CN113495421B - 波长转换元件、光源装置以及投影仪 - Google Patents

波长转换元件、光源装置以及投影仪 Download PDF

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Abstract

提供波长转换元件、光源装置以及投影仪，波长转换元件对荧光的利用效率优异。本发明的波长转换元件具有：波长转换层，其具有第1面和与第1面不同的第2面，含有体积比为5％以下的散射要素，并将第1波段的光转换为与第1波段不同的第2波段的光；以及多个凸部，它们与第1面相对地设置，包含彼此相邻的第1凸部和第2凸部。多个凸部的高度为1μm以上，沿着第1面的方向上的第1凸部的顶点与第2凸部的顶点的间隔为3μm以上。

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
作为用于投影仪的光源装置，提出了利用荧光的光源装置，该荧光是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。在下述的专利文献1中，公开了在基板的一面从基板侧起依次层叠有第1反射层、波长转换层、2反射层和光散射层的波长转换元件。
专利文献1：日本特开2017-215549号公报
在专利文献1的波长转换元件中，在比波长转换层更靠近激励光的入射侧，设置有第2反射层，该第2反射层具有使激励光的一部分透过，并且使激励光的另一部分反射，且使荧光透过的特性。因此，从波长转换元件射出白色光，该白色光是作为由第2反射层反射的激励光的另一部分的蓝色光和作为由波长转换层产生的荧光的黄色光合成而得的。
如上所述，在专利文献1的波长转换元件中，一部分激励光被第2反射层反射而生成了白色光，因此一部分激励光透过第2反射层到达波长转换层。因此，为了提高到达波长转换层的激励光的波长转换效率，期望使用几乎不包含散射要素的波长转换层，使得尽可能地不发生激励光的损失。然而，在使用几乎不包含散射要素的波长转换层的情况下，难以将在波长转换层内产生的荧光取出到外部，荧光的利用效率有可能降低。
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具有：波长转换层，其具有第1面和与所述第1面不同的第2面，含有体积比为5％以下的散射要素，并将第1波段的光转换为与所述第1波段不同的第2波段的光；以及多个凸部，它们与所述第1面相对地设置，包含彼此相邻的第1凸部和第2凸部，所述多个凸部的高度为1μm以上，沿着所述第1面的方向上的所述第1凸部的顶点与所述第2凸部的顶点的间隔为3μm以上。
本发明一个方式的光源装置具有：本发明一个方式的波长转换元件；以及光源，其射出所述第1波段的光。
本发明一个方式的投影仪具有：本发明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是第1实施方式的照明装置的概略结构图。
图3是第1实施方式的波长转换元件的剖视图。
图4A是表示第1实施方式的波长转换元件的制造方法的一个工序的剖视图。
图4B是图4A之后的工序的剖视图。
图4C是图4B之后的工序的剖视图。
图4D是图4C之后的工序的剖视图。
图4E是图4D之后的工序的剖视图。
图5是表示比较例的波长转换元件的作用的图。
图6是表示第1实施方式的波长转换元件的作用的图。
图7是表示凸部的间距与衍射角度之间的关系的曲线图。
图8是表示凸部相对于波长转换层的折射率比与界面反射率之间的关系的曲线图。
图9是第2实施方式的波长转换元件的剖视图。
图10A是表示第2实施方式的波长转换元件的制造方法的一个工序的剖视图。
图10B是图10A之后的工序的剖视图。
图10C是图10B之后的工序的剖视图。
图10D是图10C之后的工序的剖视图。
图10E是图10D之后的工序的剖视图。
图11是表示氮氧化硅膜的折射率与界面反射率之间的关系的曲线图。
图12是第3实施方式的波长转换元件的剖视图。
图13是第4实施方式的波长转换元件的剖视图。
标号说明
1：投影仪；4B、4G、4R：光调制装置；6：投射光学装置；20：光源装置；40、60、70、80：波长转换元件；42：波长转换层；42a：第1面；42b：第2面；43、63、73：基材部；43c、63c、73c：第3面；43d、63d、73d：第4面；43f、63f：平坦部；44、64、74、84：凸部；44s、64s、84s：凸曲面；74s：凹曲面；441、641、741、841：第1凸部；442、642、742、842：第2凸部；BL：蓝色光(第1波段的光)；YL：荧光(第2波段的光)；P：凸部的间距；T：凸部的高度。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，使用图1～图3来说明本发明的一个实施方式。
另外，在以下的各附图中，为了易于观察各结构要素，有时根据结构要素而使尺寸的比例尺不同来进行示出。
对本实施方式的投影仪的一例进行说明。
图1是本实施方式的投影仪1的概略结构图。
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、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。关于照明装置2的结构，将在后面详细说明。
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。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配置在色分离光学系统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配置在色分离光学系统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1分色镜7a使红色光成分透过，反射绿色光成分和蓝色光成分。第2分色镜7b反射绿色光成分，使蓝色光成分透过。反射镜8a反射红色光成分。反射镜8b和反射镜8c反射蓝色光成分。
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进一步被第2分色镜7b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，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分别根据图像信息对入射的色光进行调制，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。虽然省略了图示，但是在光调制装置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由将4个直角棱镜贴合而成的俯视呈大致正方形的十字分色棱镜构成。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。
从合成光学系统5射出的图像光被投射光学装置6所放大投射，而在屏幕SCR上形成图像。即，投射光学装置6投射从光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B射出的图像光。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具有光源装置20、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20具有光源部21、准直光学系统22、远焦光学系统23、第1相位差板281、偏振分离元件25、第1聚光光学系统26、波长转换元件40、第2相位差板282、第2聚光光学系统29和扩散反射元件30。
以下，在图2中，使用XYZ正交坐标系，将与从光源部21射出的蓝色光BL的主光线平行的轴定义为X轴，将与从波长转换元件40射出的荧光YL的主光线平行的轴定义为Y轴，将与X轴和Y轴垂直的轴定义为Z轴。
光源部21、准直光学系统22、远焦光学系统23、第1相位差板281、偏振分离元件25、第2相位差板282、第2聚光光学系统29和扩散反射元件30在光轴ax1上依次排列配置。波长转换元件40、第1聚光光学系统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在光轴ax2上依次排列配置。光轴ax1和光轴ax2位于同一面内，相互垂直。光轴ax1是沿着蓝色光BL的主光线的轴，光轴ax2是沿着荧光YL的主光线的轴。
光源部21具有射出激励光的多个发光元件211。多个发光元件211在与光轴ax1垂直的面内排列配置为阵列状。在本实施方式的情况下，光源部21具有如下结构：沿着与排列有4个发光元件211的Y轴垂直的Z轴排列有4组光源单元，该光源单元是由4个发光元件211沿着Y轴排成一列配置而成的。即，光源部21具有16个发光元件211排列成4行4列的阵列状的结构。另外，发光元件211的个数和配置不限于上述结构。
发光元件211由射出蓝色光BL的激光元件构成。激光元件例如由半导体激光器构成，射出第1波段的蓝色光，具体而言，射出峰值波长例如为460nm的第1波段的蓝色光BL。因此，光源部21射出多个蓝色光BL。本实施方式的蓝色光BL与本发明的第1波段的光对应。
从光源部21射出的蓝色光BL入射到准直光学系统22。准直光学系统22将从光源部21射出的蓝色光BL转换为平行光。准直光学系统22由排列配置成阵列状的多个准直透镜221构成。一个准直透镜221配置在从一个发光元件211射出的蓝色光BL所入射的位置处。
穿过了准直光学系统22的蓝色光BL入射到远焦光学系统23。远焦光学系统23调整蓝色光BL的直径、即蓝色光BL的粗细。远焦光学系统23由凸透镜23a和凹透镜23b构成。
穿过了远焦光学系统23的蓝色光BL入射到第1相位差板281。第1相位差板281例如由可旋转的1/2波长板构成。从光源部21射出之后的蓝色光BL是具有规定的偏振方向的线偏振光。通过适当地设定第1相位差板281的旋转角度，能够将透过第1相位差板281的蓝色光BL转换为以规定的比率包含相对于偏振分离元件25的S偏振成分和P偏振成分的蓝色光BL。通过改变第1相位差板281的旋转角度，能够使S偏振成分与P偏振成分的比率发生变化。
从第1相位差板281射出的包含S偏振成分和P偏振成分的蓝色光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配置成相对于光轴ax1和光轴ax2形成45°的角度。
偏振分离元件25具有将蓝色光BL分离为相对于偏振分离元件25的S偏振成分的蓝色光BLs和P偏振成分的蓝色光BLp的偏振分离功能。具体而言，偏振分离元件25反射S偏振成分的蓝色光BLs，使P偏振成分的蓝色光BLp透过。另外，偏振分离元件25除了偏振分离功能之外，还具有无论偏振状态如何都使波段与蓝色光BL不同的黄色光成分透过的色分离功能。
由偏振分离元件25反射后的S偏振的蓝色光BLs入射到第1聚光光学系统26。从光源部21射出的蓝色光BL入射到第1聚光光学系统26，第1聚光光学系统26使朝向波长转换元件40会聚蓝色光BLs。第1聚光光学系统26由第1透镜261和第2透镜262构成。第1透镜261和第2透镜262分别由凸透镜构成。从第1聚光光学系统26射出的蓝色光BLs以会聚的状态入射到波长转换元件40。关于波长转换元件40的详细结构，将在后面进行叙述。
由波长转换元件40生成的黄色的荧光YL在由第1聚光光学系统26平行化后，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，所以荧光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偏振的蓝色光BLp入射到第2相位差板282。第2相位差板282由配置在偏振分离元件25和扩散反射元件30之间的光路中的1/4波长板构成。从偏振分离元件25射出的P偏振的蓝色光BLp在被第2相位差板282转换为例如右旋圆偏振的蓝色光BLc1之后，入射到第2聚光光学系统29。
第2聚光光学系统29由第1透镜291和第2透镜292构成。第1透镜291和第2透镜292分别由凸透镜构成。第2聚光光学系统29使蓝色光BLc1以会聚的状态入射到扩散反射元件30。
扩散反射元件30设置在从偏振分离元件25射出的蓝色光BLp的光路上。扩散反射元件30使从第2聚光光学系统29射出的蓝色光BLc1朝向偏振分离元件25扩散反射。扩散反射元件30优选以接近朗伯扩散的角度分布反射蓝色光BLc1，并且不扰乱蓝色光BLc1的偏振状态。
以下，将由扩散反射元件30扩散反射后的光称为蓝色光BLc2。在本实施方式中，通过将蓝色光BLc1进行扩散反射而得到具有大致均匀的照度分布的蓝色光BLc2。例如，右旋圆偏振的蓝色光BLc1被扩散反射元件30扩散反射，并被转换为左旋圆偏振的蓝色光BLc2。
蓝色光BLc2在被第2聚光光学系统29转换为平行光束之后，再次入射到第2相位差板282。左旋圆偏振的蓝色光BLc2被第2相位差板282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。
这样，蓝色光BLs1与透过偏振分离元件25的荧光YL合成而被用作照明光WL。即，蓝色光BLs1和荧光YL从偏振分离元件25沿彼此相同的方向射出，从而生成将蓝色光BLs1和黄色荧光YL合成而得的白色照明光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分别具有多个透镜排列成阵列状的结构。
透过积分器光学系统31的照明光WL入射到偏振转换元件32。偏振转换元件32具有未图示的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转换为向光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B入射的线偏振光。
透过偏振转换元件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，使被照明区域中的照明光WL的照度分布均匀化。这样，照明装置2生成白色的照明光WL。
以下，对波长转换元件40的结构进行说明。
图3是本实施方式的波长转换元件40的剖视图。
如图3所示，本实施方式的波长转换元件40具有波长转换层42、基材部43、多个凸部44、反射层45、散热部件46和接合层47。
波长转换层42具有第1面42a和与第1面42a不同的第2面42b。波长转换层42包含陶瓷荧光体，该陶瓷荧光体将第1波段的蓝色光BLs转换为与第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。蓝色光BLs从第1面42a入射到波长转换层42，并且从第1面42a射出荧光YL。本实施方式的荧光YL与本发明的第2波段的光对应。
具体而言，波长转换层42例如包含钇铝石榴石(YAG)系荧光体。以含有铈(Ce)作为活化剂的YAG：Ce为例，作为波长转换层42，可以使用将包含Y2O3、Al2O3、CeO3等构成元素的原料粉末混合并使其发生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无定形粒子、通过喷雾干燥法、火焰热分解法或热等离子体法等气相法得到的YAG粒子等。
波长转换层42含有体积比为5％以下的散射要素。具体而言，在波长转换层42中包含作为光的散射要素而发挥功能的多个气孔，气孔的含有率被设定为相对于构成波长转换层42的荧光体的体积比为5％以下。当波长转换层42中的散射要素的含有率大于体积比5％时，荧光体与散射要素的折射率界面增多，因此入射到波长转换层42的光容易被散射。另一方面，在将波长转换层42中的散射要素的含有率设为体积比5％以下时，能够充分地抑制入射到波长转换层42的光的散射。波长转换层42中的散射要素的含有率更优选设定为1％以下，进一步优选设定为0.1％以下。另外，散射要素不限于气孔，也可以是由折射率与荧光体的折射率不同的材料构成的粒子等。
基材部43与波长转换层42的第1面42a相接触地设置。基材部43由具有规定厚度的板材构成。基材部43具有与波长转换层42的第1面42a接触的第3面43c和与第3面不同的第4面43d。另外，如后所述，由于基材部43和凸部44形成为一体，所以第4面43d是穿过多个平坦部43f的假想的面。
多个凸部44隔着基材部43与波长转换层42的第1面42a相对地设置。多个凸部44包含彼此相邻的第1凸部441和第2凸部442。多个凸部44分别具有向荧光YL的射出方向突出的凸曲面44s。多个凸部44分别具有所谓的凸透镜形状。
多个凸部44在基材部43的第4面43d处与基材部43设置为一体。即，多个凸部44和基材部43由一体的部件构成。多个凸部44和基材部43例如由晶体结构为4H型的碳化硅(4H-SiC)、蓝宝石等透光性材料构成。多个凸部44和基材部43的构成材料的折射率优选与波长转换层42的折射率相等、或者接近波长转换层42的折射率。
在本实施方式中，将从基材部43的第4面43d到各凸部44的凸曲面44s的顶点C的距离定义为凸部44的高度T。另外，将沿着波长转换层42的第1面42a的方向上的第1凸部441的顶点C与第2凸部442的顶点C的间隔定义为凸部44的间距P。在本实施方式中，沿着第1面42a的方向上的多个凸部44的顶点C彼此的间隔、即间距P是恒定的。
在本实施方式的波长转换元件40中，凸部44的高度T为1μm以上。凸部44的间距P为3μm以上。另外，多个凸部44中的相邻的2个凸部44的间距P不论位置如何都是恒定的。即，多个凸部44遍及波长转换层42的第1面42a的整个区域而以相等的间距P形成。第1凸部441和第2凸部442在沿着基材部43的第4面43d的方向上彼此分离地设置。由此，第4面43d在第1凸部441和第2凸部442之间具有平坦部43f。
反射层45设置在波长转换层42的第2面42b与接合层47之间。反射层45对入射到波长转换层42的蓝色光BLs和在波长转换层42中产生的荧光YL进行反射。反射层45例如由银(Ag)等反射率比较高的金属或电介质多层膜构成。另外，除了实际上有助于光的反射的反射层45之外，还可以设置保护层、接合辅助层、粘合层等。
散热部件46由热传导率高、散热性优异的材料构成。具体而言，散热部件46由铜、铝等金属材料或者氮化铝、氧化铝、蓝宝石、金刚石等陶瓷材料构成。散热部件46接受在被照射蓝色光BLs时在波长转换层42中产生的热，并将热释放到外部。另外，也可以在散热部件46的与设置有波长转换层42的面相反侧的面上，设置用于促进散热的散热片等。
接合层47设置在反射层45与散热部件46之间，对反射层45和散热部件46进行接合。接合层47优选使用热传导率高的材料，例如可采用使用了银纳米粒子的银膏、使用了金纳米粒子的金膏、金锡焊料等。
以下，对本实施方式的波长转换元件40的制造方法进行说明。
图4A～图4E是按工序顺序表示本实施方式的波长转换元件40的制造方法的剖视图。
首先，如图4A所示，在4H-SiC、蓝宝石等透光性基板51的一面51a上涂敷抗蚀剂后，使用光刻技术形成用于形成多个凸部44的抗蚀剂图案52。此时，从透光性基板51的一面51a的法线方向看，抗蚀剂图案52形成为一边为10μm的正方形，设相邻的图案间的间隔为2μm、抗蚀剂的厚度为2.7μm。
接着，将形成有抗蚀剂图案52的透光性基板51在抗蚀剂图案52不会碳化的程度的高温、例如180℃至220℃左右的温度下进行烧制。此时，如图4B所示，抗蚀剂图案52软化并回流，由于表面张力而变化为具有半球状的凸透镜形状的抗蚀剂图案53。
接着，将抗蚀剂图案53的凸透镜形状作为模具，使用BCl3、氯、氩和氧等进行透光性基板51的干蚀刻。此时，如图4C所示，抗蚀剂图案53的凸透镜形状被转印为透光性基板51的凸透镜形状。由此，制作包含具有平坦部43f的基材部43和多个凸部44的透光性基板51。4H-SiC、蓝宝石等材料能够比较容易地进行蚀刻，基于这点适合作为透光性基板51的材料。
接着，如图4D所示，在形成有多个凸部44的透光性基板51的另一面51b上，接合另外制作的由YAG构成的荧光体基板55。在透光性基板51和荧光体基板55的接合中，例如能够使用活性化接合。活性化接合是如下技术：通过在高真空下溅射氩等惰性气体来削去各基板51、55的表面，在各基板51、55的表面形成共价键而使其活性化，并通过共价键进行接合。利用该技术，能够在不使用粘接剂、接合材料等的情况下接合透光性基板51和荧光体基板55。
接着，如图4E所示，使用蒸镀法、溅射法等，在荧光体基板55的一面55b上形成由银等金属构成的反射层45。
最后，虽然省略了图示，但在将接合透光性基板51和荧光体基板55的接合体切割成规定的大小后，使用接合材料与散热部件46接合，由此完成了本实施方式的波长转换元件40。
[第1实施方式的波长转换元件的作用]
这里，设想不具有多个凸部的比较例的波长转换元件。
图5是表示比较例的波长转换元件140的作用的图。
如图5所示，比较例的波长转换元件140具有由YAG构成的波长转换层142、和设置在波长转换层142的第2面142b上的反射层145。另外，波长转换层142含有体积比为5％以下的散射要素。
在比较例的波长转换元件140中，当蓝色光BLs入射到波长转换层142的第1面142a时，如果构成波长转换层142的YAG的折射率为1.83，则临界角为33.1°。因此，以大于33.1°的入射角θ1入射到波长转换层142与空气之间的界面的光被全反射。
这里，在波长转换层142的第1面142a和第2面142b相互平行的情况下，由波长转换部142r生成的荧光YL在被第1面142a和第2面142b反复反射时，入射角度θ1不发生变化地到达波长转换层142的端面142c。此时，荧光YL从端面142c向外部射出，或者被端面142c反射而在朝反方向反复全反射地行进的期间发生衰减。不论如何，这样的荧光YL不会从第1面142a射出到外部。因此，使用了散射要素的含有体积少的比较例的波长转换元件140的光源装置存在荧光YL的利用效率低的问题。
图6是表示本实施方式的波长转换元件40的作用的图。
与此相对，在本实施方式的波长转换元件40的情况下，如图6所示，在波长转换层42的第1面42a上设置有基材部43和多个凸部44。在此，假设基材部43和多个凸部44的构成材料的折射率与波长转换层42的折射率相等，从而在基材部43与波长转换层42的界面处不产生光的折射。
在本实施方式的波长转换元件40中，即使是从波长转换部42r射出并以大的入射角度θ1入射到波长转换层42的第1面42a的荧光YL，在入射到凸曲面44s、即凸部44与空气的界面时，由于凸曲面44s相对于第1面42a倾斜，所以入射到凸曲面44s的入射角度θ2变得比临界角小，不会被全反射而向外部射出。此外，根据凸曲面44s中的荧光YL所入射的位置不同，入射角度θ2有时会变为临界角以上，从而将荧光YL全反射。即使在该情况下，也与第1面142a和第2面142b平行的比较例的波长转换元件140不同，因为通过凸曲面44s处的反射而使得荧光YL的角度发生变化，所以荧光YL在由第2面42b进行了反射之后，再次入射到其他凸部44时，不会被全反射而射出到外部的概率变高。这样，通过在波长转换层42的第1面42a侧设置多个凸部44，能够将荧光YL高效地射出到外部。
[关于凸部的高度和间距]
以下，说明本发明人对凸部44的高度T和间距P进行了研究的结果。
例如，假设在透光基板的表面上设置多个结构体，每个结构体小于入射光的波长，且截面形状为三角形。在这种情况下，在结构体的上部，结构体的体积相对较小，空气的体积相对较大，因此折射率相对较小，在结构体的下部，结构体的体积相对较大，空气的体积相对较小，因此折射率相对较大。因此，从外部入射到多个结构体的光来看，多个结构体被识别为折射率分布。因此，由于折射率从空气向透光性基板连续地增大，所以几乎不产生由界面的折射率差引起的菲涅耳反射。这样的结构体作为防反射结构而被公知，被称为光子结构。
另一方面，当着眼于在透光性基板的内部引导的光时，入射到光子结构的光随着折射率从透光性基板朝向外部降低，入射到表面的入射角度更大程度地倾斜。因此，在没有光子结构的情况下在透光性基板与空气的界面处以比全反射角度大的角度入射的光在光子结构与空气的界面处，也以比全反射角度大的角度入射。因此，光子结构不能抑制光的内部全反射。因此，即使对上述比较例的波长转换元件140附加光子结构，也不能解决荧光的利用效率低的问题。
因此，为了不产生光子效应，凸部44的高度T需要是比荧光YL的波长大的高度。即，在假设荧光YL的波段小于1000nm时，凸部44的高度T需要为1μm以上。
图7是表示凸部44的间距P与衍射角度之间的关系的曲线图。
在图7中，横轴表示凸部44的间距(μm)，纵轴表示衍射角度(°)。在设间距为d、衍射角度(rad)为β、衍射次数为n、入射光的波长为λ(其中，λ＝1000nm)时，图7的曲线图是根据入射角度为0度时的衍射式d×sinβ＝n×λ计算出的。实线的曲线表示1次衍射，虚线的曲线表示2次衍射。
在本实施方式的波长转换元件40中，多个凸部44构成了特定的周期结构。因此，根据凸部44的周期，需要考虑光的衍射的影响。如图7所示，如果凸部44的间距P减小一定程度，则光的衍射表现出增大的趋势。具体而言，当凸部44的间距P小于2μm时，1次的衍射角度表现出急剧增大的趋势，当凸部44的间距P小于3μm时，2次的衍射角度表现出急剧增大的趋势。当衍射角度增大时，荧光YL从波长转换层42的提取量降低，进而导致荧光YL的使用效率降低，因此当考虑到2次衍射时，凸部44的间距P需要设为3μm以上。
[关于凸部相对于波长转换层的折射率比]
以下，说明本发明人对凸部44相对于波长转换层42的折射率比进行了研究的结果。以下，将凸部44相对于波长转换层42的折射率比简称为折射率比。
图8是表示折射率比与界面反射率之间的关系的曲线图。在图8中，横轴表示折射率比(无单位)，纵轴表示界面反射率(％)。
在设折射率比为A时，界面反射率Ra根据从菲涅耳反射的公式导出的下述(1)式计算。
Ra＝(1-A)2/(1+A)2…(1)
将折射率比定义为凸部44的折射率除以波长转换层42的折射率而得的值。即，当凸部44的折射率为Nt且波长转换层42的折射率为Nph时，折射率比A由以下(2)式表示。
A＝Nt/Nph…(2)
优选波长转换层42的折射率与基材部43以及凸部44的折射率相等，而在波长转换层42的折射率与基材部43以及凸部44的折射率互不相同的情况下，在波长转换层42与基材部43的界面，由于折射率差发生界面反射。当发生界面反射时，蓝色光BLs在入射到波长转换层42之前被反射而成为损失，不对荧光体的激励做贡献。考虑到这一点，优选选择使得界面反射率减小的折射率比的范围。如图8所示，在折射率比小于0.75的区域以及折射率比大于1.30的区域中，界面反射率超过2％，并且表现出急剧增大的趋势。因此，折射率比优选为0.75以上且1.30以下。
[第1实施方式的效果]
本实施方式的波长转换元件40具有：波长转换层42，其具有第1面42a和与第1面42a不同的第2表面42b，含有体积比为5％以下的散射要素，并将蓝色光BLs转换为荧光YL；多个凸部44，它们与第1面42a相对地设置，包含彼此相邻的第1凸部441和第2凸部442，凸部44的高度T为1μm以上，凸部44的间距P为3μm以上。
根据该结构，通过与波长转换层42的第1面42a相对地设置多个凸部44，能够将荧光YL高效地射出到外部。由此，能够实现荧光YL的利用效率优异的波长转换元件40。此外，由于波长转换层42几乎不具有气孔等散射要素，所以与具有大量的气孔等散射要素的情况相比，能够抑制蓝色光BLs的损失，并且能够提高波长转换层42的热传导率，从而能够提高波长转换效率。此外，通过设置散热部件46，波长转换层42的温度上升引起的转换效率的降低较小，因此能够以低成本实现高效率且高输出的波长转换元件40。
在本实施方式的波长转换元件40中，凸部44的折射率除以波长转换层42的折射率的值、即折射率比为0.75以上且1.30以下。
根据该结构，能够提高蓝色光BLs的利用效率。
在本实施方式的波长转换元件40中，沿着第1面42a的方向上的多个凸部44之间的间距P是恒定的。
根据该结构，能够实现射出的荧光YL的强度分布大致均匀的波长转换元件40。
在本实施方式的波长转换元件40中，多个凸部44分别具有向荧光YL的射出方向突出的凸曲面44s。
根据该结构，波长转换元件40能够射出遍及全方位地具有大致均匀的强度分布的荧光YL。并且，在设置有凸曲面44s的情况下，例如容易应对形成防反射涂层等表面处理膜的情况，能够使转换效率进一步提高。
在本实施方式的波长转换元件40中，设置具有与波长转换层42的第1面42a相接触的第3面43c、和与第3面43c不同的第4面43d的基材部43，多个凸部44在基材部43的第4面43d处与基材部43设置为一体，第1凸部441和第2凸部442在沿着第4面43d的方向上彼此分离地设置，第4面43d在第1凸部441和第2凸部442之间具有平坦部43f。
根据该结构，能够通过平坦部43f来缓和因波长转换层42与基材部43的线膨胀系数差而产生于基材部43的热应力。由此，能够抑制多个凸部44从波长转换层42剥离。
本实施方式的光源装置20具有上述的波长转换元件40和射出蓝色光BL的光源部21。
根据该结构，能够实现荧光YL的利用效率高的光源装置20。
本实施方式的投影仪1具有：上述的光源装置20；根据图像信息对来自光源装置20的光进行调制的光调制装置4B、4G、4R；以及对由光调制装置4B、4G、4R调制后的光进行投射的投射光学装置6。
根据该结构，能够实现高效率的投影仪1。
[第2实施方式]
以下，使用图9～图11说明本发明的第2实施方式。
第2实施方式的投影仪和光源装置的结构与第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，省略投影仪和光源装置整体的说明。
图9是第2实施方式的波长转换元件60的剖视图。
在图9中，对与第1实施方式所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，本实施方式的波长转换元件60具有波长转换层42、基材部63、多个凸部64、反射层45、散热部件46和接合层47。
基材部63与波长转换层42的第1面42a相接触地设置。基材部63与第1实施方式的板材不同，由具有规定厚度的薄膜构成。基材部63具有与波长转换层42的第1面42a相接触的第3面63c、和与第3面63c不同的第4面63d。另外，由于基材部63和凸部64形成为一体，所以第4面63d是穿过多个平坦部63f的假想的面。
多个凸部64隔着基材部63与波长转换层42的第1面42a相对地设置。多个凸部64包含彼此相邻的第1凸部641和第2凸部642。多个凸部64分别具有向荧光YL的射出方向突出的凸曲面64s。另外，第1凸部641和第2凸部642在沿着基材部63的第4面63d的方向上彼此分离地设置。由此，第4面63d在第1凸部641和第2凸部642之间具有平坦部63f。
多个凸部64在基材部63的第4面63d处与基材部63设置为一体。即，多个凸部64和基材部63由一体的部件构成。多个凸部64和基材部63例如由氮氧化硅(SiON)膜、氧化铝膜、氧化锆膜等具有透光性的材料构成。从容易进行微细加工的观点出发，优选使用氮氧化硅膜。多个凸部64和基材部63的构成材料的折射率优选与波长转换层42的折射率相等、或者接近波长转换层42的折射率。
波长转换元件60的其他结构与第1实施方式的波长转换元件40相同。
以下，对本实施方式的波长转换元件60的制造方法进行说明。
图10A～图10E是按工序顺序表示本实施方式的波长转换元件60的制造方法的剖视图。
首先，如图10A所示，在由YAG等构成的荧光体基板55的第1面55a上形成氮氧化硅(SiON)膜66。此时，SiON膜66使用CVD法成膜。能够以SiH4为主原料气体，通过用于调整SiON膜66中的氧浓度的氧或氧化合物气体的流量、和用于调整SiON膜66中的氮浓度的氮、氨或N2O等氮化合物气体的流量的比率，改变SiON膜66中的氧和氮的浓度比。通过调整氧和氮的浓度比，能够使折射率在1.46左右～2.0左右之间变化。由此，能够将SiON膜66的折射率调整为最佳值。SiON膜66能够使用在半导体制造中通常使用的装置或原料容易地制造或加工。
接着，如图10B所示，在SiON膜66的第1面66a上涂敷抗蚀剂后，使用光刻技术形成用于形成多个凸部64的抗蚀剂图案52。此时，从第1面66a的法线方向看，抗蚀剂图案52的形成为一边为12μm的正方形，设相邻的图案间的间隔为3μm、抗蚀剂的厚度为2.7μm。
接着，将形成有抗蚀剂图案52的荧光体基板55在抗蚀剂图案52不会碳化的程度的高温、例如180℃至220℃左右的温度下进行烧制。此时，如图10C所示，抗蚀剂图案52软化并回流，由于表面张力而变化为具有半球状的凸透镜形状的抗蚀剂图案53。
接着，将由抗蚀剂图案53构成的凸透镜形状作为模具，使用CF4、氩和氧等对SiON膜66进行干蚀刻。此时，如图10D所示，抗蚀剂图案53的凸透镜形状被转印为SiON膜66的凸透镜形状。由此，制作具有基材部63和多个凸部64的SiON膜66。
接着，如图10E所示，使用蒸镀法、溅射法等，在荧光体基板55的第2面55b上形成由银等金属构成的反射层45。
最后，在将荧光体基板55切割成规定的大小后，使用接合材料与散热部件46接合，由此完成了本实施方式的波长转换元件60。
图11是表示使用YAG作为波长转换层42时的、SiON膜66的折射率与界面反射率之间的关系的曲线图。在图11中，横轴表示SiON膜66的折射率(-)，纵轴表示界面反射率(％)。
如图11所示，当使用YAG作为波长转换层42时，由于YAG的折射率为1.83，因此在SiON膜66的折射率为1.83时，界面反射率为0％，随着SiON膜66的折射率远离1.83，界面反射率表现出增加的趋势。因此，如上所述，优选通过调整SiON膜66中的氧和氮的浓度比，使SiON膜66的折射率成为接近1.83的值。
[第2实施方式的效果]
在本实施方式中，也能够得到如下的与第1实施方式同样的效果：能够实现荧光的利用效率优异的波长转换元件60，能够抑制激励光的损失，并且能够通过提高波长转换层42的热传导率来提高波长转换效率，能够实现高效率的光源装置20和投影仪1。
另外，在本实施方式的波长转换元件60中，基材部63以及多个凸部64由薄膜66形成。因此，在制造工序中，能够省略第1实施方式那样的接合透光性基板和荧光体基板的工序。
[第3实施方式]
以下，使用图12说明本发明的第3实施方式。
第3实施方式的投影仪和光源装置的结构与第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，省略投影仪和光源装置整体的说明。
图12是第3实施方式的波长转换元件的剖视图。
在图12中，对与第1实施方式所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12所示，本实施方式的波长转换元件70具有波长转换层42、基材部73、多个凸部74、反射层45、散热部件46和接合层47。
基材部73与波长转换层42的第1面42a相接触地设置。基材部73既可以如第1实施方式那样由板材构成，也可以如第2实施方式那样由薄膜构成。基材部73具有与波长转换层42的第1面42a相接触的第3面73c、和与第3面73c不同的第4面73d。另外，由于基材部73和凸部74形成为一体，所以第4面73d是穿过多个凹曲面74s的底部的假想的面。
多个凸部74隔着基材部73与波长转换层42的第1面42a相对地设置。多个凸部74包含彼此相邻的第1凸部741和第2凸部742。第1凸部741的表面中的靠近第2凸部742侧的一部分、和第2凸部742的表面中的靠近第1凸部741侧的一部分构成向与荧光YL的射出方向相反的方向凹陷的凹曲面74s。即，第1凸部741和第2凸部742具有向与荧光YL的射出方向相反的方向凹陷的凹曲面74s。换言之，在波长转换层42的第1面42a上设置有多个凹透镜结构体。
在本实施方式的情况下，在彼此相邻的第1凸部741和第2凸部742之间没有设置平坦部。将从基材部73的第4面73d到相邻的凹曲面74s彼此相接的各凸部74的顶点的距离定义为凸部74的高度T。此外，将沿波长转换层42的第1面42a的方向上的第1凸部741的顶点与第2凸部742的顶点的间隔定义为凸部74的间距P。沿着第1面42a的方向上的多个凸部74的顶点彼此的间隔、即间距P是恒定的。另外，凸部74的高度T为1μm以上。凸部74的间距P为3μm以上。
波长转换元件70的其他结构与第1实施方式的波长转换元件40相同。
在制造本实施方式的波长转换元件70时，例如在以薄膜形成基材部73和多个凸部74的情况下，只要以与第2实施方式同样的工序顺序制造波长转换元件70即可。但是，在第2实施方式中，将抗蚀剂图案53作为掩模进行回蚀，转印出了半球状的抗蚀剂图案形状。在本实施方式中，与上述的回蚀不同，只要将截面为矩形的抗蚀剂图案52作为掩模对抗蚀剂图案以外的薄膜部分进行各向同性蚀刻而形成凹曲面74s，从而形成多个凸部74即可。
[第3实施方式的效果]
在本实施方式中，也能够得到如下的与第1实施方式同样的效果：能够实现荧光的利用效率优异的波长转换元件70，能够抑制激励光的损失，并且能够通过提高波长转换层42的热传导率来提高波长转换效率，能够实现高效率的光源装置20和投影仪1。
在在波长转换层42的第1面42a上设置有凸透镜状的结构体的情况下，由于凸透镜的聚光效应，蓝色光BLs在波长转换层42的内部成像，并且由于蓝色光BLs的密度增大，波长转换效率可能下降。针对该问题，在本实施方式的波长转换元件70中，第1凸部741和第2凸部742具有向与荧光YL的射出方向相反的方向凹陷的凹曲面74s，在波长转换层42的第1面42a上设置有凹透镜状的结构体。因此，蓝色光BLs不在波长转换层42的内部成像，能够抑制由于蓝色光BLs的密度增大而导致的波长转换效率的下降。
[第4实施方式]
以下，使用图13对本发明的第4实施方式进行说明。
第4实施方式的投影仪和光源装置的结构与第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，省略投影仪和光源装置整体的说明。
图13是第4实施方式的波长转换元件的剖视图。
在图13中，对与第1实施方式所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，本实施方式的波长转换元件80具有波长转换层42、多个凸部84、反射层45、散热部件46和接合层47。即，本实施方式的波长转换元件80与第1～第3实施方式的波长转换元件不同，不具有基材部。
多个凸部84与波长转换层42的第1面42a相接触地设置。多个凸部84包含彼此相邻的第1凸部841和第2凸部842。多个凸部84分别具有向荧光YL的射出方向突出的凸曲面84s。多个凸部84例如由氮氧化硅膜、氧化铝膜、氧化锆膜等具有透光性的材料构成。多个凸部84的构成材料的折射率优选与波长转换层42的折射率相等、或者接近波长转换层42的折射率。
在本实施方式中，将从波长转换层42的第1面42a到各凸部84的凸曲面84s的顶点的距离定义为凸部84的高度T。另外，将沿着波长转换层42的第1面42a的方向上的第1凸部841的顶点与第2凸部842的顶点的间隔定义为凸部84的间距P。在本实施方式中，沿着第1面42a的方向上的多个凸部84的顶点彼此的间隔、即间距P是恒定的。另外，凸部84的高度T为1μm以上。凸部84的间距P为3μm以上。第1凸部841和第2凸部842在沿着波长转换层42的第1面42a的方向上彼此分离地设置。
波长转换元件80的其他结构与第1实施方式的波长转换元件40相同。
在制造本实施方式的波长转换元件80的情况下，只要按与第2实施方式同样的工序顺序制造波长转换元件80即可。但是，在第2实施方式中，以保留基材部63的方式进行SiON膜66的蚀刻，与此相对，在本实施方式中，只要以不保留基材部的方式，进行SiON膜66的蚀刻直到波长转换层42的第1面42a的一部分露出即可。
[第4实施方式的效果]
在本实施方式中，也能够得到如下的与第1实施方式同样的效果：能够实现荧光YL的利用效率优异的波长转换元件80，能够抑制激励光的损失，并且能够通过提高波长转换层42的热传导率来提高波长转换效率，能够实现高效率的光源装置20和投影仪1。
另外，本发明的技术范围并不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够施加各种变更。
例如，在上述实施方式中，举出了具有凸曲面或凹曲面的多个凸部的例子，但代替这样的凸透镜形状、凹透镜形状，多个凸部也可以具有四棱锥、三棱锥状等多棱锥状的形状。
另外，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，但本发明也可以应用于具有能够通过电机进行旋转的波长转换元件的光源装置。
除此以外，关于波长转换元件、光源装置和投影仪的各结构要素的形状、数量、配置、材料等的具体记载，并不限于上述实施方式，可以适当进行变更。在上述实施方式中，示出了将本发明的光源装置搭载于使用了液晶光阀的投影仪的例子，但不限于此。也可以将本发明的光源装置应用于使用了数字微镜器件来作为光调制装置的投影仪。并且，投影仪可以不具有多个光调制装置，也可以仅具有1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应用于投影仪的例子，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。
本发明一个方式的波长转换元件也可以具有以下的结构。
本发明一个方式的波长转换元件可以具有：波长转换层，其具有第1面和与所述第1面不同的第2面，含有体积比为5％以下的散射要素，并将第1波段的光转换为与所述第1波段不同的第2波段的光；以及多个凸部，它们与所述第1面相对地设置，包含彼此相邻的第1凸部和第2凸部，所述多个凸部的高度为1μm以上，沿着所述第1面的方向上的所述第1凸部的顶点与所述第2凸部的顶点的间隔为3μm以上。
在本发明一个方式的波长转换元件中，所述多个凸部的折射率除以所述波长转换层的折射率而得的值可以为0.75以上且1.30以下。
在本发明一个方式的波长转换元件中，沿着所述第1面的方向上的所述多个凸部的顶点彼此的间隔也可以是恒定的。
在本发明一个方式的波长转换元件中，所述多个凸部可以分别具有向所述第2波段的光的射出方向突出的凸曲面。
在本发明一个方式的波长转换元件中，可以设置有基材部，该基材部具有与所述波长转换层的所述第1面接触的第3面和与所述第3面不同的第4面，所述多个凸部在所述基材部的所述第4面处与所述基材部设置为一体，所述第1凸部和所述第2凸部在沿着所述第4面的方向上彼此分离地设置，所述第4面在所述第1凸部和所述第2凸部之间具有平坦部。
在本发明一个方式的波长转换元件中，所述第1凸部和所述第2凸部可以具有向与所述第2波段的光的射出方向相反的方向凹陷的凹曲面。
本发明一个方式的光源装置也可以具有以下的结构。
本发明一个方式的光源装置具有：本发明一个方式的波长转换元件；以及光源，其射出所述第1波段的光。
本发明一个方式的投影仪也可以具有以下的结构。
本发明一个方式的投影仪具有：本发明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。

Claims (8)

1.一种波长转换元件，其具有：
波长转换层，其具有第1面和与所述第1面不同的第2面，含有体积比为5％以下的散射要素，并将第1波段的光转换为与所述第1波段不同的第2波段的光；以及
多个凸部，它们与所述第1面相对地设置，包含彼此相邻的由曲面构成的第1凸部和第2凸部，
为了不产生光子效应，所述多个凸部的高度为1μm以上，
沿着所述第1面的方向上的所述第1凸部的顶点与所述第2凸部的顶点的间隔为3μm以上。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其中，
所述多个凸部的折射率除以所述波长转换层的折射率而得的值为0.75以上且1.30以下。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，
沿着所述第1面的方向上的所述多个凸部的顶点彼此的间隔是恒定的。
4.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，
所述多个凸部分别具有向所述第2波段的光的射出方向突出的凸曲面。
5.根据权利要求4所述的波长转换元件，其中，
该波长转换元件设置有基材部，该基材部具有与所述波长转换层的所述第1面接触的第3面和与所述第3面不同的第4面，
所述多个凸部在所述基材部的所述第4面处与所述基材部设置为一体，
所述第1凸部和所述第2凸部在沿着所述第4面的方向上彼此分离地设置，
所述第4面在所述第1凸部和所述第2凸部之间具有平坦部。
6.根据权利要求1或2所述的波长转换元件，其中，
所述第1凸部和所述第2凸部具有向与所述第2波段的光的射出方向相反的方向凹陷的凹曲面。
7.一种光源装置，其具有：
权利要求1～6中的任意一项所述的波长转换元件；以及
光源，其射出所述第1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，其投射由所述光调制装置调制后的光。
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