JP2017147176A - 波長変換素子、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光射出面の面積の増大を低減しつつ、蛍光の取り出し効率を向上できる波長変換素子を提供する。【解決手段】本発明の波長変換素子３０は、第１の面３２ａと、第１の面３２ａと対向する第２の面３２ｂと、第１の面３２ａを第２の面３２ｂと結合する側面部３３と、を有する波長変換層３２を備える。側面部３３は、凸部３４と、凸部３４の表面に設けられた反射部と、を有する。第１の面３２ａと垂直な断面において、凸部３４の頂点よりも第１の面３２ａ側における凸部３４の平均傾斜角は、頂点よりも第２の面３２ｂ側における凸部３４の平均傾斜角よりも大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子、照明装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクター等に用いられる照明装置として、半導体レーザー等の光源から射出された励起光を蛍光体に照射し、蛍光体から得られる蛍光を利用する照明装置が提案されている。

例えば下記の特許文献１に、励起光が入射されることにより蛍光を放射する蛍光体を有し、蛍光体の内部に散乱体が分散された発光デバイスが開示されている。この発光デバイスにおいて、蛍光体の励起光入射面と蛍光射出面とは互いに平行で反対側に位置しており、励起光入射面および蛍光射出面以外の側面に反射層が設けられている。特許文献１には、蛍光体内部に散乱体が分散されているため、蛍光の進行方向がランダムに変化し、蛍光体の表面で全反射して内部に閉じ込められる蛍光が減ることにより、蛍光の取り出し効率を高めることができる、と記載されている。

特開２０１４−１８６８８２号公報

特許文献１の発光デバイスにおいて、一般に反射層の反射率は１００％ではないため、蛍光が反射層に入射する度に蛍光の損失が生じる。また、蛍光体内部に散乱体が分散されているため、散乱体が存在しない場合に比べて、蛍光が反射層に入射する回数が増え、蛍光の損失が大きくなる、という問題がある。また、蛍光の取り出し効率を高める一つの手段として、光射出面の面積を大きくすることが考えられる。しかしながら、発光デバイスの光射出面を大きくすると、エテンデューが大きくなる。この場合、この発光デバイスの後段に設けられた光学素子における光利用効率が低下するという問題がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題のうち少なくとも一つを解決するためになされたものであって、光射出面の面積の増大を低減しつつ、蛍光の取り出し効率を向上できる波長変換素子を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の波長変換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。本発明の一つの態様は、上記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波長変換素子は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面を前記第２の面と結合する側面部と、を有する波長変換層を備え、前記側面部は、凸部と、前記凸部の表面に設けられた反射部と、を有し、前記第１の面と垂直な断面において、前記凸部の頂点よりも前記第１の面側における前記凸部の平均傾斜角は、前記頂点よりも前記第２の面側における前記凸部の平均傾斜角よりも大きい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、波長変換層の内部で発生した光は側面部の凸部の表面に設けられた反射部で反射する。ここで、凸部の頂点よりも第１の面側における凸部の平均傾斜角は、凸部の頂点よりも第２の面側における凸部の平均傾斜角よりも大きいため、波長変換層内部で発生し、反射部で反射する光のうち、第１の面の側に向かって進む光の割合が、第２の面の側に向かって進む光の割合よりも大きくなる。これにより、光射出面となる第１の面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記凸部は、前記波長変換層とは別体の部材からなり、前記部材が前記波長変換層に接合されていてもよい。
この構成によれば、凸部を備えた波長変換素子を容易に製造することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記部材の屈折率は前記波長変換層の屈折率と等しくてもよい。
この構成によれば、部材と波長変換層との界面における光の反射を減らすことができ、光の取り出し効率を向上することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面を前記第２の面と結合する側面部と、を有する波長変換層を備え、前記側面部は、凹部と、前記凹部の表面に設けられた反射部と、を有し、前記第１の面と垂直な断面において、前記凹部の最下点よりも前記第１の面側における前記凹部の平均傾斜角は、前記最下点よりも前記第２の面側における前記凹部の平均傾斜角よりも小さい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、波長変換層の内部で発生した光は側面部の凹部の表面に設けられた反射部で反射する。ここで、凹部の最下点よりも第１の面側における凹部の平均傾斜角は、最下点よりも第２の面側における凹部の平均傾斜角よりも小さいため、波長変換層内部で発生し、反射部で反射する光のうち、第１の面の側に向かって進む光の割合が、第２の面の側に向かって進む光の割合よりも大きくなる。これにより、光射出面となる第１の面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる。

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波長変換素子と、前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備えている。
この構成によれば、本発明の一つの態様の波長変換素子を備えたことにより、光利用効率が高い照明装置を提供することができる。

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る光を画像情報に応じて変調して画像光を生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。
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、光利用効率が高いプロジェクターを実現することができる。

本発明の一実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 本発明の一実施形態の照明装置の概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の斜視図である。 波長変換素子に設けられた凸部の断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の斜視図である。 第３実施形態の波長変換素子における凸部の断面図である。 シミュレーションで用いる波長変換素子の斜視図である。 傾斜角の比と光取り出し効率との関係を示すグラフである。 第４実施形態の波長変換素子における側面部の断面図である。 第５実施形態の波長変換素子における側面部の断面図である。 第６実施形態の波長変換素子の斜視図である。 第７実施形態の波長変換素子の斜視図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の実施形態について、図１〜図４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。

（プロジェクター）
本実施形態のプロジェクターは、３つの透過型液晶ライトバルブを用いたプロジェクターの一例である。
図１は、本実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。図２は、本実施形態の光源装置を示す概略構成図である。

図１に示すように、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，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。照明装置２は、照明光ＷＬを照射する。色分離光学系３は、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢに分離する。光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂは、各色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを画像情報に応じて変調し、各色の画像光を形成する。合成光学系５は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂからの各色の画像光を合成する。投射光学系６は、合成光学系５からの合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって投射する。

照明装置２は、半導体レーザーから射出された青色の励起光のうち、波長変換されずに射出される青色の励起光の一部と、蛍光体による励起光の波長変換によって生じる黄色の蛍光と、が合成された白色の照明光（白色光）ＷＬを射出する。照明装置２は、略均一な照度分布を有するように調整された照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２の具体的な構成については後述する。

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と青色光ＬＢとが混合された光と、に分離する。そのため、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を反射する特性を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。そのため、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を透過する特性を有する。

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。第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧの光路中に配置され、緑色光ＬＧを反射して光変調装置４Ｇに導く。

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の光路中の第２のダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。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や緑色光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。

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、液晶パネルから構成されている。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、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を通過させる間に、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を画像情報に応じて変調し、各色に対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側および光射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側には、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々に入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を平行化するフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，およびフィールドレンズ１０Ｂが設けられている。

合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々からの各色の画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向かって射出する。

投射光学系６は、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に向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

（光源装置）
次に、本実施形態の照明装置２について説明する。
図２は、照明装置２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、照明装置２は、励起光源１１０と、アフォーカル光学系１１と、ホモジナイザー光学系１２と、集光光学系２０と、波長変換素子３０と、コリメート光学系６０と、インテグレーター光学系１２５と、偏光変換素子１４０と、を備える。

励起光源１１０は、レーザー光からなる青色の励起光Ｂを射出する複数の半導体レーザー１１０Ａから構成されている。励起光Ｂの発光強度のピークは、例えば４４５ｎｍである。複数の半導体レーザー１１０Ａは、照明光軸１００ａｘと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。なお、励起光源１１０としては、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。

アフォーカル光学系１１は、例えば凸レンズ１１ａと、凹レンズ１１ｂと、を備えている。アフォーカル光学系１１は、励起光源１１０から射出された複数のレーザー光からなる光束の径を縮小する。なお、アフォーカル光学系１１と励起光源１１０との間にコリメーター光学系を配置し、アフォーカル光学系１１に入射する励起光を平行光束に変換するようにしてもよい。

ホモジナイザー光学系１２は、例えば第１マルチレンズアレイ１２ａと、第２マルチレンズアレイ１２ｂと、を備えている。ホモジナイザー光学系１２は、励起光の光強度分布を後述する波長変換層上で均一な状態、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１２は、第１マルチレンズアレイ１２ａの複数のレンズから射出された複数の光束を、集光光学系２０とともに、波長変換層上で互いに重畳させる。これにより、波長変換層上に照射される励起光Ｂの光強度分布を均一な状態、いわゆるトップハット分布とする。

集光光学系２０は、例えば第１レンズ２０ａと、第２レンズ２０ｂと、を備えている。集光光学系２０は、ホモジナイザー光学系１２から波長変換素子３０までの光路中に配置され、励起光Ｂを集光させて波長変換素子３０の波長変換層に入射させる。本実施形態において、第１レンズ２０ａおよび第２レンズ２０ｂは、それぞれ凸レンズから構成されている。

コリメート光学系６０は、例えば第１コリメートレンズ６２と、第２コリメートレンズ６４と、を備えている。コリメート光学系６０は、波長変換素子３０から射出された光を略平行化する。第１コリメートレンズ６２および第２コリメートレンズ６４は、それぞれ凸レンズから構成されている。

インテグレーター光学系１２５は、例えば第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、重畳レンズ１５０と、を備えている。第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系６０から射出された光を複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ１２２を有する。複数の第１レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内において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レンズ１２２に対応する複数の第２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レンズ１２２の像を光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの画像形成領域もしくはその近傍に結像させる。複数の第２レンズ１３２は、照明光軸１００ａｘに直交する面内においてマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第２レンズアレイ１３０から射出された光を直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、例えば、偏光分離膜と位相差板と（ともに図示略）を備えている。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光して光変調装置４００Ｒ，光変調装置４００Ｇ，および光変調装置４００Ｂの画像形成領域もしくはそ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および重畳レンズ１５０は、波長変換素子３０からの光の強度分布を均一にするインテグレーター光学系１２５を構成する。

（波長変換素子）
以下、本実施形態の波長変換素子について説明する。
図３は、第１実施形態の波長変換素子３０の斜視図である。図４は、波長変換素子３０に設けられた凸部の断面図である。
図３に示すように、波長変換素子３０は、基材３１と、基材３１の面３１ａに設けられた波長変換層３２と、を備えている。

基材３１は、面３１ａの法線方向から見た形状が矩形の板材で構成されている。基材３１は、例えばガラス、石英等の透光性を有する材料で構成されていてもよいし、例えば金属等の透光性を有していない材料で構成されていてもよい。金属材料の場合、アルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属が用いられることが望ましい。基材３１の形状は、矩形に限らず、適宜変更が可能である。

波長変換層３２は、基材３１の面３１ａに設けられている。波長変換層３２は、青色の励起光Ｂを吸収して黄色の蛍光Ｙに変換して射出する蛍光体粒子（図示略）を含む。ただし、波長変換層３２では励起光Ｂの全てが蛍光Ｙに変換されるわけではなく、波長変換層３２からは、波長変換層３２に入射した励起光のうち、蛍光Ｙに変換されなかった一部の励起光Ｂが蛍光Ｙとともに射出される。

蛍光体粒子として、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体が用いられる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよいし、２種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものが用いられてもよい。波長変換層３２には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような波長変換層３２として、例えばアルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などが好適に用いられる。

波長変換層３２は、略直方体状の形状を有している。波長変換層３２を６つの面を有する直方体と見なしたとき、１つの面を第１の面３２ａと称し、第１の面３２ａと対向する面を第２の面３２ｂと称する。また、第１の面３２ａを第２の面３２ｂと結合する４つの面のうち、後述する凸部が設けられた面を側面部３３と称する。

また、残りの３つの面をそれぞれ第３の面３２ｃ、第４の面３２ｄ、第５の面３２ｅと称する。第１の面３２ａは、蛍光Ｙを射出させる蛍光射出面である。第３の面３２ｃは、励起光Ｂを入射させる励起光入射面である。第４の面３２ｄは、基材３１の面３１ａと接する面である。第５の面３２ｅは、第３の面３２ｃと対向する面である。

図４に示すように、側面部３３は、複数の凸部３４と、複数の凸部３４の表面に設けられた反射膜３５と、を有する。本実施形態の反射膜３５は、特許請求の範囲の反射部に対応する。図３に示すように、複数の凸部３４は、波長変換層３２の一辺に略平行な方向（ｘ方向）に延在する凸部３４が、凸部３４の延在方向と直交する方向（ｙ方向）に複数並べられた構成を有する。本実施形態では、複数の凸部３４の形状および寸法は全て同一とするが、複数の凸部３４の形状および寸法は必ずしも全てが同一でなくてもよい。

凸部３４は、波長変換層３２とは別体の部材から構成され、その部材が波長変換層３２に接合されていてもよい。この場合、部材の屈折率と波長変換層３２の屈折率とが等しいことが望ましい。部材を波長変換層３２に接合する手段は、部材の材質に応じて適宜選択すればよく、特に限定されない。

もしくは、凸部３４は、波長変換層３２と一体に構成されていてもよい。例えば、波長変換層３２の一つの側面を切削などによって加工することで凸部３４を形成してもよい。これによれば、蛍光射出面の面積が増大することはない。

図４に、複数の凸部３４の延在方向（ｘ方向）と垂直な波長変換層３２の断面Ｃを示す。断面Ｃにおいて、凸部３４の断面形状は、略直角三角形状である。断面Ｃにおいて、凸部３４の頂点Ｔ１よりも第１の面３２ａ側における凸部３４の平均傾斜角α１は、凸部３４の頂点Ｔ１よりも第２の面３２ｂ側における凸部３４の平均傾斜角α２よりも大きい。本実施形態の場合、平均傾斜角α１は９０°であり、平均傾斜角α２は３０°である。ただし、平均傾斜角α１および平均傾斜角α２は、これらの角度に限るものではない。

断面Ｃにおいて、凸部３４は、頂点Ｔ１の第１の面３２ａ側に傾斜面３４ａを有し、頂点Ｔ１の第２の面３２ｂ側に傾斜面３４ｂを有している。傾斜面３４ａの下端Ｑ１と傾斜面３４ｂの下端Ｑ２とを通り、第４の面３２ｄと平行な直線を直線Ｐとする。
ここで、平均傾斜角α１は、第１の面３４ａと直線Ｐとのなす角度である。平均傾斜角α２は、第２の面３４ｂと直線Ｐとのなす角度である。

また、凸部３４の高さＨは、例えば０．２μｍである。凸部３４のピッチＬは、例えば１μｍである。
ここで、凸部３４の高さＨは、直線Ｐから凸部３４の頂点Ｔ１までの距離である。凸部３４のピッチＬは、１つの凸部３４の第１の面３４ａの下端Ｑ１と第２の面３４ｂの下端Ｑ２との間の距離である。

反射膜３５は、凸部３４の第１の面３４ａと第２の面３４ｂとに沿うように、複数の凸部３４にわたって連続して設けられている。反射膜３５は、波長変換層３２の内部を進行する光、すなわち励起光Ｂおよび蛍光Ｙを反射させる。反射膜３５には、例えばアルミニウム、銀等の光反射率の高い金属材料が用いられることが望ましい。

なお、本実施形態では、凸部３４の表面に反射膜３５が設けられているが、反射膜３５は必ずしも設けられていなくてもよい。反射膜３５が設けられていない場合であっても、波長変換層３２の内部から凸部３４の表面（凸部３４と空気層との界面）に入射した光のうち、臨界角を超える入射角で入射した光は凸部３４の表面で反射する。したがって、この場合、反射膜３５が設けられていなくても、凸部３４の表面は反射部として機能する。

波長変換層３２の複数の面のうち、蛍光射出面（第１の面３２ａ）と励起光入射面（第３の面３２ｃ）とを除く面、すなわち、第２の面３２ｂ、第４の面３２ｄ、および第５の面３２ｅには反射膜が設けられていることが望ましい。反射膜には、側面部３３の反射膜３５と同様、例えばアルミニウム、銀等の光反射率の高い金属材料が用いられることが望ましい。なお、基材３１が光反射性を有する材料で構成されている場合、基材３１と接する第４の面３２ｄには、反射膜が設けられていなくてもよい。

蛍光Ｙは、蛍光体粒子から等方的に発せられる。ここで、波長変換層３２の周囲が平坦な反射膜で囲まれていた従来の波長変換素子においては、蛍光が反射膜で反射を繰り返す度に損失を生じ、蛍光の取り出し効率が低下するという問題があった。

これに対して、第１実施形態の波長変換素子３０において、凸部３４の頂点Ｔ１よりも第１の面３２ａ側における凸部３４の平均傾斜角α１は、凸部３４の頂点Ｔ１よりも第２の面３２ｂ側における凸部３４の平均傾斜角α２よりも大きい。そのため、波長変換層３２の内部を様々な方向に進む光のうち、符号Ｓ１，Ｓ２の光路で示したように第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合は、第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなる。これにより、第１実施形態の波長変換素子３０によれば、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる。

特に第１実施形態の場合、凸部３４の表面に反射膜３５が設けられているため、光の取り出し効率をより向上することができる。さらに、波長変換層３２の第２の面３２ｂ、第４の面３２ｄ、および第５の面３２ｅにも反射膜が設けられていれば、光の取り出し効率を更に向上することができる。

第１実施形態の照明装置２は、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、高い効率で光を取り出すことができる波長変換素子３０を備えているため、光利用効率が高い。さらに、第１実施形態のプロジェクターは上記の光源装置を備えているため、光利用効率が高い。

なお、側面部は、複数の凹部と、複数の凹部の表面に設けられた反射膜と、を有していてもよい。この場合、複数の凹部は、波長変換層の一辺に略平行な方向（ｘ方向）に延在する凹部が、凹部の延在方向と直交する方向（ｙ方向）に複数並べられた構成を有するものであれば、本実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。図４に示したように、波長変換層３２は複数の凸部３４を備えているが、見方を変えれば、波長変換層３２は複数の凹部を備えている。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
以下の実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置全体の説明は省略し、波長変換素子についてのみ説明する。
図５は、第２実施形態の波長変換素子の斜視図である。図５は、第１実施形態における図３に対応している。
図５において、図３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実施形態の波長変換素子３０では、波長変換素子３０は一つの側面部を有していた。これに対して、図５に示すように、第２実施形態の波長変換素子４０は、二つの側面部（第１の側面部３３ａおよび第２の側面部３３ｂ）を有している。第１の側面部３３ａは、第１実施形態の波長変換素子３０における側面部３３に対応する。第２の側面部３３ｂは、第１実施形態の波長変換素子３０における第５の面３２ｅに対応して設けられている。

第１の側面部３３ａを構成する凸部３４ａと第２の側面部３３ｂを構成する凸部３４ｂとは、形状もしくは寸法が互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１の側面部３３ａおよび第２の側面部３３ｂのいずれにおいても、凸部３４ａ，３４ｂの頂点よりも第１の面３２ａ側における凸部３４ａ，３４ｂの平均傾斜角α１は、凸部３４ａ，３４ｂの頂点よりも第２の面３２ｂ側における凸部３４ａ，３４ｂの平均傾斜角α２よりも大きい。
波長変換素子４０のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。
図６は、第３実施形態の波長変換素子の凸部の断面図である。図６は、第１実施形態における図４に対応している。
図６において、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，第２実施形態と同様、凸部４４の頂点Ｔ１よりも第１の面３２ａ側における凸部４４の平均傾斜角α１は、凸部４４の頂点Ｔ１よりも第２の面３２ｂ側における凸部４４の平均傾斜角α２よりも大きい。しかし、図６に示すように、平均傾斜角α１が９０°よりも小さい。
波長変換素子のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第３実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、本発明者は、実施例の波長変換素子と比較例の波長変換素子についてシミュレーションを行い、光取り出し効率を比較した。
図７は、シミュレーションの基本となる波長変換素子の斜視図である。
以下、シミュレーション条件を説明する。

基本構成の波長変換素子として、
（１）図７に示すように、直方体状の波長変換層４２を用い、波長変換層４２の各辺の長さをそれぞれＡ１＝１ｍｍ、Ａ２＝０．８ｍｍ、Ａ３＝０．８ｍｍ、とした。
（２）図７に示す波長変換層４２の左側面を蛍光射出面４２ａとした。
（３）蛍光射出面４２ａは、透過率１００％の透過面とした。
（４）波長変換層４２の上面４２ｃおよび手前側面４２ｄを除く４つの面のうち、蛍光射出面４２ａを除く３つの面を反射率が９８％、吸収率が２％の反射面とした。
（５）波長変換層４２の内部は、等方的に発光を生じる光源と設定した。
（６）波長変換層４２には、用いる蛍光体材料の物性値である屈折率を設定した。
（７）光取り出し効率は、蛍光射出面４２ａから波長変換層４２の外部に放射された光パワーを蛍光体内部に設定した光パワーで割ることにより求めた。
（８）波長変換層４２の上面４２ｃおよび手前側面４２ｄを反射率が９８％、吸収率が２％の等方散乱面とした。

本発明の実施例の波長変換素子として、比較例の条件（１）〜（７）を共通とした上で、（８）に代えて、
（９）波長変換層４２の上面４２ｃおよび手前側面４２ｄを、平均傾斜角α１＝９０°、平均傾斜角α２＝１０°の凸部を付与し、凸部の表面に反射率が９８％、吸収率が２％の反射ミラーを設定した。

上記のシミュレーション条件に従って光取り出し効率を計算した結果、比較例の波長変換素子の光取り出し効率は、２２．８％であった。これに対して、実施例の波長変換素子の光取り出し効率は、５３．１％であった。このように、実施例の波長変換素子の光取り出し効率は、比較例に比べて高いことが判った。

また、本発明者は、実施例の波長変換素子において、凸部の形状を変えて光取り出し効率を計算した。具体的には、９０°、８０°、７０°の各平均傾斜角α１に対してα２／α１を変化させ、光取り出し効率を計算した。

図８は、光取り出し効率の計算結果を示すグラフである。横軸は平均傾斜角α１と平均傾斜角α２との比（α２／α１）であり、縦軸は光取り出し効率（％）である。

図８に示すように、上述の３つの平均傾斜角α１（＝９０°、８０°、７０°）のいずれにおいても、平均傾斜角の比α２／α１が０．６以下の範囲では、光取り出し効率が概ね４０％以上となり、比較例の波長変換素子（２２．８％）に対して高い光取り出し効率が得られた。一方、平均傾斜角の比α２／α１が０．６よりも大きくなる程、光取り出し効率が低下する傾向にあることが判った。したがって、上記のシミュレーション条件においては、平均傾斜角の比α２／α１を０．６以下とすることが望ましい。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は、第４実施形態の波長変換素子の側面部の断面図である。図９は、第１実施形態における図４に対応している。
図９において、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実施形態の側面部３３においては、凸部３４の傾斜面は平坦面であった。これに対して、図９に示すように、第４実施形態の側面部４６では、凸部４７の傾斜面が曲面となっている。
波長変換素子のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第４実施形態の場合、凸部４７の傾斜面が曲面であるため、傾斜面の傾斜角が一定でない。そこで、断面Ｃにおいて、凸部４７の頂点Ｔ１から直線Ｐに向けて垂線Ｖを引き、直線Ｐと垂線Ｖとの交点を点Ｑ０とし、凸部４７の第１の面３２ａ側の傾斜面４７ａの下端Ｑ１から点Ｑ０までの距離をＬ１とし、凸部４７の第２の面３２ｂ側の傾斜面４７ｂの下端Ｑ２から点Ｑ０までの距離をＬ２としたとき、tanα１＝Ｈ／Ｌ１の関係から、平均傾斜角α１を求めることができる。また、tanα２＝Ｈ／Ｌ２の関係から、平均傾斜角α２を求めることができる。このようにして求めた平均傾斜角に対して、平均傾斜角α１が平均傾斜角α２よりも大きいという条件を満たせばよい。

第４実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１０を用いて説明する。
図１０は、第５実施形態の波長変換素子の側面部の断面図である。図１０は、第１実施形態における図４に対応している。
図１０において、図４と共通の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の側面部３３においては、凸部３４の傾斜面は平坦面であった。これに対して、図１０に示すように、第５実施形態の側面部４９では、凸部５０の頂点Ｔ１よりも第２の面３２ｂ側における傾斜面５０ｂは、傾斜角が異なる２つの平面５０ｂａ，５０ｂｂで構成されている。
波長変換素子のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

第５実施形態の場合、断面Ｃにおいて、凸部５０の第２の面３２ｂ側の傾斜面５０ｂの下端Ｑ２と凸部の頂点Ｔ１とを結ぶ直線Ｋを引き、直線Ｋと直線Ｐとのなす角度を平均傾斜角α２と定義すればよい。このようにして求めた平均傾斜角に対して、平均傾斜角α１が平均傾斜角α２よりも大きいという条件を満たせばよい。

第５実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

第５実施形態において、凸部の頂点よりも第２の面側における傾斜面は、傾斜角が異なる３つ以上の面で構成されていてもよい。また、凸部の頂点よりも第１の面側における傾斜面についても、傾斜角が異なる複数の面で構成されていてもよい。

［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１１を用いて説明する。
図１１は、第６実施形態の波長変換素子の斜視図である。図１１は、第１実施形態における図３に対応している。
図１１において、図３と共通の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の波長変換素子３０において、側面部３３は複数の凸部３４を有していた。これに対して、図１１に示すように、第６実施形態の波長変換素子７０において、側面部７１は１つの凸部７２を有している。断面Ｃにおいて、凸部７２の頂点Ｔ１よりも第１の面３２ａ側における凸部７２の平均傾斜角α１は、凸部７２の頂点Ｔ１よりも第２の面３２ｂ側における凸部７２の平均傾斜角α２よりも大きい。

第６実施形態では、凸部７２が波長変換層３２とは別体の凸部構成部材７３から構成されている例を示す。凸部構成部材７３は、例えばガラス等の光透過性材料で構成されている。凸部構成部材７３の屈折率は、波長変換層３２の屈折率と等しいことが望ましい。凸部構成部材７３は、例えば接着剤層７４を介して波長変換層３２に接合されている。ただし、凸部構成部材７３を波長変換層３２に接合する手段は、凸部構成部材７３の材質に応じて適宜選択すればよく、特に限定されない。

第６実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第７実施形態］
以下、本発明の第７実施形態について、図１２を用いて説明する。
図１２は、第７実施形態の波長変換素子の斜視図である。図１２は、第１実施形態における図３に対応している。ただし、図１２では、波長変換素子の向きを、ｚ軸を中心として１８０°回転させて示している。
図１２において、図３と共通の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

図１２に示すように、第７実施形態の波長変換素子８０において、波長変換層３２は、第１の面３２ａと、第１の面３２ａと対向する第２の面３２ｂと、第１の面３２ａを第２の面３２ｂと結合する側面部８１と、を有する。側面部８１は、凹部８２と、凹部８２の表面に設けられた反射膜８３と、を有している。

凹部８２の延在方向（ｘ方向）と垂直な波長変換層３２の断面Ｃ’において、凹部８２の最下点Ｂ１よりも第１の面３２ａ側における凹部８２の平均傾斜角α１は、凹部８２の最下点Ｂ１よりも第２の面３２ｂ側における凹部８２の平均傾斜角α２よりも小さい。

断面Ｃ’において、凹部８２の最下点Ｂ１を通り、第４の面３２ｄと平行な直線を直線Ｒとする。ここで、平均傾斜角α１は、凹部８２の第１の面３２ａに近い側の第１の面８２ａと直線Ｒとのなす角度である。平均傾斜角α２は、凹部８２の第２の面３２ｂに近い側の第２の面８２ｂと直線Ｒとのなす角度である。

第７実施形態においても、第１の面３２ａの側に向かって進む光の割合が第２の面３２ｂの側に向かって進む光の割合よりも大きくなり、蛍光射出面の面積の増大を低減しつつ、光の取り出し効率を向上することができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。

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、波長変換層における側面部の数、側面部を構成する凸部もしくは凹部の数、形状および寸法などについては、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。

その他、波長変換素子および光源装置を構成する各構成要素の数、形状、材料、配置等については、適宜変更が可能である。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を表示するプロジェクターに本発明を適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

その他、プロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態では本発明による照明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。本発明による照明装置は、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、２…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、３０，４０，７０，８０…波長変換素子、３１…基材、３２，４２…波長変換層、３３，４３，４６，４９，５２…側面部、３４，４４，４７，５０…凸部、３５…反射膜（反射部）、５３…凹部、７３…凸部構成部材、１１０…励起光源。

Claims (6)

1. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面を前記第２の面と結合する側面部と、を有する波長変換層を備え、
   前記側面部は、凸部と、前記凸部の表面に設けられた反射部と、を有し、
   前記第１の面と垂直な断面において、前記凸部の頂点よりも前記第１の面側における前記凸部の平均傾斜角は、前記頂点よりも前記第２の面側における前記凸部の平均傾斜角よりも大きい、波長変換素子。
2. 前記凸部は前記波長変換層とは別体の部材からなり、
   前記部材が前記波長変換層に接合されている、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記部材の屈折率は前記波長変換層の屈折率と等しい、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面を前記第２の面と結合する側面部と、を有する波長変換層を備え、
   前記側面部は、凹部と、前記凹部の表面に設けられた反射部と、を有し、
   前記第１の面と垂直な断面において、前記凹部の最下点よりも前記第１の面側における前記凹部の平均傾斜角は、前記最下点よりも前記第２の面側における前記凹部の平均傾斜角よりも小さい、波長変換素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記波長変換層を励起するための励起光を射出する励起光源と、を備えた、照明装置。
6. 請求項５に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を生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。

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