝色光。另外，照明光轴100ax定义为沿着由从第一光源部20射出的多个激励光E构成的光线束的主光线的轴。

准直光学系统20b由多个准直透镜20b1构成。一个准直透镜20b1与一个发光元件20a1对应地设置。多个准直透镜20b1在与照明光轴100ax垂直的一个平面内呈阵列状配置。准直透镜20b1将从发光元件20a1射出的激励光E转换为平行光。

扩散部21使从第一光源部20射出的激励光E扩散。在本实施方式中，扩散部21例如可以使用由光学玻璃构成的磨砂玻璃板。

聚光光学系统22使被扩散部21扩散的激励光E聚光，并使其入射到波长转换元件23。在本实施方式中，聚光光学系统22具有第一透镜22a和第二透镜22b。第一透镜22a和第二透镜22b分别由凸透镜构成。这样，通过采用简单的结构的聚光光学系统22，能够实现第一光源装置11的成本降低。

关于波长转换元件23的结构，在后面进行叙述。

拾取光学系统27具有第一准直透镜27a和第二准直透镜27b。拾取光学系统27使从波长转换元件23射出的荧光Y大致平行化。第一准直透镜27a和第二准直透镜27b分别由凸透镜构成。

被拾取光学系统27平行化的荧光Y入射到分色镜13。分色镜13配置为分别与第二光源装置12的光轴101ax和照明光轴100ax以45°的角度交叉。分色镜13具有使荧光Y透过，并且对来自第二光源装置12的蓝色光B进行反射的特性。另外，光轴101ax定义为沿着从第二光源40射出的蓝色光B的主光线的轴。

第二光源装置12具有第二光源40、第二聚光光学系统41、散射板42以及第二拾取光学系统43。

第二光源40具有与第一光源部20相同的结构。在本实施方式中，第二光源40具有：半导体激光器，其射出蓝色光B；以及准直透镜，其使从半导体激光器射出的蓝色光B平行化。第二光源40只要至少各具有一个半导体激光器和准直透镜即可，也可以与第一光源部20同样，各具有多个半导体激光器和准直透镜。

第二聚光光学系统41具有第一透镜41a和第二透镜41b。第二聚光光学系统41使从第二光源40射出的蓝色光B在散射板42的附近聚光。第一透镜41a和第二透镜41b分别由凸透镜构成。

散射板42使从第二聚光光学系统41射出的蓝色光B散射，从而转换为具有与在第一光源装置11中生成的荧光Y的配光分布类似的配光分布的蓝色光B。作为散射板42，例如可以使用由光学玻璃构成的磨砂玻璃。

第二拾取光学系统43具有第一透镜43a和第二透镜43b。第二拾取光学系统43使从散射板42射出的光大致平行化。第一透镜43a和第二透镜43b分别由凸透镜构成。

在本实施方式中，来自第二光源装置12的蓝色光B被分色镜13反射。被分色镜13反射的蓝色光B与从第一光源装置11射出并透过了分色镜13的黄色的荧光Y进行合成，从而成为白色光W。然后，白色光W入射到均匀化照明光学系统14。

均匀化照明光学系统14具有第一透镜阵列30、第二透镜阵列31、偏振转换元件32以及重叠透镜33。

第一透镜阵列30具有用于将从分色镜13射出的光分割成多个局部光束的多个第一透镜30a。多个第一透镜30a在与照明光轴100ax垂直的面内呈矩阵状排列。

第二透镜阵列31具有与第一透镜阵列30的多个第一透镜30a对应的多个第二透镜31a。第二透镜阵列31与重叠透镜33一起使第一透镜阵列30的各第一透镜30a的像在光调制装置4R、4G、4B的图像形成区域的附近成像。多个第二透镜31a在与照明光轴100ax垂直的面内呈矩阵状排列。

偏振转换元件32将白色光W转换为具有特定的振动方向的线偏振光。偏振转换元件32具有偏振分离膜、相位差板以及反射镜。偏振转换元件32为了使作为非偏振光的荧光Y的偏振方向与蓝色光B的偏振方向一致，将另一方的线偏振光成分转换为一方的线偏振光成分。偏振转换元件32例如将P偏振成分转换为S偏振成分。

重叠透镜33使来自偏振转换元件32的各局部光束聚光并在光调制装置4R、4G、4B的图像形成区域的附近彼此重叠。第一透镜阵列30、第二透镜阵列31以及重叠透镜33构成使白色光W的面内光强度分布变得均匀的积分器光学系统。

接着，对波长转换元件23的结构进行说明。

图3是本实施方式的波长转换元件23的剖视图。

如图3所示，波长转换元件23具有基板61、分色层62、中间层63、第一接合层65、第二接合层66以及波长转换层67。从激励光E入射的一侧起依次层叠基板61、分色层62、中间层63、第一接合层65、第二接合层66以及波长转换层67。

基板61具有第一面61a和第二面61b，激励光E从该第一面61a射出，该第二面61b是与第一面61a不同的面，激励光E入射到该第二面61b。基板61例如由蓝宝石、碳化硅(SiC)等热传导率较高的材料构成。在基板61由具有较高的热传导率的材料构成的情况下，在波长转换层67产生的热量容易逃逸，因此是优选的。

分色层62设置于基板61的第一面61a。分色层62具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率。在本实施方式中，分色层62例如由氧化铝层(AlO_X)和氧化钛层(TiO₂)这两种折射率层交替层叠多层而得到的电介质多层膜构成。氧化铝的折射率为1.63，氧化钛的折射率为2.4。分色层62使第一波段激励光E透过，并反射第二波段的荧光Y。

以下，在构成分色层62的多个折射率层中，在电介质多层膜由两种材料构成的情况下，将具有第一折射率的折射率层称为低折射率层，将具有第二折射率的折射率层称为高折射率层。在上述结构的情况下，氧化铝层是低折射率层，氧化钛层是高折射率层。而且，将低折射率层的折射率记载为n_L，将高折射率层的折射率记载为n_H。由此，n_H大于n_L。

另外，在由三种以上的材料构成的电介质多层膜中，有时P偏振光的反射率也不为0％。在该情况下，能够在排除了中间层63的膜结构中模拟入射角度与平均反射率的关系，并将取最小值的角度视作本发明的布鲁斯特角θ_B。

中间层63设置于分色层62的第一面62a。中间层63例如由含有氧化硅(SiO₂)、氟化镁(MgF₂)、氟化锂(LiF)以及氟化钙(CaF₂)中的至少一种的材料构成。而且，中间层63具有多个气孔，并通过由上述材料构成的多孔质材料而构成。通过含有多个气孔，中间层63具有比上述材料单体的折射率低的折射率。无论在使用上述哪一个材料的情况下，中间层63的折射率n_Lm都为1.0以上且1.4以下。在后面会对理由进行说明，优选中间层63的折射率n_Lm尽可能降低，因此优选中间层63由含有多个气泡的材料构成。

第一接合层65和第二接合层66设置于中间层63与波长转换层67之间。第一接合层65与中间层63的第一面63a接触。第二接合层66与波长转换层67的第二面67b接触。第一接合层65和第二接合层66在后述的波长转换层67的制造工序中，用于接合包含基板61的第一部件与包含波长转换层67的第二部件。

第一接合层65与第二接合层66例如也可以通过使用氧化硅系材料的两层等离子体聚合膜而接合。本接合被称为所谓的GL(Glass Like/Glue Less)接合。作为等离子体聚合膜的结构材料，列举出包含硅氧烷键并具有Si骨架和由与Si骨架键合的有机基团构成的离去基团的材料，例如聚有机硅氧烷等包含硅氧烷键的聚合物等。另外，各等离子体聚合膜只要包含硅氧烷键即可，可以由相同材料构成，也可以由不同材料构成。

各等离子体聚合膜具有例如通过等离子体照射等被赋予能量，由此被活化，从而表现出粘接性的特性。因此，等离子体聚合膜通过利用由能量照射而表现出的粘接性，能够化学性接合中间层63与波长转换层67，而无需使用粘接剂等。两层等离子体聚合膜具有化学性接合而成的接合界面。各等离子体聚合膜在活化的过程中，硅氧烷键的甲基被切断，因此接合界面所含有的甲基的含有量与各等离子体聚合膜的甲基的含有量相比变少。经由接合界面的两层等离子体聚合膜的密合性非常强。因此，中间层63与波长转换层67通过等离子体聚合膜被牢固地接合。

波长转换层67设置为隔着中间层63、第一接合层65以及第二接合层66与分色层62对置。波长转换层67具有第一面67a和第二面67b，荧光Y从该第一面67a射出，该第二面67b是与第一面67a不同的面，激励光E入射到该第二面67b。波长转换层67包含陶瓷荧光体，该陶瓷荧光体将具有第一波段的激励光E转换为具有与第一波段不同的第二波段的荧光Y。第二波段例如是490nm～750nm，荧光Y是包含绿色光成分和红色光成分的黄色光。另外，波长转换层67也可以包含单晶荧光体。

波长转换层67例如包含钇铝石榴石(YAG)系荧光体。当以作为活化剂含有铈(Ce)的YAG：Ce为例时，作为波长转换层67，可以使用对含有Y₂O₃、Al₂O₃、CeO₃等结构元素的原料粉末进行混合并进行固相反应而得到的材料、通过共沉淀法或溶胶凝胶法等湿式法得到的Y-Al-O非晶粒子、通过喷雾干燥法或火焰热分解法、热等离子体法等气相法得到的YAG粒子等。而且，构成波长转换层67的YAG的折射率为1.84。

以下，对本实施方式的波长转换元件23的制造方法进行说明。

图4A～图4E是按照工序顺序示出本实施方式的波长转换元件23的制造方法的剖视图。

如图4A所示，使用真空蒸镀法、溅射法等在基板61的第一面61a形成由电介质多层膜构成的分色层62(第一工序)。

接着，如图4B所示，使用真空蒸镀法、涂布法等在分色层62的两个面中的第一面62a形成中间层63(第二工序)。本实施方式的第一面62a与权利要求书中的“不同于与基板的第一面对置的第二面的第三面”。由此，制作包含基板61、分色层62以及中间层63的第一部件71。这时，为了用多孔质材料形成中间层63，例如使用倾斜蒸镀法等各种真空蒸镀法、涂布包含由低折射率材料构成的中空的球的粘合剂、用烧制法固定微小的球等方法即可。

接着，如图4C所示，使用等离子体化学气相沉积法(等离子体CVD法)等，在中间层63的第一面63a形成第一接合层65。即，在包含基板61的第一部件71形成第一接合层65(第三工序)。

接着，如图4D所示，使用等离子体CVD法等，在波长转换层67的第二面67b形成第二接合层66。即，在包含波长转换层67的第二部件72形成第二接合层66(第四工序)。另外，第三工序与第四工序的顺序没有特别限定，先进行哪一个都可以。

接着，如图4E所示，分别对第一接合层65和第二接合层66进行等离子体照射从而赋予能量。由此，第一接合层65和第二接合层66各自的表面被活化，从而表现出粘接性。

接着，在使第一接合层65与第二接合层66密合的状态下，在常温下对第一部件71和第二部件72进行加压。由此，接合第一接合层65与第二接合层66(第五工序)。

通过以上工序，制作本实施方式的波长转换元件23。

在这里，为了对本实施方式的波长转换元件23的课题进行说明，假设具有以下结构的比较例的波长转换元件。

图5A是示出比较例的波长转换元件123的剖视图。

如图5A所示，比较例的波长转换元件123具有基板161、分色层162、中间层163以及波长转换层167。

基板161例如由蓝宝石构成。基板161的厚度例如为50μm～1000μm。基板161的折射率为1.75。

分色层162由交替层叠由氧化硅构成的低折射率层与由氧化钛构成的高折射率层而得到的电介质多层膜构成。分色层162的厚度为1μm～10μm。低折射率层的折射率n_L为1.46。高折射率层的折射率n_H为2.4。分色层162设计为使从基板161入射的激励光E透过，并反射从波长转换层167射出并经由中间层163入射的荧光Y。

中间层163例如由氧化硅构成。中间层163的厚度例如为1μm。中间层163的折射率n_Lm为1.46。

波长转换层167例如由YAG构成。波长转换层167的折射率n_m为1.84。

在这里，使用本比较例的波长转换层167的折射率n_m、中间层163的折射率n_Lm、分色层162的低折射率层的折射率n_L以及高折射率层的折射率n_H的值，使用下述(1)式，则能够求出从波长转换层167发出的荧光Y的布鲁斯特角θ_B。而且，使用下述(2)式，则能够求出荧光Y的全反射角θ_C。

另外，以下对(1)式的导出过程进行简单说明。

如图5B所示，在沿光L的入射方向层叠折射率n_m的入射介质131、折射率n_H的高折射率层132以及折射率n_L的低折射率层133的情况下，将相对于各层间的折射率界面的垂线V与光线L所成的角度中的入射介质131中的入射角作为角度θ₀，将高折射率层132中的入射角作为角度θ_H，将低折射率层133中的折射角作为角度θ_L。在这里，利用表示光L相对于各折射率界面倾斜入射时的光学导纳的式子和在折射率界面满足布鲁斯特条件的条件，导出以下(3)式。

另一方面，利用斯涅尔定律导出以下(4)式。

从上述(3)式和(4)式，导出以下(5)式。

在本实施方式中，为了计算满足布鲁斯特条件的角度，将(5)式中的θ₀改写为θ_B，并对θ_B进行求解，则得到上述(1)式。

在图5A所示的比较例的波长转换元件123中，用以基板161的第一面161a的垂线V为基准的角度表示，并使用(1)式计算布鲁斯特角θ_B时，布鲁斯特角θ_B为约44°。使用(2)式计算全反射角θ_C时，全反射角θ_C为约53°。

如图5A所示，在波长转换层167生成的荧光Y从发光点P朝向全部方位各向同性地射出。在这里，所有荧光Y中的、入射角大于全反射角θC的荧光成分Y1、入射角大于0°并充分小于布鲁斯特角θB的荧光成分Y2以及入射角在布鲁斯特角θ_B附近的S偏振成分Y3被波长转换层167与中间层163的界面或中间层163与分色层162的界面反射。这三种荧光成分Y1、Y2、Y3从接近发光点P的场所射出，发光面积不会较大地扩大。因此，扩展度(etendue)较小，与后级的光学系统的适合性较好。

与此相对，入射角在布鲁斯特角θ_B附近的P偏振成分Y4透过分色层162，并从基板161向外部射出，或者在基板161与空气的界面全反射。但是，即使在基板161与空气的界面全反射，经过分色层162和中间层163，从而从远离发光点P的场所射出。这样的荧光成分Y4与后级的光学系统的适合性较差，成为在后级的光学系统无法利用的光，因此荧光的利用效率降低。

图6是本申请的发明人们进行的针对比较例的波长转换元件123的模拟的结果，示出了从波长转换层167观察的荧光Y的反射率的角度特性。在图6中，横轴是入射角度θ[deg]，纵轴是荧光Y的平均反射率[％]。实线的曲线图表示S偏振成分的平均反射率Rs，虚线的曲线图表示P偏振成分的平均反射率Rp。

如图6所示，着眼于用虚线示出的P偏振成分的曲线图可知，入射角度在大概25°～53°的范围内平均反射率远小于90％。这样，在比较例的波长转换元件123中，从基板161向外部射出的P偏振成分较多，从而荧光Y的利用效率降低。

因此，本发明人们想到，如果使布鲁斯特角θ_B比全反射角θ_C大，则能够减少从基板向外部射出的荧光成分，从而能够提高荧光的利用效率。

在这里，作为本实施例的波长转换元件23，使用折射率n_m为1.84的YAG作为波长转换层67，使用折射率n_L为1.63的氧化铝(AlO_X)作为分色层62的低折射率层，使用折射率n_H为2.4的氧化钛(TiO₂)作为高折射率层，使用折射率n_Lm为1.27的多孔质的氟化钙(CaF₂)作为中间层63。而且，分色层62的层数设为60层。另外，关于分色层62的层数，低折射率层与高折射率层的折射率差小于比较例的分色层162，因此为了得到相同的反射率而追加了层数。

使用本实施例的结构，与比较例相同，使用(1)式计算布鲁斯特角θ_B，结果布鲁斯特角θ_B为约47°。而且，使用(2)式计算全反射角θ_C，结果全反射角θ_C为约44°。这样，在本实施例中，与比较例相反，布鲁斯特角θ_B比全反射角θ_C大。另外，布鲁斯特角θ_B也可以与全反射角θ_C相等。即，满足θ_B≥θ_C即可。

图7是本发明人们进行的使用本实施例的波长转换元件23的模拟的结果，示出了从波长转换层67观察的荧光Y的反射率的角度特性。在图7中，横轴表示入射角度θ[deg]，纵轴表示荧光Y的平均反射率[％]。实线的曲线图表示S偏振成分的平均反射率Rs，虚线的曲线图表示P偏振成分的平均反射率Rp。

如图7所示，着眼于用虚线示出的P偏振成分的曲线图可知，入射角度为44°以上的P偏振成分在波长转换层67与中间层63的界面全反射，因此平均反射率Rp为大致100％。进而，布鲁斯特角θ_B比全反射角θ_C大，因此与比较例的波长转换元件相比，曲线图的波谷的部分、即P偏振成分的平均反射率Rp的降低较小。由此，能够减少从基板61向外部射出的荧光成分，从而能够提高荧光Y的利用效率。

接着，本发明人们对中间层63的折射率n_Lm进行了研究。

在这里，使用(2)式，使波长转换层67的折射率n_m变化为1.4、1.6、1.8、1.84、2.0五种，并将中间层63的折射率n_Lm作为变量来计算全反射角θ_C。图8是示出全反射角θ_C的计算结果的曲线图。在图8中，横轴表示中间层63的折射率n_Lm，纵轴表示全反射角θ_C[deg]。

中间层63的厚度优选为能够忽视渐逝波以使荧光Y充分全反射的程度的厚度，即波长的两倍以上的厚度。具体而言，中间层63的厚度优选为800nm以上。

另外，在比较例的波长转换元件123中，氧化硅作为低折射率材料是一般的材料，因此采用氧化硅作为中间层163。其结果，全反射角θ_C的计算结果为约53°。而且，作为具有比氧化硅的折射率低的折射率的材料，有氟化镁(MgF₂)，但MgF₂使用一般的真空蒸镀法而较厚地成膜时，光散射容易变大，因此不采用。

另一方面，在本实施例中，想要使全反射角θ_C小于比较例的全反射角θ_C，因此优选中间层63的折射率n_Lm低于1.46。具体而言，观察图8时，优选中间层63的折射率n_Lm为1.0以上且1.4以下的范围。但是，为了使中间层63的折射率n_Lm为上述范围，难以通过较密的膜来实现。因此，优选使低折射率材料以多孔质的状态成膜。

作为具体的低折射率材料，一般用于低折射率层的氧化硅、氟化镁、氟化锂、氟化钙等材料化学性稳定并且没有毒性，因此优选使用。在较密的膜的情况下，氧化硅的折射率为1.46，氟化镁的折射率为1.38，氟化锂的折射率为1.39，氟化钙的折射率为1.44。

如上所述，用于使上述低折射率材料为多孔质的成膜方法例如采用倾斜蒸镀法等各种真空蒸镀法、经由粘合剂固定低折射率材料的中空球、用烧制法固定微小球等涂布法等即可。在上述低折射率材料中，氟化钙容易利用简易的真空蒸镀法成为柱状结构，从而能够实现折射率1.27左右的多孔质的低折射率层，而无需使用特殊的成膜装置。进而，氟化钙为块时热传导率高达9.7W/m·K，即使成为多孔质，也对波长转换层的散热有利，因此优选使用。

在使用多孔质膜作为中间层63的情况下，空气中的水分侵入气孔时，折射率变高，从而光学特性改变。而且，多孔质膜中的水分被急剧加热时，可能因体积膨胀而产生膜的剥离，从而波长转换元件23的可靠性降低。因此，由多孔质膜构成的中间层63优选用阻隔层覆盖以防止外部的水分侵入。

接着，本发明人们对分色层62的折射率进行了研究。

基本上，关于构成分色层62的低折射率层和高折射率层的折射率，以根据(2)式而布鲁斯特角θ_B变大的方式，分别选定低折射率层和高折射率层的材料即可。

图9是示出将波长转换层67的折射率n_m固定为1.84，将低折射率层的折射率n_L和高折射率层的折射率n_H作为变量时的布鲁斯特角θ_B的计算结果的曲线图。在图9中，横轴是低折射率层的折射率n_L，纵轴是高折射率层的折射率n_H。

如图9所示，为了增大布鲁斯特角θ_B，到达图9的曲线图的右上的区域即可，因此使低折射率层的折射率n_L和高折射率层的折射率n_H均增大即可。一般使用的高折射率材料为氧化钛、氧化铌等，这些材料的折射率为大概2.4左右。因此，以下，将高折射率层的折射率n_H固定为2.4，并对低折射率层的材料进行研究。

图10是示出低折射率层的折射率n_L与布鲁斯特角θ_B的关系以及低折射率层的折射率n_L与折射率差Δn的关系的曲线图。在图10中，横轴是低折射率层的折射率n_L，左侧的纵轴是布鲁斯特角θ_B[deg]，右侧的纵轴是折射率差Δn。另外，折射率差Δn是高折射率层的折射率n_H与低折射率层的折射率n_L的差。

如图10所示，提高低折射率层的折射率n_L时，存在布鲁斯特角θ_B变大的倾向。由此，低折射率层的折射率n_L越高越好。另一方面，提高低折射率层的折射率n_L时，存在折射率差Δn变小的倾向。但是，折射率差Δn变小时，难以维持分色层62的反射率。因此，低折射率层的折射率n_L优选为与图10的虚线的框内的区域对应的1.55～2.0的范围。

另外，在实际进行分色层62的膜设计的情况下，适当适用折射率在上述范围内的材料，反复进行试错并决定即可。作为低折射率层的具体的材料，例如能够使用折射率为1.63的氧化铝、折射率为1.7的氧化镁、折射率为1.87的氧化钇(Y₂O₃)以及含有这些材料的复合氧化物。

综上所述，构成分色层62的高折射率层的折射率n_H、低折射率层的折射率n_L以及中间层63的折射率n_Lm的大小关系优选为n_H＞n_L＞n_Lm。

[第一实施方式的效果]

本实施方式的波长转换元件23具有：基板61；分色层62，其设置于基板61的第一面61a；中间层63，其设置为隔着分色层62与基板61对置；以及波长转换层67，其设置为隔着中间层63与分色层62对置，将第一波段的激励光E转换为与第一波段不同的第二波段的荧光Y，分色层62具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设波长转换层67的折射率为n_m，中间层63的折射率为n_Lm，低折射率层的折射率为n_L，高折射率层的折射率为n_H时，关于由上述(1)式求出的布鲁斯特角θ_B和由上述(2)式求出的全反射角θ_C，满足θ_B≥θ_C。

在本实施方式的波长转换元件23中，能够使以全反射角θ_C以上的入射角入射到波长转换层67与中间层63的界面的P偏振成分的平均反射率Rp为大致100％。进而，布鲁斯特角θ_B为全反射角θ_C以上，因此与布鲁斯特角θ_B小于全反射角θ_C的比较例的波长转换元件相比，能够将P偏振成分的平均反射率Rp的降低抑制得较小。其结果，能够实现荧光Y的利用效率较高的波长转换元件23。

在本实施方式的波长转换元件23中，中间层63的折射率n_Lm为1.0以上且1.4以下。

在使用YAG作为波长转换层167的材料，使用氧化硅作为中间层163的材料的比较例的波长转换元件123中，全反射角θ_C为约53°。与此相对，在本实施方式的波长转换元件23中，为了满足θ_B≥θ_C的条件，优选中间层63的全反射角θ_C小。基于该观点，只要设中间层63的折射率n_Lm为1.0以上且1.4以下，就能够使全反射角θ_C小于53°。

在本实施方式的波长转换元件23中，中间层63由多孔质材料构成。在一般使用的低折射率材料中，难以找到满足折射率n_Lm为1.0以上且1.4以下的条件的材料。与此相对，如果中间层63由多孔质材料构成，则通过中间层63的材料中包含空气，容易实现上述范围的折射率n_Lm。

在本实施方式的波长转换元件23中，优选还具有覆盖中间层63的阻隔层。

根据该结构，能够抑制大气中的水分侵入气孔。其结果，能够维持较低的折射率，从而能够抑制光学特性的变动。而且，能够抑制多孔质膜中的水分的体积膨胀导致的膜的剥离，由此能够抑制波长转换元件23的可靠性降低。

在本实施方式的波长转换元件23中，中间层63优选由含有氧化硅、氟化镁、氟化锂以及氟化钙中的至少一种的材料构成。

上述材料的化学性稳定且没有毒性，因此适于用作低折射率材料。

在本实施方式的波长转换元件23中，分色层62使第一波段的激励光E透过，并对第二波段的荧光Y进行反射。

根据该结构，能够实现荧光Y的利用效率较高的透过型的波长转换元件23。

本实施方式的第一光源装置11具有：本实施方式的波长转换元件23；以及发光元件20a1，其向波长转换元件23射出第一波段的激励光E。

根据该结构，能够实现荧光Y的利用效率较高的第一光源装置11。

本实施方式的投影仪1具有：本实施方式的第一光源装置11；光调制装置4B、4G、4R，它们根据图像信息对来自第一光源装置11的光进行调制；以及投射光学装置6，其对被光调制装置4B、4G、4R调制后的光进行投射。

根据该结构，能够实现效率较高的投影仪1。

本实施方式的波长转换元件23的制造方法具有：第一工序，在基板61的第一面61a形成分色层62；第二工序，在分色层62的两个面中的不同于与基板61的第一面61a对置的面的面形成中间层63；第三工序，在包含基板61的第一部件71形成第一接合层65；第四工序，在包含波长转换层67的第二部件72形成第二接合层66；以及第五工序，将第一接合层65与第二接合层66接合，分色层62具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，关于由上述(1)式求出的θ_B和由上述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

根据该制造方法，能够制造荧光的利用效率较高的波长转换元件23。

[第二实施方式]

以下，使用图11～图12F对本发明的第二实施方式进行说明。

第二实施方式的投影仪和光源装置的结构与第一实施方式相同，波长转换元件的结构与第一实施方式不同。因此，省略投影仪和光源装置的说明。

图11是第二实施方式的波长转换元件24的剖视图。

在图11中，对与在第一实施方式中使用的附图共同的结构要素标注相同的标号，并省略说明。

如图11所示，本实施方式的波长转换元件24具有基板61、分色层62、第一接合层65、第二接合层66、中间层63、匹配层69以及波长转换层67。从激励光E入射的一侧起依次层叠基板61、分色层62、第一接合层65、第二接合层66、中间层63、匹配层69以及波长转换层67。

在第一实施方式的波长转换元件23中，第一接合层65和第二接合层66设置于波长转换层67与中间层63之间。与此相对，在本实施方式的波长转换元件24中，第一接合层65和第二接合层66设置于中间层63与分色层62之间。第一接合层65和第二接合层66的结构与第一实施方式相同。

匹配层69设置于波长转换层67与中间层63之间。匹配层69由具有波长转换层67的折射率与中间层63的折射率n_Lm之间的折射率的材料构成。具体而言，匹配层69例如由氧化硅、氧化铝等材料构成。另外，在第一实施方式的波长转换元件23中，也可以在波长转换层67与第二接合层66之间设置匹配层69。

以下，对本实施方式的波长转换元件24的制造方法进行说明。

图12A～图12F是按照工序的顺序示出本实施方式的波长转换元件24的制造方法的剖视图。

图12A所示，使用真空蒸镀法、溅射法等在基板61的第一面61a形成分色层62(第一工序)。由此，制作包含基板61和分色层62的第一部件73。

接着，如图12B所示，使用真空蒸镀法、涂布法等，在分色层62的两个面中的分色层62的第一面62a使用等离子体CVD法等形成第一接合层65。即，在包含基板61的第一部件73形成第一接合层65(第三工序)。

接着，如图12C所示，使用等离子体CVD法等，在波长转换层67的第二面67b形成例如由氧化硅、氧化铝等材料构成的匹配层69。

接着，如图12D所示，在匹配层69的第二面69b与波长转换层67的第二面67b对置地形成中间层63(第二工序)。这时，为了用多孔质材料形成中间层63，例如使用倾斜蒸镀法等各种真空蒸镀法、涂布包含由低折射率材料构成的中空的球的粘合剂、用烧制法固定微小的球等方法即可。由此，制作包含波长转换层67、匹配层69以及中间层63的第二部件74。

接着，如图12E所示，在中间层63的第二面63b使用等离子体CVD法等形成第二接合层66。即，在包含波长转换层67的第二部件74形成第二接合层66(第四工序)。另外，第三工序与第四工序的顺序没有特别限定，先进行哪一个都可以。

接着，如图12F所示，分别对第一接合层65和第二接合层66进行等离子体照射从而赋予能量。由此，第一接合层65和第二接合层66各自的表面被活化，从而表现出粘接性。

接着，在使第一接合层65与第二接合层66密合的状态下，在常温下对第一部件73和第二部件74进行加压。由此，将第一接合层65与第二接合层66接合(第五工序)。

通过以上工序，制作本实施方式的波长转换元件24。

[第二实施方式的效果]

在本实施方式中，也得到如下与第一实施方式相同的效果：能够实现荧光Y的利用效率较高的波长转换元件24和第一光源装置11，能够实现效率较高的投影仪1，能够制造荧光Y的利用效率较高的波长转换元件24。

另外，本发明的技术范围并不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内施加各种变更。

例如在上述实施方式中，中间层、分色层、第一接合层以及第二接合层的层叠顺序无论是什么顺序，在光学上都是等价的，因此没有限定。但是，在用多孔质材料构成中间层的情况下，在多孔质材料上形成电介质多层膜时，电介质多层膜的平坦性有可能降低，从而产生光散射，因此不优选。因此，优选在不使用在多孔质材料上形成电介质多层膜的工序的情况下能够形成各膜的结构。

而且，与中间层接触的第一接合层或第二接合层也可以兼作为阻隔层。在该情况下，优选使用对作为基底膜的中间层的覆盖性良好、平坦性较高的CVD法、原子层沉积法(ALD法)、溅射法等进行成膜。

在上述实施方式中，举出了不能旋转的固定型的波长转换元件的例子，但本发明也能够适用于具有利用马达能够旋转的波长转换元件的光源装置。而且，波长转换层可以由具有透明性的荧光体构成，也可以由具有散射性的荧光体构成。

也可以在基板的激励光入射一侧的面设置透过激励光并反射荧光的分色层。而且，也可以在基板的激励光入射一侧的面、各接合层与波长转换层接触的面等各种界面设置用于减少界面反射的匹配层或防反射层。

而且，关于第一接合层与第二接合层的接合法，除了在上述实施方式中使用的等离子体聚合法以外，例如也可以使用原子扩散接合法。此外，能够采用使用了干法或湿法的各种接合方法。

此外，波长转换元件、光源装置以及投影仪的各构成要素的形状、数量、配置、材料等具体的记载并不限于上述实施方式，能够适当变更。在上述实施方式中，示出了将本发明的光源装置搭载于使用了液晶光阀的投影仪的例子，但并不限于此。也可以将本发明的光源装置搭载在使用了数字微镜器件作为光调制装置的投影仪中。而且，投影仪也可以不具有多个光调制装置，可以仅具有一个光调制装置。

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，但并不限于此。本发明的光源装置也可以应用在照明器具、汽车的头灯等。

本发明的一个方式的波长转换元件也可以具有以下结构。

本发明的一个方式的波长转换元件具有：基板；分色层，其设置于所述基板的第一面；中间层，其设置为隔着所述分色层与所述基板对置；以及波长转换层，其设置为隔着所述中间层与所述分色层对置，将第一波段的光转换为与所述第一波段不同的第二波段的光，所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，n_H大于n_L时，关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

在本发明的一个方式的波长转换元件中，所述中间层的折射率也可以为1.0以上且1.4以下。

在本发明的一个方式的波长转换元件中，所述中间层也可以由多孔质材料构成。

本发明的一个方式的波长转换元件也可以还具备覆盖所述中间层的阻隔层。

在本发明的一个方式的波长转换元件中，所述中间层也可以由包含氧化硅、氟化镁、氟化锂以及氟化钙中的至少一种的材料构成。

在本发明的一个方式的波长转换元件中，所述分色层也可以使所述第一波段的光透过，并对所述第二波段的光进行反射。

本发明的一个方式的光源装置也可以是以下结构。

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；以及发光元件，其向所述波长转换元件射出所述第一波段的光。

本发明的一个方式的投影仪也可以是以下结构。

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，其对被所述光调制装置调制后的光进行投射。

本发明的一个方式的波长转换元件的制造方法也可以是以下结构。

本发明的一个方式的波长转换元件的制造方法具有：第一工序，在基板的第一面形成分色层；第二工序，在所述分色层的两个面中的不同于与所述基板的第一面对置的第二面的第三面形成中间层，或者与波长转换层的第四面对置地形成中间层；第三工序，在包含所述基板的第一部件形成第一接合层；第四工序，在包含所述波长转换层的第二部件形成第二接合层；以及第五工序，将所述第一接合层与所述第二接合层接合，所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，n_H大于n_L时，关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C。

Claims (9)

1.一种波长转换元件，其具有：

基板；

分色层，其设置于所述基板的第一面；

中间层，其设置为隔着所述分色层与所述基板对置；以及

波长转换层，其设置为隔着所述中间层与所述分色层对置，将第一波段的光转换为与所述第一波段不同的第二波段的光，

所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，

设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，且n_H大于n_L时，

关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C:

2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，

所述中间层的折射率为1.0以上且1.4以下。

3.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，

所述中间层由多孔质材料构成。

4.根据权利要求3所述的波长转换元件，其中，

该波长转换元件还具有覆盖所述中间层的阻隔层。

5.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，

所述中间层由含有氧化硅、氟化镁、氟化锂以及氟化钙中的至少一种的材料构成。

6.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，

所述分色层使所述第一波段的光透过，对所述第二波段的光进行反射。

7.一种光源装置，其具有：

权利要求1至6中的任意一项所述的波长转换元件；以及

发光元件，其向所述波长转换元件射出所述第一波段的光。

8.一种投影仪，其具有：

权利要求7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，其对被所述光调制装置调制后的光进行投射。

9.一种波长转换元件的制造方法，其具有：

第一工序，在基板的第一面形成分色层；

第二工序，在所述分色层的两个面中的不同于与所述基板的第一面对置的第二面的第三面形成中间层，或者与波长转换层的第四面对置地形成中间层；

第三工序，在包含所述基板的第一部件形成第一接合层；

第四工序，在包含所述波长转换层的第二部件形成第二接合层；以及

第五工序，将所述第一接合层与所述第二接合层接合，

所述分色层具有两种以上的折射率层，该两种以上的折射率层具有彼此不同的折射率，

设所述波长转换层的折射率为n_m，所述中间层的折射率为n_Lm，所述两种以上的折射率层中的具有第一折射率的折射率层的折射率为n_L，所述两种以上的折射率层中的具有第二折射率的折射率层的折射率为n_H，且n_H大于n_L时，

关于由下述(1)式求出的θ_B和由下述(2)式求出的θ_C，满足θ_B≥θ_C：

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