JP2017037106A - Optical member, light source device and image display device having the same - Google Patents

Optical member, light source device and image display device having the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical member capable of increasing use efficiency of light of a light source with a compact configuration, and an image display device having the optical member.SOLUTION: The optical member includes a substrate 1 and a phosphor part 2 disposed on the substrate and emitting fluorescent light by irradiation with excitation light. The phosphor part has a rugged surface comprising a plurality of convex portions and a plurality of concave portions reflecting the excitation light. The profile of the rugged surface satisfies a conditional formulae of 0.5≤√(S/N)<2.5 [μm] and 0.5≤<H>≤5.0 [μm], where S represents a measurement area where the profile of the rugged surface is measured, N represents the number of convex portions in the measurement area, and <H> represents an average height of the convex portions.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光源に関し、特に画像表示装置の光源に関するものである。   The present invention relates to a light source, and more particularly to a light source of an image display device.

近年、高輝度の画像を投影する画像表示装置の光源として、レーザと蛍光体を組み合わせた光源装置が知られている。   In recent years, a light source device combining a laser and a phosphor is known as a light source of an image display device that projects a high-luminance image.

例えば、特許文献1は、レーザ光源からの光をダイクロイックミラーにより、カラーホイール上の蛍光体または青色光用拡散部へ導き、蛍光体からの発光および励起光の拡散光を画像表示素子に照射する光源装置を開示している。ここで、特許文献1では、蛍光体により散乱される青色レーザ光の拡散光が、蛍光体が発する蛍光による画像の色純度を低下させるため、青色をカットする遮光ホイールを用意している。そして、蛍光のホイールと遮光ホイールの回転を制御することで色純度を高める構成を提案している。   For example, in Patent Document 1, light from a laser light source is guided by a dichroic mirror to a phosphor on a color wheel or a diffuser for blue light, and the image display element is irradiated with diffused light of emission and excitation light from the phosphor. A light source device is disclosed. Here, in patent document 1, since the diffused light of the blue laser light scattered by the phosphor reduces the color purity of the image due to the fluorescence emitted from the phosphor, a light shielding wheel for cutting blue is prepared. And the structure which improves a color purity by controlling rotation of a fluorescent wheel and a light-shielding wheel is proposed.

また、特許文献2は、蛍光体の光利用効率向上のため、蛍光体表面に10μmから100μmの構造周期を有する凹凸形状を形成する方法を開示している。   Patent Document 2 discloses a method of forming an uneven shape having a structural period of 10 μm to 100 μm on the phosphor surface in order to improve the light utilization efficiency of the phosphor.

特開2011−128522号公報JP 2011-128522 A 特開2012−68465号公報JP 2012-68465 A

特許文献1は、カラーホイールに青色のレーザ光を拡散反射させて青色光として利用する領域と、蛍光体の発光領域と分離して配置している。しかし、カラーホイールの領域を蛍光体のみとし、蛍光体による励起光の拡散光を光源として利用すれば、光利用効率は高くなる。特に、画像表示素子として赤、緑、青色を用いる3板式の投射型画像表示装置の場合には上記の構成が有利である。その場合、蛍光体表面または内部散乱光の拡散度が低いと、蛍光体からの拡散光を利用する場合に光量が不足する。   In Patent Document 1, a region where blue laser light is diffusely reflected on a color wheel and used as blue light and a light emitting region of a phosphor are arranged separately. However, if the area of the color wheel is made only of the phosphor and the diffused light of the excitation light by the phosphor is used as the light source, the light use efficiency is increased. In particular, the above configuration is advantageous in the case of a three-plate projection type image display apparatus using red, green, and blue as the image display elements. In that case, if the diffusion level of the phosphor surface or the internally scattered light is low, the amount of light is insufficient when the diffused light from the phosphor is used.

また、特許文献2は蛍光体表面に表面凹凸構造を用いているが、蛍光体に入射するレーザ光源の散乱光については言及していない。そのため、光学系の寸法を維持しつつ各色とも充分な輝度を確保することが困難である。   Further, Patent Document 2 uses a surface uneven structure on the phosphor surface, but does not mention the scattered light of the laser light source incident on the phosphor. Therefore, it is difficult to secure sufficient luminance for each color while maintaining the dimensions of the optical system.

本発明は、コンパクトな構成で光源の光利用効率を高めることができる光学部材、光源装置、及びそれを用いた画像表示装置を提供する。   The present invention provides an optical member, a light source device, and an image display device using the optical member that can increase the light use efficiency of the light source with a compact configuration.

本発明の一側面としての光学部材は、基板と、基板に設けられ、励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部と、を備える。蛍光体部は、励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有する。凹凸面の形状は、凹凸面の形状の計測を行う計測面積をS、計測面積の内の凸形状部の個数をN、凸形状部の平均高さを<H>としたとき、0.5≦√(S/N)<2.5[μm]、0.5≦<H>≦5.0[μm]の条件式を満たすことを特徴とする。   An optical member according to one aspect of the present invention includes a substrate and a phosphor portion that is provided on the substrate and emits fluorescence when irradiated with excitation light. The phosphor portion has an uneven surface composed of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions that reflect the excitation light. The shape of the concavo-convex surface is 0.5 when the measurement area for measuring the shape of the concavo-convex surface is S, the number of convex portions in the measurement area is N, and the average height of the convex portions is <H>. ≦ √ (S / N) <2.5 [μm] and 0.5 ≦ <H> ≦ 5.0 [μm] are satisfied.

本発明の別側面としての光源装置は、基板、および該基板に設けられ励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部を含む光学部材と、励起光を前記蛍光体部に照射する励起光源と、を備える。蛍光体部は、励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有する。凹凸面の形状は、凹凸面の形状の計測を行う計測面積をS、計測面積の内の凸形状部の個数をN、凸形状部の平均高さを<H>としたとき、0.5≦√(S/N)<2.5[μm]、0.5≦<H>≦5.0[μm]の条件式を満たすことを特徴とする。   A light source device according to another aspect of the present invention includes a substrate, an optical member that is provided on the substrate and emits fluorescence when irradiated with excitation light, and excitation that irradiates the phosphor with excitation light. A light source. The phosphor portion has an uneven surface composed of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions that reflect the excitation light. The shape of the concavo-convex surface is 0.5 when the measurement area for measuring the shape of the concavo-convex surface is S, the number of convex portions in the measurement area is N, and the average height of the convex portions is <H>. ≦ √ (S / N) <2.5 [μm] and 0.5 ≦ <H> ≦ 5.0 [μm] are satisfied.

本発明によれば、コンパクトな構成で光源の光利用効率を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light utilization efficiency of a light source can be improved with a compact structure.

本発明の実施形態における光源装置の構成概略図である。1 is a schematic configuration diagram of a light source device in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における蛍光体部材の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the phosphor member in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における表面層の断面図である。It is sectional drawing of the surface layer in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における反射拡散量と散乱角度の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the amount of reflective diffusion and scattering angles in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における凹凸形状の平均高さおよび平均周期を示す図である。It is a figure which shows the average height and average period of uneven | corrugated shape in embodiment of this invention. 本発明の実施例1および実施例2における蛍光体部材の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the phosphor member in Example 1 and Example 2 of this invention. 実施例1および比較例の表面層の断面図である。It is sectional drawing of the surface layer of Example 1 and a comparative example. 実施例1および比較例の反射拡散量と散乱角度の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the amount of reflection diffusion of Example 1 and a comparative example, and a scattering angle. 実施例2の投射型画像表示装置の構成概略図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a projection type image display device according to a second embodiment.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の光源装置100の簡易的な構成を示す概略図である。光源装置100は、レーザ光源10、光学系12、ダイクロイックミラー13、集光光学系15、および蛍光体部材16(光学部材)からなる。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a simple configuration of a light source device 100 of the present invention. The light source device 100 includes a laser light source 10, an optical system 12, a dichroic mirror 13, a condensing optical system 15, and a phosphor member 16 (optical member).

まず、レーザ光源10から発せられた励起光11は、光学系12により略平行光となり、ダイクロイックミラー13に入射する。ダイクロイックミラー13は、第1の領域14aと第2の領域14bからなり、第1の領域14aはレーザ光源の波長の光を透過する特性を有する。そのため、励起光11は、ダイクロイックミラー13を透過する。   First, the excitation light 11 emitted from the laser light source 10 becomes substantially parallel light by the optical system 12 and enters the dichroic mirror 13. The dichroic mirror 13 includes a first region 14a and a second region 14b, and the first region 14a has a characteristic of transmitting light having a wavelength of a laser light source. Therefore, the excitation light 11 passes through the dichroic mirror 13.

ダイクロイックミラー13を透過した励起光11は、集光光学系15によって集光され蛍光体部材16に照射される。蛍光体部材16の蛍光体層2は、励起光11の一部を吸収し、励起光11よりも長波長の光(蛍光)を放射する。また、蛍光体層2に吸収されなかった励起光11は、蛍光体部材16の表面反射・拡散および内部散乱により拡散光として拡散反射される。   The excitation light 11 that has passed through the dichroic mirror 13 is condensed by the condensing optical system 15 and applied to the phosphor member 16. The phosphor layer 2 of the phosphor member 16 absorbs part of the excitation light 11 and emits light (fluorescence) having a wavelength longer than that of the excitation light 11. The excitation light 11 that is not absorbed by the phosphor layer 2 is diffusely reflected as diffused light by the surface reflection / diffusion and internal scattering of the phosphor member 16.

図1では、励起光11の拡散反射光を17La,17Lb,17Lc、蛍光体層2の拡散発光(蛍光)を17Pa,17Pb,17Pcとして重ねて点線で示している。以降、特に説明のない限り、これら励起光11の拡散反射光と蛍光体層2の拡散発光とをまとめて、拡散光と呼ぶ。ここで、各添え字a,b,cの違いは、拡散角度の違いを表している。17Pb,17Lbは面法線に対して低角度の成分に対応し、17Lc,17Pc,17La,17Paは面法線に対して高角度の成分に対応する。   In FIG. 1, the diffuse reflected light of the excitation light 11 is shown as 17 La, 17 Lb, and 17 Lc, and the diffused light emission (fluorescence) of the phosphor layer 2 is shown as a dotted line by 17 Pa, 17 Pb, and 17 Pc. Hereinafter, unless otherwise specified, the diffuse reflection light of the excitation light 11 and the diffuse light emission of the phosphor layer 2 are collectively referred to as diffuse light. Here, the difference between the subscripts a, b, and c represents the difference in diffusion angle. 17Pb and 17Lb correspond to components at a low angle with respect to the surface normal, and 17Lc, 17Pc, 17La and 17Pa correspond to components at a high angle with respect to the surface normal.

蛍光体部材16からの各拡散光は、集光光学系15によりダイクロイックミラー13に再入射する。ここで、蛍光体層2の蛍光の波長に対して、ダイクロイックミラー13の第1の領域14aと第2の領域14bとの両方が反射特性を有する。そのため、拡散光17Pa,17Pb,17Pcは、ダイクロイックミラー13で反射されて出射部18から外部へ出射される。   Each diffused light from the phosphor member 16 reenters the dichroic mirror 13 by the condensing optical system 15. Here, both the first region 14 a and the second region 14 b of the dichroic mirror 13 have reflection characteristics with respect to the fluorescence wavelength of the phosphor layer 2. Therefore, the diffused lights 17Pa, 17Pb, and 17Pc are reflected by the dichroic mirror 13 and are emitted from the emission unit 18 to the outside.

一方、励起光11の波長に対しては、第2の領域14bは反射特性を有するが、第1の領域14aは透過特性を有している。そのため、高角度に拡散した成分の17La,17Lcは、蛍光体層2の拡散光と同様に第2の領域14bで反射され出射部18から出射されるが、低角度に拡散した成分17Lbは、第1の領域14aを透過しレーザ光源10の側へ戻る。   On the other hand, for the wavelength of the excitation light 11, the second region 14b has reflection characteristics, but the first region 14a has transmission characteristics. Therefore, the components 17La and 17Lc diffused at a high angle are reflected by the second region 14b and emitted from the emitting portion 18 similarly to the diffused light of the phosphor layer 2, but the component 17Lb diffused at a low angle is The light passes through the first region 14a and returns to the laser light source 10 side.

励起光11の拡散光17Lbのレーザ光源10の側へ戻る光量は、拡散角度や第1の領域14aおよび第2の領域14bの形状や面積比に依存する。上記理由から、第1の領域14aの面積をできるだけ小さく、かつ第2の領域14bの面積をできるだけ大きくすることが望ましいが、実際にはレーザ光源10の構成や光源装置100の取り得るサイズで実現することは困難である。そのため、集光光学系15との関係からも、およそ10degから20degの低角度で拡散する成分の多くはレーザ光源10の側へ戻る。   The amount of the diffused light 17Lb of the excitation light 11 returning to the laser light source 10 side depends on the diffusion angle, the shape of the first region 14a and the second region 14b, and the area ratio. For the above reasons, it is desirable to make the area of the first region 14a as small as possible and the area of the second region 14b as large as possible, but in actuality, it is realized with the configuration of the laser light source 10 and the size that the light source device 100 can take. It is difficult to do. Therefore, also from the relationship with the condensing optical system 15, most of the components that diffuse at a low angle of about 10 deg to 20 deg return to the laser light source 10 side.

すなわち、図1の構成で使用する場合に、特に蛍光体層の表面等で正反射する成分や、表面散乱光または反射拡散光のうち17Lbは損失するため、光源装置100の光利用効率を高めるためには蛍光体部材16からの光のうち低角度成分を低減する必要がある。そこで、本発明の光源装置100では、蛍光体部材16の表面を凹凸形状(凹凸面)とすることにより、励起光11の拡散反射の角度特性を制御する。   That is, when used in the configuration of FIG. 1, 17 Lb is lost among components that are specularly reflected on the surface of the phosphor layer or the like, or surface scattered light or reflected diffused light, so that the light use efficiency of the light source device 100 is increased. Therefore, it is necessary to reduce the low angle component of the light from the phosphor member 16. Therefore, in the light source device 100 of the present invention, the angular characteristic of the diffuse reflection of the excitation light 11 is controlled by making the surface of the phosphor member 16 have an uneven shape (uneven surface).

図2は、蛍光体部材16の表面形状の一例を示す概略図である。ここでは、蛍光体部材16として、基板1の上に蛍光体層2と表面層3が順に形成された構造を示す。本実施形態において表面層3には、微小な半球形状からなる凹凸形状が形成されており、この表面層3により励起光が高角度に拡散反射される。また、表面層3と蛍光体層2の間の界面の屈折率差は小さく、蛍光体層2の表面での光反射および散乱は抑制される。このとき、蛍光からの発光成分も表面層3により散乱されるが、蛍光からの発光は元々角度に対し等方的に拡散するため、表面層3による散乱の影響は小さい。ここで表面層3の凹凸形状に対し、ある面積S(計測面積)内の領域における凸形状部の個数をN、凸形状部の平均高さを<H>としたとき、表面層3は下記条件式を満たす。
0.5≦√(S/N)<2.5[μm]・・・(1)
0.5≦<H>≦5.0[μm]・・・(2)
√(S/N)はxy面内の面積S内における凹凸形状の周期を概算した量であり、条件式(1)は凹凸形状の平均周期が略0.5μmから2.5μmの範囲に収まる必要があることを示している。また、条件式(2)は、凹凸形状の平均高さ<H>が0.5μm以上5.0μm以下であることを示している。ここで面積Sが小さすぎる場合、凹凸形状の周期の計測においてバラつきの影響が大きいため、Sは少なくとも(S/N)の10倍以上の面積とする。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the surface shape of the phosphor member 16. Here, a structure in which the phosphor layer 2 and the surface layer 3 are sequentially formed on the substrate 1 as the phosphor member 16 is shown. In the present embodiment, the surface layer 3 is formed with a concavo-convex shape having a minute hemispherical shape, and excitation light is diffused and reflected at a high angle by the surface layer 3. Moreover, the refractive index difference at the interface between the surface layer 3 and the phosphor layer 2 is small, and light reflection and scattering at the surface of the phosphor layer 2 are suppressed. At this time, the light emission component from the fluorescence is also scattered by the surface layer 3, but the light emission from the fluorescence originally diffuses isotropically with respect to the angle, so that the influence of the scattering by the surface layer 3 is small. Here, when the number of convex portions in a region within a certain area S (measurement area) is N and the average height of the convex portions is <H>, the surface layer 3 is as follows. Satisfies the conditional expression.
0.5 ≦ √ (S / N) <2.5 [μm] (1)
0.5 ≦ <H> ≦ 5.0 [μm] (2)
√ (S / N) is an approximate amount of the period of the concavo-convex shape in the area S in the xy plane, and the conditional expression (1) falls within the range of the average period of the concavo-convex shape from about 0.5 μm to 2.5 μm. Indicates that it is necessary. Conditional expression (2) indicates that the average height <H> of the concavo-convex shape is 0.5 μm or more and 5.0 μm or less. Here, when the area S is too small, the influence of variation is large in the measurement of the period of the concavo-convex shape.

図3(a)から図3(d)は、図2に示した表面層3のある高さでの断面形状の一例を示す。図3(a)から図3(d)はそれぞれ40um四方の領域を表し、半球の平均粒径<φ>が1um,2um,4um,6umの場合を示している。また、それぞれの白球は図2の半球の断面を示しているが、1つ1つの球の大きさと位置はある程度のばらつきを有している。このときの平均粒径Nおよび条件式(1)(2)の値を表1に示す。また、このとき各構造に入射した光の反射強度を拡散角度に対してプロットした結果を図4に示す。図4の縦軸は反射拡散量を示し、横軸は散乱角度[deg]を示している。図4において、実線が図3(d)、点線が図3(c)、破線が図3(b)、二重線が図3(a)に対応している。条件式(1)(2)を満たす図3(a)および図3(b)に対応する二重線および破線は、散乱角度が高角度の場合に、図3(c)や図3(d)に対応する点線および実線よりも反射拡散量が高い値を示している。   FIG. 3A to FIG. 3D show an example of a cross-sectional shape at a certain height of the surface layer 3 shown in FIG. FIGS. 3 (a) to 3 (d) each represent a 40-um square region, and show the case where the average particle diameter <φ> of the hemisphere is 1 um, 2 um, 4 um, and 6 um. Also, each white sphere shows a cross section of the hemisphere in FIG. 2, but the size and position of each sphere have some variation. Table 1 shows the average particle diameter N and the values of the conditional expressions (1) and (2). FIG. 4 shows the result of plotting the reflection intensity of the light incident on each structure at this time against the diffusion angle. The vertical axis in FIG. 4 indicates the amount of reflected diffusion, and the horizontal axis indicates the scattering angle [deg]. In FIG. 4, the solid line corresponds to FIG. 3D, the dotted line corresponds to FIG. 3C, the broken line corresponds to FIG. 3B, and the double line corresponds to FIG. The double lines and broken lines corresponding to FIGS. 3A and 3B that satisfy the conditional expressions (1) and (2) are shown in FIGS. 3C and 3D when the scattering angle is high. ) Shows a higher reflection diffusion amount than the dotted and solid lines.

具体的には、表2において、図3の各構造における、ある角度範囲での反射拡散量の総和を示す。iは0degから15degまでの範囲における反射拡散量、iiは15degから60degまでの反射拡散量を示している。60degは、集光光学系15による取り込み可能な角度の目安としている。iiiは0degから80degの範囲の反射拡散量の総和を示し、ii/iiiは総反射量iiiに対するiiの比率を表している。17Laや17Lcとして取り込みを見込める強度は、平均周期が5μmの例では25.5%であるのに対し、平均周期が1μmの例では67.5%に増大する。実際には、表面反射だけでなく蛍光体内部の拡散成分に寄与するものの、図3(a)や図3(b)の構造とすることで拡散特性が改善されて励起光の拡散成分の損失を抑制できる。   Specifically, Table 2 shows the total reflection diffusion amount in a certain angle range in each structure of FIG. i represents a reflection diffusion amount in a range from 0 deg to 15 deg, and ii represents a reflection diffusion amount from 15 deg to 60 deg. 60 deg is used as a guide for the angle that can be captured by the condensing optical system 15. iii represents the sum of reflection diffusion amounts in the range of 0 deg to 80 deg, and ii / iii represents the ratio of ii to the total reflection amount iii. The intensity expected to be taken in as 17La or 17Lc is 25.5% in the case where the average period is 5 μm, but increases to 67.5% in the case where the average period is 1 μm. Actually, it contributes not only to the surface reflection but also to the diffusion component inside the phosphor, but the structure shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) improves the diffusion characteristics and causes a loss of the diffusion component of the excitation light. Can be suppressed.

上記の結果から凹凸形状の粒径は、図4の拡散特性に大きな影響を与えるパラメータであることがわかる。より具体的には、拡散特性は、凹凸形状の粒子配列の周期や凹凸形状の高さの影響を受け、周期構造に由来する回折や、微小な凹凸に由来する散乱(Mie散乱)特性に左右される。凹凸形状を条件式(1)の範囲とすることで、規則的な周期構造による回折の発生次数を低次(1次〜2次)に抑えられ、それと伴に凹凸形状の斜面方向への光波の伝搬を強められるため、高角度の散乱成分が増大する。さらに、凹凸のランダム配列により、光拡散量が角度に対してブロードとなるので、局所的な輝度の集中を抑えられ、図4に示すような角度分布を得られる。その結果、低角度の散乱成分が低減され、損失となる図1の17Lbの光量を抑制できる。   From the above results, it can be seen that the uneven particle size is a parameter that greatly affects the diffusion characteristics of FIG. More specifically, the diffusion characteristics are influenced by the period of the irregular particle arrangement and the height of the irregular shape, and are influenced by diffraction derived from the periodic structure and scattering (Mie scattering) characteristics derived from minute irregularities. Is done. By making the concavo-convex shape within the range of the conditional expression (1), the generation order of diffraction due to the regular periodic structure can be suppressed to a low order (first to second order), and along with this, the light wave toward the concavo-convex shape slope direction Therefore, the high angle scattering component increases. Furthermore, since the light diffusion amount becomes broad with respect to the angle due to the random arrangement of irregularities, local concentration of luminance can be suppressed and an angular distribution as shown in FIG. 4 can be obtained. As a result, low-angle scattering components are reduced, and the amount of light of 17 Lb in FIG.

図3の凹凸形状に対する詳細な平均周期を求める方法として、例えば、図5(a)のある断面Xにおいて、図5(c)に示すように各々の凹凸の中心位置の間の最近接距離をP1,P2,…,Piとし、その平均距離(平均周期)<ri>を求める方法がある。または、3次元分布上の各球の中心座標からの距離rに対する粒子密度として動径分布関数D(r)を求める方法等でもよい。これらの値から求められる値を平均周期として用いても良いが、<ri>やD(r)を求めるには凹凸形状の中心座標の評価および統計処理を含むため容易ではない。より簡易的に凹凸形状の平均周期を求める方法として、図3の領域の面積をSとしたとき、その面積Sを面積S内の凹凸形状の数(ここでは半球粒子の数)Nで割り、平方根をとることで平均周期を見積もれる。   As a method for obtaining a detailed average period for the concavo-convex shape in FIG. 3, for example, in a cross section X in FIG. 5A, the closest distance between the central positions of the concavo-convex portions as shown in FIG. There is a method of obtaining P1, P2,..., Pi and obtaining an average distance (average period) <ri>. Alternatively, a method of obtaining the radial distribution function D (r) as the particle density with respect to the distance r from the center coordinate of each sphere on the three-dimensional distribution may be used. Although a value obtained from these values may be used as the average period, obtaining <ri> and D (r) is not easy because it includes evaluation of the center coordinates of the concavo-convex shape and statistical processing. As a method for more simply obtaining the average period of the concavo-convex shape, when the area of the region of FIG. 3 is S, the area S is divided by the number of concavo-convex shapes in the area S (here, the number of hemispherical particles) N, The average period can be estimated by taking the square root.

Nの算出方法として、3次元の表面形状を計測して取得(方法は後述する)した上で、凹凸形状を目視でカウントする方法がある。他には、計測により得られた表面形状の平均高さ、又は(最大高さ−最小高さ)/2の位置で断面画像を取得し、凹凸形状の領域とそうでない領域とで2値化する。例えば、凹凸形状の材料領域を黒、そうでない領域を白としたとき、黒で占められる領域の個数をカウントすることで得られる。さらには、画像の黒領域の其々の形状を微小球で近似したときの微小球の個数をカウントすることでNを算出する方法でもよい。このような計測方法は、計測する面積Sの領域が広い程、平均化され、精度が高まる。そのため面積Sの大きさは、少なくとも一辺10μm以上、すなわち100μm以上の領域であるとする。本発明では、この√(S/N)をみかけの平均周期とみなして、平均周期が0.5μm以上2.5μm以下となるように構成することで所望の拡散特性を得る。平均周期が2.5μmを上回る場合は高次回折が増える上に、図4に示したように低次光の強度が強まるため、光源側へ戻る光量が増大して所望の角度領域の光量が減少する。0.5μmを下回る領域は、構造周期が微細化して製造難度が増大するだけでなく、蛍光体の励起光源波長における回折限界に近づくため望ましくない。よって、√(S/N)は0.5μm以上2.5μm以下とすることが望ましい。 As a method for calculating N, there is a method in which a three-dimensional surface shape is measured and acquired (a method will be described later), and then the uneven shape is counted visually. In addition, a cross-sectional image is acquired at the position of the average height of the surface shape obtained by measurement, or (maximum height-minimum height) / 2, and binarized into the uneven shape region and the other region To do. For example, when the uneven material region is black and the other region is white, it can be obtained by counting the number of regions occupied by black. Furthermore, N may be calculated by counting the number of microspheres when the shape of each black area of the image is approximated by microspheres. Such a measurement method is averaged and accuracy increases as the area of the area S to be measured is wider. For this reason, the size of the area S is assumed to be at least a side of 10 μm or more, that is, a region of 100 μm 2 or more. In the present invention, this √ (S / N) is regarded as an apparent average period, and a desired diffusion characteristic is obtained by configuring the average period to be 0.5 μm or more and 2.5 μm or less. When the average period exceeds 2.5 μm, higher-order diffraction increases, and as shown in FIG. 4, the intensity of low-order light increases, so that the amount of light returning to the light source increases and the amount of light in the desired angular region is increased. Decrease. The region below 0.5 μm is not desirable because not only the structure period becomes finer and the manufacturing difficulty increases, but also approaches the diffraction limit at the excitation light source wavelength of the phosphor. Therefore, √ (S / N) is desirably 0.5 μm or more and 2.5 μm or less.

また、凹凸形状の高さについては、凹凸形状の高さが十分でなければ構造のない平面形状からの反射特性に近づくため望ましくない。凹凸形状の平均高さ<H>は、図5(b)に示すように各構造の高さH1,H2,…,Hi,を定義したとき、その平均高さ<H>が0.5μmから5.0μmの範囲に収まることが望ましい。具体的な算出方法としては、平均周期のカウントの際に抽出した凹凸形状の各凸形状部の最大値を計測し、それを平均化して平均高さ<H>とすれば良い。ただし、凹凸形状の低部に残差があるような場合には、凹形状部の最小値の高さも計測して平均化する必要がある。例えば、平均周期のカウントで用いた2値画像から、抽出した凹凸形状の凸形状部の頂点部の高さ(頂点位置)と、頂点部近傍(1〜2周期内)における凹凸形状の凹形状部の底面部の高さ(底面位置)を其々計測して平均化し、その差分を平均高さ<H>とする。ここで、高さとは、基板1から蛍光体層2へ向かう法線方向の位置である。   Further, the height of the concavo-convex shape is not desirable because the height of the concavo-convex shape is close to the reflection characteristic from a planar shape having no structure. The average height <H> of the concavo-convex shape is such that when the heights H1, H2,..., Hi of each structure are defined as shown in FIG. It is desirable to be within the range of 5.0 μm. As a specific calculation method, the maximum value of the convex and concave portions extracted at the time of counting the average period may be measured and averaged to obtain the average height <H>. However, when there is a residual in the low part of the concavo-convex shape, it is necessary to measure and average the height of the minimum value of the concave part. For example, the height (vertex position) of the peak portion of the convex-shaped portion of the concave-convex shape extracted from the binary image used in the average period count, and the concave-convex concave shape in the vicinity of the vertex portion (within one to two cycles) The height (bottom surface position) of the bottom part of each part is measured and averaged, and the difference is defined as the average height <H>. Here, the height is a position in the normal direction from the substrate 1 toward the phosphor layer 2.

このとき、<H>が5.0μmを超える場合には、構造のアスペクト比が増大し凹凸形状の強度の低下等の悪影響が増え、製造の難度が高まるため望ましくない。反対に0.5μmを下回る場合には平坦面としての特性に近づくため本発明の効果が低下する。   At this time, if <H> exceeds 5.0 μm, the aspect ratio of the structure increases, adverse effects such as a decrease in the strength of the concavo-convex shape increase, and the manufacturing difficulty increases, which is not desirable. On the other hand, when the thickness is less than 0.5 μm, the effect of the present invention is lowered because the characteristics of the flat surface are approached.

さらに、波長に対して数倍程度の周期構造においては、波動光学的な効果に加えて凹凸形状の表面による反射の効果が重畳される。そのため平均周期を√(S/N)および平均高さを<H>としたとき、構造のアスペクト比に相当する√(S/N)/<H>は、0.5以上2以下であることが望ましい。0.5以下の場合には、光線の反射角度が高角度になり過ぎる。逆に2.0以上では、多重反射の成分や内部へ透過する成分が増大する。ただし、図3や図4から判るように単純に幾何的な作用だけを考えれば図3(a)から図3(d)での差は生じない。上記√(S/N)/<H>に関する条件は、式(1)および式(2)を満たした上で、さらに所望の角度領域での光波の強め合いを行うための条件である。   Furthermore, in a periodic structure several times the wavelength, in addition to the wave optical effect, the reflection effect by the uneven surface is superimposed. Therefore, when the average period is √ (S / N) and the average height is <H>, √ (S / N) / <H> corresponding to the aspect ratio of the structure is 0.5 or more and 2 or less. Is desirable. In the case of 0.5 or less, the reflection angle of the light beam becomes too high. On the other hand, at 2.0 or more, the component of multiple reflection and the component transmitted to the inside increase. However, as can be seen from FIG. 3 and FIG. 4, if only the geometrical action is considered, there is no difference between FIG. 3 (a) and FIG. 3 (d). The condition regarding √ (S / N) / <H> is a condition for further strengthening light waves in a desired angle region after satisfying the expressions (1) and (2).

なお、表面形状の測定方法には、様々な方法を任意に選択できる。AFMや干渉計測法を用いた方法、レーザ顕微鏡を用いた3D計測装置などを用いれば、表面形状を破壊せずに計測できる。また、断面SEM等の手法を用いても良い。得られた表面形状は、測定倍率やスキャン範囲や解像度に応じてある程度、周波数に対するフィルタリングがかかっている。また、測定時に素子のたわみやうねり等により誤差が生じる場合がある。それらの値は、本発明の条件式には無関係であるため、所定の処理を行って排除する。   Various methods can be arbitrarily selected as the method for measuring the surface shape. If a method using AFM or an interference measurement method, a 3D measurement device using a laser microscope, or the like is used, the surface shape can be measured without being destroyed. Further, a method such as a cross-sectional SEM may be used. The obtained surface shape is subjected to frequency filtering to some extent according to the measurement magnification, scan range, and resolution. In addition, an error may occur due to element deflection or undulation during measurement. Since these values are irrelevant to the conditional expression of the present invention, they are eliminated by performing a predetermined process.

一般に、面積S内で凹凸形状として判別可能なサイズや形状には、表面層3の凹凸形状だけでなく、大小のうねりを含む多様な表面状態が影響する。本発明においては、発明の効果を規定する条件式(1)を十分含む、構造周期100nm以上10μm以下の面内寸法と構造高さ0.1μm以上10.0μm以下の範囲のものを凹凸形状と定義する。   In general, not only the uneven shape of the surface layer 3 but also various surface states including large and small undulations affect the size and shape that can be identified as the uneven shape within the area S. In the present invention, an in-plane dimension having a structural period of 100 nm to 10 μm and a structural height in the range of 0.1 μm to 10.0 μm sufficiently including the conditional expression (1) that defines the effect of the invention is an uneven shape. Define.

上記範囲よりも微細な周期については、平均化等により平坦化処理を行うことが望ましい。10μm以上の周期では、うねりについて高さ補正を行ったうえで<H>および√(S/N)を求めることが望ましい。局所的に凹凸密度の濃淡が100um以上のスケールで存在する場合には、3から5領域程度の異なる領域での<H>および√(S/N)の平均値を用いることが望ましい。   For a period finer than the above range, it is desirable to perform a flattening process by averaging or the like. In a period of 10 μm or more, it is desirable to obtain <H> and √ (S / N) after correcting the height of the waviness. When the uneven density density locally exists on a scale of 100 um or more, it is desirable to use the average value of <H> and √ (S / N) in different regions of about 3 to 5 regions.

また、平均高さ<H>は、JIS規格の粗さ曲線要素の平均高さ:Rcに対応する量であるため、測定においてRcの値を用いても良い。√(S/N)は、JIS規格表面粗さ曲線要素の平均長さRsmに対応する量であるため、測定においてRsmの値を利用しても良い。その場合、面積S内の直交する2方向に対して線粗さの測定を10本以上行い、その平均値を適用する方法で算出する。さらには、取得した表面形状の2次元高さ画像(例えば高さ成分を255値に分割したbmp画像など)をフーリエ変換することにより、表面形状を周波数成分に分解できる。   Moreover, since the average height <H> is an amount corresponding to the average height: Rc of the roughness curve element of JIS standard, the value of Rc may be used in the measurement. Since √ (S / N) is an amount corresponding to the average length Rsm of the JIS standard surface roughness curve element, the value of Rsm may be used in the measurement. In that case, 10 or more line roughness measurements are performed in two orthogonal directions within the area S, and the average value is calculated. Furthermore, the surface shape can be decomposed into frequency components by subjecting the acquired two-dimensional height image of the surface shape (for example, a bmp image obtained by dividing the height component to 255 values).

100nm以下や10μm以上の周波数成分をカットオフした上で、信号強度と周波数成分から平均値を求めることで、より高い精度で平均周期を求められる。これらのデータは、上述の式(1)および式(2)の説明で用いた手法よりも、正確に求められることがより望ましいが、上述の手法であっても本発明の効果は達成できる。   By cutting off frequency components of 100 nm or less or 10 μm or more and then obtaining the average value from the signal intensity and the frequency component, the average period can be obtained with higher accuracy. These data are more preferably obtained more accurately than the method used in the description of the above formulas (1) and (2), but the effects of the present invention can be achieved even with the above method.

以下の説明において、凹凸形状のサイズ(平均構造幅)を<φ>とし、凹凸形状の平均周期を<P>とする。凹凸形状が完全に規則配列している場合、<φ>と<P>とが一致する。その場合、反射拡散光は、回折により求まる特定角度に集中する。そのような場合であっても回折角度が、ダイクロイックミラーの第1の領域の範囲に反射拡散するものでなければ利用効率の低下を抑制できる。ただし、均一性の高い周期構造からの回折光は角度分布が狭く、液晶プロジェクタ等の照明に用いた場合に画面内で輝度ムラや色ムラが生じる可能性がある。そのため、表面層3の凹凸形状の配列は完全周期構造ではなく、ランダム性を有することが望ましい。ランダム配置などにより配列が乱れると面積S内の凹凸構造の数が増減するため一般的に<P>と<φ>は乖離する。ランダム性の評価尺度として前述の平均周期<P>と平均構造幅<φ>の差分を用い、面積Sが周期の10倍である10<P>^2以下の領域において当該差分|<P>−<φ>|が0.01以上の構造を有することが望ましい。   In the following description, the size of the uneven shape (average structure width) is <φ>, and the average period of the uneven shape is <P>. When the irregular shape is perfectly ordered, <φ> and <P> match. In that case, the reflected diffused light is concentrated at a specific angle determined by diffraction. Even in such a case, if the diffraction angle does not reflect and diffuse in the range of the first region of the dichroic mirror, a decrease in utilization efficiency can be suppressed. However, the diffracted light from a highly uniform periodic structure has a narrow angular distribution, and when used for illumination of a liquid crystal projector or the like, there may be luminance unevenness or color unevenness in the screen. Therefore, it is desirable that the concavo-convex arrangement of the surface layer 3 is not a complete periodic structure but has randomness. If the arrangement is disturbed due to random arrangement or the like, the number of the concavo-convex structures in the area S increases and decreases, so generally <P> and <φ> are different. The difference between the average period <P> and the average structure width <φ> is used as an evaluation measure of randomness, and the difference | <P> in a region of 10 <P> ^ 2 or less where the area S is 10 times the period. It is desirable to have a structure in which − <φ> |

本発明の構造を作製する方法としては、様々な手法を適用できる。まず凹凸構造の形状については半球だけでなく、球形、楕円(半)球、柱形状、多角形状、錘形状、錐形状、台錐形状もしくはそれらの組み合わせを製法に合わせて用いることができる。例えば、蛍光体層表面に凹凸形状を作製する場合には、蛍光体微粒子を利用する方法が考えられる。多角形形状の蛍光体微粒子の粒径分布を予め0.5μmから2μmの範囲で揃え、それを焼結もしくはバインダで固着させる。その際、最表面にある蛍光体微粒子の上部半分を露出させるか、もしくは薄いバインダにより、粒子形状が表面に残存するように塗工もしくは成膜する。この手法により、図のような蛍光体微粒子の構造に倣った表面形状とすることができ、蛍光体微粒子の粒径を制御することで条件式(1)および(2)を満足できる。ただし、蛍光体微粒子の粒径は、蛍光の発光効率などに依存する場合があり、粒径を小さくすると表面欠陥の比率の増大によって効率が低下する可能性がある。   Various methods can be applied as a method for manufacturing the structure of the present invention. First, regarding the shape of the concavo-convex structure, not only a hemisphere but also a sphere, an ellipse (hemisphere), a columnar shape, a polygonal shape, a weight shape, a cone shape, a trapezoid shape, or a combination thereof can be used according to the manufacturing method. For example, in the case where an uneven shape is formed on the surface of the phosphor layer, a method using phosphor fine particles can be considered. The particle size distribution of the polygonal phosphor fine particles is previously set in a range of 0.5 μm to 2 μm, and is fixed by sintering or a binder. At that time, the upper half of the phosphor fine particles on the outermost surface is exposed, or coating or film formation is performed with a thin binder so that the particle shape remains on the surface. By this method, the surface shape can be obtained according to the structure of the phosphor fine particles as shown in the figure, and the conditional expressions (1) and (2) can be satisfied by controlling the particle size of the phosphor fine particles. However, the particle size of the phosphor fine particles may depend on the emission efficiency of the fluorescence, etc. If the particle size is reduced, the efficiency may decrease due to an increase in the ratio of surface defects.

他の方法としては、粒径が0.5μmから2.0μm程度の微粒子(シリカ微粒子など)を表面塗布する方法もある。また、塗布以外にも、例えば蛍光体層2の上部に成型により表面層3を作製しても良い。   As another method, there is a method in which fine particles (silica fine particles, etc.) having a particle size of about 0.5 μm to 2.0 μm are coated on the surface. In addition to the application, for example, the surface layer 3 may be formed on the phosphor layer 2 by molding.

表面層3の凹凸形状の材料としては、蛍光体層2に蛍光体微粒子を固着させるバインダや、それ以外にもUV硬化樹脂、熱硬化樹脂、その他無機ゾルゲル材料等を用いても良い。また、表面層3は、必ずしも蛍光体層2の表面上に形成する必要はなく、蛍光体部として蛍光体層2と一体に成形してもよい。   As the uneven material of the surface layer 3, a binder for fixing the phosphor fine particles to the phosphor layer 2, a UV curable resin, a thermosetting resin, and other inorganic sol-gel materials may be used. Further, the surface layer 3 is not necessarily formed on the surface of the phosphor layer 2 and may be formed integrally with the phosphor layer 2 as a phosphor portion.

さらには、表面層3の代わりに別の基板上に凹凸形状を作製し、その基板の凹凸形状を蛍光体層の表面近傍に配置させてもよい。この場合も同様の効果を期待できる。ただし、凹凸形状の面が蛍光体層2の表面から離れるほど、蛍光体層2の面上の励起光が集光される面積が拡散により増大し、照明効率が低下する可能性がある。   Furthermore, an uneven shape may be produced on another substrate instead of the surface layer 3, and the uneven shape of the substrate may be arranged near the surface of the phosphor layer. In this case, the same effect can be expected. However, as the uneven surface is further away from the surface of the phosphor layer 2, the area on which the excitation light on the surface of the phosphor layer 2 is collected increases due to diffusion, and the illumination efficiency may decrease.

また、表面反射率の大きさは表面層3の材質の屈折率に依存するが、コーティングによってもある程度制御できる。例えば、上述の方法で作製した表面層3の上面に、表面層3よりも屈折率の高い膜を光学膜厚でλ/4の厚みでつけることで、表面反射の成分を増大させることができる。このように、蛍光体層2に到達する励起光のうち表面拡散反射成分と、蛍光体層2に到達して蛍光の発光に利用される透過成分との比率は、光源装置として必要な色域のバランスや輝度等の用途に応じて適宜最適化できる。上述の製法はあくまで一例であり本発明の効果を限定するものでなく、用途に応じて最適な製法や構成を選択すればよい。   Further, the magnitude of the surface reflectance depends on the refractive index of the material of the surface layer 3, but can be controlled to some extent by coating. For example, the surface reflection component can be increased by attaching a film having a refractive index higher than that of the surface layer 3 to the upper surface of the surface layer 3 manufactured by the above-described method with an optical film thickness of λ / 4. . Thus, the ratio between the surface diffuse reflection component of the excitation light that reaches the phosphor layer 2 and the transmission component that reaches the phosphor layer 2 and is used for light emission is the color gamut necessary for the light source device. It can be optimized as appropriate according to the application such as balance and brightness. The above-described manufacturing method is merely an example and does not limit the effect of the present invention, and an optimal manufacturing method and configuration may be selected according to the application.

以下に、本発明の実施例1の光源装置100について説明する。本実施例の光源装置100の構成概略図を図1に示す。光源装置100の素子配置は、上述の通りであり、説明を省略する。   Below, the light source device 100 of Example 1 of this invention is demonstrated. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a light source device 100 of the present embodiment. The element arrangement of the light source device 100 is as described above, and a description thereof is omitted.

本実施例の光源装置100では、励起光源として波長450nmの青色レーザダイオードを複数個用いて励起することで、高輝度の光源を実現する。また、本実施例の蛍光体層2は、波長450nmの光を吸収し、波長500〜650nm付近を主とする赤色および緑色の光を蛍光として全方位に均等拡散する。その際、同時に励起光11を拡散させるための凹凸形状を有し、励起光も同時に反射拡散させることにより、実質的に青色、緑色、赤色を含む白色光として反射される。ここで、蛍光体層2を備える蛍光体部材16は、図6に示すように形成されている。蛍光体層2は、レーザ光源からの強い光を集光して受けるため高温になりやすい。そのため、本実施例では、励起される蛍光体層2の位置を時間的にずらして温度上昇を抑制するために、蛍光体部材16をホイール状(円板形状)でその周方向に回転可能に形成する。この際、ホイールの回転軸を中心として全周に円形状に蛍光体層2の形成によって、常時蛍光と励起光の拡散光が発せられるため、時間的な輝度変化がなく安定して高い輝度を得られる光源装置100が提供される。蛍光体層2は、ホイールの回転軸を中心に円形状でなく円弧状に形成してもよい。   In the light source device 100 of the present embodiment, a high-luminance light source is realized by exciting a plurality of blue laser diodes having a wavelength of 450 nm as excitation light sources. Moreover, the phosphor layer 2 of the present embodiment absorbs light having a wavelength of 450 nm and uniformly diffuses red and green light mainly in the vicinity of the wavelength of 500 to 650 nm as fluorescence. At this time, it has an uneven shape for diffusing the excitation light 11 at the same time, and the excitation light is also reflected and diffused at the same time, so that it is substantially reflected as white light including blue, green and red. Here, the phosphor member 16 including the phosphor layer 2 is formed as shown in FIG. Since the phosphor layer 2 collects and receives strong light from the laser light source, it tends to become high temperature. Therefore, in this embodiment, in order to suppress the temperature rise by shifting the position of the excited phosphor layer 2 in time, the phosphor member 16 can be rotated in the circumferential direction in a wheel shape (disc shape). Form. At this time, the diffused light of the fluorescence and the excitation light is always emitted by forming the phosphor layer 2 in a circular shape around the rotation axis of the wheel, so that the luminance is stably high without any temporal change in luminance. The resulting light source device 100 is provided. The phosphor layer 2 may be formed in an arc shape instead of a circular shape around the rotation axis of the wheel.

蛍光体層2の表面には、図2に示すように表面層3が形成されている。表面層3は、蛍光体層2の表面に形成された略半球のランダム凹凸形状からなる。蛍光体層2は、蛍光体微粒子とバインダからなり、例えば蛍光体微粒子とシリコーン系樹脂バインダを含む材料を金属基板1上にバーコート法等で塗布され、乾燥固化することにより形成される。本実施例において表面層3は、平均径1umの半球形状を最密充填配置した状態から面内方向位置100nm、粒径±100nmの標準偏差でバラつきを与えた半球構造を型として転写したものである。この構造は、フォトリソグラフィや電子線描画装置等を用いることで作製できる。また、表面層3の材料としては、蛍光体バインダと同等のものとしているが、シリカ等の無機材料を含むゾルゲル材料や、ナノインプリントプロセスで用いられる熱可塑性樹脂または紫外線硬化樹脂等の材料であってもよい。   On the surface of the phosphor layer 2, a surface layer 3 is formed as shown in FIG. The surface layer 3 has a substantially hemispherical random uneven shape formed on the surface of the phosphor layer 2. The phosphor layer 2 is composed of phosphor fine particles and a binder. For example, the phosphor layer 2 is formed by applying a material containing phosphor fine particles and a silicone-based resin binder on the metal substrate 1 by a bar coating method or the like and drying and solidifying the material. In this embodiment, the surface layer 3 is obtained by transferring a hemispherical structure having a variation with a standard deviation of 100 nm in the in-plane direction and a particle size of ± 100 nm from a state in which a hemispherical shape having an average diameter of 1 um is arranged in the closest packing. is there. This structure can be manufactured by using photolithography, an electron beam drawing apparatus, or the like. Further, the material of the surface layer 3 is the same as that of the phosphor binder, but is a sol-gel material containing an inorganic material such as silica, or a material such as a thermoplastic resin or an ultraviolet curable resin used in the nanoimprint process. Also good.

このような手法により得られた表面層3のある高さにおける10μm四方の面積Sの領域について、面法線と垂直方向の断面図を図7(a)に示す。そのうち、直線Lでの断面図を図7(b)に示す。図7(a)は、図7(b)の高さ平均位置sでの断面に対応する。   FIG. 7A shows a cross-sectional view in the direction perpendicular to the surface normal with respect to a region having an area S of 10 μm square at a certain height of the surface layer 3 obtained by such a method. Among them, a cross-sectional view along a straight line L is shown in FIG. FIG. 7A corresponds to the cross section at the height average position s in FIG.

比較例として、平均径5μm,方向位置1500nm,粒径±1500nmの標準偏差でバラつきを与えた半球構造を型として転写した構造を図7(c)および図7(d)に示す。   As a comparative example, FIGS. 7 (c) and 7 (d) show a structure obtained by transferring a hemispherical structure with an average diameter of 5 μm, a directional position of 1500 nm, and a standard deviation of a particle diameter of ± 1500 nm as a mold.

図7(a)から図7(d)は、波長405nmのレーザ顕微鏡3D計測装置を用いて表面層3の3次元形状を縦横40μm、高さ範囲±2.0μmの範囲で取得したのち、高さ位置s=500nmでの水平断面を取得した結果を示している。   FIGS. 7 (a) to 7 (d) show the three-dimensional shape of the surface layer 3 in a vertical and horizontal range of 40 μm and a height range of ± 2.0 μm using a laser microscope 3D measuring device having a wavelength of 405 nm. The result of having acquired the horizontal cross section in the position s = 500 nm is shown.

図8は、本実施例の反射拡散量と角度分布のグラフを実線で示し、比較例の構造における同様のグラフを点線で示す。表3は本実施例および比較例について条件式(1)(2)との関係を示し、表4は表2と同様の反射拡散量の角度分布を比較した結果を示す。表3より、本実施例は条件式(1)および(2)を満たしていることがわかる。また、図8および表4より、特に15degから60degでの反射拡散量が0.207から0.656へと増大している。これにより、本実施例の蛍光体部材16が、励起光の拡散光の青色光を効率よく利用できることが分かる。   FIG. 8 shows a graph of the reflection diffusion amount and the angular distribution of the present example by a solid line, and shows a similar graph in the structure of the comparative example by a dotted line. Table 3 shows the relationship with the conditional expressions (1) and (2) for the present example and the comparative example, and Table 4 shows the result of comparing the angle distribution of the reflection diffusion amount similar to Table 2. From Table 3, it can be seen that this example satisfies the conditional expressions (1) and (2). Further, from FIG. 8 and Table 4, in particular, the reflection diffusion amount from 15 deg to 60 deg increases from 0.207 to 0.656. Thereby, it turns out that the fluorescent member 16 of a present Example can utilize efficiently the blue light of the diffused light of excitation light.

次に、本発明の実施例2の投射型画像表示装置200について説明する。本実施例の投射型画像表示装置200の構成概略図を図9に示す。実施例1と共通する部分については説明を省略する。   Next, a projection type image display apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 shows a schematic configuration diagram of the projection type image display apparatus 200 of the present embodiment. A description of portions common to the first embodiment will be omitted.

投射型画像表示装置200では、まず実施例1の光源装置100から発せられた赤色照明光102r,緑色照明光102g,青色照明光102b(実線+点線)からなる白色照明光102が偏光変換素子103を通過する。実線および点線は、照明光の光路を示す。図9では便宜上、照明光を色ごとに空間的に分離して記載しているが、現実にはこの3つの光はこの段階では空間的に分離されていない。   In the projection type image display apparatus 200, first, the white illumination light 102 composed of the red illumination light 102r, the green illumination light 102g, and the blue illumination light 102b (solid line + dotted line) emitted from the light source device 100 of the first embodiment is converted into the polarization conversion element 103. Pass through. A solid line and a dotted line indicate the optical path of the illumination light. In FIG. 9, for convenience, the illumination light is spatially separated for each color, but in reality, the three lights are not spatially separated at this stage.

偏光変換素子103を通過する際に白色照明光102は、一様な偏光(実線)に揃えられた赤色照明光104r,緑色照明光104g,青色照明光104bに変換される。その後、緑色照明光104gは、その後ダイクロイックミラー105により青色光および赤色光と分離される。そして緑色光照明光104gは、偏光分離素子(以下PBS)108および位相補償板112gを透過して画像表示素子111gに照明される。すなわち、偏光変換素子103,ダイクロイックミラー105,PBS108,位相補償板112gは、画像表示素子111gに緑色照明光104gを導く照明光学系として働く。   When passing through the polarization conversion element 103, the white illumination light 102 is converted into red illumination light 104r, green illumination light 104g, and blue illumination light 104b aligned in a uniform polarization (solid line). Thereafter, the green illumination light 104 g is then separated from the blue light and the red light by the dichroic mirror 105. The green illumination light 104g passes through the polarization separation element (hereinafter referred to as PBS) 108 and the phase compensation plate 112g and is illuminated on the image display element 111g. That is, the polarization conversion element 103, the dichroic mirror 105, the PBS 108, and the phase compensation plate 112g function as an illumination optical system that guides the green illumination light 104g to the image display element 111g.

色分離された赤色照明光104rおよび青色照明光104bは、偏光板106を透過した後に色選択性位相板107に入射する。色選択性位相板107は、青色光104bのみ偏光方向を90°変換させる特性を有している。そのため、赤色照明光104rの偏光状態を維持したまま、青色照明光104bの偏光方向を90°回転した状態でPBS109に入射させることができる。その後、赤色照明光104rはPBSを透過し、青色照明光104bはPBSで反射して、それぞれ位相補償板112r,112bを透過し、その後に画像表示素子111r,111bに照明される。すなわち、偏光変換素子103,ダイクロイックミラー105,PBS109,位相補償板112r又は位相補償板112bは、画像表示素子111r,111bにそれぞれ赤色照明光104rと青色照明光104bを導く照明光学系として働く。   The color-separated red illumination light 104r and blue illumination light 104b pass through the polarizing plate 106 and then enter the color selective phase plate 107. The color selective phase plate 107 has a characteristic that the polarization direction of only the blue light 104b is converted by 90 °. Therefore, while maintaining the polarization state of the red illumination light 104r, the polarization direction of the blue illumination light 104b can be incident on the PBS 109 while being rotated by 90 °. Thereafter, the red illumination light 104r is transmitted through the PBS, and the blue illumination light 104b is reflected by the PBS and transmitted through the phase compensation plates 112r and 112b, respectively, and then is illuminated on the image display elements 111r and 111b. That is, the polarization conversion element 103, the dichroic mirror 105, the PBS 109, the phase compensation plate 112r, or the phase compensation plate 112b function as an illumination optical system that guides the red illumination light 104r and the blue illumination light 104b to the image display elements 111r and 111b, respectively.

画像表示素子111g,111b,111rは、それぞれ入射光を変調して画像光を生成する。そのため、各色の照明光104g,104b,104rは、画像表示素子111g,111b,111rにより画像光115g,115b,115rへと変換される。画像光115g,115b,115rは、PBS108,109や合成プリズム118により各色合成された後、投射レンズ120(投影光学系)によりスクリーンへ投射されて画像を形成する。   The image display elements 111g, 111b, and 111r each modulate incident light to generate image light. Therefore, the illumination lights 104g, 104b, and 104r of each color are converted into image lights 115g, 115b, and 115r by the image display elements 111g, 111b, and 111r. The image lights 115g, 115b, and 115r are combined by the PBSs 108 and 109 and the combining prism 118, and then projected onto the screen by the projection lens 120 (projection optical system) to form an image.

ここで、本実施例の投射型画像表示装置200は、光源装置として実施例1の光源装置100を用いることにより、色特性と光利用効率を両立できる。   Here, the projection type image display apparatus 200 of the present embodiment can achieve both color characteristics and light utilization efficiency by using the light source device 100 of the first embodiment as the light source device.

レーザ光源からの光を拡散光光源として利用する方法として、例えば蛍光体を励起する光源と青色光として用いる光源の配置を分けるなど、本発明の方法以外にも様々な方法が考えられる。しかし、別途光源や拡散部材を配置する場合には、光学系が大きくなり光源装置の全体としてのサイズも大きくなる。また、この場合、部品点数の増大等の懸念がある。また、蛍光体表面での散乱光は損失となるため、光利用効率はその分低下すると考えられる。本発明の構成は、コンパクトな光学系でありながら光利用効率が高い投射型画像表示装置を提供できる。   As a method of using the light from the laser light source as the diffused light source, various methods other than the method of the present invention are conceivable, for example, the arrangement of the light source for exciting the phosphor and the light source used as the blue light is separated. However, when a light source and a diffusing member are separately arranged, the optical system becomes large and the overall size of the light source device also becomes large. In this case, there is a concern such as an increase in the number of parts. Moreover, since the scattered light on the phosphor surface is lost, it is considered that the light utilization efficiency is reduced accordingly. The configuration of the present invention can provide a projection-type image display device having a high light utilization efficiency while being a compact optical system.

投射型画像表示としては、図9以外にも様々な方式があるが、光源装置100の構成として異なる波長の蛍光光と励起光の拡散光とを同時に照明光として利用可能な構成が望ましい。また、各色の画像の表示に対応した複数の画像表示素子を有する画像表示装置がより望ましい。図9では反射型の画像表示素子を3枚用いた構成としているが、透過型の画像表示素子を用いた場合等であっても良い。   Although there are various methods other than FIG. 9 as the projection type image display, it is desirable that the light source device 100 has a configuration in which fluorescent light of different wavelengths and diffused light of excitation light can be used simultaneously as illumination light. An image display apparatus having a plurality of image display elements corresponding to display of images of each color is more desirable. In FIG. 9, three reflection type image display elements are used. However, a transmission type image display element may be used.

以上のように、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist thereof.

1 基板
2 蛍光体層
3 表面層
1 Substrate 2 Phosphor layer 3 Surface layer

Claims (13)

基板と、
前記基板に設けられ、励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部と、を備え、
前記蛍光体部は、前記励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有し、
前記凹凸面の形状は、前記凹凸面の形状の計測を行う計測面積をS、前記計測面積の内の前記凸形状部の個数をN、前記凸形状部の平均高さを<H>としたとき、
0.5≦√(S/N)<2.5[μm]
0.5≦<H>≦5.0[μm]
の条件式を満たすことを特徴とする光学部材。
A substrate,
A phosphor portion that is provided on the substrate and emits fluorescence when irradiated with excitation light;
The phosphor portion has an uneven surface composed of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions that reflect the excitation light,
As for the shape of the concavo-convex surface, S is a measurement area for measuring the shape of the concavo-convex surface, N is the number of the convex shapes in the measurement area, and <H> is the average height of the convex portions. When
0.5 ≦ √ (S / N) <2.5 [μm]
0.5 ≦ <H> ≦ 5.0 [μm]
An optical member satisfying the following conditional expression:
前記凸形状部の平均高さは、前記複数の凸形状部の頂点位置の平均と前記複数の凹形状部の底面位置の平均の差分であることを特徴とする請求項1に記載の光学部材。   2. The optical member according to claim 1, wherein the average height of the convex portions is a difference between an average of vertex positions of the plurality of convex portions and an average of bottom positions of the plurality of concave portions. . 前記複数の凸形状部は、前記蛍光を発する蛍光体によって形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学部材。   The optical member according to claim 1, wherein the plurality of convex-shaped portions are formed of a phosphor that emits fluorescence. 前記蛍光体部は、前記蛍光を発する蛍光体層、および前記複数の凸形状部を構成する微粒子を含み、
前記微粒子は、前記蛍光体層とは異なる材料によって形成され、前記蛍光体層の上に設けられていることを特徴とする請求項1から3のうちいずれか1項に記載の光学部材。
The phosphor portion includes a phosphor layer that emits the fluorescence, and fine particles constituting the plurality of convex-shaped portions,
4. The optical member according to claim 1, wherein the fine particles are formed of a material different from that of the phosphor layer and are provided on the phosphor layer. 5.
前記複数の凸形状部の平均径は、0.5μm以上2.5μm以下であることを特徴とする請求項1から4のうちいずれか1項に記載の光学部材。   5. The optical member according to claim 1, wherein an average diameter of the plurality of convex portions is not less than 0.5 μm and not more than 2.5 μm. 前記複数の凸形状部は、成型により形成されることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか1項に記載の光学部材。   The optical member according to claim 1, wherein the plurality of convex portions are formed by molding. 前記複数の凸形状部は、前記凹凸面においてランダムな位置に形成されていることを特徴とする請求項1から6のうちいずれか1項に記載の光学部材。   The optical member according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of convex-shaped portions are formed at random positions on the uneven surface. 前記複数の凸形状部は、球形状、半球形状、柱形状、および錐形状のうち少なくとも1つの形状を有していることを特徴としる請求項1から7のうちいずれか1項に記載の光学部材。   The plurality of convex-shaped portions have at least one of a spherical shape, a hemispherical shape, a columnar shape, and a cone shape, according to any one of claims 1 to 7. Optical member. 前記基板は、円板形状を有し、該円板形状の周方向に回転可能に構成され、
前記蛍光体部は、前記基板の回転軸を中心に円形状又は円弧状に形成されることを特徴とした請求項1から8のうちいずれか1項に記載の光学部材。
The substrate has a disk shape and is configured to be rotatable in a circumferential direction of the disk shape;
The optical member according to any one of claims 1 to 8, wherein the phosphor portion is formed in a circular shape or an arc shape around a rotation axis of the substrate.
基板、および該基板に設けられ励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部を含む光学部材と、
前記励起光を前記蛍光体部に照射する励起光源と、を備え、
前記蛍光体部は、前記励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有し、
前記凹凸面の形状は、前記凹凸面の形状の計測を行う計測面積をS、前記計測面積の内の前記凸形状部の個数をN、前記凸形状部の平均高さを<H>としたとき、
0.5≦√(S/N)<2.5[μm]
0.5≦<H>≦5.0[μm]
の条件式を満たすことを特徴とする光源装置。
An optical member including a substrate and a phosphor portion that emits fluorescence when irradiated with excitation light provided on the substrate;
An excitation light source for irradiating the phosphor part with the excitation light,
The phosphor portion has an uneven surface composed of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions that reflect the excitation light,
As for the shape of the concavo-convex surface, S is a measurement area for measuring the shape of the concavo-convex surface, N is the number of the convex shapes in the measurement area, and <H> is the average height of the convex portions. When
0.5 ≦ √ (S / N) <2.5 [μm]
0.5 ≦ <H> ≦ 5.0 [μm]
A light source device satisfying the following conditional expression:
前記励起光源から前記光学部材までの前記励起光の光路に、該光路に対して斜めに配置されたダイクロイックミラーを更に有し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光源からの前記励起光を前記蛍光体部に導き、前記蛍光体部からの光を外部に出射することを特徴とする請求項10に記載の光源装置。
The optical path of the excitation light from the excitation light source to the optical member further includes a dichroic mirror disposed obliquely with respect to the optical path,
The light source device according to claim 10, wherein the dichroic mirror guides the excitation light from the excitation light source to the phosphor part and emits the light from the phosphor part to the outside.
前記ダイクロイックミラーは、
前記励起光の波長の光を透過し、前記蛍光体部からの蛍光の波長の光を反射する第1の領域と、
前記励起光の波長の光、および前記蛍光体部からの蛍光の波長の光の両方を反射する第2の領域と、を有することを特徴とする請求項11に記載の光源装置。
The dichroic mirror is
A first region that transmits light of the wavelength of the excitation light and reflects light of the wavelength of fluorescence from the phosphor portion;
The light source device according to claim 11, further comprising: a second region that reflects both the light having the wavelength of the excitation light and the light having the wavelength of the fluorescence from the phosphor portion.
入射光を変調することで画像を生成する画像表示素子と、
請求項10から12のうちいずれか1項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を前記画像表示素子へと照明する照明光学系と、
前記画像表示素子からの光を投影する投影光学系と、を有することを特徴とする画像表示装置。
An image display element that generates an image by modulating incident light; and
The light source device according to any one of claims 10 to 12,
An illumination optical system for illuminating the image display element with light from the light source device;
An image display apparatus comprising: a projection optical system that projects light from the image display element.
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