JP2018054788A - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents

波長変換素子、光源装置及びプロジェクター Download PDF

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Abstract

【課題】波長変換効率の低下を抑制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。【解決手段】基板と、入射された第１波長の光を前記第１波長の光とは異なる第２波長の光に変換する波長変換部と、前記基板と前記波長変換部とを接合する接合材と、を備え、前記波長変換部は、前記第１波長の光が入射される第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、前記接合材は、前記基板と前記波長変換部の前記第２面とを接合するとともに、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、前記第２面において前記第２面よりも内側に位置する接合領域を形成し、前記波長変換部は、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に前記接合領域よりも内側に、前記第１波長の光が照射される照射領域が前記第１面において設定されていることを特徴とする波長変換素子。【選択図】図４

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。
従来、光源装置と、当該光源装置から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成する光変調装置と、形成された画像をスクリーン等の被投射面上に拡大投射する投射光学装置と、を備えたプロジェクターが知られている。このようなプロジェクターに用いられる光源装置として、固体光源及び蛍光体層を有する光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載の光源装置は、固体光源、蛍光体層の他、反射層、金属バンプ（接合材）及び基板を有し、蛍光体層の固体光源から励起光が入射される面とは反対側の面に反射層が設けられている。また、基板と反射層との間には、接合材が配置され、当該接合材は、蛍光体層及び反射層を基板上に支持している。これにより、蛍光体層における上記励起光が照射される照射領域の熱は、接合材を介して基板に伝達され、当該基板によって蛍光体層の熱を放熱している。
特開２０１４−１３７９７３号公報
ところで、上記特許文献１に記載の蛍光体層（波長変換部）に励起光が入射される際に、当該波長変換部を光の入射方向に沿って見た場合に、波長変換部における接合材が配置されている領域（以下、接合領域という場合がある）より外側の領域に励起光が入射される場合がある。このように、上記外側の領域に励起光が入射されると、波長変換部における当該外側の領域の反対側の面には、接合材が配置されていないので、当該外側の領域における波長変換部の熱を、接合材を介して基板に伝達することができない。このため、波長変換部の温度が上昇し、入射された励起光の波長変換効率が低下するという課題がある。
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決することを目的とするものであり、波長変換効率の低下を抑制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の１つとする。
本発明の第１態様に係る波長変換素子は、基板と、入射された第１波長の光を前記第１波長の光とは異なる第２波長の光に変換する波長変換部と、前記基板と前記波長変換部とを接合する接合材と、を備え、前記波長変換部は、前記第１波長の光が入射される第１面と、前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、前記接合材は、前記基板と前記波長変換部の前記第２面とを接合するとともに、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、前記第２面において前記第２面よりも内側に位置する接合領域を形成し、前記波長変換部は、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に前記接合領域よりも内側に、前記第１波長の光が照射される照射領域が前記第１面において設定されていることを特徴とする。
なお、上記第１波長の光としては、励起光を例示でき、上記第２波長の光としては、蛍光を例示できる。
上記第１態様によれば、波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、第２面において接合材が位置する接合領域の内側に第１波長の光が照射される照射領域が第１面において設定されているので、当該接合領域の外側の領域に第１波長の光が入射することを抑制できる。また、波長変換部の第２面において第１面の照射領域に対向する位置に接合材が確実に位置するので、当該照射領域に照射された第１波長の光により当該照射領域の温度が上昇した場合に、当該照射領域（波長変換部）の熱を、接合材を介して基板に伝達できる。従って、波長変換部を効率よく冷却できるので、当該波長変換部の波長変換効率の低下を抑制できる。
上記第１態様では、前記波長変換部は、前記第１波長の光を前記第２波長の光に変換する波長変換層と、前記波長変換層を介して入射された光を反射させる反射層と、を有し、前記第２面は、前記反射層において前記波長変換層と対向する面とは反対側の面であることが好ましい。
このような構成によれば、波長変換層を介して入射された光を波長変換層に向けて反射させることができるので、例えば、波長変換部が上記反射層を有していない波長変換素子に比べて、第１波長の光を第２波長の光に変換する波長変換効率を高めることができる。
上記第１態様では、前記接合材は、金属を含み層状に形成されていることが好ましい。
なお、上記金属としては、銀（Ａｇ）を例示できる。上記「層状」とは、上記接合材が基板と波長変換部の第２面とを接合する際に、金属バンプのように断続的ではなく、一様に基板と第２面とを接合することを意味している。上記接合材を形成するために、金属ペーストを焼結してもよい。なお、上記層状に一様に形成された接合材は、金属バンプのように肉眼で目視できる程度に断続的でなければ、当該接合材の内部に微細な気泡を含んでいてもよい。すなわち、内部がポラス状の金属層であってもよい。
このような構成によれば、波長変換部の第２面よりも内側に位置する接合材が金属を含み層状に構成されていることから、当該接合材を金属バンプのように断続的でなく密に構成できるので、当該接合材を介して波長変換部の熱を基板により確実に伝達できる。従って、波長変換部を更に効率よく冷却できるので、当該波長変換部の波長変換効率の低下を更に抑制できる。
本発明の第２態様に係る光源装置は、上記波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて前記第１波長の光束を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
上記第２態様によれば、上記第１態様に係る波長変換素子と同様の効果を奏することができる。すなわち、光源装置において、上記波長変換素子を用いることにより、波長変換部の波長変換効率の低下を抑制した光源装置を得ることができる。
上記第２態様では、前記接合領域の内側には、自然対数の底をｅとし、前記光源から出射される前記第１波長の光束の中心強度を１としたとき、前記第１波長の光束のうち、前記光強度が前記中心強度の１／ｅ２以上となる部分光束が照射されることが好ましい。
なお、自然対数の底をｅとしたとき、上記光強度が中心強度の１／ｅ２以上となる部分光束は、光源から出射される光のうち有効に利用できる範囲の光束に相当する。
このような構成によれば、上記第１態様に係る波長変換素子と同様の効果を奏することができる。また、自然対数の底をｅとし、光源から出射される第１波長の光束の中心強度を１としたときに、上記光強度が中心強度の１／ｅ２以上となる部分光束が接合領域の内側に出射されるので、例えば、当該接合領域より外側に上記第１波長の光束が照射された場合であっても、当該接合領域より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が照射されるので、波長変換部の温度上昇を抑制できる。従って、波長変換素子の温度上昇を抑制できるので、当該光源装置から安定して第２波長の光を含む光を安定して出射させることができる。
上記第２態様では、前記波長変換素子に入射される前記第１波長の光束の前記照射域内における照射位置を変更する位置変更部を有することが好ましい。
上記位置変更部としては、波長変換素子に入射される第１波長の光束を集光するピックアップ光学装置を例示できる。
このような構成によれば、位置変更部により照射領域内における第１波長の光束の照射位置を変更できるので、予め設定された照射領域に連続して第１波長の光束が入射される場合に比べて、波長変換素子の温度上昇を抑制でき、当該波長変換素子の波長変換効率の低下を抑制できる。また、位置変更部により照射領域内における第１波長の光束の照射位置を変更できるので、予め設定された照射領域に連続して第１波長の光束が入射される場合に比べて、当該入射される第１波長の光束に基づく波長変換素子の劣化を抑制できる。従って、波長変換素子により波長変換された第２波長の光を含む光束をより安定して出射させることができる。また、波長変換素子の劣化を抑制できるので、当該波長変換素子、ひいては、光源装置の長寿命化を図ることができる。
本発明の第３態様に係るプロジェクターは、上記光源装置と、前記光源装置から出射された前記第１波長の光束を含む光を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装置と、を備えることを特徴とする。
上記第３態様によれば、上記第２態様に係る光源装置と同様の効果を奏することができる。また、光源装置から第２波長の光を含む光が安定して出射されるので、投射光学装置から安定して投射画像を投射でき、プロジェクターの信頼性を高めることができる。
本発明の一実施形態に係るプロジェクターの外観を示す斜視図。 上記実施形態における装置本体の構成を示す模式図。 上記実施形態における照明装置の構成を示す模式図。 上記実施形態における波長変換素子を示す側面図。 上記実施形態における波長変換素子の平面及び入射される励起光の光強度分布を示す図。
以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
［プロジェクターの概略構成］
図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の外観を示す斜視図である。
本実施形態に係るプロジェクター１は、後述する照明装置４１から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成し、形成された画像をスクリーン等の被投射面ＰＳ上に拡大投射する投射型画像表示装置である。このプロジェクター１は、図１に示すように、外観を構成する外装筐体２と、当該外装筐体２内に収容配置される装置本体３（図２参照）と、を備える。
このようなプロジェクター１は、詳しくは後述するが、基板５１と波長変換部５２とを接合する接合材５５が当該波長変換部５２の第２面（反射層５４の接合面５４Ｂ）よりも内側に位置し、光源部４１１から出射された励起光が、波長変換部５２の第１面（波長変換層５３の第１面５３Ａ）における接合材５５が位置する接合領域Ａｒ１の内側に入射される点を、特徴の１つとしている（図３参照）。
以下、プロジェクター１の構成について説明する。
［外装筐体の構成］
外装筐体２は、それぞれ合成樹脂により形成されたアッパーケース２Ａ、ロアーケース２Ｂ、フロントケース２Ｃ及びリアケース２Ｄが組み合わされて、略直方体形状に構成されている。このような外装筐体２は、天面部２１、底面部２２、正面部２３、背面部２４、左側面部２５及び右側面部２６を有する。
底面部２２には、プロジェクター１が載置面に載置される場合に当該載置面に接触する脚部２２１（図１では２つの脚部２２１のみ図示）が、複数箇所に設けられている。
正面部２３の中央部分には、後述する投射光学装置４６の端部４６１を露出させ、当該投射光学装置４６により投射される画像が通過する開口部２３１が形成されている。
また、正面部２３において左側面部２５側の位置には、外装筐体２内の熱を帯びた冷却気体が排出される排気口２３２が形成され、当該排気口２３２には、複数のルーバー２３３が設けられている。
一方、正面部２３において右側面部２６側の位置には、プロジェクター１の動作状態を示す複数のインジケーター２３４が設けられている。
右側面部２６には、外部の空気を冷却気体として内部に導入する導入口２６１が形成され、当該導入口２６１には、フィルター（図示省略）が設けられたカバー部材２６２が取り付けられている。
［装置本体の構成］
図２は、装置本体３の構成を示す模式図である。
装置本体３は、図２に示すように、画像投射装置４を備える。更に、図示を省略するが、装置本体３は、プロジェクター１の動作を制御する制御装置、プロジェクター１を構成する電子部品に電力を供給する電源装置、及び、冷却対象を冷却する冷却装置を備える。
［画像投射装置の構成］
画像投射装置４は、上記制御装置から入力される画像信号に応じた画像を形成して、上記被投射面ＰＳ上に投射する。この画像投射装置４は、照明装置４１、色分離装置４２、
平行化レンズ４３、光変調装置４４、色合成装置４５及び投射光学装置４６を備える。
これらのうち、照明装置４１は、光変調装置４４を均一に照明する照明光ＷＬを出射する。この照明装置４１の構成については、後に詳述する。
色分離装置４２は、照明装置４１から入射される照明光ＷＬから青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲを分離する。この色分離装置４２は、ダイクロイックミラー４２１，４２２、反射ミラー４２３，４２４，４２５及びリレーレンズ４２６，４２７と、これらを内部に収容する光学部品用筐体４２８と、を備える。
ダイクロイックミラー４２１は、上記照明光ＷＬに含まれる青色光ＬＢを透過させ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲを反射させる。このダイクロイックミラー４２１を透過した青色光ＬＢは、反射ミラー４２３にて反射され、平行化レンズ４３（４３Ｂ）に導かれる。
ダイクロイックミラー４２２は、上記ダイクロイックミラー４２１にて反射された緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲのうち、緑色光ＬＧを反射させて平行化レンズ４３（４３Ｇ）に導き、赤色光ＬＲを透過させる。この赤色光ＬＲは、リレーレンズ４２６、反射ミラー４２４、リレーレンズ４２７及び反射ミラー４２５を介して、平行化レンズ４３（４３Ｒ）に導かれる。
平行化レンズ４３（赤、緑及び青の各色光用の平行化レンズを、それぞれ４３Ｒ，４３Ｇ，４３Ｂとする）は、入射される光を平行化する。
光変調装置４４（赤、緑及び青の各色光用の光変調装置を、それぞれ４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂとする）は、それぞれ入射される上記色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを変調して、制御装置から入力される画像信号に応じた色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢに基づく画像を形成する。これら光変調装置４４のそれぞれは、例えば、入射される光を変調する液晶パネルと、当該液晶パネルの入射側及び出射側のそれぞれに配置される偏光板と、を備えて構成される。
色合成装置４５は、各光変調装置４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂから入射される色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢに基づく画像を合成する。この色合成装置４５は、本実施形態では、クロスダイクロイックプリズムにより構成されているが、複数のダイクロイックミラーによって構成することも可能である。
投射光学装置４６は、色合成装置４５にて合成された画像を上記被投射面ＰＳに拡大投射する。このような投射光学装置４６として、例えば、鏡筒と、当該鏡筒内に配置される複数のレンズとにより構成される組レンズを採用できる。
［照明装置の構成］
図３は、照明装置４１の構成を示す模式図である。
照明装置４１は、本発明の光源装置に相当し、照明光ＷＬを色分離装置４２に向けて出射する。この照明装置４１は、図３に示すように、光源部４１１、アフォーカル光学装置４１２、ホモジナイザー光学装置４１３、偏光分離装置４１４、位相差板４１５、ピックアップ光学装置４１６、波長変換素子５、インテグレーター光学装置４１７、偏光変換素子４１８及び重畳レンズ４１９を備える。
これらのうち、光源部４１１、アフォーカル光学装置４１２及びホモジナイザー光学装置４１３は、第１照明光軸Ａｘ１上に配置されている。一方、位相差板４１５、ピックアップ光学装置４１６、波長変換素子５、インテグレーター光学装置４１７、偏光変換素子４１８及び重畳レンズ４１９は、第１照明光軸Ａｘ１に直交する第２照明光軸Ａｘ２上に配置される。そして、偏光分離装置４１４は、第１照明光軸Ａｘ１と第２照明光軸Ａｘ２との交差部分に配置される。
光源部４１１は、アフォーカル光学装置４１２に向けて、青色光である励起光ＥＬを出射する。この光源部４１１は、光源としてのアレイ光源４１１Ａと、当該アレイ光源４１１Ａから出射された励起光ＥＬが入射されるコリメーター光学装置４１１Ｂと、を備える。
アレイ光源４１１Ａは、第１照明光軸Ａｘ１に対する直交面内に複数の半導体レーザー４１１１がアレイ状に配列された構成を有する。これら半導体レーザー４１１１は、例えば、４４０〜４８０ｎｍの波長域にピーク波長を有する励起光ＥＬ（青色光）を出射するＬＤ（Laser Diode）である。また、半導体レーザー４１１１から出射される励起光ＥＬは、コヒーレントな直線偏光であり、偏光分離装置４１４に向けて第１照明光軸Ａｘ１と平行に出射される。なお、本実施形態では、各半導体レーザー４１１１が出射する励起光ＥＬの偏光方向は、偏光分離装置４１４の偏光分離層４１４３にて反射される偏光成分の偏光方向と一致しており、当該励起光ＥＬはｓ偏光である。
コリメーター光学装置４１１Ｂは、アレイ光源４１１Ａから入射される励起光ＥＬを平行光に変換する。このコリメーター光学装置４１１Ｂは、例えば各半導体レーザー４１１１に対応してアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ４１１２を備えて構成される。このようなコリメーター光学装置４１１Ｂを通過して平行光に変換された励起光ＥＬは、アフォーカル光学装置４１２に入射される。
アフォーカル光学装置４１２は、コリメーター光学装置４１１Ｂから入射された励起光ＥＬの光束径を調整する。このアフォーカル光学装置４１２は、集光レンズ４１２１及び平行化レンズ４１２２を備える。このようなアフォーカル光学装置４１２を通過して光束径が調整された励起光ＥＬは、ホモジナイザー光学装置４１３に入射される。
ホモジナイザー光学装置４１３は、後述するピックアップ光学装置４１６と協同して、波長変換素子５の照明領域における励起光ＥＬの照度分布を均一化する。このホモジナイザー光学装置４１３は、第１照明光軸Ａｘ１に対する直交面にそれぞれ複数の小レンズがマトリクス状に配列されたマルチレンズアレイ４１３１，４１３２を備える。このようなホモジナイザー光学装置４１３から出射された励起光ＥＬは、偏光分離装置４１４に入射される。
偏光分離装置４１４は、ｐ偏光及びｓ偏光のうち、一方の偏光光を通過させ、他方の偏光光を反射させるものである。この偏光分離装置４１４は、それぞれ略三角柱形状に形成されたプリズム４１４１，４１４２を備え、全体略直方体形状に形成された、いわゆるプリズム型の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）として構成されている。これらプリズム４１４１，４１４２の界面は、それぞれ第１照明光軸Ａｘ１及び第２照明光軸Ａｘ２に対して４５°の角度で傾斜しており、当該界面には、偏光分離層４１４３が配置されている。
偏光分離層４１４３は、励起光ＥＬに含まれるｓ偏光とｐ偏光とを分離する特性を有する他、後述する波長変換素子５にて生じた蛍光を、当該蛍光の偏光状態に依らずに透過させる特性を有する。すなわち、偏光分離層４１４３は、青色光領域の波長の光についてはｓ偏光とｐ偏光とを分離するが、緑色光領域及び赤色光領域の波長の光についてはｓ偏光及びｐ偏光のそれぞれを透過させる、波長選択性の偏光分離特性を有する。
このような偏光分離装置４１４は、入射されたｓ偏光の励起光ＥＬを、第２照明光軸Ａｘ２に沿って位相差板４１５側に反射させる。また、詳しくは後述するが、偏光分離装置４１４は、位相差板４１５側から入射される蛍光とｐ偏光の励起光とを透過させ、これら蛍光及び励起光（青色光）を合成してインテグレーター光学装置４１７に入射させる。
なお、偏光分離装置４１４は、プリズム型に限らず、プレート型でもよい。
位相差板４１５は、１／４波長板である。この位相差板４１５は、偏光分離装置４１４から入射されるｓ偏光の励起光ＥＬｓを円偏光の励起光ＥＬｃに変換し、当該円偏光の励起光ＥＬｃをピックアップ光学装置４１６に入射させる。
ピックアップ光学装置４１６は、位相差板４１５から入射される励起光ＥＬｃを波長変換素子５に集光する。このピックアップ光学装置４１６は、２つのレンズ４１６１，４１６２及び位置変更部４１６３を有する。これらのうち、位置変更部４１６３は、２つのレンズ４１６１，４１６２のそれぞれに接続され、これら２つのレンズ４１６１，４１６２の位置を変更し、後述する照射領域Ａｒ２内における励起光の照射位置を変更する。
なお、本実施形態では、ピックアップ光学装置４１６は、２つのレンズ４１６１，４１６２を備えることとしたが、当該ピックアップ光学装置４１６を構成するレンズの数は２に限らず、１でも３以上でもよい。また、上記位置変更部４１６３は、なくてもよい。
波長変換素子５は、ピックアップ光学装置４１６から入射される青色光である励起光ＥＬｃ（第１波長の光）の一部を拡散反射させるとともに、他の一部を緑色光及び赤色光を含む蛍光（第２波長の光）に変換して出射する、反射型の波長変換素子である。この波長変換素子５にて生成される蛍光は、本実施形態では、５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する光である。なお、波長変換素子５の構成については、後述する。
このような波長変換素子５から出射された励起光ＥＬｃ及び蛍光ＹＬ（図４参照）を含む照明光ＷＬは、ピックアップ光学装置４１６を介して、位相差板４１５に入射される。
これらのうち、励起光ＥＬｃは、波長変換素子５にて反射されるときに、当該波長変換素子５に入射された円偏光とは逆回りの円偏光となり、位相差板４１５を再度通過する過程にて、当該逆回りの円偏光の励起光ＥＬｃは、ｓ偏光に対して偏光方向が９０°回転されたｐ偏光の励起光に変換される。このｐ偏光の励起光は、上記偏光分離装置４１４を第２照明光軸Ａｘ２に沿って通過して、インテグレーター光学装置４１７に青色光として入射される。
一方、波長変換素子５から出射された蛍光ＹＬは非偏光光であり、偏光分離層４１４３が上記波長選択性の偏光分離特性を有することから、ピックアップ光学装置４１６及び位相差板４１５を通過した後、第２照明光軸Ａｘ２に沿って偏光分離装置４１４を通過して、インテグレーター光学装置４１７に緑色光及び赤色光として入射される。
これにより、白色の照明光ＷＬが、偏光分離装置４１４を介してインテグレーター光学装置４１７に入射される。
インテグレーター光学装置４１７は、重畳レンズ４１９と協同して、光変調装置４４における照明光ＷＬの照度分布を均一化する。このインテグレーター光学装置４１７は、上記ホモジナイザー光学装置４１３と同様に、第２照明光軸Ａｘ２に対する直交面内にそれぞれ複数の小レンズがマトリクス状に配列されたレンズアレイ４１７１，４１７２を備える。このようなインテグレーター光学装置４１７から出射された照明光ＷＬは、偏光変換素子４１８に入射する。
偏光変換素子４１８は、入射される照明光ＷＬの偏光方向を揃える機能を有する。この偏光変換素子４１８から出射された照明光ＷＬは、重畳レンズ４１９に入射する。
そして、当該重畳レンズ４１９を介した照明光ＷＬは、上記色分離装置４２のダイクロイックミラー４２１に入射される。
［波長変換素子の構成］
図４は、波長変換素子５を示す断面図であり、図５は、波長変換素子５の平面及び接合領域Ａｒ１における光強度分布を示す図である。なお、図４では、説明を分かりやすくするため、励起光ＥＬｃを斜線にて示している。
波長変換素子５は、上記のように、ピックアップ光学装置４１６から入射される励起光ＥＬｃの一部を拡散反射させるとともに、他の一部の励起光ＥＬｃを波長変換して生成される蛍光ＹＬを、当該励起光ＥＬｃの入射側（すなわちピックアップ光学装置４１６側）に出射する。この波長変換素子５は、図４に示すように、基板５１、波長変換部５２及び接合材５５を有する。また、これらのうち波長変換部５２は、波長変換層５３及び反射層５４を有する。
これらは、ピックアップ光学装置４１６からの励起光ＥＬｃの入射側から、波長変換層５３、反射層５４、接合材５５の順に、基板５１上に積層されている。
具体的に、接合材５５は、基板５１における一方の面側（励起光ＥＬｃの入射側の面５１Ａ側）に位置し、当該基板５１と、波長変換部５２の第２面に相当する反射層５４の接合面５４Ｂと、を接合する。すなわち、波長変換層５３は、当該波長変換層５３に蒸着された（一体化された）反射層５４が接合材５５によって基板５１に接合されることにより、当該基板５１に固定されている。
これらのうち、基板５１は、波長変換部５２（波長変換層５３及び反射層５４）を接合材５５を介して支持する支持基板である他、当該波長変換部５２から伝導された熱を放熱する放熱基板である。この基板５１は、図４及び図５に示すように、矩形板状に形成され、金属やセラミックス等により形成される。
このような基板５１は、上記ピックアップ光学装置４１６から出射された励起光ＥＬｃが波長変換部５２（波長変換層５３）に入射される位置に固定されている。
波長変換部５２は、上述したように、波長変換層５３及び反射層５４を有する。この波長変換部５２は、励起光ＥＬｃが入射する第１面及び当該第１面とは反対側に位置する第２面を有する。すなわち、波長変換部５２の第１面は、後述する波長変換層５３の第１面５３Ａに相当し、波長変換部５２の第２面は、反射層５４の接合面５４Ｂに相当する。
波長変換層５３は、上記のように波長変換素子５において最もピックアップ光学装置４１６側、すなわち、当該ピックアップ光学装置４１６（波長変換素子５）から入射される励起光ＥＬｃの最も入射側に位置する。
この波長変換層５３は、入射される励起光ＥＬｃによって励起され、蛍光ＹＬを出射する。すなわち、波長変換層５３は、第１波長（青色光の波長域）の励起光ＥＬｃを第２波長（緑色光〜赤色光の波長域）の蛍光ＹＬに波長変換する。このような波長変換層５３の波長変換材料には、黄色蛍光体と、緑色蛍光体及び赤色蛍光体とのいずれかの混合物が含まれる。これら蛍光体の含有比率は、照明装置４１から出射される照明光ＷＬの波長に基づいて設定される。このような蛍光体としては、反射層５４との接合を考慮し、セラミック蛍光体や、蛍光体粉末とガラスバインダーとを混合した蛍光体を例示できる。なお、本実施形態では、波長変換層５３の厚さ寸法は、略１００μｍに設定されているが、当該厚さ寸法は１００μｍより小さくてもよい。
このような波長変換層５３は、図５に示すように、略矩形板状に形成され、励起光ＥＬｃが入射される第１面５３Ａと、当該第１面５３Ａとは反対方向側（反射層５４側）に位置する第２面５３Ｂを有し、当該第２面５３Ｂには、反射層５４の反射面５４Ａが位置する。
反射層５４は、波長変換層５３からの光を、当該波長変換層５３に向けて反射させる。波長変換層５３から出射される蛍光ＹＬは、図４に示すように、波長変換層５３の略全領域から外側に拡がるように拡散される。このような反射層５４は、上記波長変換層５３側に位置し、波長変換層５３から入射される光を反射させる反射面５４Ａと、当該反射面５４Ａとは反対側に位置する接合面５４Ｂと、を有する。これらのうち、接合面５４Ｂと基板５１との間には、接合材５５が位置する。
［接合材の構成］
接合材５５は、波長変換部５２の反射層５４と基板５１とを接合し、波長変換層５３及び反射層５４を基板５１の上記面５１Ａ上に固定する。この接合材５５は、図４に示すように、基板５１側に向かうに従って外周側に拡大する略四角錐状に形成される。
接合材５５は、図４に示すように、金属バンプのように断続的ではなく、層状に一様に形成される。また、接合材５５は、金属を含む金属ペーストにより構成される。本実施形態では、接合材５５は、上記金属として銀（Ａｇ）を含む金属ペーストである銀半田により構成されている。
このような接合材５５は、基板５１の上記面５１Ａ上に塗布され、焼結されることによって、当該基板５１と上記反射層５４（波長変換部５２の第２面）とを接合する。上記反射層５４の接合面５４Ｂ及び基板５１の面５１Ａに固着し、基板５１に反射層５４が固定される。
なお、上記焼結後の当該接合材５５は、金属バンプのように肉眼で目視できる程度に断続的でなければ、当該接合材の内部に微細な気泡を含むポラス状の銀板であってもよい。
［接合材の基板上の位置］
このような接合材５５は、図４及び図５に示すように、波長変換層５３に入射される励起光ＥＬｃの進行方向に沿って見た場合に、波長変換部５２の第２面である接合面５４Ｂの内側に位置する。具体的に、反射層５４の接合面５４Ｂと接合材５５とが固着している接合領域Ａｒ１は、図５に示すように、波長変換層５３の外周端より内側に位置する略矩形状の領域である。すなわち、接合領域Ａｒ１における上記励起光ＥＬｃの入射方向に直交する方向の寸法Ｌ２は、波長変換部５２の励起光ＥＬｃの入射方向に直交する方向の寸法Ｌ３よりも小さい。このため、波長変換層５３及び反射層５４の外周端近傍には、接合材５５が位置していない。
ここで、接合材５５と同じ金属ペーストにより構成される接合材が、例えば、反射層５４の接合面５４Ｂの全面、及び、波長変換層５３の側面に位置している場合、波長変換層５３によって変換された蛍光ＹＬが、波長変換層５３の外周端及び反射層５４の外周端近傍に位置する接合材により遮蔽される。このため、波長変換層５３の外周端近傍及び反射層５４の外周端近傍から本来出射されるべき蛍光ＹＬが出射されないので、波長変換素子５の波長変換効率が低下する。
これに対し、本実施形態では、接合材５５は、波長変換部５２の第２面である反射層５４の接合面５４Ｂの内側に位置している。すなわち、接合材５５は、波長変換層５３及び反射層５４の外周端に位置していないので、当該接合材５５によって波長変換素子５から出射される蛍光ＹＬの出射効率、すなわち、波長変換効率が低下することを抑制できる。
［波長変換素子への励起光の入射位置］
また、ピックアップ光学装置４１６から波長変換部５２（波長変換層５３）に入射される励起光ＥＬｃは、図４及び図５に示すように、当該波長変換部５２の第１面（波長変換層５３の第１面５３Ａ）において、接合面５４Ｂの接合材５５が位置する接合領域Ａｒ１の内側に照射される。具体的に、ピックアップ光学装置４１６から波長変換部５２の第１面（上記第１面５３Ａ）に入射される励起光ＥＬｃは、当該ピックアップ光学装置４１６により当該第１面５３Ａの中心Ｃに向けて集光されるので、当該励起光ＥＬｃの第１面５３Ａにおける照射領域Ａｒ２は、上記接合領域Ａｒ１の内側に位置する。このため、波長変換層５３の第１面５３Ａにおける照射領域Ａｒ２の上記励起光ＥＬｃの入射方向に直交する方向の寸法Ｌ１は、上記第１面５３Ａにおける上記接合領域Ａｒ１の寸法Ｌ２よりも小さい。すなわち、波長変換部５２を励起光ＥＬｃの入射方向に沿う方向から見た場合に、当該波長変換部５２における接合材５５が位置する範囲内に上記励起光ＥＬｃが照射される。
［接合領域の光強度分布］
光源部４１１から出射され、ピックアップ光学装置４１６を介して照射領域Ａｒ２に照射されるレーザー光の光強度は、波長変換部５２の波長変換層５３により波長変換が可能な光強度の光に設定されている。具体的に、照射領域Ａｒ２に照射される励起光ＥＬｃの光強度は、図５に示すように、照射領域Ａｒ２の中心Ｃが最も高く、外側に向かうに従って低くなっており、いずれもが自然対数の底をｅとし、励起光ＥＬｃの光強度の中心強度（中心Ｃにおける光強度）を１としたときに、１／ｅ２より大きい光強度の部分光束が入射される。
ここで、上記照射領域Ａｒ２に向けて励起光ＥＬｃが照射される場合、当該励起光ＥＬｃの一部が当該照射領域Ａｒ２の外側や、第１面５３Ａにおける接合領域Ａｒ１の外側に当該励起光ＥＬｃの一部が入射することがある。
これに対し、本実施形態では、自然対数の底をｅとし、励起光ＥＬｃの光強度の中心強度を１としたときに、１／ｅ２以上となる部分光束、すなわち、波長変換部５２の波長変換層５３により波長変換が可能な光強度の励起光ＥＬｃが接合領域Ａｒ１の内側（照射領域Ａｒ２）に出射される。このため、例えば、当該接合領域Ａｒ１の外側に上記励起光ＥＬｃの一部が入射した場合であっても、当該接合領域Ａｒ１より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が入射するので、波長変換部５２の温度が上昇する可能性が低い。換言すると、照射領域Ａｒ２の面積が上記接合領域Ａｒ１の面積より大きくなった場合でも、当該接合領域Ａｒ１より外側に位置する領域に入射される励起光ＥＬｃの光強度が、自然対数の底をｅとし、当該励起光ＥＬｃの光強度の中心強度を１としたときに、１／ｅ２未満の光が入射されるので、波長変換部５２の発熱量が小さくなる。このため、当該接合領域Ａｒ１の外側の領域にて発生した熱は、接合材５５により基板５１に伝達される。
［実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１は、以下の効果を奏する。
波長変換部５２における励起光ＥＬｃが入射される第１面５３Ａにおいて、接合面５４Ｂの接合材５５が位置する接合領域Ａｒ１の内側に当該励起光ＥＬｃが照射される照射領域Ａｒ２が設定されているので、当該接合領域Ａｒ１の外側の領域に励起光ＥＬｃが入射することを抑制できる。また、波長変換部５２の第２面（接合面５４Ｂ）における照射領域Ａｒ２に対向する位置に接合材５５が確実に位置するので、当該照射領域Ａｒ２に照射された励起光ＥＬｃにより当該照射領域Ａｒ２の温度が上昇した場合に、当該照射領域Ａｒ２（波長変換部５２）の熱を、接合材５５を介して基板５１に伝達できる。従って、波長変換部５２を効率よく冷却できるので、当該波長変換部５２の波長変換効率の低下を抑制できる。
反射層５４によって波長変換層５３を介して入射された光を当該波長変換層５３に向けて反射させることができるので、例えば、波長変換部５２が上記反射層５４を有していない波長変換素子に比べて、励起光ＥＬｃを蛍光ＹＬに変換する波長変換効率を高めることができる。
波長変換部５２の第２面である接合面５４Ｂよりも内側に位置する接合材５５が銀（Ａｇ）を含む金属ペーストにより構成されていることから、金属バンプのように断続的ではなく、層状に一様に当該接合材５５を構成できるので、当該接合材５５を介して波長変換部５２の熱を基板５１により確実に伝達できる。従って、波長変換部５２を更に効率よく冷却できるので、当該波長変換部５２の波長変換効率の低下を更に抑制できる。
本実施形態では、自然対数の底をｅとし、励起光ＥＬｃの光強度の中心強度を１としたときに、上記光強度が中心強度の１／ｅ２以上となる励起光ＥＬｃの部分光束が接合領域Ａｒ１の内側（照射領域Ａｒ２）に照射される。このため、例えば、当該接合領域Ａｒ１より外側に上記励起光ＥＬｃの一部が入射した場合であっても、当該接合領域Ａｒ１より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が入射されるので、波長変換部５２の温度上昇を抑制できる。従って、波長変換素子５の温度上昇を抑制できるので、照明装置４１から安定して波長変換素子５により変換された蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを安定して出射させることができる。
ピックアップ光学装置４１６の位置変更部４１６３により照射領域Ａｒ２内における励起光ＥＬｃの入射位置を変更できるので、予め設定された照射領域Ａｒ２に連続して励起光ＥＬｃが入射される場合に比べて、当該入射される励起光ＥＬｃに基づく波長変換素子５の劣化を抑制できる。従って、波長変換素子５により波長変換された蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬをより安定して出射させることができる。また、波長変換素子５の劣化を抑制できるので、当該波長変換素子５、ひいては、照明装置４１の長寿命化を図ることができる。
また、照明装置４１から蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬが安定して出射されるので、投射光学装置４６から安定して投射画像を投射でき、プロジェクター１の信頼性を高めることができる。
［実施形態の変形］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、波長変換素子５は、励起光ＥＬｃの入射によって生じる蛍光ＹＬを当該励起光ＥＬｃの入射側に出射する反射型の波長変換素子として構成した。しかしながら、これに限らず、基板５１の面５１Ａとは反対側の面から蛍光ＹＬを出射する透過型の波長変換素子として構成してもよい。この場合、基板５１を透光性部材とし、反射層５４に代えて、励起光ＥＬｃを透過し、蛍光ＹＬを反射させる波長選択性反射層を、波長変換層５３に対して基板５１とは反対側に配置することにより、当該透過型の波長変換素子を構成できる。すなわち、波長変換素子５の波長変換部５２は、反射層５４を有していなくてもよい。
上記実施形態では、接合材５５は、金属として銀（Ａｇ）を含む金属ペーストにより形成されていることとしたが、これに限らない。例えば、接合材５５は、上記金属として銅やスズを含む金属ペーストにより形成されていてもよい。
上記実施形態では、接合領域Ａｒ１の内側には、自然対数の底をｅとし、励起光ＥＬｃの光強度の中心強度を１としたときに、光強度が中心強度の１／ｅ２以上となる励起光ＥＬｃの部分光束が照射されることとした。しかしながら、これに限らず、上記部分光束は、接合領域Ａｒ１内に位置する照射領域Ａｒ２に照射されることとしてもよい。この場合、照射領域Ａｒ２より外側に励起光ＥＬｃが照射された場合であっても、当該照射領域Ａｒ２より外側に位置する領域には、有効に利用できない範囲の光束、すなわち、光強度が比較的弱い光束が入射されるので、波長変換部５２の温度上昇を更に抑制できる。
上記実施形態では、ピックアップ光学装置４１６は、照射領域Ａｒ２内における励起光の入射位置を変更する位置変更部４１６３を有することとした。しかしながら、これに限らず、当該ピックアップ光学装置４１６は、位置変更部４１６３を有していなくてもよい。例えば、上記位置変更部４１６３に代えて、波長変換素子５のピックアップ光学装置４１６に対する位置を変更する移動機構を設けてもよい。これによれば、波長変換素子５を移動させることにより、ピックアップ光学装置４１６から入射される励起光ＥＬｃの波長変換層５３の第１面５３Ａにおける照射領域Ａｒ２の位置を変更できる。
上記実施形態では、波長変換層５３は、励起光ＥＬｃの入射方向に沿って見た場合に、略矩形状（略正方形状）に形成されていることとした。しかしながら、これに限らず、波長変換層５３は、例えば、略長方形状に形成されてもよいし、略円形状に形成されてもよい。
また、上記実施形態では、波長変換層５３の第１面５３Ａにおける接合領域Ａｒ１及び照射領域Ａｒ２のそれぞれは、励起光ＥＬｃの入射方向に沿って見た場合に略矩形状に形成されているが、これに限らず、例えば、上記波長変換層５３の形状に合わせて、略長方形状や略円形状であってもよい。すなわち、波長変換部５２（波長変換層５３）の励起光ＥＬｃの入射方向に沿って見た場合の形状は、適宜変更可能である。
上記実施形態では、画像投射装置４は、上記図２に示した構成を有し、照明装置４１は、上記図３に示した構成及び配置を有するとした。しかしながら、これに限らず、画像投射装置、照明装置及び光源装置の構成及び配置は、適宜変更してよい。例えば、光源部４１１は、半導体レーザー４１１１から出射された励起光のうち、一部を拡散装置にて拡散反射させ、他の一部を波長変換素子５に入射させて蛍光を生成させた後、これら励起光及び蛍光を合成して出射する構成としてもよい。具体的に、照明装置４１は、青色光及び蛍光を含む光を出射する波長変換素子５を備える構成としてもよい。また、照明装置４１は、波長変換素子５にて生成される蛍光と合成される青色光を出射する光源部を、上記半導体レーザー４１１１とは別に有する構成としてもよい。更に、照明装置４１が出射する照明光ＷＬは、白色光でなくてもよい。
上記実施形態では、プロジェクター１は、それぞれ液晶パネルを含む３つの光変調装置４４（４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂ）を備えるとした。しかしながら、これに限らず、２つ以下、或いは、４つ以上の光変調装置を備えたプロジェクターに本発明を適用してもよい。
上記実施形態では、プロジェクターは、光入射面と光出射面とが異なる透過型の液晶パネルを有する光変調装置４４を備えるとした。しかしながら、これに限らず、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の液晶パネルを有する光変調装置を採用してもよい。また、入射光束を変調して画像情報に応じた画像を形成可能な光変調装置であれば、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を採用してもよい。
上記実施形態では、波長変換素子５を照明装置４１に適用した例を挙げ、当該波長変換素子５を備えた照明装置４１をプロジェクターに適用した例を挙げた。しかしながら、これに限らず、波長変換素子５を照明装置４１以外の装置に適用してもよいし、当該照明装置４１を照明機器等の電子機器に採用してもよい。
１…プロジェクター、２…外装筐体、４…画像投射装置、５…波長変換素子、４１…照明装置（光源装置）、４４，４４Ｂ，４４Ｇ，４４Ｒ…光変調装置、４６…投射光学装置、５１…基板、５１Ａ…面、５２…波長変換部、５３…波長変換層、５３Ａ…第１面、５３Ｂ…第２面、５４…反射層、５４Ａ…反射面、５４Ｂ…接合面（第２面）、５５…接合材、４１６…ピックアップ光学装置、４１１１…半導体レーザー、４１１２…コリメーターレンズ、４１２１…集光レンズ、４１２２…平行化レンズ、４１３１…マルチレンズアレイ、４１３２…マルチレンズアレイ、４１４１…プリズム、４１４２…プリズム、４１４３…偏光分離層、４１６３…位置変更部、Ａｒ１…接合領域、Ａｒ２…照射領域。

Claims (7)

  1. 基板と、
    入射された第１波長の光を前記第１波長の光とは異なる第２波長の光に変換する波長変換部と、
    前記基板と前記波長変換部とを接合する接合材と、を備え、
    前記波長変換部は、
    前記第１波長の光が入射される第１面と、
    前記第１面とは反対側に位置する第２面と、を有し、
    前記接合材は、前記基板と前記波長変換部の前記第２面とを接合するとともに、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に、前記第２面において前記第２面よりも内側に位置する接合領域を形成し、
    前記波長変換部は、前記波長変換部に入射される光の進行方向に沿って見た場合に前記接合領域よりも内側に、前記第１波長の光が照射される照射領域が前記第１面において設定されていることを特徴とする波長変換素子。
  2. 請求項１に記載の波長変換素子において、
    前記波長変換部は、
    前記第１波長の光を前記第２波長の光に変換する波長変換層と、
    前記波長変換層を介して入射された光を反射させる反射層と、を有し、
    前記第２面は、前記反射層において前記波長変換層と対向する面とは反対側の面であることを特徴とする波長変換素子。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子において、
    前記接合材は、金属を含み層状に形成されていることを特徴とする波長変換素子。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記波長変換素子に向けて前記第１波長の光束を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
  5. 請求項４に記載の光源装置において、
    前記接合領域の内側には、自然対数の底をｅとし、前記光源から出射される前記第１波長の光束の光強度の中心強度を１としたとき、前記第１波長の光束のうち、前記光強度が前記中心強度の１／ｅ２以上となる部分光束が照射されることを特徴とする光源装置。
  6. 請求項４又は請求項５に記載の光源装置において、
    前記波長変換素子に入射される前記第１波長の光束の前記照射領域内における照射位置を変更する位置変更部を有することを特徴とする光源装置。
  7. 請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から出射された前記第１波長の光束を含む光を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装置と、を備えることを特徴とするプロジェクター。
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