JP2018025711A - 蛍光発光素子、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】ダイクロイック層による光の損失が小さい蛍光発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の蛍光発光素子は、基板と、基板の第１面の側に設けられた蛍光体層と、基板と蛍光体層との間に設けられたダイクロイック層と、ダイクロイック層とは反対側の蛍光体層の面に設けられた回折格子と、を備える。回折格子は、蛍光体層で生成された蛍光光がダイクロイック層に対するブリュースター角で回折格子に入射した場合において、回折格子を透過する−３次の回折光が発生するように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、蛍光発光素子、光源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光源装置として、半導体レーザー等の励起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光を利用する光源装置が提案されている。

例えば下記の特許文献１に、基材と、蛍光体層と、ダイクロイック層と、励起光源と、を備えた光源装置が開示されている。この光源装置において、ダイクロイック層は、基材と蛍光体層との間に設けられており、励起光源から射出された励起光を透過し、蛍光体層から発せられた蛍光光を反射する。

特開２０１０−８６８１５号公報

特許文献１の光源装置において、ダイクロイック層は蛍光光を反射するために設けられている。しかし、蛍光光のうち、ブリュースター角でダイクロイック層に入射したＰ偏光成分は、ダイクロイック層を透過する。これにより、蛍光光の損失が生じるという問題があった。

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、ダイクロイック層による蛍光光の損失が小さい蛍光発光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、本発明の一つの態様の蛍光発光素子を備えた光源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、本発明の一つの態様の光源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蛍光発光素子は、基板と、前記基板の第１面の側に設けられた蛍光体層と、前記基板と前記蛍光体層との間に設けられたダイクロイック層と、前記ダイクロイック層とは反対側の前記蛍光体層の面に設けられた回折格子と、を備え、前記蛍光体層で生成された蛍光光が前記ダイクロイック層に対するブリュースター角で前記回折格子に入射した場合において、前記回折格子を透過する−３次の回折光が発生するように前記回折格子が構成されている。

本発明者は、蛍光光がダイクロイック層に対するブリュースター角で回折格子に入射した場合において、回折格子を透過する回折光の次数が−２を超える場合の回折効率の波長依存性が、回折光の次数が−２を超えない場合の回折効率の波長依存性よりも小さいことを見出し、本発明に想到した。本発明の一つの態様の蛍光発光素子によれば、蛍光光がダイクロイック層に対するブリュースター角で回折格子に入射した場合において、回折格子を透過する−３次の回折光が発生するため、回折格子は、広い波長帯域にわたって高い効率で蛍光光を透過させる。これにより、回折格子で反射されてダイクロイック層にブリュースター角で入射する蛍光光が回折格子を備えない場合よりも少ないため、ダイクロイック層による蛍光光の損失が小さい。

本発明の一つの態様の蛍光発光素子において、前記回折格子は、前記第１面の面法線方向から見て、互いに直交する第１方向および第２方向に周期的な凹凸構造を有していてもよい。
蛍光光は蛍光体層の内部で等方的に発せられる。この構成によれば、第１方向に加えて第２方向についても回折光が生じるため、一方向にのみ周期的な凹凸構造を有する回折格子に比べて、回折格子からの蛍光光の取り出し効率が高い。

本発明の一つの態様の蛍光発光素子において、前記凹凸構造は、前記第１方向におけるピッチと前記第２方向におけるピッチとが互いに異なっていてもよい。
この構成によれば、回折格子を透過した蛍光光の配光分布を任意に制御できる。

本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の蛍光発光素子と、前記蛍光体層を励起させる励起光を射出する励起光源と、を備える。
この構成によれば、蛍光発光素子で発生した蛍光光を効率的に利用できる光源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光源装置と、前記光源装置から射出された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。
この構成によれば、蛍光発光素子で発生した蛍光光を効率的に利用する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光学系を示す模式図である。 蛍光発光素子の要部の平面図である。 図２のIII−III線に沿う蛍光発光素子の断面図である。 ダイクロイック層のＰ偏光反射特性を示すグラフである。 回折格子のピッチが５００ｎｍのときの回折の様子を示す模式図である。 回折格子のピッチが２μｍのときの回折の様子を示す模式図である。 回折格子のピッチが５００ｎｍのときの波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。 回折格子のピッチが５００ｎｍのときの波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。 回折格子のピッチが７００ｎｍのときの波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。 回折格子のピッチが７００ｎｍのときの波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。 回折格子のピッチが２μｍのときの波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。 回折格子のピッチが２μｍのときの波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る蛍光発光素子、光源装置、およびプロジェクターについて説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、各構造における縮尺および数等を、実際の構造における縮尺および数等と異ならせる場合がある。

［プロジェクター］
図１は、本実施形態のプロジェクター１０００の光学系を示す図である。
図１に示すように、プロジェクター１０００は、照明装置１００と、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、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、を備えている。

照明装置１００は、光源装置８０と、コリメート光学系６０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。光源装置８０は、励起光源１０と、集光光学系２０と、波長変換素子３０と、を備える。波長変換素子３０は、蛍光発光素子４５と、蛍光発光素子４５を回転させるモーター５０と、を備えている。蛍光発光素子４５は、基板４０と、蛍光体層４２と、ダイクロイック層４４と、回折格子（図１では図示略）と、を備えている。

光源装置８０は、励起光源１０から射出された青色光Ｂと、蛍光体層４２が青色光Ｂで励起されることにより波長変換素子３０から射出された緑色光Ｇおよび赤色光Ｒを含む蛍光光と、が合成された白色光を射出する。

励起光源１０は、半導体レーザー１５と、ベース基板１１と、冷却器７０と、を備えている。半導体レーザー１５は、例えばピーク波長が４４５ｎｍの青色光を射出する。ただし、半導体レーザー１５は、ピーク波長が４４５ｎｍ以外（例えば４６０ｎｍ）の青色光を射出してもよい。

半導体レーザー１５は、ベース基板１１の第１面１１ａに実装されている。ベース基板１１は、半導体レーザー１５の熱を効果的に放出するために、銅等の熱伝導性が高い金属が用いられることが望ましい。半導体レーザー１５は、サブマウント（図示略）を介してベース基板１１に実装されていてもよい。冷却器７０は、ベース基板１１の第２面１１ｂに固定され、ベース基板１１を冷却する。冷却器７０は、例えば複数のフィンを有するヒートシンクで構成されている。

集光光学系２０は、第１レンズ２１と、第２レンズ２２と、を備える。集光光学系２０は、励起光源１０と波長変換素子３０との間の光路中に配置されている。集光光学系２０は、半導体レーザー１５から射出された青色光Ｂを集光した状態で波長変換素子３０の蛍光体層４２に入射させる。第１レンズ２１および第２レンズ２２は、凸レンズで構成されている。

基板４０は、モーター５０の駆動によって回転軸５１を中心として回転する。回転軸５１の延在方向から見たとき、基板４０の形状は円形である。基板４０は、青色光Ｂを透過させる材料から構成されている。基板４０の材料として、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、基板４０の第１面４０ａに、基板４０の周方向に沿って円環状に設けられている。蛍光体層４２は、波長が４４５ｎｍの青色光Ｂによって励起され、緑色光Ｇと赤色光Ｒとを含む蛍光光を射出する。蛍光体層４２は、例えばＹＡＧ系蛍光体の一つである（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層から構成されている。

ダイクロイック層４４は、基板４０と蛍光体層４２との間に設けられている。ダイクロイック層４４は、半導体レーザー１５から射出された青色光Ｂを透過させ、蛍光体層４２から射出された蛍光光を反射する。

励起光源１０から射出された青色光Ｂは、基板４０とダイクロイック層４４とをこの順に透過して蛍光体層４２に入射する。蛍光体層４２は、励起光源１０からの青色光Ｂの一部を赤色光Ｒおよび緑色光Ｇを含む蛍光光に変換し、かつ、青色光Ｂの残りの一部を変換せずに透過させる。これにより、波長変換素子３０は、赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとを含む白色光を、励起光源１０から射出された青色光Ｂが入射する側とは反対側に向けて射出する。

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レンズ６２および第２レンズ６４は、凸レンズから構成されている。

第１レンズアレイ１２０は、複数の第１小レンズ１２２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からの光を複数の部分光束に分割する。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を備えている。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により分割された複数の部分光束の各々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照明光軸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照明光軸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、を備えている。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの複数の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、画像形成領域において、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、を備えている。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂの各々を、これら各色光に対応した光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂに導光する。

色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｒとの間には、集光レンズ３００Ｒが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｇとの間には、集光レンズ３００Ｇが配置されている。色分離導光光学系２００と光変調装置４００Ｂとの間には、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、赤色光成分を透過させ、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２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を透過させる。

ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射した緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射し、集光レンズ３００Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、入射し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。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂは、透過型の液晶パネルから構成されている。図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒと光変調装置４００Ｒとの間、集光レンズ３００Ｇと光変調装置４００Ｇとの間、集光レンズ３００Ｂと光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置されている。光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ，光変調装置４００Ｂの各々とクロスダイクロイックプリズム５００との間には、射出側偏光板が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの各々から射出された画像光を合成する。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構成を有する。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面に、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。

図２は、蛍光発光素子４５における蛍光体層４２の部分を拡大視した平面図である。図３は、図２のIII−III線に沿う蛍光発光素子４５の断面図である。
図３に示すように、蛍光体層４２は、ダイクロイック層４４を介して基板４０の第１面４０ａの側に設けられている。回折格子４７は、蛍光体層４２のダイクロイック層４４とは反対側の面、すなわち蛍光光が射出される側の面（光射出面）に設けられている。

回折格子４７は、蛍光体層４２で生成された蛍光光がダイクロイック層４４に対するブリュースター角で回折格子４７に入射した場合において、回折格子４７を透過する−３次回折光が発生するように構成されている。

図２に示すように、回折格子４７は、基板４０の第１面４０ａの面法線方向から見て、互いに直交する第１方向および第２方向に周期的な凹凸構造を有している。第１方向をＸ軸方向とし、第２方向をＹ軸方向とする。凹凸構造において、Ｘ軸方向のピッチｄｘおよびＹ軸方向のピッチｄｙは、ともに０．７μｍ〜４μｍ程度である。Ｘ軸方向のピッチｄｘとＹ軸方向のピッチｄｙとは同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。凹凸構造の深さｔは、例えば０．５５μｍ程度である。

上述したように、基板４０から入射した青色光Ｂは、ダイクロイック層４４を透過して蛍光体層４２に入射する。一部の青色光Ｂは蛍光体層４２を透過し、残りの青色光Ｂは、蛍光体層４２によって緑色光Ｇおよび赤色光Ｒを含む蛍光光に変換される。蛍光光のうち、一部の成分は回折格子４７を透過して蛍光体層４２から射出され、他の成分はダイクロイック層４４に入射する。

図４は、Ｐ偏光に対するダイクロイック層４４の反射特性の一例を示すグラフである。図４の横軸は入射角度（度）、縦軸は反射率（％）である。
図４に示すように、Ｐ偏光に対するダイクロイック層４４の反射率は、入射角度依存性を有している。具体的には、Ｐ偏光の入射角度を０度から増加させると、Ｐ偏光の反射率は徐々に低下する。入射角度がブリュースター角近傍の４０〜５０度になると、反射率は急激に低下する。なお、ブリュースター角は、入射界面を構成する材料の屈折率によって変化する。

蛍光光は非偏光であるため、蛍光光にはＰ偏光成分が含まれている。４０〜５０度でダイクロイック層４４に入射したＰ偏光成分の一部はダイクロイック層４４を透過し、蛍光体層４２の光射出面から射出することができないため、損失となる。仮に蛍光体層４２の光射出面が平坦面であったとすると、蛍光体層４２の内部から光射出面に対して臨界角以上の入射角度で入射した蛍光光は光射出面で全反射する。さらに、蛍光体層４２の内部散乱が弱かったとすると、光射出面で全反射した蛍光光は、光射出面とダイクロイック層４４との間で反射を繰り返す。蛍光光がダイクロイック層４４に入射する度に蛍光光の一部がダイクロイック層４４を透過するため、蛍光光の損失はますます大きくなる。

しかし、本実施形態においては、図３に示すように、蛍光体層４２の光射出面に設けた回折格子４７が蛍光体層４２の内部から光射出面に入射した蛍光光Ｙを回折させるため、蛍光光Ｙの一部を例えば０次回折光ＬＴ_０および−１次回折光ＬＴ_−１として蛍光体層４２から取り出すことができる。後述するように、取り出すことが可能な回折光の次数は、回折格子４７のピッチによって調整が可能である。

本発明者は、本実施形態の蛍光発光素子４５において回折格子４７に入射した光の回折のシミュレーションを行った。シミュレーションでは、蛍光体層４２としてＹＡＧ系蛍光体材料を用い、回折格子４７は１次元回折格子とした。

図５は、回折格子４７のピッチを５００ｎｍとした場合の波長５５０ｎｍの光の回折の様子を示している。
この場合、回折格子４７に入射する光Ｌ_０の入射角度が臨界角以上であるため、０次回折光ＬＲ_０は全反射しているが、回折格子４７で反射された−１次回折光ＬＲ_−１、−２次回折光ＬＲ_−２と、回折格子４７を透過した−１次回折光ＬＴ_−１、−２次回折光ＬＴ_−２が生じている。本明細書において、回折格子４７を透過するｎ次回折光をｎ次回折光ＬＴ_ｎと称し、回折格子４７で反射されるｎ次回折光をｎ次回折光ＬＲ_ｎと称する。

図６は、回折格子４７のピッチを２μｍとした場合の波長５５０ｎｍの光の回折の様子を示している。ここでは、光は回折格子４７に対して垂直に入射している。
図６に示すように、回折格子４７のピッチが２μｍの場合、回折格子４７で反射された−６次回折光ＬＲ_−６〜６次回折光ＬＲ_６と、回折格子４７を透過した−３次回折光ＬＴ_−３〜３次回折光ＬＴ_３が生じている。すなわち、図５および図６からわかるように、回折格子４７のピッチを大きくすると、回折角度が小さくなり、高次の回折光が回折格子４７を透過できるようになる。

入射側媒体（蛍光体層４２）の屈折率をｎ_１とし、射出側媒体（空気）の屈折率をｎ_２とし、回折格子４７の面法線と入射光とのなす角度をθ_１とし、面法線と射出光とのなす角度をθ_２とし、回折次数をｍとし、光の波長をλとし、回折格子４７のピッチをｄとしたとき、回折格子４７のピッチｄと回折角度θ_２との関係は以下の（１）式で表される。
ｎ_２sinθ_２−ｎ_１sinθ_１＝ｍλ／ｄ …（１）

図７は、回折格子４７のピッチを５００ｎｍとした場合の波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。
図８は、回折格子４７のピッチを５００ｎｍとした場合の波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。
以下の図７〜図１２において、グラフの横軸は入射角度（度）であり、縦軸は回折効率である。また、各グラフにおいて、回折格子４７を透過した各回折光の回折効率の合計を全透過回折効率ＬＴ_SUMで示す。

図７および図８に示すように、回折格子４７のピッチを５００ｎｍとした場合、ダイクロイック層４４に対するブリュースター角である４０度の入射角度において−１次回折光ＬＴ_−１のみが回折格子４７を透過する。以下、ダイクロイック層４４に対するブリュースター角をブリュースター角と略記する。

図７に示すように、波長５５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において０．６０を超える高い値を示した。ところが、図８に示すように、波長６５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において約０．２０という低い値を示す。

このように、回折格子４７のピッチを５００ｎｍとした場合、いずれの波長においても、４０度の入射角度において回折格子４７を透過する回折光の次数が−２を超えず、波長５５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMと波長６５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMとが大きく異なった。すなわち、ピッチ５００ｎｍの回折格子４７は、波長５５０ｎｍおよび波長６５０ｎｍを含む広い波長帯域にわたって高い効率で蛍光光を透過させることができないことがわかった。

次に、回折格子４７のピッチを７００ｎｍに設定し、シミュレーションを行った。
図９は、回折格子４７のピッチを７００ｎｍとした場合の波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。
図１０は、回折格子４７のピッチを７００ｎｍとした場合の波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。

図９および図１０に示すように、回折格子４７のピッチを７００ｎｍとした場合、ブリュースター角である４０度の入射角度において、回折格子４７を透過する−１次回折光ＬＴ_−１、−２次回折光ＬＴ_−２、および−３次回折光ＬＴ_−３が発生した。つまり、回折格子４７を透過する回折光の次数が−２を超えている。

図９に示すように、波長５５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において約０．４２を示した。また、図１０に示すように、波長６５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において約０．５４を示した。

このように、回折格子４７のピッチを７００ｎｍとした場合、波長５５０ｎｍに対する全透過回折効率ＬＴ_SUMと波長６５０ｎｍに対する全透過回折効率ＬＴ_SUMとの差は、ピッチを５００ｎｍとした場合に比べて小さくなった。これにより、ピッチ７００ｎｍの回折格子は、波長５５０ｎｍおよび波長６５０ｎｍを含む広い波長帯域にわたって高い効率で蛍光光を透過させることができることがわかった。

次に、回折格子４７のピッチを２μｍに設定し、シミュレーションを行った。
図１１は、回折格子４７のピッチを２μｍとした場合の波長５５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。
図１２は、回折格子４７のピッチを２μｍとした場合の波長６５０ｎｍの光に対する回折効率の入射角度依存性を示すグラフである。

図１１および図１２に示すように、回折格子４７のピッチを２μｍとした場合、ブリュースター角である４０度の入射角度において、回折格子４７を透過する−１次回折光ＬＴ_−１、−２次回折光ＬＴ_−２、−３次回折光ＬＴ_−３、−４次回折光ＬＴ_−４および−５次回折光ＬＴ_−５が発生した。つまり、回折格子４７を透過する回折光の次数が−２を超えている。

図１１に示すように、波長５５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において約０．４３を示した。また、図１２に示すように、波長６５０ｎｍの入射光に対する全透過回折効率ＬＴ_SUMは、ブリュースター角（入射角度４０度）において約０．４６を示した。

このように、回折格子４７のピッチを２μｍとした場合、回折格子４７のピッチを７００ｎｍとした場合と同様、波長５５０ｎｍに対する全透過回折効率ＬＴ_SUMと波長６５０ｎｍに対する全透過回折効率ＬＴ_SUMとの差は、ピッチを５００ｎｍとした場合に比べて小さくなった。これにより、ピッチ２μｍの回折格子は、波長５５０ｎｍおよび波長６５０ｎｍを含む広い波長帯域にわたって高い効率で蛍光光を透過させることができることがわかった。

また、シミュレーション結果の例示を省略したが、本発明者は、回折格子４７のピッチを５００〜７００ｎｍの間の値に設定したとき、４０度の入射角度において、回折格子４７を透過する回折光の次数の最高値が−２となる条件が存在するが、その条件では波長５５０ｎｍの蛍光光、波長６５０ｎｍの蛍光光の双方に対して同等の回折効率が得られないことを確認している。

本実施形態の蛍光発光素子４５によれば、蛍光体層４２のダイクロイック層４４と反対側の面（光射出面）に回折格子４７が設けられているため、回折格子４７が設けられていない場合と比べて、光射出面から取り出せる蛍光光の光量を多くすることができる。さらに、回折格子４７は、蛍光光がダイクロイック層４４に対するブリュースター角で回折格子４７に入射した場合に、回折格子４７を透過する−３次回折光ＬＴ_−３が発生するように構成されているため、ブリュースター角における全透過回折効率ＬＴ_SUMの波長依存性が小さい。つまり、回折格子４７は広い波長帯域にわたって高い効率で蛍光光を透過させる。よって、回折格子４７が設けられていない場合と比較して、回折格子４７で反射されてダイクロイック層４４にブリュースター角で入射する蛍光光が少ない。このように、ダイクロイック層４４による蛍光光の損失が小さい蛍光発光素子４５を実現することができる。

また、回折格子４７がＸ軸方向およびＹ軸方向に周期的な凹凸構造を有しているため、蛍光体層４２の内部で等方的に発せられる蛍光光に対して、一方向にのみ周期的な凹凸構造を有する回折格子に比べて、回折格子４７からの蛍光光の取り出し効率を高めやすい。

また、半導体レーザー１５から射出される青色光Ｂは、光ビームの中心軸に直交するスポット形状が楕円であり、方向によって異なる発散角度を有する。凹凸構造のＸ軸方向のピッチとＹ軸方向のピッチとを互いに異ならせ、かつ蛍光発光素子４５を回転させずに固定すれば、回折格子を透過した蛍光光の配光分布を任意に制御できる。

本実施形態によれば、光源装置８０が上記の蛍光発光素子４５を備えているため、蛍光光の利用効率が高い。また、本実施形態によれば、プロジェクター１０００が上記の光源装置８０を備えているため、蛍光発光素子４５で発生した蛍光光を効率的に利用するプロジェクター１０００を実現することができる。

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。
例えば上記実施形態では、互いに直交する２つの方向に周期的な凹凸構造を有する回折格子の例を示したが、１つの方向に周期的な凹凸構造を有する回折格子が用いられてもよい。

その他、蛍光発光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。

１０…励起光源、４０…基板、４２…蛍光体層、４４…ダイクロイック層、４５…蛍光発光素子、４７…回折格子、８０…光源装置、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投射光学系、１０００…プロジェクター。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の第１面の側に設けられた蛍光体層と、
   前記基板と前記蛍光体層との間に設けられたダイクロイック層と、
   前記ダイクロイック層とは反対側の前記蛍光体層の面に設けられた回折格子と、
   を備え、
   前記蛍光体層で生成された蛍光光が前記ダイクロイック層に対するブリュースター角で前記回折格子に入射した場合において、前記回折格子を透過する−３次の回折光が発生するように前記回折格子が構成されている、蛍光発光素子。
2. 前記回折格子は、前記第１面の面法線方向から見て、互いに直交する第１方向および第２方向に周期的な凹凸構造を有する、請求項１に記載の蛍光発光素子。
3. 前記凹凸構造は、前記第１方向におけるピッチと前記第２方向におけるピッチとが互いに異なる、請求項２に記載の蛍光発光素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の蛍光発光素子と、
   前記蛍光体層を励起させる励起光を射出する励起光源と、を備えた、光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された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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