JP2015087423A - 発光素子、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光の取り出し効率に優れた発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子は、第１の面と、第１の面とは反対側の面である第２の面と、を備えた蛍光体層と、第１の面の上に設けられた第１の反射部材と、を備えている。第１の面と第１の反射部材との第１の界面は第１の凹凸構造を有している。蛍光体層で生成された光は第２の面から蛍光体層の外部に射出される。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子、照明装置およびプロジェクターに関する。

基体と、基体の一面に実装された発光素子と、発光素子からの励起光を波長変換する蛍光体と、発光素子からの光を反射する反射部材と、を備えた照明装置が、下記の特許文献１に開示されている。この照明装置では、枠状の反射部材が発光素子を囲んで基体の一面に設けられ、蛍光体を含む透光性部材が反射部材の内部に充填されて発光素子を覆っている。発光素子の側面から射出された光は、反射部材の内周面で上方に向けて反射する。特許文献１には、反射部材の内周面の算術平均粗さを小さく抑えることにより発光素子からの光を均一に反射できる、と記載されている。

特開２００５−２７７３３１号公報

特許文献１の照明装置において、発光素子から射出された励起光が蛍光体に照射されると、蛍光体から光が発せられ、その光は蛍光体の表面から等方的に射出される。すなわち、光は、蛍光体から基体の一面、反射部材の内周面、透光性部材の上面などのあらゆる方向に向かって進む。ところが、多くの光は透光性部材の内部に閉じ込められ、光の取り出し効率が充分でない、という問題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光の取り出し効率に優れた発光素子を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、この種の発光素子を備えた照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、この種の照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の発光素子は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を備えた蛍光体層と、前記第１の面の上に設けられた第１の反射部材と、を備え、前記第１の面と前記第１の反射部材との第１の界面が第１の凹凸構造を有し、前記蛍光体層で生成された光が前記第２の面から前記蛍光体層の外部に射出されることを特徴とする。

蛍光体層と蛍光体層の外部との界面が仮に鏡面であったとすると、蛍光体層の内部で生成された光が界面で全反射した場合、その光の界面への入射角は反射を何回繰り返しても変わらない。そのため、界面で一旦全反射した光は、蛍光体層の内部に閉じ込められ、蛍光体層の外部に取り出されることはない。これに対し、本発明の一つの態様の発光素子においては、蛍光体層の第１の面と第１の反射部材との第１の界面が第１の凹凸構造を有しているため、光が第１の界面で反射する毎に蛍光体層の各面への光の入射角が変化する。そのため、蛍光体層の各面に臨界角以上で入射して一旦反射した光は、第１の界面での反射により第２の面に対する入射角が臨界角よりも小さくなった時点で第２の面を透過し、蛍光体層の外部に射出される。このように、本発明の一つの態様の発光素子によれば、第１の凹凸構造を持たない発光素子に比べて、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記第１の凹凸構造は周期構造であってもよい。
第１の凹凸構造が周期構造である場合、周期構造のピッチなどを調整することにより界面における光の拡散角を制御することができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記蛍光体層が第３の面をさらに備え、第２の反射部材が前記第３の面の上に設けられていてもよい。
この構成によれば、蛍光体層で生成された光は、第３の面に到達した際に第２の反射部材で反射し、第３の面から蛍光体層の外部に透過することはない。すなわち、第３の面に到達した光は、第２の面から射出される光として利用される。これにより、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記第３の面と前記第２の反射部材との第２の界面が第２の凹凸構造を有していてもよい。
この構成によれば、蛍光体層の第３の面と第２の反射部材との第２の界面が第２の凹凸構造を有しているため、光が第２の界面で反射する毎に蛍光体層の各面への光の入射角が変化する。そのため、蛍光体層の各面に臨界角以上で入射して一旦反射した光は、第２の界面での反射により第２の面に対する入射角が臨界角よりも小さくなった時点で第２の面を透過し、蛍光体層の外部に射出される。このように、本発明の一つの態様の発光素子によれば、第２の凹凸構造を持たない発光素子に比べて、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記蛍光体層が第３の面をさらに備え、前記第３の面が第２の凹凸構造を有していてもよい。
この構成においても、第２の反射部材の有無に係わらず、光が第３の面で反射する毎に蛍光体層の各面への光の入射角が変化するため、第３の面での反射により第２の面に対する入射角が臨界角よりも小さくなった光は第２の面を透過し、蛍光体層の外部に射出される。これにより、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記第２の凹凸構造は周期構造であってもよい。
第２の凹凸構造が周期構造であれば、周期構造のピッチなどを調整することにより界面における光の拡散角を制御することができる。

本発明の一つの態様の発光素子において、前記第２の凹凸構造の第１の方向の周期が、前記第２の凹凸構造の第２の方向の周期と異なっていてもよい。
本発明の一つの態様の発光素子は、光が第２の面から射出される構成を備えているため、光の取り出し効率を向上させるためには、第２の面に対する入射角を小さくする必要がある。そこで、例えば第１の方向を第２の面に交差する方向、第２の方向を第２の面に平行な方向とした場合、第１の方向の周期を第２の方向の周期よりも大きくすることにより、第１の方向における拡散角の拡がりを第２の方向における拡散角の拡がりよりも大きくすることができる。その結果、光が進む方向を、第２の面に平行な方向よりも第２の面に交差する方向に大きく変化させることができる。したがって、光の取り出し効率向上効果の高い凹凸構造を実現できる。

本発明の一つの態様の照明装置は、本発明の一つの態様の発光素子と、前記発光素子の前記蛍光体層に光を照射する光源装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一つの態様の照明装置は、本発明の一つの態様の発光素子を備えているため、高効率で明るい照明装置を実現できる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置を備えているため、高効率で明るい画像が得られるプロジェクターを実現できる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の照明装置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の発光素子を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 （Ａ）凹凸構造を持たない蛍光体層を用いた場合の問題点を示す図、（Ｂ）凹凸構造を有する蛍光体層を用いた場合の作用を説明するための図、（Ｃ）凹凸構造とミラーとを有する蛍光体層を用いた場合の作用を説明するための図、である。 本発明の第２実施形態の発光素子を示す断面図である。 第１の反射層の凹凸構造を示す斜視図である。 （Ａ）第２の反射層の凹凸構造を示す斜視図、（Ｂ）である。 変形例の発光素子を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
第１実施形態のプロジェクターは、本発明の一実施形態である照明装置と、３つの光変調装置と、を備えた液晶プロジェクターの例である。
以下、図面を用いて具体的に説明するが、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクター１は、照明装置２の光源として、高輝度・高出力の光が得られる半導体レーザーを用いている。プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、赤色光用光変調装置４Ｒと、緑色光用光変調装置４Ｇと、青色光用光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を概略備えている。

照明装置２は、均一な照度分布を有する照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２には、後述する本発明の一つの実施形態である照明装置が用いられている。

色分離光学系３は、照明装置から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａと、第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の反射ミラー８ａと、第２の反射ミラー８ｂと、第３の反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａと、第２のリレーレンズ９ｂと、を備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢと、に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過し、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、第１のダイクロイックミラー７ａで反射した光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射し、青色光ＬＢを透過する。

第１の反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されている。第１の反射ミラー８ａは、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを赤色光用光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、青色光ＬＢの光路中に配置されている。第２の反射ミラー８ｂと第３の反射ミラー８ｃとは、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを青色光用光変調装置４Ｂに向けて反射させる。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂで反射し、緑色光用光変調装置４Ｇに向けて進む。

第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａと第２のリレーレンズ９ｂとは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

赤色光用光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。緑色光用光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。青色光用光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＲに対応した画像光を形成する。

赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられる。また、液晶パネルの入射側および射出側には、図示しない一対の偏光板が配置されている。一対の偏光板は、特定の方向の直線偏光光を透過させる。

赤色光用光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが配置されている。緑色光用光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが配置されている。青色光用光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒは、赤色光用光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。フィールドレンズ１０Ｇは、緑色光用光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。フィールドレンズ１０Ｂは、青色光用光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＢを平行化する。

合成光学系５は、赤色光用光変調装置４Ｒ、緑色光用光変調装置４Ｇ、および青色光用光変調装置４Ｂからの画像光が入射することによって、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢのそれぞれに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。

投射光学系６は、複数の投射レンズを含む投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー画像が表示される。

以下、照明装置２について説明する。
図２に示すように、照明装置２は、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、発光素子２７と、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０と、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、を概略備えている。

上記の構成要件のうち、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、ホモジナイザー光学系２４と、光学素子２５Ａと、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０とは、それぞれの光学中心を図２中に示す光軸ａｘ１に一致させた状態で、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、発光素子２７と、第１のピックアップ光学系２６と、光学素子２５Ａと、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とは、それぞれの光学中心を図２中に示す光軸ａｘ２に一致させた状態で、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する位置関係にある。

アレイ光源２１Ａは、複数の第１の半導体レーザー２１１と、複数の第２の半導体レーザー２１２と、を備える。複数の第１の半導体レーザー２１１と複数の第２の半導体レーザー２１２とは、光軸ａｘ１と直交する同一面２１ｃ内において、アレイ状に並んで配置されている。第１の半導体レーザー２１１、第２の半導体レーザー２１２のそれぞれの個数は特に限定されない。アレイ光源２１Ａは、特許請求の範囲における光源装置に相当する。

第１の半導体レーザー２１１は、照明光として利用される第１の光である青色光ＢＬ’を射出する。第１の半導体レーザー２１１は、青色光ＢＬ’として、例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する。第２の半導体レーザー２１２は、後述する蛍光体を励起する第２の光である励起光ＢＬを射出する。第２の半導体レーザー２１２は、励起光ＢＬとして、例えばピーク波長が４４６ｎｍのレーザー光を射出する。励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは、アレイ光源２１Ａから偏光分離素子５０Ａに向けて射出される。

アレイ光源２１Ａから射出された励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１Ａから射出された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’を平行光束に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の第１の半導体レーザー２１１と複数の第２の半導体レーザー２１２とにそれぞれ対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を透過することにより平行光束に変換された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’の光束径を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えばアフォーカルレンズ２３ａ，アフォーカルレンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３を透過することにより光束径が調整された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、ホモジナイザー光学系２４に入射する。ホモジナイザー光学系２４は、励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’の光強度分布を、例えばトップハット型分布と呼ばれる均一な光強度分布に変換する。ホモジナイザー光学系２４は、例えばマルチレンズアレイ２４ａ，マルチレンズアレイ２４ｂから構成されている。

ホモジナイザー光学系２４から射出された励起光ＢＬおよび青色光ＢＬ’は、光学素子２５Ａに入射する。光学素子２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムで構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。光学素子２５Ａは、互いに直交する光軸ａｘ１，ａｘ２の交点と傾斜面Ｋの光学中心とが一致するように配置されている。光学素子２５Ａとしては、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状のものに限らず、平行平板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。

傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子５０Ａが設けられている。偏光分離素子５０Ａは、励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’を、偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子５０Ａは、励起光ＢＬのＳ偏光成分および青色光ＢＬ’のＳ偏光成分を反射させ、励起光ＢＬのＰ偏光成分および青色光ＢＬ’のＰ偏光成分を透過させる。

また、偏光分離素子５０Ａは、後述する励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは波長帯が異なる第３の光である蛍光光ＹＬを、蛍光光ＹＬの偏光状態に依らずに透過させる色分離機能を有している。

励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは、コヒーレントな直線偏光光である。また、励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは、偏光分離素子５０Ａに入射するときの互いの偏光方向が異なっている。

具体的に、励起光ＢＬの偏光方向は、偏光分離素子５０Ａで反射する一方の偏光成分、例えばＳ偏光成分の偏光方向と一致している。一方、青色光ＢＬ’の偏光方向は、偏光分離素子５０Ａで透過する他方の偏光成分、例えばＰ偏光成分の偏光方向と一致している。このように、偏光分離素子５０Ａに入射するときの励起光ＢＬの偏光方向と青色光ＢＬ’の偏光方向とは互いに直交する。この構成を実現するためには、青色光ＢＬ’が第１の半導体レーザー２１１から射出されたときの偏光方向と、励起光ＢＬが第２の半導体レーザー２１２から射出されたときの偏光方向と、が直交するように、第１の半導体レーザー２１１と第２の半導体レーザー２１２とを配置すればよい。

偏光分離素子５０Ａに入射した励起光ＢＬは、偏光方向がＳ偏光成分と一致していることから、Ｓ偏光の励起光ＢＬｓとして、発光素子２７に向けて反射する。一方、偏光分離素子５０Ａに入射した青色光ＢＬ’は、偏光方向がＰ偏光成分と一致していることから、Ｐ偏光の青色光ＢＬｐ’として、拡散反射素子３０に向けて透過する。

ここで、偏光分離素子５０Ａに入射するときの励起光ＢＬの偏光方向が青色光ＢＬ’の偏光方向と同じであった場合について考察する。この場合、青色光ＢＬ’はＰ偏光であるため、励起光ＢＬもＰ偏光である。偏光分離素子５０ＡがＰ偏光の励起光ＢＬを反射させるためには、偏光分離素子５０Ａはピーク波長４６０ｎｍの青色光ＢＬ’に対しては偏光分離機能を持ちながら、ピーク波長４４６ｎｍの励起光ＢＬに対しては偏光分離機能を持ってはいけない。しかし、このような特性の偏光分離素子を製造することは困難である。

一方、本実施形態では、励起光ＢＬはＳ偏光であり、青色光ＢＬ’はＰ偏光である。この場合、偏光分離素子５０Ａは、ピーク波長４６０ｎｍの青色光ＢＬ’に対してだけでなく、ピーク波長４４６ｎｍの励起光ＢＬに対しても偏光分離機能を持っていてよい。そのため、偏光分離素子の製造は容易である。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＳ偏光の励起光ＢＬｓは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。第１のピックアップ光学系２６は、励起光ＢＬｓを発光素子２７の蛍光体層３４に向けて集光させる。第１のピックアップ光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，ピックアップレンズ２６ｂから構成されている。

第１のピックアップ光学系２６から射出された励起光ＢＬｓは、発光素子２７に入射する。発光素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する基板３５と、を有している。励起光ＢＬｓが蛍光体層３４に入射することにより蛍光体層３４に含まれる蛍光体が励起され、励起光ＢＬｓとは波長が異なる蛍光光ＹＬが生成される。

発光素子２７では、蛍光体層３４の励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側の面を基板３５に接触させた状態で、蛍光体層３４の側面と基板３５との間に設けられた接着剤（図示略）によって、蛍光体層３４が基板３５に固定されている。発光素子の詳細な構成については後で説明する。

蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、偏光方向が揃っていない非偏光光のため、第１のピックアップ光学系２６を通過した後、非偏光の状態のまま偏光分離素子５０Ａに入射する。蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａを透過し、インテグレータ光学系３１に向けて進む。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬｐ’は、位相差板２８に入射する。位相差板２８は、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬｐ’は、位相差板２８により円偏光の青色光ＢＬｃ’に変換された後、第２のピックアップ光学系２９に入射する。

第２のピックアップ光学系２９は、青色光ＢＬｃ’を拡散反射素子３０に向けて集光させる。第２のピックアップ光学系２９は、例えばピックアップレンズ２９ａとピックアップレンズ２９ｂとから構成されている。

拡散反射素子３０は、第２のピックアップ光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ’を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させる。特に拡散反射素子３０としては、拡散反射素子３０に入射した青色光ＢＬｃ’をランバート反射させるものを用いることが好ましい。照明装置２においては、この種の拡散反射素子３０を用いることにより、青色光ＢＬｃ’を拡散反射させつつ、均一な照度分布を有する青色光ＢＬｃ’を得ることができる。

図２に示すように、拡散反射素子３０で拡散反射された青色光ＢＬｃ’は、再び位相差板２８に入射することによって、円偏光の青色光ＢＬｃ’からＳ偏光の青色光ＢＬｓ’に変換された後、偏光分離素子５０Ａに入射する。Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ’は、偏光分離素子５０Ａからインテグレータ光学系３１に向けて反射される。

このようにして、青色光ＢＬｓ’は、偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光光ＹＬとともに、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬｓ’と蛍光光ＹＬとは、偏光分離素子５０Ａから互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色光ＢＬｓ’と蛍光光（黄色光）ＹＬとが合成された白色の照明光ＷＬが得られる。

偏光分離素子５０Ａから射出された照明光ＷＬは、インテグレータ光学系３１に入射する。インテグレータ光学系３１は、照明光ＷＬの照度分布を均一化する。インテグレータ光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数のマイクロレンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレータ光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、照明光ＷＬの偏光方向を揃えるものである。偏光変換素子３２は、例えば、偏光分離膜と位相差板とミラーとから構成されている。偏光変換素子３２は、偏光方向が揃っていない蛍光光ＹＬと、Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ’の偏光方向との偏光方向を揃えるため、他方の偏光成分を一方の偏光成分に、例えばＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換する。

偏光変換素子３２を通過することにより偏光方向が揃えられた照明光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬを重畳させる。重畳光学系３３は、例えば、重畳レンズから構成されている。重畳光学系３３を通過することにより重畳された照明光ＷＬは、その輝度分布が均一化された状態で照明装置２から射出される。

以下、発光素子２７について説明する。
図３、図４に示すように、発光素子２７は、基板３５と、蛍光体層３４と、第１の反射層４１と、第２の反射層４２と、ヒートシンク３８と、を備えている。基板３５の第１の面３５ａに蛍光体層３４が設けられている。蛍光体層３４は、接着剤（図示略）により基板３５に固定されている。基板３５および接着剤の材質は特に限定されないが、熱伝導率に優れたものを用いることが好ましい。これにより、蛍光体層３４で生じた熱が基板３５や接着剤を介して放散しやすくなる。基板３５の法線方向から見て、基板３５の平面形状と蛍光体層３４の平面形状はともに矩形である。また、蛍光体層３４の平面寸法は基板３５の平面寸法よりも小さい。

蛍光体層３４は、波長４４６ｎｍの励起光ＢＬｓを吸収して励起される蛍光体４３と、蛍光体４３を含有するバインダー４４を含んでいる。蛍光体４３は、励起光ＢＬｓにより励起された際に、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する黄色の蛍光光ＹＬを生成する。蛍光体層３４には、耐熱性及び表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えばアルミナ等の無機のバインダー４４中に蛍光体４３を分散させた蛍光体層３４が好適に用いられる。もしくは、バインダー４４を用いずに蛍光体を焼結した蛍光体層を用いることもできる。

以下の説明では、蛍光体層３４の６つの面のうち、基板３５と接する面を裏面３４ａと称し、基板３５と接する面と反対側の面を表面３４ｂと称し、裏面３４ａおよび表面３４ｂと垂直な４つの面を側面３４ｃと称する。本実施形態の裏面３４ａは特許請求の範囲の第１の面に対応し、表面３４ｂは特許請求の範囲の第２の面に対応し、側面３４ｃは特許請求の範囲の第３の面に対応する。

蛍光体層３４の裏面３４ａと基板３５との間に、第１の反射層４１が設けられている。第１の反射層４１は、例えば銀、アルミニウム、もしくは銀とアルミニウムとを主体とする合金等の反射率が高い金属で形成されている。第１の反射層４１は、例えば蛍光体層３４の裏面３４ａに蒸着法、スパッタ法等の成膜法を用いて形成されたものであり、蛍光体層３４の裏面３４ａに密着している。蛍光体層３４の裏面３４ａと第１の反射層４１との第１の界面は、第１の凹凸構造４５を有している。本実施形態における第１の凹凸構造４５は、形状、サイズ、ピッチ、および配置の全てが不規則な複数の凹凸で構成されている。第１の凹凸構造４５は、例えば蛍光体層３４を製造する際の焼結工程でできた蛍光体層裏面の凹凸構造をそのまま利用し、凹凸構造の上に反射性を有する金属を成膜することで形成されたものである。蛍光体層３４の裏面３４ａの凹凸形状が第１の反射層４１の凹凸形状に反映されている。

蛍光体層３４の側面３４ｃに、第２の反射層４２が設けられている。第２の反射層４２は、第１の反射層４１と同様、例えば銀、アルミニウム、もしくは銀とアルミニウムとを主体とする合金等の反射率が高い金属で形成されている。第２の反射層４２は、例えば蛍光体層３４の側面３４ｃに蒸着法、スパッタ法等の成膜法を用いて形成されたものであり、蛍光体層３４の側面３４ｃに密着している。蛍光体層３４の側面３４ｃと第２の反射層４２との第２の界面は、第２の凹凸構造４６を有している。本実施形態における第２の凹凸構造４６は、形状、サイズ、ピッチ、および配置の全てが不規則な複数の凹凸で構成されている。第２の凹凸構造４６は、例えば蛍光体層３４を製造する際のダイシング工程でできた蛍光体層側面の凹凸構造をそのまま利用し、凹凸構造の上に反射性を有する金属を成膜することで形成されたものである。蛍光体層３４の側面３４ｃの凹凸形状が第２の反射層４２の凹凸形状に反映されている。

本実施形態の第１の反射層４１は、特許請求の範囲の第１の反射部材に対応する。本実施形態の第２の反射層４２は特許請求の範囲の第２の反射部材に対応する。説明の都合上、第１の反射層４１と第２の反射層４２とを区別するが、実際の第１の反射層４１と第２の反射層４２とは、別体の反射層であってもよいし、一体の反射層であってもよい。

このように、蛍光体層３４の裏面３４ａは第１の反射層４１で覆われ、蛍光体層３４の側面３４ｃは第２の反射層４２で覆われている。そのため、蛍光体層３４の表面３４ｂから励起光ＢＬｓが入射し、励起された蛍光体４３から生成された蛍光光ＹＬの一部は、第１の反射層４１もしくは第２の反射層４２で反射することなく、蛍光体層３４の表面３４ｂから外部に直接射出される。また、蛍光体３４から生成された蛍光光ＹＬの残りは、第１の反射層４１もしくは第２の反射層４２で反射した後、蛍光体層３４の表面３４ｂから外部に射出される。

基板３５の第２の面３５ｂには、ヒートシンク３８が配置されている。蛍光体層３４で生じた熱は、基板３５を介してヒートシンク３８から外部に放散される。これにより、蛍光体層３４の熱劣化を防ぐことができる。

以下、第１の凹凸構造４５、第２の凹凸構造４６、および第２の反射層４２が奏する効果について説明する。
図５（Ａ）は、裏面および側面が凹凸構造を持たない蛍光体層の断面図である。
蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃが凹凸構造を持たない場合、言い換えると、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃが鏡面である場合、蛍光体４３で生成された蛍光光のうち、蛍光体層３４の表面３４ｂに向かって進み、臨界角よりも小さい入射角で表面に入射した蛍光光ＹＬ１は、反射することなく外部に射出される。

一方、蛍光体層３４のいずれの面に対しても、臨界角よりも大きい入射角で入射した光ＹＬ２は全反射する。このとき、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃが鏡面であると、各面での反射が常に全反射となるため、反射を何回繰り返しても光の表面３４ｂに対する入射角は変わらない。そのため、界面で一旦全反射した光は、蛍光体層３４の内部に閉じ込められ、蛍光体層３４の外部に取り出されることはない。

図５（Ｂ）は、裏面３４ａに第１の凹凸構造４５および第１の反射層４１が設けられ、側面３４ｃに第２の凹凸構造４６が設けられ、第２の反射層４２が設けられていない蛍光体層３４の断面図である。

この場合、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃにそれぞれ凹凸構造が設けられているため、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃにおける光の反射は正反射ではない。すなわち、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃで光が反射するとき、光の入射角と反射角とが異なる。したがって、光が蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃで反射するたびに蛍光体層３４の各面への光の入射角が変化する。そのため、蛍光体層３４の各面で一旦全反射した光であっても、表面３４ｂに対する入射角が臨界角よりも小さく変化した光ＹＬ５は蛍光体層３４の表面３４ｂを透過し、蛍光体層３４の外部に射出される。

ただし、図５（Ｂ）の例では、蛍光体層３４の側面３４ｃに第２の反射層４２が設けられていないため、臨界角よりも小さい入射角で蛍光体層３４の側面３４ｃに入射した光ＹＬ３の一部は、蛍光体層３４の側面３４ｃから外部に射出されてしまう。このような光ＹＬ３は、蛍光体層３４の表面３４ｂから射出された光とともに照明光として利用することは難しい。

図５（Ｃ）は、裏面３４ａに第１の凹凸構造４５および第１の反射層４１が設けられ、側面３４ｃに第２の凹凸構造４６および第２の反射層４２が設けられた、本実施形態の蛍光体層３４の断面図である。

蛍光体層３４の側面３４ｃに第２の反射層４２が設けられていない図５（Ｂ）の例では、蛍光体層３４の側面３４ｃから外部に射出される光ＹＬ３がある。これに対して、蛍光体層３４の側面３４ｃに第２の反射層４２が設けられた図５（Ｃ）の例では、蛍光体層３４の側面３４ｃに達した光ＹＬ４は、第２の反射層４２で反射するため、外部に射出されることがない。第２の反射層４２で反射した光ＹＬ４は、その後、表面３４ｂに対する入射角が臨界角よりも小さく変化した時点で蛍光体層３４の表面３４ｂを透過し、蛍光体層３４の外部に射出される。

以上説明したように、本実施形態の発光素子２７によれば、蛍光体層３４の裏面３４ａおよび側面３４ｃに凹凸構造を持たない発光素子に比べて、蛍光体層３４の内部に閉じ込められる光の量を減らすことができ、光の取り出し効率を高めることができる。特に本実施形態の場合、蛍光体層３４の製造プロセス中にできる凹凸構造を利用して第１の凹凸構造４５、第２の凹凸構造４６を形成できるため、製造コストを増やすことなく光の取り出し効率を高めることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図８を用いて説明する。
第２実施形態は、プロジェクターおよび照明装置の基本構成が第１実施形態と同様であり、発光素子の構成が第１実施形態と異なる。
図６は、第２実施形態の発光素子を示す断面図である。
図６において、第１実施形態で用いた図４と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の発光素子２７において、第１の凹凸構造４５および第２の凹凸構造４６は、形状、サイズ、ピッチ、および配置の全てが不規則な複数の凹凸で構成されている。これに対して、図６に示すように、第２実施形態の発光素子６０において、第１の凹凸構造６１および第２の凹凸構造６２は、形状、サイズ、ピッチ、および配置が規則的な複数の凹凸で構成されている。第２実施形態の説明において、蛍光体層６３の裏面６３ａおよび表面６３ｂと平行な面内で互いに直交する２つの方向をｘ方向、ｙ方向と称し、蛍光体層６３の裏面６３ａおよび表面６３ｂと垂直な方向、いわゆる蛍光体層６３の厚さ方向をｚ方向と称する。

図７は、蛍光体層６３の裏面６３ａに設けられた第１の反射層６５を示す斜視図である。
第１実施形態と同様、蛍光体層６３の裏面６３ａは第１の反射層６５と密着しているため、蛍光体層６３の裏面６３ａの凹凸形状が第１の反射層の凹凸形状に反映されている。したがって、図７に示す第１の反射層６５の凹凸形状は、蛍光体層６３の裏面６３ａと第１の反射層６５との界面の第１の凹凸構造６１と一致する。
以下の第１の凹凸構造６１の説明では、第１の反射層６５が凹になっている箇所を凹部、第１の反射層６５が凸になっている箇所を凸部と称する。

図７に示すように、第１の凹凸構造６１は、複数の凹部６８がｘ方向とｙ方向とにアレイ状に規則的に配列された構成を有している。よって、第１の凹凸構造６１は周期構造である。また、全ての凹部６８の内側に窪んだ湾曲面は、同じ曲率を有する球面である。したがって、凹部６８の内面のｘ方向の曲率とｙ方向の曲率とは等しい。また、第１の凹凸構造６１のｘ方向の周期Ｐ１ｘとｙ方向の周期Ｐ１ｙとは等しい。

図８（Ａ）は、蛍光体層６３の４つの側面６３ｃのうち、ｘ方向に垂直な側面６３ｃに設けられた第２の反射層６６を示す斜視図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のｂ−ｂ’線に沿う断面図である。図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のｃ−ｃ’線に沿う断面図である。なお、説明を省略するが、ｙ方向に垂直な側面に設けられた第２の反射層も同一の構成を有している。

蛍光体層６３の側面６３ｃと第２の反射層６６とは密着しているため、蛍光体層６３の側面６３ｃの凹凸形状が第２の反射層６６の凹凸形状に反映されている。したがって、図８（Ａ）に示す第２の反射層６６の凹凸形状は、蛍光体層６３の側面６３ｃと第２の反射層６６との界面の第２の凹凸構造６２と一致する。
以下の第２の凹凸構造６２の説明では、第２の反射層６６が凹になっている箇所を凹部、第２の反射層６６が凸になっている箇所を凸部と称する。

図８（Ａ）に示すように、第２の凹凸構造６２は、複数の凹部６９がｙ方向とｚ方向にアレイ状に規則的に配列された構成を有している。よって、第２の凹凸構造６２は周期構造である。また、全ての凹部６９の内側に窪んだ湾曲面は、同じ曲率を有する球面である。したがって、凹部６９の内面のｙ方向の曲率とｚ方向の曲率とは等しい。ただし、第２の凹凸構造６２のｙ方向の周期Ｐ２ｙとｚ方向の周期Ｐ２ｚとは異なる。第２の凹凸構造６２のｚ方向の周期Ｐ２ｚは、ｙ方向の周期Ｐ２ｙよりも長い。その他の発光素子６０の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の発光素子６０においても、蛍光体層の裏面および側面に凹凸構造を持たない発光素子に比べて、光の取り出し効率を高めることができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態の場合、図７に示す第１の凹凸構造６１については、ｘ方向の周期Ｐ１ｘとｙ方向の周期Ｐ１ｙとが等しいため、光が凹部で反射する際のｘ方向の拡散角とｙ方向の拡散角とは等しい。これに対し、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示す第２の凹凸構造６２については、ｚ方向の周期Ｐ２ｚがｙ方向の周期Ｐ２ｙよりも長いため、光が凹部６９で反射する際のｚ方向の拡散角θｚはｙ方向の拡散角θｙよりも大きくなる。蛍光体層６３の内部を進む光は、蛍光体層６３の表面６３ｂから射出されるため、光が第２の反射層６６で反射する際に表面６３ｂに平行な方向については、例えば拡散角θｙがいくら大きくても、蛍光体層６３の表面６３ｂからの取り出し効率には影響がない。一方、表面６３ｂに垂直な方向（ｚ方向）については、拡散角θｚが大きければ、蛍光体層６３の表面６３ｂに対する光の入射角が大きく変化するため、光はより少ない反射回数で蛍光体層６３の表面６３ｂから射出される。したがって、第２の凹凸構造６２のｚ方向の周期Ｐ２ｚがｙ方向の周期Ｐ２ｙよりも長いことは、光の取り出し効率の向上にとって有利である。

上記のことから、ｙ方向の拡散角θｙの大きさが蛍光体層６３の表面６３ｂからの取り出し効率に影響しないということは、ｙ方向の拡散角θｙは０、すなわち正反射でもよいことを意味する。したがって、図８に示した凹部６９は、ｙ方向には必ずしも曲率を持たなくてもよい。すなわち、第２の凹凸構造６２は、図８（Ａ）に示すように、複数の凹部６９が必ずしもｙ方向とｚ方向にアレイ状に配列されていなくてもよく、ｙ方向に長く延びる溝状の凹部がｚ方向に配列された凹凸構造であってもよい。

なお、第１の凹凸構造および第２の凹凸構造を構成する凹部の内面は必ずしも湾曲面でなくてもよい。例えば図９に示す発光素子７５のように、蛍光体層６は、断面形状が三角形状の凹部からなる第１の凹凸構造７１もしくは第２の凹凸構造７２であってもよい。図９の構成の場合も、上記実施形態と同様、個々の凹部が多角錐状の凹部であってもよいし、長手方向と直交する断面形状が三角形の溝状の凹部であってもよい。

本発明者らは、本発明の効果を実証するためのシミュレーションを行った。
第１の凹凸構造、第２の反射層、第２の凹凸構造の３つの構成要件の有無によって、蛍光体層の表面から取り出される光の量がどのように変わるかを調べた。

シミュレーションのモデルとして、蛍光体層に含まれる１個の蛍光体粒子の体積を０．０６４ｍｍ^３、蛍光体粒子の個数を２５２個、蛍光体層中に占める蛍光体粒子の体積濃度を１３．２％、蛍光体層を構成するバインダーを屈折率１．７６の透光性セラミック、とした。第１の凹凸構造と第２の凹凸構造の双方に共通する凹凸構造として、凹部の曲率半径が０．０１ｍｍ、凹部の縦ピッチおよび横ピッチがいずれも０．０１ｍｍのアレイ状凹凸構造を採用した。つまり、凹凸構造が規則的な複数の凹凸で構成されている。また、第１の反射層および第２の反射層の反射率を９５％とした。また、蛍光体層内部に４個の光源を配置し、４個の光源の合計光量を１００ｌｍとした。

本発明者らは、４種類の実施例と４種類の比較例とを含む、以下の８種類のモデルを想定した。なお、８種類全てのモデルが蛍光体層裏面の第１の反射層を有するものとした。
第１の凹凸構造を有し、第２の反射層を有し、第２の凹凸構造を有するモデルを実施例１とした。
第１の凹凸構造を有し、第２の反射層を有し、第２の凹凸構造を有していないモデルを実施例２とした。
第１の凹凸構造を有し、第２の反射層を有しておらず、第２の凹凸構造を有するモデルを実施例３とした。
第１の凹凸構造を有し、第２の反射層を有しておらず、第２の凹凸構造を有していないモデルを実施例４とした。

第１の凹凸構造を有しておらず、第２の反射層を有し、第２の凹凸構造を有するモデルを比較例１とした。
第１の凹凸構造を有しておらず、第２の反射層を有し、第２の凹凸構造を有していないモデルを比較例２とした。
第１の凹凸構造を有しておらず、第２の反射層を有しておらず、第２の凹凸構造を有するモデルを比較例３とした。
第１の凹凸構造を有しておらず、第２の反射層を有しておらず、第２の凹凸構造を有していないモデルを実施例４とした。

８種類のモデルについて、蛍光体層の表面から取り出される光の量［ｌｍ］、および、最も取り出し光量が少ない比較例４を１００％としたときの取り出し光量の相対比［％］を算出した。その結果を［表１］に示す。

表１に示す通り、実施例１〜４のモデルの取り出し光量は、比較例１〜４のモデルの取り出し光量を全て上回り、特に比較例４のモデルの取り出し光量と比べて、約２倍以上となった。このことから、蛍光体層裏面の第１の凹凸構造が取り出し光量の増大に寄与していることが判った。特に、第１の凹凸構造、第２の反射層および第２の凹凸構造の全てを有する実施例１のモデル、第１の凹凸構造および第２の反射層を有する実施例２のモデルについては、３つの構成要件全てを有していない比較例４のモデルの約３倍の取り出し光量が得られた。このことから、蛍光体層裏面の第１の凹凸構造と蛍光体層側面の第２の反射層とが取り出し光量の増大に大きく寄与していることが判った。

なお、第１実施形態のように、凹凸構造が、形状、サイズ、ピッチ、および配置の全てが不規則な複数の凹凸で構成されている場合も、凹凸構造が規則的な複数の凹凸で構成されている場合と同様な傾向が得られる。すなわち、第１の反射層および第１の凹凸構造を備える場合の光取り出し効率は、第１の反射層は備えるけれども第１の凹凸構造を備えない場合の光取り出し効率よりも高い。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、蛍光体層側面の第２の反射層、第２の凹凸構造の双方を備えた例を挙げたが、第２の反射層、第２の凹凸構造のいずれか一方のみを備えていてもよいし、第２の反射層、第２の凹凸構造の双方を備えていなくてもよい。

上記実施形態では、励起光用のレーザー光源にピーク波長が４４６ｎｍのレーザー光を射出する第２の半導体レーザーを用い、青色光用のレーザー光源にピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光を射出する第１の半導体レーザーを用いる構成を例示したが、励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’のピーク波長については、このような例に必ずしも限定されるものではない。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、１つの光変調装置でカラー映像（画像）を表示するプロジェクターに適用することも可能である。その他、上記実施形態で開示した発光素子、照明装置、プロジェクターの各種構成要件の数、寸法、配置等については適宜変更が可能である。

２…照明装置、４Ｒ…赤色光用光変調装置、４Ｇ…緑色光用光変調装置、４Ｂ…青色光用光変調装置、６…投射光学系、２１Ａ…アレイ光源（光源装置）、２７，６０，７５…発光素子、３４，６３…蛍光体層、４１，６５，７３…第１の反射層（第１の反射部材）、４２，６６，７４…第２の反射層（第２の反射部材）、４５，６１，７１…第１の凹凸構造、４６，６２，７２…第２の凹凸構造。

Claims (9)

1. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を備えた蛍光体層と、
   前記第１の面の上に設けられた第１の反射部材と、を備え、
   前記第１の面と前記第１の反射部材との第１の界面が第１の凹凸構造を有し、
   前記蛍光体層で生成された光が前記第２の面から前記蛍光体層の外部に射出されることを特徴とする発光素子。
2. 前記第１の凹凸構造は周期構造であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記蛍光体層が第３の面をさらに備え、
   第２の反射部材が前記第３の面の上に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
4. 前記第３の面と前記第２の反射部材との第２の界面が第２の凹凸構造を有することを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記蛍光体層が第３の面をさらに備え、
   前記第３の面が第２の凹凸構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
6. 前記第２の凹凸構造は周期構造であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の発光素子。
7. 前記第２の凹凸構造の第１の方向の周期が、前記第２の凹凸構造の第２の方向の周期と異なることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の発光素子と、
   前記発光素子の前記蛍光体層に光を照射する光源装置と、を備えたことを特徴とする照明装置。
9. 請求項８に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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