JP2017191280A - 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】励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減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４３は、第１の部材４６と第２の部材４７とを含む蛍光体層４２を備え、蛍光体層４２を励起させる励起光の波長帯における第１の部材４６の屈折率と第２の部材４７の屈折率との差が、蛍光体層４２で生成された蛍光光の波長帯における第１の部材４６の屈折率と第２の部材４７の屈折率との差よりも小さい。
【選択図】図２

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。

近年、プロジェクター用の照明装置として、蛍光体を利用した照明装置が提案されている。この種の照明装置は、光源から射出された励起光を蛍光体に照射して蛍光光を発生させることにより、蛍光光を含む照明光を生成する。下記の特許文献１には、複数の気孔を含有させた蛍光体セラミックスと、励起光を射出する固体光源と、を備えた光源装置が開示されている。

特開２０１２−６４４８４号公報

蛍光光は、蛍光体の内部を等方的に伝播した後に外部に射出されるため、発光領域（蛍光光の射出領域）は、励起光の入射領域よりも大きくなる。発光領域が大きくなると、エテンデューが大きくなり、蛍光体の後段の集光レンズで呑み込めない成分が生じる。これにより、蛍光光の利用効率が低下する。

特許文献１の光源装置では、蛍光体層に複数の気泡を含有させることによって、蛍光体層に散乱性を持たせ、発光領域の拡大を低減している。ところが、蛍光体層に複数の気泡を含有させると、蛍光光だけでなく、蛍光体層に入射した励起光も散乱される。そのため、励起光の一部は、蛍光体に吸収されずに後方散乱し、蛍光体層の外部へ射出される。これにより、励起光の利用効率が低下する。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減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。また、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。また、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の部材と第２の部材とを含む蛍光体層を備え、前記蛍光体層を励起させる励起光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第２の部材の屈折率との差が、前記蛍光体層で生成された蛍光光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第２の部材の屈折率との差よりも小さい。

上記の課題を解決するために、波長変換素子は、励起光に対して散乱性が低く、蛍光光に対しては散乱性が高い特性を有する蛍光体層を備えればよい。蛍光体層が第１の部材と第２の部材とを含む場合、スネルの法則から、第１の部材と第２の部材との屈折率差が大きい程、光が第１の部材と第２の部材との界面を通過するときの角度変化、すなわち屈折が大きく、散乱性が高くなる。逆に第１の部材と第２の部材との屈折率差が小さい程、光が第１の部材と第２の部材との界面を通過するときの角度変化が小さく、散乱性が低くなる。

本発明の一つの態様の波長変換素子においては、励起光の波長帯における第１の部材の屈折率と第２の部材の屈折率との差は、蛍光光の波長帯における第１の部材の屈折率と第２の部材の屈折率との差よりも小さい。そのため、励起光に対する散乱性は相対的に低くなり、蛍光光に対する散乱性は相対的に高くなる。したがって、励起光の後方散乱が減少するとともに、蛍光光が光入射面の法線方向と交差する方向へ伝播しにくくなる。これにより、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子を実現することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２の部材は蛍光体を含んでもよい。
この構成によれば、蛍光体層を第１の部材と第２の部材の２種類の部材で構成できるため、簡易な構成とすることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記蛍光体層が第３の部材をさらに含み、前記励起光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第３の部材の屈折率との差が、前記蛍光光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第３の部材の屈折率との差よりも小さくてもよい。
この構成によれば、蛍光光に対する散乱性をより高めることができるため、発光領域の拡大をさらに低減できる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記蛍光体層が、蛍光体を含む第３の部材をさらに含んでいてもよい。
この構成によれば、第１の部材および第２の部材は蛍光体を含まなくてよいため、第１の部材および第２の部材の材料選択の自由度を高めることができる。

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、前記蛍光体を励起させる励起光を射出する光源と、を備える。
この構成によれば、励起光の利用効率に優れ、エテンデューが小さい照明装置を実現することができる。

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た光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えている。
この構成によれば、光の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。

本発明の第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の断面図である。 励起光と蛍光光のそれぞれのスペクトルの一例を示す図である。 実施例で用いたガラスと蛍光体の屈折率の波長分散を示す図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 波長変換素子の変形例を示す断面図である。 波長変換素子の他の変形例を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

［プロジェクター］
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、プロジェクター１は、第１照明装置１００と、第２照明装置１０２と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、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、投射光学系６００と、を備える。
本実施形態の第１照明装置１００は、特許請求の範囲の照明装置に対応する。

第１照明装置１００は、第１光源１０と、コリメート光学系７０と、ダイクロイックミラー８０と、コリメート集光光学系９０と、回転蛍光板３０と、モーター５０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備える。

第１光源１０は、励起光として第１の波長帯の青色のレーザー光（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。第１光源１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色レーザー光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の光源に対応する。

第１光源１０は、第１光源１０から射出されるレーザー光の光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘ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、を備える。コリメート光学系７０は、第１光源１０から射出された光を略平行化する。第１レンズ７２および第２レンズ７４は、凸レンズで構成されている。

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に至る光路中に、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとの各々に対して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、励起光Ｅを反射させ、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光光Ｙを透過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０を通過した励起光Ｅを集光して回転蛍光板３０の波長変換素子４２に入射させる機能と、回転蛍光板３０から射出された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と、第２レンズ９４と、を備えている。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、散乱板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備えている。

第２光源７１０は、第１照明装置１００の第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。第２光源７１０は、１つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備えている。集光光学系７６０は、第２光源７１０から射出された青色光Ｂを散乱板７３２上もしくは散乱板７３２の近傍に集光させる。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、凸レンズで構成されている。

散乱板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを散乱させ、回転蛍光板３０から射出された蛍光光Ｙの配光分布に近い配光分布を有する青色光Ｂを生成する。散乱板７３２として、例えば、光学ガラスからなる磨りガラス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、を備える。コリメート光学系７７０は、散乱板７３２から射出された光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、凸レンズで構成されている。

第２照明装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０により反射され、回転蛍光板３０から射出されダイクロイックミラー８０を透過した蛍光光Ｙと合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗは、第１レンズアレイ１２０に入射する。

回転蛍光板３０は、モーター５０と、基材４０と、反射層４１と、蛍光体層４２と、を備える。回転蛍光板３０は、青色光からなる励起光Ｅが入射する側と同じ側に向けて蛍光光Ｙを射出する。すなわち、回転蛍光板３０は、反射型の回転蛍光板である。

基材４０は、例えばアルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属製の基材から構成される。基材４０は、モーター５０により回転軸の周りに回転可能とされている。基材４０は、平面形状が円形の板体であり、例えば直径が５０ｍｍ〜６０ｍｍ程度に設定され、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度に設定される。

蛍光体層４２は、平面形状が円環状の無機蛍光体材料を含んで構成されている。蛍光体層４２は、基材４０の一面４０ａ側において、回転軸の周りに設けられている。

図２は、本実施形態の波長変換素子４３の断面図である。
図２に示すように、波長変換素子４３は、蛍光体層４２と、反射層４１と、を備えている。蛍光体層４２は、励起光Ｅが入射する光入射面４２ａと、光入射面４２ａと反対側の対向面４２ｂと、を有する。反射防止層４４は、蛍光体層４２の光入射面４２ａに設けられている。反射層４１は、蛍光体層４２の対向面４２ｂに設けられている。波長変換素子４３は、反射層４１に設けられた接着材層４５によって基材４０に貼り付けられている。接着材層４５としては、例えばシリコーン樹脂が用いられる。

蛍光体層４２は、バインダー４６と、複数の蛍光体粒子４７と、複数の散乱体粒子４８と、を含む。複数の蛍光体粒子４７は、バインダー４６の内部に略均一に分散している。複数の散乱体粒子４８は、バインダー４６の内部に略均一に分散している。バインダー４６、蛍光体粒子４７、および散乱体粒子４８は、それぞれ異なる屈折率を有する。
本実施形態のバインダー４６は、特許請求の範囲の第１の部材に相当する。本実施形態の蛍光体粒子４７は、特許請求の範囲の第２の部材に相当する。本実施形態の散乱体粒子４８は、特許請求の範囲の第３の部材に相当する。

バインダー４６は、透光性を有する無機材料もしくは有機材料で構成される。具体的には、無機材料として、例えば各種のガラス、アルミナ等の透光性酸化物セラミックスなどが用いられる。有機材料としては、例えばポリエステル樹脂などの樹脂材料が用いられる。

蛍光体粒子４７は、例えば黄色の蛍光光を発する無機蛍光体で構成される。具体的には、無機蛍光体として、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ））系蛍光体、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋系蛍光体、等が用いられる。もしくは、黄色光を発光する無機蛍光体として、緑色蛍光体と赤色蛍光体とを混合した蛍光体を用いてもよい。その場合、緑色蛍光体として、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋系蛍光体、Ｙ_３Ｏ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体等を用いることができる。赤色蛍光体として、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体等を用いることができる。

散乱体粒子４８は、例えば透光性を有する無機材料で構成される。具体的には、無機材料として、例えば各種のガラス、アルミナ等の透光性酸化物セラミックスなどが用いられる。

バインダー４６と蛍光体粒子４７とに着目したとき、励起光の波長帯におけるバインダー４６と蛍光体粒子４７との屈折率差が、蛍光光の波長帯におけるバインダー４６と蛍光体粒子４７との屈折率差よりも小さくなるように、バインダー４６の材料と蛍光体粒子４７の材料とが選定される。もしくは、バインダー４６と散乱体粒子４８とに着目したとき、励起光の波長帯におけるバインダー４６と散乱体粒子４８との屈折率差が、蛍光光の波長帯におけるバインダー４６と散乱体粒子４８との屈折率差よりも小さくなるように、バインダー４６の材料と散乱体粒子４８の材料とが選定される。本実施形態の場合、少なくとも上記のいずれか一方の条件を満たせばよい。これにより、励起光に対する散乱性を低くし、蛍光光に対する散乱性を高くすることができる。

蛍光体層４２の内部には、バインダー４６、蛍光体粒子４７、散乱体粒子４８の３つの部材が存在する。光は屈折率が互いに異なる２つの物質の界面で屈折するため、上述したように、バインダー４６と蛍光体粒子４７との屈折率の組合せ、およびバインダー４６と散乱体粒子４８との屈折率の組合せを考慮すればよい。蛍光体粒子４７と散乱体粒子４８とは互いに接触して界面を構成することが十分に少ないと考えられる。そのため、蛍光体粒子４７と散乱体粒子４８との屈折率の組合せについては無視できる。

反射防止層４４は、蛍光体層４２の光入射面４２ａに入射する励起光Ｅの反射を低減させるための膜である。反射防止層４４の具体例としては、例えば蛍光体層４２の光入射面４２ａを鏡面研磨し、その表面に誘電体多層膜を成膜したものなどが挙げられる。

反射層４１は、蛍光体層４２と接着材層４５との間に設けられている。反射層４１は、蛍光光Ｙを高い反射率で反射するように設計されている。反射層４１の具体例としては、例えばアルミニウム、銀等の反射率の高い金属反射膜が挙げられる。これにより、反射層４１は、基材４０側に向かう蛍光光Ｙの多くを図２の上方（基材４０とは反対側）に向けて反射する。

波長変換素子４３にはレーザー光からなる励起光Ｅが入射するため、波長変換素子４３において熱が発生する。本実施形態では、基材４０を回転させることで、波長変換素子４２における励起光Ｅの入射位置を時間的に変化させている。これにより、波長変換素子４２の同じ部分に励起光Ｅが常時照射され、波長変換素子４２が局所的に加熱されて劣化することを低減している。

図１に示すように、第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０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、照明光軸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、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の第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、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれ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小レンズ１３２は、照明光軸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、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。

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、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域もしくはその近傍で互いに重畳させる。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、回転蛍光板３０から射出された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と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１００と第２照明装置１０２とから得られた白色光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを、対応する液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂに導光する。フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００Ｂは、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、および液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分および青色光成分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、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。 反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光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は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光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、およびフィールドレンズ３００Ｂを経て青色光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、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色光に対応するカラー画像を形成する。図示を省略したが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

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、および液晶光変調装置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。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、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。投射光学系６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。

本実施形態の波長変換素子４３においては、励起光Ｅの波長帯におけるバインダー４６と蛍光体粒子４７との間の屈折率差は、蛍光光Ｙの波長帯におけるバインダー４６と蛍光体粒子４７との間の屈折率差よりも小さい。また、励起光Ｅの波長帯におけるバインダー４６と散乱体粒子４８との間の屈折率差は、蛍光光Ｙの波長帯におけるバインダー４６と散乱体粒子４８との間の屈折率差よりも小さい。そのため、励起光Ｅに対する散乱性は蛍光光Ｙに対する散乱性よりも小さい。そのため、励起光Ｅの後方散乱が減少するとともに、蛍光光Ｙが光入射面の法線方向と交差する方向に伝播しにくくなる。これにより、励起光Ｅの利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子４３を実現することができる。

ガラス、セラミックス等の無機材料、もしくは樹脂等の有機材料の多くは、波長が短い側で屈折率が高く、波長が長い側で屈折率が低い、という屈折率の波長依存性を有する。アッベ数が小さい程、屈折率の波長依存性が大きく、アッベ数が大きい程、屈折率の波長依存性が小さい。

アッベ数νは、例えば以下の式（１）で定義される。
ν＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ） …（１）
ただし、
ｎ_ｄ：フラウンホーファーのｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率
ｎ_Ｆ：フラウンホーファーのＦ線（４８６．１ｎｍ）に対する屈折率
ｎ_Ｃ：フラウンホーファーのＣ線（６５６．３ｎｍ）に対する屈折率
このように、アッベ数は、可視光領域内での屈折率の波長依存性を示す定数であるから、励起光Ｅの利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる、という本実施形態の効果を見積もる際の指標として利用できる。

ここで、本発明者は、異なるアッベ数を有する種々の材料を蛍光体層のバインダー、蛍光体粒子、および散乱体粒子に用いたときの屈折率差を計算により求めた。
計算の前提として、光源には、図３に示すように、強度ピーク波長が４４５ｎｍの分光スペクトルを示す青色の励起光Ｅを射出する光源を想定した。また、蛍光体として、強度ピーク波長が５４０ｎｍの分光スペクトルを示す黄色の蛍光光Ｙを発するＣｅ：ＹＡＧ蛍光体を想定した。

ガラスの屈折率については、光ガラス株式会社製の光学ガラス製品のＦ線、ｄ線、ｅ線に対する屈折率データに基づいて指数近似式を求め、波長４４５ｎｍでの屈折率ｎλ１および波長５４０ｎｍでの屈折率ｎλ２を求めた。蛍光体の屈折率については、クアーズテック株式会社製のＹＡＧセラミックス製品のＦ線、ｄ線、ｅ線に対する屈折率データに基づいて指数近似式を求め、波長４４５ｎｍでの屈折率ｎλ１および波長５４０ｎｍでの屈折率ｎλ２を求めた。

以下の実施例で用いた各ガラスと蛍光体の屈折率の波長分散を図４に示した。グラフの横軸は波長であり、グラフの縦軸は屈折率である。

（１）実施例１：比較的低屈折率および比較的低アッベ数のバインダーを用いた場合
比較的高屈折率および比較的高アッベ数の散乱体を選択することにより散乱体粒子４８とバインダー４６との間の屈折率差が大きくなり、本実施形態の効果が得られる。また、蛍光体粒子４７は、基本的に比較的高屈折率および比較的高アッベ数を持っているため、蛍光体粒子４７とバインダー４６との間の屈折率差が大きくなり、本実施形態の効果が得られる。

実施例１では、バインダーにフリントガラス（Ｆ２）を選択し、蛍光体にＹＡＧを選択し、散乱体にクラウンガラス（ＬＡＫ８）を選択した。表１に、各材料の波長４４５ｎｍ（λ１）での屈折率ｎ_λ１、波長５４０ｎｍ（λ２）での屈折率ｎ_λ２、およびアッベ数を示す。

表１に基づいて、波長λ１と波長λ２それぞれにおいて、２つの部材間での屈折率差Δｎを算出した。その値を下記の表２に示す。Δｎ（λ１）は波長λ１における屈折率差であり、Δｎ（λ２）は波長λ２における屈折率差である。「散乱体」で示したデータは、散乱体とバインダーとの間の屈折率差を表し、「蛍光体」で示したデータは、蛍光体とバインダーとの間の屈折率差を表す。
さらに、表２には、屈折率差Δｎ（λ１）が屈折率差Δｎ（λ２）よりも小さいという条件を満たしているか否かの判定を記した。

表２から、バインダーにフリントガラス（Ｆ２）を用い、蛍光体にＹＡＧを用い、散乱体にクラウンガラス（ＬＡＫ８）を用いることにより、本実施形態の効果が得られることが判った。

また、バインダーとして、低屈折率および低アッベ数のフリントガラス（Ｆ２）に代えて、例えばポリカーボネイト樹脂、ポリエステル樹脂等の比較的低屈折率および比較的低アッベ数の有機材料を用いた場合にも、本実施形態の効果が得られる。例えばポリエステル樹脂の屈折率は１．６０７であり、アッベ数は２７である。また、散乱体として、比較的高屈折率および比較的高アッベ数のクラウンガラス（ＬＡＫ８）に代えて、例えばアルミナ、サファイア等の比較的高屈折率および比較的高アッベ数の結晶材料を用いた場合にも、本実施形態の効果が得られる。例えばサファイアの屈折率は１．７６８であり、アッベ数は７２．２である。

（２）実施例２：比較的高屈折率および比較的高アッベ数のバインダーを用いた場合
この場合、バインダーと比較的高屈折率および比較的高アッベ数の蛍光体との間では本発明の条件を満たさないが、バインダーと比較的低屈折率および比較的低アッベ数の散乱体との間では本発明の条件を満たす。

実施例２では、バインダーにクラウンガラス（ＬＡＫ８）を選択し、蛍光体にＹＡＧを選択し、散乱体にフリントガラス（Ｆ２）を選択した。表３に、各材料の波長４４５ｎｍ（λ１）での屈折率ｎ_λ１、波長５４０ｎｍ（λ２）での屈折率ｎ_λ２、およびアッベ数を示す。

表３に基づいて、実施例１と同様に、２つの部材間での屈折率差Δｎを算出した。その値を下記の表４に示す。

表４から、バインダーにクラウンガラス（ＬＡＫ８）を用い、散乱体にフリントガラス（Ｆ２）を用いることにより、本実施形態の効果が得られることが判った。バインダー、散乱体のいずれも蛍光体を含まないため、バインダーと散乱体の材料選択の自由度を高めることができる。

（３）実施例３：比較的高屈折率および比較的低アッベ数のバインダーを用いた場合
この場合、バインダーと比較的高屈折率および比較的高アッベ数の蛍光体との間では本発明の条件を満たすが、バインダーと比較的低屈折率および比較的低アッベ数の散乱体との間では本発明の条件を満たさない。

実施例３では、バインダーにフリントガラス（ＳＦＨ１）を選択し、蛍光体にＹＡＧを選択し、散乱体にクラウンガラス（ＬＡＫ８）を選択した。表５に、各材料の波長４４５ｎｍ（λ１）での屈折率ｎ_λ１、波長５４０ｎｍ（λ２）での屈折率ｎ_λ２、およびアッベ数を示す。

表５に基づいて、実施例１と同様に、２つの部材間での屈折率差Δｎを算出した。その値を下記の表６に示す。

表６から、バインダーにフリントガラス（ＳＦＨ１）を用い、蛍光体にＹＡＧを用いることにより、本実施形態の効果が得られることが判った。

（４）比較例１：比較的低屈折率および比較的高アッベ数のバインダーを用いた場合
この場合、蛍光体とバインダーとの間で本発明の条件を満たさず、散乱体とバインダーとの間でも本発明の条件を満たさない。

比較例１の蛍光体層として、バインダーにクラウンガラス（ＦＫ５）を選択し、蛍光体にＹＡＧを選択し、散乱体にクラウンガラス（ＬＡＫ８）を選択した。表７に、各材料の波長４４５ｎｍ（λ１）での屈折率ｎ_λ１、波長５４０ｎｍ（λ２）での屈折率ｎ_λ２、およびアッベ数を示す。

次に、表７に基づいて、実施例１と同様に、２つの部材間での屈折率差Δｎを算出した。その値を下記の表８に示す。

表８から、バインダーにクラウンガラス（ＦＫ５）を用い、蛍光体にＹＡＧを用い、散乱体にクラウンガラス（ＬＡＫ８）を用いた比較例１では、本実施形態の効果が得られないことが判った。

［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。
第２実施形態のプロジェクターおよび照明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断面図である。図５は、第１実施形態における図２に対応している。
図５において、図２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。

図５に示すように、本実施形態の波長変換素子５２において、蛍光体層５３は、バルク状の蛍光体５４と、複数の散乱体５５と、を含む。複数の散乱体５５は、蛍光体５４の内部に略均一に分散している。蛍光体５４と散乱体５５とは、互いに異なる屈折率を有している。
本実施形態の散乱体５５は、特許請求の範囲の第１の部材に相当する。本実施形態の蛍光体５４は、特許請求の範囲の第２の部材に相当する。

蛍光体５４には、第１実施形態で挙げた蛍光体材料を焼結して得られるバルク体が用いられる。散乱体５５には、第１実施形態と同様の材料が用いられる。

本実施形態の場合、励起光の波長帯における蛍光体５４と散乱体５５との屈折率差が、蛍光光の波長帯における蛍光体５４と散乱体５５との屈折率差よりも小さくなるような蛍光体５４および散乱体５５が用いられる。これにより、励起光に対する散乱性を蛍光光に対する散乱性よりも低くすることができる。

本実施形態においても、励起光の後方散乱が減少するとともに、蛍光光が蛍光体層の横方向へ伝播しにくくなる。これにより、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる波長変換素子５２を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態の場合、蛍光体層５３を蛍光体５４と散乱体５５の２種類の部材で構成できるため、蛍光体層５３を簡易な構成とすることができる。

本発明者は、互いに異なるアッベ数を有する蛍光体および散乱体を用いたときの屈折率差を計算により求めた。計算の前提は、上記の実施例と同じである。

実施例４：比較的低屈折率および比較的低アッベ数の散乱体を用いた場合
蛍光体は基本的に比較的高屈折率および比較的高アッベ数の材料であるため、比較的低屈折率および比較的低アッベ数の散乱体を選択することにより本発明の条件を満たすことができる。

実施例４では、蛍光体にＹＡＧを選択し、散乱体にフリントガラス（Ｆ２）を選択した。下記の表９に、各材料の波長４４５ｎｍ（λ１）での屈折率ｎ_λ１、波長５４０ｎｍ（λ２）での屈折率ｎ_λ２、およびアッベ数を示す。

表９に基づいて、実施例１と同様に、蛍光体と散乱体との間での屈折率差Δｎを算出した。その値を下記の表１０に示す。

表１０から、蛍光体にＹＡＧを用い、散乱体にフリントガラス（Ｆ２）を用いることにより、励起光Ｅの利用効率が高く、発光領域の拡大を低減できる、という効果が得られることが判った。

上記第１および第２実施形態においては、励起光の光入射面から蛍光光を射出させる反射型の波長変換素子の例を挙げた。ただし、本発明の一つの態様は、反射型の波長変換素子に限らず、透過型の波長変換素子に適用することもできる。

図６は、透過型の波長変換素子の例を示す断面図である。
図６において、図２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。
図６に示すように、波長変換素子７６は、蛍光体層４２と、選択反射層７７と、を備えている。波長変換素子７６は、選択反射層７７に設けられた接着材層４５により光透過性を有する基材７８に貼り付けられている。この波長変換素子７６の場合、励起光Ｅは基材７８の側から入射させる。そのため、蛍光体層４２の選択反射層７７に接する側の面が光入射面４２ａとなり、光入射面４２ａと反対側の面が光射出面４２ｂとなる。選択反射層７７は、励起光Ｅを選択的に透過させ、蛍光光Ｙを選択的に反射させる。

透過型の波長変換素子７６においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減することができる。

また、上記第１および第２実施形態においては、回転蛍光板を構成する波長変換素子の例を挙げた。ただし、本発明の一つの態様は、回転型の波長変換素子に限らず、固定型の波長変換素子に適用することもできる。

図７は、固定型の波長変換素子の例を示す断面図である。
図７において、図２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。
図７に示すように、波長変換素子８２は、固定型の基材８３の一面に接着材層４５により貼り付けられている。波長変換素子８２の要部の構成は、第１実施形態と同様であり、反射型の例である。なお、透過型の波長変換素子が光透過性を有する基材の一面に貼り付けられた構成を採用してもよい。

このように、固定型の波長変換素子８２においても、励起光の利用効率が高く、発光領域の拡大を低減することができる。

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。
例えば上記第２実施形態では、蛍光体層が蛍光体と散乱体の２つの部材を含む例を挙げたが、この構成に代えて、蛍光体層がバインダーと蛍光体の２つの部材を含んでもよい。この場合も、励起光の波長帯におけるバインダーと蛍光体との屈折率差が、蛍光光の波長帯におけるバインダーと蛍光体との屈折率差よりも小さければよい。

また、蛍光体層がバインダー、蛍光体および散乱体の３つの部材を含む場合、上記実施例２では、バインダーと散乱体との屈折率差が本発明の条件を満たし、バインダーと蛍光体との屈折率差が本発明の条件を満たさない例を示したが、この構成に代えて、バインダーと蛍光体との屈折率差が本発明の条件を満たし、バインダーと散乱体との屈折率差が本発明の条件を満たさなくてもよい。

その他、波長変換素子および照明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、４２，５３…蛍光体層、４３，５２，７６，８２…波長変換素子、４６…バインダー（第１の部材）、４７，５４…蛍光体（第２の部材）、４８…散乱体（第３の部材）、５５…散乱体（第１の部材）、１００…第１照明装置（照明装置）。

Claims (6)

1. 第１の部材と第２の部材とを含む蛍光体層を備え、
   前記蛍光体層を励起させる励起光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第２の部材の屈折率との差が、前記蛍光体層で生成された蛍光光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第２の部材の屈折率との差よりも小さい、波長変換素子。
2. 前記第２の部材が蛍光体を含む、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記蛍光体層が第３の部材をさらに含み、
   前記励起光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第３の部材の屈折率との差が、前記蛍光光の波長帯における前記第１の部材の屈折率と前記第３の部材の屈折率との差よりも小さい、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記蛍光体層が、蛍光体を含む第３の部材をさらに含む、請求項１に記載の波長変換素子。
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、
   前記蛍光体を励起させる励起光を射出する光源と、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た光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えた、プロジェクター。

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