JP2017111859A - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層の温度上昇を低減できる、波長変換素子、光源装置及びプロジェクターを提供する。【解決手段】長波長蛍光体層と、該長波長蛍光体層よりも短波長の光を発する短波長蛍光体層と、を備えた波長変換層と、波長変換層を支持する支持面を有する基板と、を備えた波長変換素子であって、短波長蛍光体層は、長波長蛍光体層の基板とは反対側に設けられており、支持面の面法線の方向から見たとき、長波長蛍光体層は短波長蛍光体層の外側に設けられている波長変換素子に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

従来、基板上の蛍光体層に励起光を照射することで蛍光を生成する光源装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この光源装置において、蛍光体層は互いに異なる色の蛍光を生成する２つの蛍光体を積層して構成されている。

特開２０１２−２４３６１８号公報

ところで、上記光源装置において、均一な強度分布の励起光を蛍光体層に照射した場合、蛍光体層の中央部は周辺部よりも熱が排出され難いため、温度が上昇し易い。その結果、蛍光体層における中央部の温度が過度に上昇することで、蛍光の変換効率が大きく低下してしまう。

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、蛍光体層の温度上昇を低減できる、波長変換素子、光源装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、長波長蛍光体層と、該長波長蛍光体層よりも短波長の光を発する短波長蛍光体層と、を備えた波長変換層と、前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、を備えた波長変換素子であって、前記短波長蛍光体層は、前記長波長蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられており、前記支持面の面法線の方向から見たとき、前記長波長蛍光体層は前記短波長蛍光体層の外側に設けられている波長変換素子が提供される。

本明細書では、比較的短い波長帯の蛍光を発する蛍光体層のことを短波長蛍光体層と称し、比較的長い波長帯の蛍光を発する蛍光体層のことを長波長蛍光体層と称する。第１態様に係る波長変換素子によれば、励起光に対するストークスロスの小さい短波長蛍光体層を波長変換層の内側に配置し、上記ストークスロスの大きい長波長蛍光体層を波長変換層の外側に配置している。ストークスロスが小さいほど発熱量が小さい。つまり、熱のこもり易かった波長変換層の内側に発熱量の小さい短波長蛍光体層を配置し、熱のこもり難かった波長変換層の外側に発熱量の大きい長波長蛍光体層を配置している。よって、波長変換層の温度上昇を低減することができる。

上記第１態様において、前記長波長蛍光体層は、前記基板とは反対側に凹部を有し、前記凹部に前記短波長蛍光体層が設けられているのが好ましい。
この構成によれば、長波長蛍光体層及び短波長蛍光体層を積層する構造に比べて、波長変換層の全体の厚みを薄くできる。よって、波長変換層全体における排熱性を向上させることができる。

この構成において、前記長波長蛍光体層の厚さは、前記波長変換層において励起光が照射される励起光照射領域の中央部において最も小さくするのが望ましい。
このようにすれば、熱のこもり易い励起光照射領域の中央部において、発熱量の大きい長波長蛍光体層の量を少なくできる。よって、波長変換層の温度上昇を低減することができる。

上記第１態様において、前記波長変換層は、前記波長変換層において励起光が照射される励起光照射領域の外側に設けられ、前記波長変換層を厚さ方向に貫通している溝部を備えるのが好ましい。
この構成によれば、励起光照射領域の外側へ向かった蛍光光の一部は溝部に到達する。この時、溝部の内周壁に対して臨界角以上の入射角度で入射した蛍光光は内周壁で全反射するため、内周壁を通過することができない。また、内周壁に対して臨界角未満の入射角で入射した蛍光光の一部は内周壁で反射し、内周壁を通過することができない。つまり、蛍光光のうち僅かな成分しか溝部を通過することができない。
従って、溝部が蛍光体層における実質的な発光領域を制御することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る波長変換素子と、前記波長変換層に励起光を照射する光源と、を備える光源装置が提供される。

第２態様に係る光源装置は上記第１態様に係る波長変換素子を備えるので、蛍光体層の温度上昇が低減されることで高輝度の光を射出することができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第２態様に係る光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。

第３態様に係るプロジェクターは上記第２態様に係る光源装置を備えるので、明るい画像光を投射することができる。

上記第３態様において、前記短波長蛍光体層は青色の蛍光を発し、前記長波長蛍光体層は黄色の蛍光を発するのが好ましい。
この構成によれば、青色の蛍光と黄色の蛍光とを合成することでレーザー光を含まない白色光を生成できる。よって、スペックルがない高品質の画像光を投射することができる。

第１実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。 照明装置の概略構成を示す平面図。 波長変換素子を励起光の入射側から見た正面図。 図３のＡ１−Ａ１矢視による断面図。 第２実施形態に係る波長変換素子を励起光の入射側から見た正面図。 図５のＢ１−Ｂ１矢視による断面図。 励起光照射領域の外側へ進行する蛍光光ＫＬの光路を模式的に示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を備えている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備えている。

図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備え、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示可能である。

照明装置２は白色光ＷＬを射出する。照明装置２から射出された白色光ＷＬは色分離光学系３に入射する。

色分離光学系３は、照明装置２から射出された白色光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からの白色光ＷＬを、赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光と、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を透過するとともに、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光を反射する。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で反射した緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光を、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射するとともに、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、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２の反射ミラー８ｂおよび第３の反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａは、青色光ＬＢの光路における第２の反射ミラー８ｂの光入射側に配置されている。第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路における第２の反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲの光路長および緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることによる青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂの各々は、液晶パネルで構成されている。光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。同様に、光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂの光入射側および光射出側に、一対の偏光板（図示せず）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を透過する。

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。フィールドレンズ１０Ｒは、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。同様に、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。フィールドレンズ１０Ｇは、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。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１０Ｂは、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化する。

合成光学系５は、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の構成について詳細に説明する。
図２は、照明装置２の概略構成を示す平面図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置２Ａと、均一照明光学系２Ｂとを含む。

光源装置２Ａは、アレイ光源２１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、波長分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、ピックアップ光学系２７と、蛍光生成部２８と、を備えている。

光源装置２Ａにおいて、アレイ光源２１、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、ホモジナイザー光学系２４および光学素子２５Ａは、光軸ａｘ１上に配置されている。一方、蛍光生成部２８、ピックアップ光学系２７、光学素子２５Ａ、インテグレーター光学系２９、偏光変換素子３０および重畳光学系３１は、光軸ａｘ２上に配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一平面内にあり、かつ、互いに直交している。

アレイ光源２１は、複数の半導体レーザー２１ａが配列された構成を有する。具体的には、複数の半導体レーザー２１ａは、光軸ａｘ１と直交する面内にアレイ状に配列されている。半導体レーザー２１ａは、例えば、紫外域にピーク波長を有する励起光ＲＬを射出する。複数の半導体レーザー２１ａの各々から射出される励起光ＲＬは、波長分離素子５０Ａに向けて光軸ａｘ１と平行に射出される。本実施形態の半導体レーザー２１ａは、特許請求の範囲の光源に対応する。

アレイ光源２１から射出された励起光ＲＬ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２１から射出された励起光ＲＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えば複数の半導体レーザー２１ａの配列に対応してアレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ２２ａで構成されている。コリメーター光学系２２を透過することによって平行光に変換された励起光ＲＬ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ＲＬのサイズ（スポット径）を調整するものである。アフォーカル光学系２３は、例えば２枚の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スポット径が調整された励起光ＲＬ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、ピックアップ光学系２７と協同して被照明領域（ここでは蛍光体層１１１）における励起光ＲＬの光強度分布を均一な状態、いわゆるトップハット分布に変換する。ホモジナイザー光学系２４は、例えば一対の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を透過した励起光ＲＬは、波長分離素子５０Ａを介して蛍光生成部２８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から構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１および光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有する。光学素子２５Ａは、互いに直交する光軸ａｘ１および光軸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。傾斜面Ｋには、波長選択性を有する波長分離素子５０Ａが設けられている。

波長分離素子５０Ａは、波長分離素子５０Ａに入射した励起光ＲＬを反射させ、励起光ＲＬよりも長波長側の光を透過させる色分離機能を有する。

本実施形態の場合、半導体レーザー２１ａから射出される励起光ＲＬは波長分離素子５０Ａにおいて蛍光生成部２８に向けて反射される。なお、光学素子２５Ａとして、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状の素子に限らず、板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。

ピックアップ光学系２７は、励起光ＲＬを蛍光体層１１１に向けて集光させる。ピックアップ光学系２７は、例えばピックアップレンズ２７ａおよびピックアップレンズ２７ｂから構成されている。具体的に、ピックアップ光学系２７は、入射された励起光ＲＬを後述する蛍光生成部２８に向けて集光させるとともに、当該蛍光生成部２８上で互いに重畳させる機能を有する。また、ピックアップ光学系２７は、蛍光生成部２８から射出された光を平行化して均一照明光学系２Ｂに入射させる。

均一照明光学系２Ｂは、インテグレーター光学系２９と、偏光変換素子３０と、重畳光学系３１と、を備える。均一照明光学系２Ｂは、光源装置２Ａから射出された白色光ＷＬの強度分布を被照明領域において均一化する。

インテグレーター光学系２９は、被照明領域（光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）における輝度分布（照度分布）を均一化する。インテグレーター光学系２９は、レンズアレイ２９ａおよびレンズアレイ２９ｂから構成されている。レンズアレイ２９ａおよびレンズアレイ２９ｂの各々は、複数のレンズがアレイ状に配列された構成を有する。インテグレーター光学系２９を透過した白色光ＷＬは、偏光変換素子３０に入射する。

偏光変換素子３０は、白色光ＷＬを直線偏光に変換する。偏光変換素子３０を通過した白色光ＷＬは、重畳光学系３１に入射する。

重畳光学系３１は、重畳レンズから構成されている。白色光ＷＬは、重畳光学系３１を透過することにより被照明領域（光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）上で重畳され、輝度分布が均一化されるとともに光軸周りの軸対称性が高められる。

蛍光生成部２８は、波長変換素子４１及びヒートシンク４２を備える。波長変換素子４１は、入射された励起光ＲＬの波長を変換する蛍光体層１１１と、当該蛍光体層１１１が形成された基板１１２を備える。蛍光体層１１１は、後述のように励起光ＲＬを吸収することで蛍光光を生成する蛍光体を含む。ヒートシンク４２は、基板１１２の蛍光体層１１１が形成された側とは反対側の面に設けられ、基板１１２を介して蛍光体層１１１の熱を放出する。なお、蛍光体層１１１は特許請求の範囲の「波長変換層」に相当する。

蛍光体層１１１は上面１１と下面１２とを有する。励起光ＲＬは蛍光体層１１１の上面１１に入射する。蛍光体層１１１の下面１２には、反射層１１３が形成されている。

ところで、蛍光光の輝度を高めるには励起光の出力を高くする必要がある。しかしながら、一般に波長変換層は蛍光光を発する際に発熱するため、励起光が強くなるほど波長変換層の温度が高くなる。波長変換層の温度が過度に上昇すると、温度消光という現象が生じ、蛍光体の発光効率が低下する。その結果、光源装置から射出される光量が低下してしまう。これに対し、本実施形態では、後述の構成を採用することで蛍光体層１１１の温度上昇を低減している。

図３は波長変換素子４１を励起光ＲＬの入射側から見た正面図であり、図４は、図３の波長変換素子４１のＡ１−Ａ１矢視による断面図である。
本実施形態において、波長変換素子４１は、反射型の波長変換素子である。波長変換素子４１は、図３及び図４に示すように、蛍光体層１１１、基板１１２、反射層１１３及び接着層１１４を備える。基板１１２の上面１１２Ａには、接着層１１４により蛍光体層１１１が固定され、当該蛍光体層１１１の下面１２には、反射層１１３が形成されている。また、蛍光体層１１１の上面１１において励起光ＲＬが照射される範囲を、励起光照射領域ＬＳ１と称する。励起光照射領域ＬＳ１は、蛍光体層１１１の上面１１の中央部に位置する。なお、基板１１２の上面１１２Ａは特許請求の範囲の「波長変換層を支持する支持面」に相当する。

蛍光体層１１１は、長波長蛍光体層１１１Ａと短波長蛍光体層１１１Ｂとを備える。基板１１２の上面１１２Ａの面法線の方向から見たとき（以下、単に「平面視した際」と称す場合もある）、長波長蛍光体層１１１Ａは短波長蛍光体層１１１Ｂの外側に設けられている。なお、短波長蛍光体層１１１Ｂの平面形状は、励起光照射領域ＬＳ１内に収まっている。

長波長蛍光体層１１１Ａは反射層１１３上に設けられ、短波長蛍光体層１１１Ｂは長波長蛍光体層１１１Ａ上に配置されている。長波長蛍光体層１１１Ａは基板１１２と反対側に凹部１１５を有している。本実施形態において、短波長蛍光体層１１１Ｂは、凹部１１５に設けられている。短波長蛍光体層１１１Ｂの上面１１１Ｂ１と、長波長蛍光体層１１１Ａの上面１１（凹部１１５が形成されていない領域）とは、同じ高さとなっている。つまり、蛍光体層１１１の全体の厚みは、長波長蛍光体層１１１Ａ及び短波長蛍光体層１１１Ｂを単に積層した構造よりも小さい。

上記蛍光体層１１１（長波長蛍光体層１１１Ａ及び短波長蛍光体層１１１Ｂ）の形成材料としては、例えば、蛍光体粉末をガラス中に分散させたもの（蛍光体セラミックス）を用いることができる。このような蛍光体セラミックスからなる蛍光体層１１１を用いれば、樹脂をバインダーとして含む蛍光体層に比べて熱伝導率が高くなるので、耐熱性に優れたものとなる。

凹部１１５は、例えば、レーザー加工や研削等により長波長蛍光体層１１１Ａの上面に形成される。本実施形態において、凹部１１５は長波長蛍光体層１１１Ａの中央部に配置されている。凹部１１５は、長波長蛍光体層１１１Ａの外側から内側に向かって深さが増加するすり鉢状である。凹部１１５の深さは、励起光照射領域ＬＳ１の中央部において最も深い。つまり、長波長蛍光体層１１１Ａの膜厚は、励起光照射領域ＬＳ１の中央部において最も小さくなっている。

なお、凹部１１５の形状はこれに限定されず、長波長蛍光体層１１１Ａの外側から内側に向かって深さが階段状に増加する形状であってもよい。また、本実施形態において、凹部１１５の平面形状は略矩形としたが、これに限定されず、例えば、略円形であっても良い。

具体的に、長波長蛍光体層１１１Ａは、励起光ＲＬを吸収して励起される蛍光体を含み、例えば、５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する黄色光ＹＬ（蛍光光）を生成する。黄色光ＹＬは赤色光及び緑色光を含む。長波長蛍光体層１１１Ａとしては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。

短波長蛍光体層１１１Ｂは、励起光ＲＬを吸収して励起される蛍光体を含み、例えば、約４４０〜約４７０ｎｍの波長域にピーク波長を有する青色光ＢＬ（蛍光光）を生成する。短波長蛍光体層１１１Ｂとしては、例えばＳｒＭｇＳｉＯ：Ｅｕ（ケイ酸塩）系蛍光体を用いることができる。

長波長蛍光体層１１１Ａは黄色光ＹＬを生成したことで熱を発生し、短波長蛍光体層１１１Ｂは青色光ＢＬを生成したことで熱を発生する。そのため、蛍光体層１１１は全体的に発熱した状態となる。

ここで、長波長蛍光体層１１１Ａの方が短波長蛍光体層１１１Ｂよりも励起光ＲＬに対するストークスロスが大きい。そのため、仮に長波長蛍光体層１１１Ａ及び短波長蛍光体層１１１Ｂにおける励起光ＲＬの吸収量が同じ場合でも、短波長蛍光体層１１１Ｂは長波長蛍光体層１１１Ａよりも発熱量が小さい。

本実施形態において、励起光照射領域ＬＳ１は蛍光体層１１１の中央部に設定される。蛍光体層１１１の中央部は周辺部に比べて熱が排出され難く、温度が上昇するおそれがある。

本実施形態の蛍光体層１１１は、図３に示したように、熱が排出され難い部分（中央部）に発熱量の小さい短波長蛍光体層１１１Ｂを配置することで該蛍光体層１１１の温度上昇を低減することができる。また、蛍光体層１１１は、比較的熱が排出され易い部分（短波長蛍光体層１１１Ｂの外側である周辺部）に発熱量の大きい長波長蛍光体層１１１Ａを配置することで該蛍光体層１１１の温度上昇を低減することができる。

また、図４に示したように、長波長蛍光体層１１１Ａの中央部に形成した凹部１１５に短波長蛍光体層１１１Ｂを配置することで、長波長蛍光体層１１１Ａ及び短波長蛍光体層１１１Ｂを単に積層した構造に比べて、該蛍光体層１１１の全体の厚みが小さい。これにより、高い排熱性が得られている。

本実施形態において、励起光照射領域ＬＳ１は、熱がこもり易い蛍光体層１１１の中央部に設定されている。ここで、蛍光体層１１１は励起光照射領域ＬＳ１の中央部において最も温度が高くなるおそれがある。

本実施形態では、励起光照射領域ＬＳ１の中央部における長波長蛍光体層１１１Ａの膜厚を最小にしている。これにより、励起光照射領域ＬＳ１の中央部、つまり、熱がこもり易い蛍光体層１１１の中央部において、発熱量の大きい長波長蛍光体層１１１Ａの量を少なくできる。よって、蛍光体層１１１の温度上昇を低減できる。

長波長蛍光体層１１１Ａで生成された黄色光ＹＬは、反射層１１３で反射して蛍光体層１１１の上面１１からピックアップ光学系１１６に向けて射出する。同様に、短波長蛍光体層１１１Ｂで生成された青色光ＢＬは、反射層１１３で反射して蛍光体層１１１の上面１１からピックアップ光学系１１６に向けて射出する。
蛍光体層１１１の上面１１から射出された黄色光ＹＬと青色光ＢＬとが合成されることで白色光（蛍光光）ＷＬが生成される。つまり、光源装置２Ａは蛍光光のみから構成された白色光ＷＬを射出する。白色光ＷＬはレーザー光を含まない。

本実施形態の光源装置２Ａによれば、蛍光体層１１１の温度上昇が低減されるので、温度消光によって蛍光体の発光効率が低下することが低減される。よって、この光源装置２Ａを備えた照明装置２によれば明るい白色光ＷＬを得ることができる。

また、本実施形態のプロジェクター１によれば、明るい白色光ＷＬを射出する照明装置２を備えるので、明るい画像光をスクリーンＳＣＲ上に投射できる。また、白色光ＷＬがレーザー光を含まないため、スペックルの無い高品質の画像光を投射することができる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る波長変換素子について説明する。なお、上記実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化する。

図５は本実施形態の波長変換素子１４１を励起光ＲＬの入射側から見た正面図であり、図６は、図５の波長変換素子１４１のＢ１−Ｂ１矢視による断面図である。
本実施形態の波長変換素子１４１は、図５及び図６に示すように、励起光照射領域ＬＳ１の外側に設けられた溝部１４２を有している。

本実施形態において、溝部１４２は、励起光照射領域ＬＳ１を囲む矩形枠状に設けられている。具体的に、溝部１４２は励起光照射領域ＬＳ１よりも若干大きい矩形枠状に形成される。溝部１４２は、蛍光体層１１１を厚さ方向に貫通している。なお、溝部１４２は、例えば、レーザー加工等により形成される。

蛍光体層１１１で生成された蛍光光ＫＬは、蛍光体層１１１の内部で散乱されながら伝播する。このため、蛍光光ＫＬの一部の成分は励起光照射領域ＬＳ１の外側へ進行し、励起光照射領域ＬＳ１の外側において蛍光体層１１１の上面１１から射出する。レーザー加工を用いれば、蛍光体層１１１における有効領域の位置や形状を高い精度で制御できる。

図７は、励起光照射領域ＬＳ１の外側へ進行する蛍光光ＫＬの光路を模式的に示す断面図である。なお、図７においては、溝部１４２が形成されていない場合の光路を点線で示し、溝部１４２が形成されている場合の光路を実線で示している。以下の説明では、励起光照射領域ＬＳ１の外側へ進行する蛍光光ＫＬのことを、便宜上内部伝播光と称する。

溝部１４２が形成されていない場合、点線で示したように、内部伝播光は、蛍光体層１１１の内部を該蛍光体層１１１の端面１１１Ｅに向かって進行する。内部伝播光は蛍光体層１１１の内部で散乱されるため、内部伝播光の一部の成分は蛍光体層１１１の端面１１１Ｅに到達する前に、上面１１から射出される。

従って、実質的な発光領域は励起光照射領域ＬＳ１の外側へ大きく拡がる。実質的な発光領域が必要以上に拡がると、ピックアップ光学系２７に取り込まれない成分が多くなり、蛍光体層１１１から射出した蛍光光ＫＬの利用効率が低下する。

本実施形態では、励起光照射領域ＬＳ１の外側に溝部１４２が設けられている。溝部１４２の内周壁１４２ａに対して臨界角以上の入射角で入射した内部伝播光ＫＬ１は内周壁１４２ａで全反射するため、内周壁１４２ａを通過することができない。

また、内周壁１４２ａに対して臨界角未満の入射角で入射した内部伝播光ＫＬ２の一部は内周壁１４２ａで反射し、内周壁１４２ａを通過することができない。このように、内部伝播光のうちわずかな成分しか溝部１４２よりも外側へ進行することができない。

本実施形態によれば、溝部１４２により実質的な発光領域の大きさを制御できるので、実質的な発光領域が必要以上に拡がることがなく、蛍光体層１１１から射出した蛍光光ＫＬを効率的に利用することができる。

なお、蛍光体層１１１において、溝部１４２により囲まれた領域（以下、有効領域という）の面積を励起光照射領域ＬＳ１の面積よりもわずかに大きく設定することが好ましい。有効領域の面積が励起光照射領域ＬＳ１の面積よりも大きすぎると、実質的な発光領域が大きくなり過ぎてしまい、蛍光体層１１１から射出した蛍光光ＫＬの利用効率が低下するおそれがあるためである。また、励起光照射領域ＬＳ１の面積が有効領域の面積よりも大きい場合、有効領域の外側にも励起光ＲＬが照射されるため、実質的な発光領域を制御することができないためである。

本実施形態において、有効領域は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域と相似であることが好ましい。有効領域が画像形成領域と相似である場合、波長変換素子１４１から射出された蛍光光ＫＬを極めて効率的に利用することができる。具体的には、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを構成する液晶パネルの画像形成領域は長方形状であるため、有効領域も長方形状とするのが好ましい。

また、溝部１４２の形状は矩形枠状に限定されず、励起光照射領域ＬＳ１の形状に応じて適宜変更してもよい。例えば、励起光照射領域ＬＳ１が楕円形状（円形も含む）であれば、励起光照射領域ＬＳ１の形状を楕円枠状としてもよい。
また、溝部１４２は平面視した状態において枠状に全体が繋がっている形状（全体が連続した形状）に限定されることはなく、一部に接続されていない部分を含んだ形状（全体が連続しない形状）であっても良い。

以上述べたように本実施形態の波長変換素子１４１によれば、励起光照射領域ＬＳ１の外側に設けられた溝部１４２によって、実質的な発光領域の大きさ及び形状が制御されるので、波長変換素子１４１から射出された蛍光光ＫＬがピックアップ光学系２７に効率的に取り込まれるように、実質的な発光領域を容易に設定することができる。よって、波長変換素子１４１から射出された蛍光光ＫＬを効率的に利用することができる。また、この波長変換素子１４１を有した照明装置を備えたプロジェクター１によれば、蛍光光ＫＬの利用効率が高いため、高輝度な画像をスクリーンＳＣＲ上に投射することができる。

また、溝部１４２が励起光照射領域ＬＳ１を囲むように設けられているので、実質的な発光領域は有効領域の内側に制限される。従って、蛍光体層１１１を本実施形態における有効領域と同じ大きさの小片に加工する必要がない。

また、本実施形態においては、蛍光体層１１１の形成材料として樹脂蛍光体を用いても良い。このように樹脂蛍光体を用いて蛍光体層１１１を形成する場合、例えば、以下の手順により形成される。

まず、複数の蛍光体粒子を含む第１の樹脂ペースト（長波長蛍光体層１１１Ａの形成材料）を反射層１１３が形成された基板１１２上に塗布する。続いて、複数の蛍光体粒子を含む第２の樹脂ペースト（短波長蛍光体層１１１Ｂの形成材料）を第１の樹脂ペースト上に積層する。第２の樹脂ペーストの形状を補正（例えば、上面の平坦化等）した後、これら樹脂ペーストを加熱して硬化させることで蛍光体層１１１を形成する。

ここで、樹脂蛍光体は流動性がある状態で基板１１２上に塗布することで形成されるため、所望の大きさ、形状に形成することは非常に困難である。本実施形態によれば、上記溝部１４２を形成するため、実質的な発光領域を所望の大きさ、形状に容易に設定することができる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも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、反射型の波長変換素子４１を例示したが、本発明はこれに限定されず、透過型の波長変換素子であっても良い。透過型の波長変換素子は、例えば、図４に示した波長変換素子４１に対して、反射層１１３を有しない点、及び、基板１１２及び接着層１１４が励起光ＲＬを透過する透光性材料で構成される点が異なる。

また、上記実施形態では、黄色光ＹＬを生成する長波長蛍光体層１１１Ａと、青色光ＢＬを生成する短波長蛍光体層１１１Ｂとを備えた蛍光体層１１１を例示したが、本発明はこれに限定されない。長波長蛍光体層１１１Ａとして例えば、赤色光を生成する蛍光体（例えば、ＣａＡｌＳｉＮＥｕやＣａＥｕＳｉＯ）を有する蛍光体層を用い、短波長蛍光体層１１１Ｂとして、緑色光を生成する蛍光体（例えば、ＬｕＡＧ）を有する蛍光体層を用いてもよい。この場合、照明装置からは黄色光が射出されることとなる。そのため、青色光を生成する第２の照明装置を別途用意し、黄色光と青色光とを合成した白色光を色分離光学系３に入射させればよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映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。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

また、上記実施形態では本発明による光源装置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。本発明による光源装置は、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。

１…プロジェクター、２Ａ…光源装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、２１…アレイ光源、４１，１４１…波長変換素子、１１１…蛍光体層、１１１Ａ…長波長蛍光体層、１１１Ｂ…短波長蛍光体層、１１２…基板、１１２Ａ…上面、１１５…凹部、１４２…凹部、ＬＳ１…励起光照射領域、ＲＬ…励起光。

Claims (7)

1. 長波長蛍光体層と、該長波長蛍光体層よりも短波長の光を発する短波長蛍光体層と、を備えた波長変換層と、
   前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、を備えた波長変換素子であって、
   前記短波長蛍光体層は、前記長波長蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられており、
   前記支持面の面法線の方向から見たとき、前記長波長蛍光体層は前記短波長蛍光体層の外側に設けられている
   波長変換素子。
2. 前記長波長蛍光体層は、前記基板とは反対側に凹部を有し、前記凹部に前記短波長蛍光体層が設けられている
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記長波長蛍光体層の厚さは、前記波長変換層において励起光が照射される励起光照射領域の中央部において最も小さい
   請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記波長変換層は、前記波長変換層において励起光が照射される励起光照射領域の外側に設けられ、前記波長変換層を厚さ方向に貫通している溝部を備える
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記波長変換層に励起光を照射する光源と、を備える
   光源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
   プロジェクター。
7. 前記短波長蛍光体層は青色の蛍光を発し、前記長波長蛍光体層は黄色の蛍光を発する
   請求項６に記載のプロジェクター。

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