JP2017111170A - 波長変換素子、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光の光射出領域の拡大を低減した波長変換素子を提供する。また、上述のような波長変換素子を有する光源装置およびプロジェクターを提供する。【解決手段】蛍光材料と、複数の気孔と、蛍光光が射出される光射出面と、を有する蛍光体層を備え、蛍光体層は、光射出面の面法線方向から見たとき互いに隣接した、第１の領域と第２の領域とを有し、第１の領域は、少なくとも蛍光材料を含み、第２の領域における気孔密度は、第１の領域における気孔密度よりも高い波長変換素子。【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置およびプロジェクターに関するものである。

近年、レーザー光源を用いたプロジェクターが提案されている。レーザー光源は、放電発光管等を用いたランプ光源に比べて色再現性に優れること、瞬時点灯が容易であること、長寿命であること等の長所を有している。

このようなレーザー光源を用いた光源装置として、レーザー光を蛍光体に照射して得られる蛍光を照明光として利用する光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような光源装置によれば、励起光と蛍光とを時間積分することにより混色することで、白色光を得ることが可能である。

上記特許文献１における蛍光体は、シリコーン樹脂等の樹脂材料をバインダーとして用い、バインダー中に蛍光体粒子が分散したものが用いられている。

しかし、樹脂材料の耐熱性は、無機材料と比べると低い。そのため、励起光として高強度のレーザー光が照射されると、バインダーは、熱によって劣化する。

そこで、無機蛍光体を有する回転蛍光体（波長変換素子）や、このような回転蛍光体を有する光源装置が検討されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に記載の回転蛍光体では、基板の形成材料として金属や、セラミックス表面に金属膜が設けられたものが挙げられ、蛍光体として低融点ガラス中に蛍光体粉末が分散したものが挙げられている。このような回転蛍光体では、光反射性の基板に凹部を設け、当該凹部に蛍光体を埋設することで、蛍光体で生成された光を凹部の底面および側壁で反射させ、光射出面から射出する構成となっている。

特開２００９−２７７５１６号公報 特開２０１１−１２９４０６号公報

一般に、プロジェクターにおいては、光源から射出された光を効率よく後段の光学系に入射させるためには、光が射出される領域、つまり光射出領域の面積が小さいことが望まれる。しかし、蛍光体で生成された蛍光は蛍光体の内部を等方的に進行するため、光射出領域は励起光が入射した入射領域よりも大きくなってしまう。

そのため、蛍光体を有する波長変換素子において、励起光の入射領域よりも光射出領域が拡大することが低減された波長変換素子が求められていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蛍光の光射出領域の拡大が低減された波長変換素子を提供することを目的とする。また、本発明は、上述のような波長変換素子を有する光源装置およびプロジェクターを提供することをあわせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、蛍光材料と、複数の気孔と、蛍光光が射出される光射出面と、を有する蛍光体層を備え、前記蛍光体層は、前記光射出面の面法線方向から見たとき互いに隣接した、第１の領域と第２の領域とを有し、前記第１の領域は、少なくとも前記蛍光材料を含み、前記第２の領域における気孔密度は、前記第１の領域における気孔密度よりも高い波長変換素子を提供する。
この構成によれば、第１の領域で生成された蛍光は、第１の領域よりも第２の領域において強く散乱される。そのため、第２の領域の設けられた側において光射出領域の拡大が低減されている。

本発明の一態様によれば、前記蛍光体層は、セラミックス材料の焼結体からなり、前記蛍光体層の前記第１の領域における線膨張係数と前記蛍光体層の前記第２の領域における線膨張係数との差は、１．０×１０^−６／ｋ以下である構成としてもよい。
この構成によれば、蛍光体層の温度が過度に上昇したとしても、線膨張係数の違いによる熱応力で蛍光体層が破損してしまうことを低減できる。

本発明の一態様によれば、前記第１の領域の母材は前記第２の領域の母材と同じである構成としてもよい。
この構成によれば、第１の領域における線膨張係数と第２の領域における線膨張係数との差を極めて小さくすることができるため、蛍光体層の温度が過度に上昇したとしても熱応力で蛍光体層が破損してしまうことを好適に低減できる。

本発明の一態様によれば、前記第２の領域は、前記光射出面の面法線方向から見たとき前記第１の領域を囲むように設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、光射出領域の拡大が低減されている。

本発明の一態様によれば、予め設定された回転軸の周りに回転可能であり、前記蛍光体層をさらに備え、前記蛍光体層は、前記第１の領域と隣接する第３の領域をさらに有し、前記第１の領域は、前記基板において前記回転軸の周りに円環状に設けられ、前記第２の領域は、前記第１の領域の内周側に設けられ、前記第３の領域は、前記第１の領域の外周側に設けられている構成としてもよい。
この構成によれば、基板の内周側及び外周側において光射出領域の拡大が低減されている。また、基板を回転させることで、蛍光体層における励起光の照射位置を基板の周方向に移動させることができる。そのため、励起光による蛍光体層の蓄熱を低減し、熱応力による蛍光体層の破損を低減することができる。

本発明の一態様は、上記の波長変換素子と、前記蛍光体層に励起光を照射する光源と、を有する光源装置を提供する。
この構成による光源装置は、上述の波長変換素子を備えているため、狭い光射出領域から光を射出可能である。

本発明の一態様は、上記の光源装置と、画像情報に応じて前記光源装置からの光を変調し画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を有するプロジェクターを提供する。
この構成によるプロジェクターは、上述の光源装置を備えているため、光源装置から射出された光を効率良く利用できる。

本実施形態に係るプロジェクターを示す模式図である。 本実施形態に係る波長変換素子を示す模式図である。 蛍光体層を製造する様子を示す模式図である。 波長変換素子に励起光を照射したときの発光の様子を示す模式図である。 変形例のプロジェクターについて説明する模式図である。 変形例に係るプロジェクターが有する波長変換素子を示す模式図である。 変形例に係る波長変換素子を示す模式図である。

＜波長変換素子、光源装置およびプロジェクター＞
以下、図１〜図７を参照しながら、本実施形態に係る波長変換素子、光源装置およびプロジェクターについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態に係るプロジェクター１０００を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１０００は、光源装置１００、色分離導光光学系２００、液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投写光学系６００を備える。

光源装置１００は、光源１０、集光光学系２０、波長変換素子３０、モーター５０、コリメート光学系６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を備える。

光源１０は、励起光としてレーザー光からなる青色光Ｂ（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）を射出するレーザー光源からなる。光源１０は、１つのレーザー光源からなるものであってもよいし、多数のレーザー光源からなるものであってもよい。また、４４５ｎｍ以外の波長（例えば、４６０ｎｍ）の青色光を射出するレーザー光源を用いることもできる。

集光光学系２０は、第１レンズ２２及び第２レンズ２４を備える。集光光学系２０は、光源１０から波長変換素子３０までの光路中に配置され、青色光Ｂを略集光した状態で蛍光体層４２（後述）に入射させる。第１レンズ２２及び第２レンズ２４は、凸レンズからなる。

波長変換素子３０は、平面視円形の基板４０（後述）と、基板４０の一面において基板４０の周方向に沿って設けられた蛍光体層４２と、を有している。波長変換素子３０は、基板４０の中心に接続されたモーター５０により回転可能である。波長変換素子３０は、青色光Ｂが入射する側とは反対の側に向けて赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを射出する。波長変換素子３０については、後に詳述する。

コリメート光学系６０は、第１レンズ６２と第２レンズ６４とを備え、波長変換素子３０からの光を略平行化する。第１レンズ６２及び第２レンズ６４は、凸レンズからなる。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系６０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、光源光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３２は光源光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、直線偏光に変換する。

偏光変換素子１４０は、波長変換素子３０からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を光源光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を光源光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域の近傍に重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、波長変換素子３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０、ダイクロイックミラー２２０、反射ミラー２３０、反射ミラー２４０、反射ミラー２５０及びリレーレンズ２６０、リレーレンズ２７０を備える。色分離導光光学系２００は、光源装置１００からの光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂをそれぞれが対応する液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂとの間にはそれぞれ、集光レンズ３００Ｒ、集光レンズ３００Ｇ、集光レンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光Ｒを通過させ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂを反射するダイクロイックミラーである。

ダイクロイックミラー２２０は、緑色光Ｇを反射して、青色光Ｂを通過させるダイクロイックミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光Ｒ用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。

ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光Ｇ用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。

ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光Ｂ用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ、集光レンズ３００Ｇ、集光レンズ３００Ｂと液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。

クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

図２は、本実施形態に係る波長変換素子３０を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の線分ＩＩｂ−ＩＩｂにおける矢視断面図である。

図２（ａ）に示すように、波長変換素子３０は、平面視円形の基板４０と、基板の一面において基板４０の周方向に沿って設けられた波長変換部４１Ａと、を有している。波長変換部４１Ａは、蛍光体層４２と、蛍光体層４２の第１の面４２ａに設けられたダイクロイック膜４４と、蛍光体層４２の第２の面４２ｂに設けられた反射防止膜４６と、を有している。蛍光体層４２において、第１の面４２ａは、励起光が入射する光入射面であり、第２の面４２ｂは、蛍光が射出される光射出面である。

基板４０は、青色光を透過する材料からなる。基板４０の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

蛍光体層４２は、光源１０から射出され、基板４０側から蛍光体層４２に入射する波長が約４４５ｎｍの青色光によって励起される。蛍光体層４２は、光源１０からの励起光（青色光）の一部を吸収して、青色光とは異なる波長の光に変換し、かつ、青色光の残りの一部を変換せずに通過させる。本実施形態においては、蛍光体層４２は、励起光を黄色光を含む光に変換する。

蛍光体層４２は、構成するセラミックス材料の複数の結晶子が焼結した焼結体である。焼結体の結晶粒界を有し、結晶粒界には、気孔４２５が形成されている。

蛍光体層４２は、第２の面４２ｂの面法線方向から見たとき互いに隣接した、第１の領域４２１と第２の領域４２２とを有する。さらに、第１の領域４２１と隣接する第３の領域４２３を有する。第１の領域４２１は、基板４０において円環状に設けられている。第２の領域４２２は第１の領域４２１の内周側に設けられている。第３の領域４２３は第１の領域４２１の外周側に設けられている。

第１の領域４２１は、少なくとも蛍光材料を含む。本実施形態の蛍光体層４２においては、蛍光材料として、Ｃｅ：Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（以下、Ｃｅ：ＹＡＧ）からなるセラミックス材料を用いた。Ｃｅ：ＹＡＧは、励起光によって励起され黄色の蛍光を発する黄色蛍光体である。

第１の領域４２１は蛍光材料とは異なる屈折率を有するセラミックス材料をさらに含んでいてもよい。このようなセラミックス材料としては、例えば、ＹＡｌＯ_３（以下、ＹＡＰ）またはＡｌ_２Ｏ_３からなるものを用いることができる。Ａｌ_２Ｏ_３は、Ｃｅ：ＹＡＧを合成する際に用いる出発物質である。また、ＹＡＰは、Ｃｅ：ＹＡＧを合成する際に生じる副生成物である。

第２の領域４２２および第３の領域４２３は、少なくとも気孔４２５を含む。第２の領域４２２および第３の領域４２３の形成材料としては、例えば第１の領域４２１と同様の形成材料を用いることができる。その際、第２の領域４２２における線膨張係数と第１の領域４２１における線膨張係数との差が、１．０×１０^−６／ｋ以下となるように選択するとよい。さらには、第１の領域４２１の母材と第２の領域４２２の母材とが同じセラミックス材料であると好ましい。

なお、本明細書において、ある領域における線膨張係数αを次のように定義する。
当該領域が、第１のセラミックス材料（蛍光材料）からなる第１の結晶子と、第２のセラミックス材料からなる第２の結晶子と、気孔と、からなるとする。また、第１の結晶子と第２の結晶子と気孔の割合を、それぞれＸ体積％、Ｙ体積％、（１００−Ｘ−Ｙ）体積％とする。さらに、第１の結晶子と第２の結晶子の線膨張係数をそれぞれαａ，αｂとする。このとき、線膨張係数αは、下記式（１）で与えられる。
α＝（αａ×Ｘ＋αｂ×Ｙ）／（Ｘ＋Ｙ） …（１）

また、本明細書において「母材」とは、第１の領域４２１、第２の領域４２２それぞれの主要材料のことを指す。例えば、第１の領域４２１が蛍光材料のみで構成されている場合には、当該蛍光材料が母材に該当する。また、第１の領域４２１が蛍光材料を含む２種以上のセラミックス材料で構成されている場合には、体積比で最も多い材料が母材に該当する。

また、第３の領域４２３を構成する形成材料も同様に、第３の領域４２３における線膨張係数と第１の領域４２１における線膨張係数との差が、１．０×１０^−６／ｋ以下となるように選択するとよい。さらには、第１の領域４２１の母材と第３の領域４２３の母材とが同じセラミックス材料であると好ましい。

蛍光体層４２の形成材料としてこのような形成材料を選択することにより、蛍光体層４２の温度が過度に上昇したとしても、線膨張係数の違いによる熱応力で蛍光体層４２が破損してしまうことを低減できる。

焼結体の作成時には、結晶粒界に気孔４２５を形成することができる。本実施形態の波長変換素子が有する蛍光体層４２では、第２の領域４２２における気孔密度は、第１の領域４２１における気孔密度よりも高い。同様に、第３の領域４２３における気孔密度は、第１の領域４２１における気孔密度よりも高い。

なお、本明細書において、蛍光体層のある領域における気孔密度ρとは、蛍光体層の当該領域の体積に対する、当該領域に含まれる複数の気孔の総体積の割合を意味する。当該領域の気孔密度ρは下記のようにして求めることができる。
蛍光体層の当該領域の体積をＶ_０とし、当該領域に含まれる複数の気孔の総体積をＶ_２とする。当該領域の気孔密度ρは式（２）で与えられる。
ρ＝Ｖ_２／Ｖ_０ …（２）

また、蛍光体層の当該領域の質量をＷとすれば、蛍光体層の当該領域の密度ρ１は式（３）によって与えられる。
ρ_１＝Ｗ／Ｖ_０ …（３）
なお、体積Ｖ_０と質量Ｗとは測定可能である。

ここで、Ｘ線結晶回折を用いて、当該領域における主相の組成、副相の組成、主相と副相との体積比を求める。Ｘ線結晶回折によって得られた結果と、主相の理論密度と副相の理論密度とを用いて、ある領域における蛍光体層自身の理論密度ρ_２を求める。
理論密度ρ_２は、Ｖ_０，Ｖ_２，Ｗを用いて式（４）で表すことができる。また、式（４）から、体積Ｖ_２は式（５）のように表される。
ρ_２＝Ｗ／（Ｖ_０−Ｖ_２） …（４）
Ｖ_２＝Ｖ_０−Ｗ／ρ_２ …（５）

上記式（２）、（３）、（５）から、当該領域の気孔密度ρは、式（６）で表すことができる。すなわち、実測密度ρ_１および理論密度ρ_２を用いて式（６）に基づいて当該領域の気孔密度ρを求めることができる。
ρ＝１−ρ_１／ρ_２ …（６）

気孔４２５は、鱗片状であることが好ましい。ここで、本実施形態において「鱗片状」とは、ＳＥＭ写真における気孔４２５の形状を矩形で近似した場合、長辺に対する短辺の比が０．３より小さいものを指す。しかし、気孔４２５は、長辺に対する短辺の比が０．３以上であってもよい。

後述するように、気孔４２５は蛍光体層４２の内部を進行する光を反射や屈折させることにより散乱させる機能を有している。そのため、気孔４２５が鱗片状であると、球状の気孔と比べて、体積が同じであっても表面積が大きいため、蛍光体層４２の内部を進行する光が気孔４２５に当たりやすく、より散乱しやすくなる。なお、「蛍光体層４２の内部を進行する光」には、蛍光体層４２に入射した励起光と、蛍光体層４２が発した蛍光との両方を含む。

蛍光体層４２が気孔４２５を含むと、蛍光体層４２に気孔４２５を含まない場合と比べて熱伝導率が低い。一方で、気孔４２５には、蛍光体層４２の内部を進行する光を散乱させる機能がある。そのため、気孔４２５の量は、蛍光体層４２に要求される物性、すなわち熱伝導率と光散乱特性とに応じて設定するとよい。

蛍光体層４２の蓄熱による影響を低減するためには、熱伝導率は２５℃において９Ｗ／ｍ・ｋ以上であることが好ましい。このような熱伝導率を実現するためには、蛍光体層４２の気孔４２５は、０．０１％以上５％未満であることが好ましい。

この蛍光体層４２は、次のようにして製造することができる。
まず、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＣｅＯ_２粉末からなる原料粉末をエタノールと混合する。ボールミルで原料粉末を粉砕しながら、得られた混合溶液を撹拌する。

この際、Ｓｉ原子を含む焼結助剤を原料粉末に添加してもよい。焼結助剤としては、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯを例示することができる。また、焼成時にＳｉＯ_２，ＣａＯまたはＭｇＯと等価に扱うことができる物質、例えばＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）を焼結助剤として添加してもよい。焼結助剤は、例えば、原料粉末の質量に対して焼結後に１００ｐｐｍ残存するように添加する。また、ＴＥＯＳのように焼結時にＳｉＯ_２，ＣａＯまたはＭｇＯと等価に扱うことができる物質を焼結助剤として添加する場合には、焼結助剤を焼結後の等価物質に換算したとき、等価物質が、例えば原料粉末の質量に対して焼結後に１００ｐｐｍ残存するように添加する。

次いで、得られたスラリーからエタノールを除去して原料粉末を乾燥させる。乾燥された原料粉末を篩にかけることによって、粗粒を取り除く。これにより、粒子径が数十ｎｍから数百ｎｍのＹ_２Ｏ_３とＡｌ_２Ｏ_３とＣｅＯ_２の１次粒子を含有する粒子径が数μｍ〜数百μｍの２次粒子からなる原料粉末が得られる。

その後、粗粒が取り除かれた原料粉末の混合物を所望の形状に押し固めて成形する。図３は、蛍光体層４２を製造する様子を示す模式図である。

まず、図３（ａ）に示すように、冷間等方圧加工法（Cold Isostatic Pressing、CIP）を用いて、金属製の芯材４２９の周囲に第２の領域４２２の原料粉末である第２混合物４２２ａを押し固める。
次いで、図３（ｂ）に示すように、第２混合物４２２ａの周囲に、第１の領域４２１の原料粉末である第１混合物４２１ａをＣＩＰ法を用いて押し固める。
次いで、図３（ｃ）に示すように、第１混合物４２１ａの周囲に、第３の領域４２３の原料粉末である第３混合物４２３ａをＣＩＰ法を用いて押し固める。
次いで、芯材４２９を抜き取って、筒状に成形された混合物を得る。

このようにして筒状に成形された混合物を焼成して、筒状の焼結体４２８を得る。得られた焼結体４２８を、中心軸と直交する断面で切断し、断面を研磨することにより、蛍光体層４２が得られる。

この際、第１混合物４２１ａ〜第３混合物４２３ａを押し固める際に加える圧力の違いにより、第１の領域４２１と第２の領域４２２と第３の領域４２３それぞれにおける気孔密度を調整することができる。

例えば、第１混合物４２１ａおよび第３混合物４２３ａとして同じ混合物を用いたとしても、第３混合物４２３ａを押し固める際の圧力よりも第１混合物４２１ａを押し固める際の圧力を高く設定すると、固められた第１混合物４２１ａにおける気孔密度を、固められた第３混合物４２３ａにおける気孔密度よりも低くすることができる。このようにして、焼結前の気孔密度の違いに基づいて、焼結体における気孔密度に差を設けることができる。

また、第１混合物４２１ａ〜第３混合物４２３ａの平均粒子径の違いにより、第１の領域４２１と第２の領域４２２と第３の領域４２３それぞれにおける気孔密度を調整することができる。

例えば、第１混合物４２１ａおよび第３混合物４２３ａとして同じ形成材料を用いたとしても、第１混合物４２１ａを構成する粉体の平均粒子径を、第３混合物４２３ａを構成する粉体の平均粒子径よりも小さく設定すると、固められた第１混合物４２１ａにおける気孔密度を、固められた第３混合物４２３ａにおける気孔密度よりも低くすることができる。このようにして、焼結前の気孔密度の違いに基づいて、焼結体における気孔密度に差を設けることができる。

さらに、これら第１混合物４２１ａ〜第３混合物４２３ａの成形圧力や、第１混合物４２１ａ〜第３混合物４２３ａの平均粒子径を、それぞれ組み合わせて設定してもよい。

例えば、同じ混合物を用い成形圧力のみ制御して第２の領域４２２と第１の領域４２１とを作り分けようとする場合、第２混合物４２２ａを押し固める際の圧力よりも第１混合物４２１ａを押し固める際の圧力を高く設定することが考えられる。しかしこの場合、第１混合物４２１ａを押し固める際の圧力により、先に押し固めた第２混合物４２２ａがさらに加圧されることとなり、結果として、第１混合物４２１ａにおける気孔密度と、第２混合物４２２ａにおける気孔密度との違いがなくなってしまう。

このようなとき、第２混合物４２２ａの平均粒子径を第１混合物４２１ａの平均粒子径よりも大きく設定しておくことで、第１混合物４２１ａを押し固める際の圧力が第２混合物４２２ａに加わったとしても、第２の領域４２２における気孔密度所望の値とすることができる。

ダイクロイック膜４４は、蛍光体層４２と基板４０との間に設けられた誘電体多層膜である。ダイクロイック膜４４は、青色光を透過し赤色光及び緑色光を反射する。ダイクロイック膜４４は、焼結体を加工して蛍光体層４２を得た後、蛍光体層４２の第１の面４２ａに気相法で形成する。

反射防止膜４６は、蛍光体層４２の第２の面４２ｂに設けられた誘電体多層膜である。反射防止膜４６は、焼結体を加工して蛍光体層４２を得た後、蛍光体層４２の第２の面４２ｂに気相法で形成する。

図４を用いて本発明の効果を説明する。図４（ａ）は比較例として、第２の領域４２２、第３の領域４２３を含まない蛍光体層４２Ｘを有する波長変換素子３０Ｘにおける光の進み方を示す模式図であり、図４（ｂ）は、本願発明の波長変換素子３０における光の進み方を示す模式図である。なお、煩雑さを避けるため、気孔によって反射または屈折した光のみ模式的に示した。

図４（ａ）に示した入射領域に青色レーザ光である励起光Ｂを照射したとする。励起光Ｂは、ダイクロイック膜４４を透過し、蛍光体層４２Ｘに入射する。蛍光体層４２Ｘのうち、励起光Ｂが照射された領域ＥＲにおいて蛍光Ｙが生成される。図示していないが、蛍光Ｙは蛍光体層４２Ｘの発光点から等方的に射出する。蛍光Ｙは、蛍光体層４２Ｘの内部に存在する複数の気孔４２５によって屈折し、または反射され、進行方向を変えながら（散乱しながら）進行し、蛍光体層４２Ｘの外部に射出される。

また、図を簡潔にするため図示は省略するが、励起光Ｂのうち、第１の領域４２１に含まれる蛍光材料に吸収されなかった残部は、蛍光体層４２Ｘを透過する。その際、蛍光Ｙと同様に複数の気孔４２５により屈折や反射されることによって、散乱しながら蛍光体層４２Ｘを透過する。これにより、蛍光体層４２Ｘからは、励起光Ｂ、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを含む蛍光Ｙとからなる白色光が射出される。

このとき、第１の領域４２１で生成された蛍光Ｙのうち一部の成分は、蛍光体層４２Ｘの内部を面内方向（図４（ａ）における横方向）に伝播する。このため、蛍光Ｙは励起光Ｂの入射領域から面内方向で遠く離れた位置からも蛍光体層４２Ｘの外部に射出される。その結果として、光射出領域は、励起光Ｂが入射した入射領域よりも大きくなってしまう。

対して、図４（ｂ）に示すように、本実施形態の波長変換素子３０では、蛍光体層４２が、第１の領域４２１の他に、第１の領域４２１に接する第２の領域４２２、第３の領域４２３を有している。励起光Ｂの入射領域の大きさは、図４（ａ）に示した比較例と同じであり、入射領域は第１の領域４２１の内部に収まっているとする。第２の領域４２２における気孔密度および第３の領域４２３における気孔密度は、第１の領域４２１における気孔密度よりも高いため、気孔４２５によって蛍光が屈折したりや反射されたりする確率が高い。

そのため、第１の領域４２１で生じた蛍光Ｙは、第２の領域４２２、第３の領域４２３では、面内方向に伝播し難い。その結果、波長変換素子３０では、図４（ａ）に示す比較例よりも光射出領域が小さくなる。

以上のような構成の波長変換素子では、励起光の入射領域よりも光射出領域が拡大することが低減されている。

また、以上のような構成の光源装置は、上述のような波長変換素子を有するため、狭い光射出領域から光を射出可能である。

また、以上のような構成のプロジェクターは上述のような光源装置を有するため、光源装置から射出された光の利用効率が高い。

（変形例１）
上記実施形態においては、プロジェクター１０００について説明したが、プロジェクターの構成はこれに限らない。

図５は、変形例のプロジェクター１００６について説明する模式図である。以下の説明においては、プロジェクター１０００と共通する部材には同じ符号を付し、説明を省略する。プロジェクター１００６は、プロジェクター１０００における光源装置１００の代わりに光源装置１０６と第２光源装置７０２とを備える。光源装置１０６は、光源１０と、コリメート光学系７０、ダイクロイックミラー８０及びコリメート集光光学系９０を備える。

光源１０は、光軸が光源光軸１０６ａｘと直交するように配置されている。
コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と第２レンズ７４とを備え、光源１０からの光を略平行化する。第１レンズ７２及び第２レンズ７４は、凸レンズからなる。

ダイクロイックミラー８０は、コリメート光学系７０からコリメート集光光学系９０までの光路中に、光源１０の光軸及び光源光軸１０６ａｘのそれぞれに対して４５°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、青色光（励起光Ｂ）を反射し、赤色光及び緑色光を通過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０からの青色光を略集光した状態で蛍光体層４２に入射させる機能と、蛍光体層４２から射出される蛍光を略平行化する機能とを有する。コリメート集光光学系９０は、第１レンズ９２及び第２レンズ９４を備える。第１レンズ９２及び第２レンズ９４は、凸レンズからなる。

光源装置１０６においては、光源１０からの青色光は、基板４０とは反対側から蛍光体層４２に入射する。

図６は、変形例に係るプロジェクター１００６が有する波長変換素子３４を示す模式図であり、図６（ａ）が平面図、図６（ｂ）が図６（ａ）に示す線分ＶＩｂ−ＶＩｂにおける矢視断面図である。

図６（ｂ）に示すように、波長変換素子３４は、平面視円形の基板４０と、基板の一面において基板４０の周方向に沿って設けられた波長変換部４１Ｂと、を有している。また、蛍光体層４２と基板４０との間には可視光を反射する反射膜４５が設けられている。そのため、青色光が入射する側に向けて蛍光が射出される。

なお、基板４０として、励起光を透過する材料からなる円板を用いる必要はなく、金属のように不透明な材料からなる円板を用いてもよい。

第２光源装置７０２は、第２光源７１０、集光光学系７６０、散乱板７３２及びコリメート光学系７７０と、を備える。

集光光学系７６０は、第１レンズ７６２及び第２レンズ７６４を備える。集光光学系７６０は、第２光源７１０からの青色光を散乱板７３２付近に集光する。第１レンズ７６２及び第２レンズ７６４は、凸レンズからなる。

散乱板７３２は、第２光源７１０からの青色光を散乱し、波長変換素子３４から射出された蛍光に似た配光分布を有する青色光とする。散乱板７３２としては、例えば、マイクロレンズアレイを用いることができる。

コリメート光学系７７０は、第１レンズ７７２と第２レンズ７７４とを備え、散乱板７３２からの光を略平行化する。第１レンズ７７２及び第２レンズ７７４は、凸レンズからなる。

ダイクロイックミラー８０は、第２光源装置７０２からの青色光を波長変換素子３４からの黄色光と合成して白色光を生成する。

以上のような波長変換素子３４においても、励起光の入射領域よりも光射出領域が拡大することが低減されている。また、高品質な、光源装置およびプロジェクターを提供することができる。

（変形例２）
上記実施形態および変形例１においては、平面視円形の基板４０が回転軸の周りに回転可能であったが、これに限らない。

図７は、変形例２に係る波長変換素子３６を示す模式図である。図７（ａ）が概略斜視図、図７（ｂ）が図７（ａ）に示す線分ＶＩＩｂ−ＶＩＩｂにおける矢視断面図である。

図７（ｂ）に示すように、波長変換素子３６においては、図示しない支持体に固定された基板４８の表面に波長変換部４１Ｃが設けられている。波長変換部４１Ｃは、蛍光体層４３と、蛍光体層４３の第１の面４３ａに設けられたダイクロイック膜４４と、蛍光体層４３の第２の面４３ｂに設けられた反射防止膜４６と、を有している。蛍光体層４３において、第１の面４３ａは、励起光が入射する光入射面であり、第２の面４３ｂは、蛍光が射出される光射出面である。蛍光体層４３は、第２の面４３ｂの面法線方向から見たとき互いに隣接した、矩形の第１の領域４２１と、第２の領域４２２とを有する。第２の面４３ｂの面法線方向から見たとき、第２の領域４２２は第１の領域４２１を囲むように設けられている。

以上のような波長変換素子３６においても、励起光の入射領域よりも光射出領域が拡大することが低減されている。また、高品質な、光源装置およびプロジェクターを提供することができる。

（変形例３）
上記実施形態及び変形例１では、第１の領域４２１が第２の領域４２２と第３の領域４２３とによって挟まれていたが、第２の領域４２２と第３の領域４２３のうちいずれか一方のみを備えていても良い。たとえば、第１の領域４２１と第２の領域４２２とを備えている場合、第１の領域で生成された蛍光は基板４０の内周方向に進みにくいため、光射出領域が基板４０の内周方向に拡大することが低減される。

（変形例４）
変形例２では、第１の領域４２１が第２の領域４２２に囲まれていたが、必ずしも囲まれていなくてもよい。第１の領域４２１で生成された蛍光は、第２の領域４２２が設けられた方向に進みにくいため、光射出領域が第２の領域４２２の設けられた側において拡大することが低減される。

また、上記実施形態および変形例１〜４における第１の領域４２１は、必ずしも気孔４２５を備えていなくてもよい。しかし、第１の領域４２１における気孔密度が高い場合、入射した励起光の多くの成分が後方に散乱され、蛍光に変換されないおそれがある。したがって、第１の領域４２１における気孔密度は低い方が好ましい。

また、第２の領域４２２および第３の領域４２３は、必ずしも蛍光材料を含まなくてもよい。

また、上記各実施形態においては、励起光原としてレーザー光源を用いることとしたが、発光ダイオードを用いることとしてもよい。

上記各実施形態においては、光変調装置として液晶光変調装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では本発明による波長変換素子をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による波長変換素子は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１０…光源、３０，３０Ｘ，３４，３６…波長変換素子、４０，４８…基板、４２，４２Ｘ…蛍光体層、４２ａ…第１の面、４２ｂ…第２の面（光射出面）、１００，１０６…光源装置、４２１…第１の領域、４２２…第２の領域、４２３…第３の領域、４２４…気孔、４２８…焼結体、６００…投写光学系、１０００，１００６…プロジェクター、Ｂ…励起光、Ｙ…蛍光

Claims (7)

1. 蛍光材料と、複数の気孔と、蛍光光が射出される光射出面と、を有する蛍光体層を備え、
   前記蛍光体層は、前記光射出面の面法線方向から見たとき互いに隣接した、第１の領域と第２の領域とを有し、
   前記第１の領域は、少なくとも前記蛍光材料を含み、
   前記第２の領域における気孔密度は、前記第１の領域における気孔密度よりも高い波長変換素子。
2. 前記蛍光体層は、セラミックス材料の焼結体からなり、
   前記蛍光体層の前記第１の領域における線膨張係数と、前記蛍光体層の前記第２の領域における線膨張係数との差は、１．０×１０^−６／ｋ以下である請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記第１の領域の母材は前記第２の領域の母材と同じである請求項１または２に記載の波長変換素子。
4. 前記第２の領域は、前記光射出面の面法線方向から見たとき前記第１の領域を囲むように設けられている請求項１から３のいずれか１項に記載の波長変換素子。
5. 予め設定された回転軸の周りに回転可能であり、前記蛍光体層を支持する基板をさらに備え、
   前記蛍光体層は、前記第１の領域と隣接する第３の領域をさらに有し、
   前記第１の領域は、前記基板において前記回転軸の周りに円環状に設けられ、
   前記第２の領域は、前記第１の領域の内周側に設けられ、
   前記第３の領域は、前記第１の領域の外周側に設けられている請求項１から３のいずれか１項に記載の波長変換素子。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の波長変換素子と、
   前記蛍光体層に励起光を照射する光源と、を有する光源装置。
7. 請求項６に記載の光源装置と、
   画像情報に応じて前記光源装置からの光を変調し画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投写する投写光学系と、を有するプロジェクター。

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