JP2018097257A - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度化を実現できる照明装置を提供する。また、前記照明装置を備えるプロジェクターを提供する。【解決手段】励起光を射出する発光素子と、励起光が入射する蛍光体層と、蛍光体層上における励起光のパワー密度を制御する制御装置と、を備え、該光のパワー密度の最大値をｘ（単位は、Ｗ／ｍｍ２）、蛍光体層の厚さをｙ（単位は、ｍｍ）としたとき、（１）式を満足する照明装置である。[数１]【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。

近年、半導体レーザー等の固体光源と蛍光体層とを組み合わせた照明装置がある。このような照明装置において高輝度化を図るべく、励起光として高輝度且つ高出力な光を用いた場合、蛍光体層の温度が上昇することで温度消光と呼ばれる現象が生じ、蛍光変換効率が低下してしまう。そこで、下記特許文献１に示す照明装置では、セラミックス蛍光体層を放熱基板に金属膜を介して接合することで蛍光体の冷却効率を高めている。

特開２０１１−１２９３５４号公報

しかしながら、上記照明装置においては、高輝度化を図るために蛍光体層上における励起光のパワー密度をより高くすると、蛍光体層が溶けるといった問題があった。

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、高輝度化を実現できる照明装置を提供することを目的の一つとする。また、前記照明装置を備えるプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、励起光を射出する発光素子と、前記励起光が入射する蛍光体層と、前記蛍光体層上における前記励起光のパワー密度を制御する制御装置と、を備え、前記パワー密度の最大値をｘ（単位は、Ｗ／ｍｍ^２）、前記蛍光体層の厚さをｙ（単位は、ｍｍ）としたとき、（１）式を満足する照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置は、制御装置により励起光のパワー密度を制御することで（１）式を満足することができる。そのため、蛍光体層の融解を防止しつつ、高輝度の蛍光を射出することができる。

上記第１態様において、前記蛍光体層は、ＹＡＧ蛍光体を含むセラミックスで構成されているのが好ましい。
この構成によれば、有機のバインダーを含む蛍光体に比べて、耐熱性に優れたものとなる。

上記第１態様において、互いに対向する第一面と第二面とを有する支持体と、前記第一面に接続された放熱器と、をさらに備え、前記蛍光体層は前記支持体の前記第二面側に設けられており、前記放熱器は、前記発光素子の発光時に前記第一面の温度を５０〜７０℃とするように構成されているのが好ましい。
この構成によれば、放熱器として一般的な冷却性能を有したものを採用できるので、コスト低減が図られる。

上記第１態様において、前記蛍光体層と前記第二面との間に設けられた金属層をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、蛍光体層と支持体とを固定することができる。また、金属層を介して蛍光体層の熱が支持体側に効率良く伝達されるようになる。

上記第１態様において、前記パワー密度の最大値は４０Ｗ／ｍｍ^２以上であるのが好ましい。
この構成によれば、蛍光体層を十分に薄くしつつ励起光のパワー密度を高くできるので、小さな照射領域から十分な蛍光を生成することができる。すなわち、蛍光の射出領域を小さくできるので、後段の光学系が蛍光体層から射出された蛍光を効率良く取り込むことができる。よって、蛍光の利用効率を高くできる。

上記第１態様において、前記最大値ｘおよび前記厚さｙは（２）式を満足するのが好ましい。

この構成によれば、蛍光体層の融解をより防止することができる。

上記第１態様において、蛍光体層の励起光の吸収係数をαとしたとき、（３）式をさらに満足するのが好ましい。

この構成によれば、蛍光変換効率に影響を及ぼさない程度まで蛍光体層を薄くすることができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る照明装置と、前記照明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２態様に係るプロジェクターは、上記第１態様に係る照明装置を備えるので、明るい画像を投射することができる。

本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 照明装置の概略構成を示す図。 励起光の光強度分布を示すグラフ。 蛍光変換効率と励起光のパワー密度との関係を求めた実験結果を示すグラフ。 表１に対応するグラフを示す図。 励起光のパワー密度と蛍光体厚みとの間に成り立つ関係を示す図。

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。

まず、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。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ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。

色分離光学系３は、照明光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及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過することによって、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、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。一方、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、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及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第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起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢ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，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，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１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この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ている。

投射光学系６は、投射レンズ群からなり、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、拡大されたカラー映像が表示される。

（照明装置）
続いて、本発明の一実施形態に係る照明装置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、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１の集光光学系２６と、蛍光発光素子２７と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、制御装置２０と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとを備えている。

本実施形態において、インテグレーター光学系３１と重畳レンズ３３ａとは重畳光学系３３を構成している。

アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、光学素子２５Ａと、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、蛍光発光素子２７と、第１の集光光学系２６と、光学素子２５Ａと、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。

アレイ光源２１Ａは、複数の半導体レーザー２１１を備える。複数の半導体レーザー２１１は光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１１は、例えば青色の光線Ｂ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。アレイ光源２１Ａは、複数の光線Ｂからなる光線束ＢＬを射出する。本実施形態において、半導体レーザー２１１は特許請求の範囲の「発光素子」に相当する。

アレイ光源２１Ａは制御装置２０に電気的に接続されている。制御装置２０は、複数の半導体レーザー２１１に供給する電流値を制御することでアレイ光源２１ａから射出される光の出力を調整可能である。すなわち、制御装置２０は、後述する蛍光体層３４上における励起光（アレイ光源２１Ａから射出された光の一部）のパワー密度を制御するものである。

アレイ光源２１Ａから射出された光線束ＢＬ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２１Ａから射出された光線束ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１１に対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光線束ＢＬ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、光線束ＢＬの光束径を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過した光線束ＢＬは第１の位相差板２８ａに入射する。第１の位相差板２８ａは、例えば回転可能とされた１／２波長板である。光線束ＢＬは直線偏光である。第１の位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１の位相差板２８ａを透過した光線束ＢＬを、偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。

第１の位相差板２８ａを通過することでＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光線束ＢＬは光学素子２５Ａ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に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。

傾斜面Ｋには、波長選択特性を有する偏光分離素子５０Ａが設けられている。偏光分離素子５０Ａは、光線束ＢＬを、偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分の光線束ＢＬ_ｓとＰ偏光成分の光線束ＢＬ_ｐとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子５０Ａは、Ｓ偏光成分の光線束ＢＬ_ｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光線束ＢＬ_ｐを透過させる。

また、偏光分離素子５０Ａは光線束ＢＬとは波長帯が異なる蛍光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＳ偏光の光線束ＢＬ_ｓは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、光線束ＢＬ_ｓを励起光として蛍光体層３４に向けて集光させる。本実施形態において、光線束ＢＬ_ｓは特許請求の範囲の「励起光」に相当する。

本実施形態において、第１の集光光学系２６は、例えば第１レンズ２６ａ及び第２レンズ２６ｂから構成されている。第１の集光光学系２６から射出された光線束ＢＬ_ｓは、蛍光発光素子２７に集光した状態で入射する。

蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する支持体３５と、蛍光体層３４を支持体３５に固定する固定部材３６と、固定部材３６と蛍光体層３４との間に設けられた反射部３７と、支持体３５の蛍光体層３４を支持する面３５ａとは反対側の面３５ｂに設けられたヒートシンク３８とを有している。本実施形態において、面３５ａは特許請求の範囲に記載の「第二面」に相当し、面３５ｂは特許請求の範囲に記載の「第一面」に相当する。

蛍光体層３４は、光線束ＢＬ_ｓを吸収して励起され、黄色の蛍光を発する蛍光体からなる。このような蛍光体層３４としては、ＹＡＧ蛍光体を含むセラミックスで構成されている。
なお、ＹＡＧ蛍光体は複数の結晶粒の焼結体である。蛍光体層３４は、有機のバインダーを含む蛍光体層に比べて耐熱性に優れたものとなる。

光線束ＢＬ_ｓにより励起された蛍光体は、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光（黄色光）ＹＬを射出する。なお、蛍光体層３４の表面には不図示の反射防止膜（例えば、ＡＲコート膜）が形成されている。

蛍光体層３４の光線束ＢＬ_ｓが入射する側とは反対側の面は、支持体３５に固定部材３６を介して固定されている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち、支持体３５に向かって進む成分を反射する。

蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち一部の蛍光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。反射部３７としては反射率が高いものが好ましく、本実施形態ではＡｇ膜を用いた。
なお、蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち、他の一部の蛍光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。このようにして、蛍光ＹＬが蛍光体層３４から射出される。

支持体３５としては熱伝導性に優れたものが好ましく、本実施形態では銅板を用いた。本実施形態の支持体３５は、例えば、平面形状が１０ｍｍ角、厚さが３ｍｍの銅板から構成される。固定部材３６の形成材料としては熱伝導率の高い材料、例えば半田や銀ペーストを用いた。本実施形態において、固定部材３６は特許請求の範囲に記載の「金属層」に相当し、ヒートシンク３８は特許請求の範囲に記載の「放熱器」に相当する。

ところで、通常、照明装置２から射出される蛍光ＹＬの輝度を高くするには、蛍光体層３４に入射させる励起光（光線束ＢＬ_ｓ）のパワー密度を高くすることが考えられる。しかしながら、パワー密度を高くし過ぎると、蛍光体層３４が溶けて損傷するといった問題を生じてしまう。

ここで、励起光のパワー密度の定義について説明する。図３は蛍光体層３４上における光線束ＢＬ_ｓの光の強度分布を示すグラフである。
図３においては、縦軸は光線束ＢＬ_ｓの光の強度を示しており、横軸は光線束ＢＬ_ｓが照射される領域の中心からの距離を示している。図３において縦軸に示す光線束ＢＬ_ｓの光強度は、光線束ＢＬ_ｓの最大光強度（中心部強度）を１としたときの規格化強度である。

光線束ＢＬ_ｓの光強度の分布は図３に示すようなガウス分布となっている。光強度が最大光強度の５％以上である領域を、励起スポットＳＰとする。ここで、ＢＬ_ｓの光強度の分布はガウス分布以外であっても良い。その場合も励起スポットＳＰは最大光強度の5%以上の領域で定義する。

本実施形態において、励起光のパワー密度とは、蛍光体層３４に照射している光線束ＢＬ_ｓの光の強度（単位は、Ｗ）を上記励起スポットの面積（単位は、ｍｍ^２）で割った値で定義される。すなわち、励起スポットＳＰにおける光線束ＢＬ_ｓの光強度の積分値をＡ、励起スポットＳＰの面積をＳとした場合、励起光のパワー密度はＡ／Ｓとなる。

本発明者は、鋭意研究の結果、励起光のパワー密度と該パワー密度に対して許容される蛍光体層の厚みの上限値とに成り立つ関係を見出した。
すなわち、所定のパワー密度の励起光を照射する場合において蛍光体層の厚みをある値以下にすることで蛍光体層を融解させることなく、高輝度の蛍光を生成できるとの知見を得た。そして、この知見に基づいて本発明を完成させた。

図４は蛍光変換効率と励起光のパワー密度との関係を求めた実験の結果を示すグラフである。
グラフ横軸は励起光のパワー密度（単位は、Ｗ／ｍｍ^２）であり、グラフ縦軸は蛍光変換効率（相対値）である。ここで、蛍光変換効率とは、蛍光体層に入射した励起光の光量に対する、蛍光体層から射出された蛍光の光量の割合をいう。蛍光変換効率が高いとは、蛍光体層に入射した励起光をより多くの蛍光に変換可能な状態をいう。

また、本実験では蛍光発光素子２７とほぼ同一構成からなる三種類の蛍光発光素子を用意した。各蛍光発光素子は、蛍光体層と、支持基板と、固定部材と、反射部と、ヒートシンクとを有しており、蛍光体層の厚みが異なる。

具体的に、厚み０．０５ｍｍの蛍光体層を有した蛍光発光素子を三つ（グラフのＡ〜Ｃに示す）、厚み０．１ｍｍの蛍光体層を有した蛍光発光素子を一つ（グラフのＤに示す）、厚み０．１５ｍｍの蛍光体層を有した蛍光発光素子を一つ（グラフのＥに示す）だけ用意した。そして、各蛍光発光素子を用いて、それぞれ励起光のパワー密度及び蛍光変換効率を計測した。

図４のグラフに示すように、厚み０．１５ｍｍの蛍光体層においてパワー密度が２５Ｗ／ｍｍ^２を超えると、蛍光変換効率が大幅に低下した。同様に、厚み０．１ｍｍの蛍光体層においてパワー密度が４０Ｗ／ｍｍ^２を超えると、蛍光変換効率が大幅に低下した。蛍光変換効率が大幅に低下した理由は蛍光体で発生した熱によって蛍光体が融解したためである。

本発明者は、蛍光体層を支持する支持基板の寸法による影響についても検討した。すなわち、支持基板とヒートシンクとを合わせた熱抵抗（単位は、℃／Ｗ）について検討した。具体的に、支持基板の寸法（平面サイズ或いは厚さ）を変えた場合の熱抵抗を求め、その結果を下記表１に示す。なお、支持基板の平面サイズとは蛍光体層を支持する面（図２に示す面３５ａに相当）の寸法である。

図５は表１に示したデータを可視化したグラフである。図５の横軸は支持基板の平面サイズ（単位は、ｍｍ）を示し、縦軸は支持基板の厚み（単位は、ｍｍ）を示す。

表１及び図５から、ヒートシンクと支持基板とを合わせた熱抵抗は、支持基板の寸法を変えても大きく変化しないことが分かった。本発明者は、蛍光体層が溶けるか否かは支持基板の熱抵抗とはあまり関係が無く、蛍光体層の厚みでほとんど決まるとの知見を得た。

そこで、本実験では、ヒートシンクと支持基板とを合わせた熱抵抗が１．２〜１．４となる領域（図５参照）の支持基板を用いた。例えば、表１に示すように、平面サイズ７ｍｍ角の支持基板は厚みを３ｍｍ以下とし、平面サイズ１０ｍｍ角の支持基板は厚みを７ｍｍ未満とした。
また、平面サイズ１０ｍｍ角よりも大きい支持基板を用いる場合、厚みは１ｍｍ〜７ｍｍのいずれに設定しても良いが、薄型化及び軽量化を低減するといった観点からは厚みを３ｍｍ程度に設定した。

以上のように、本発明者は蛍光体層の厚みと励起光のパワー密度との間に何らかの関係があると考えた。そして、図４のグラフを求めた前述の実験に加え、複数種類の蛍光発光素子を用いて同様の実験を行った。そして、後述するようなパワー密度と蛍光体厚みとの間に成り立つ関係を発見した。

図６は、限界励起光パワー密度と蛍光体厚みとの間に成り立つ関係を示す図である。図６において、横軸は限界励起光パワー密度であり、縦軸は蛍光体層の厚み（単位は、ｍｍ）を示す。図６に示される各プロットは各実験結果を示すものである。

本実験では、厚みが０．０３ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍの蛍光体層を有する蛍光発光素子を複数個ずつ用いた。なお、各蛍光発光素子における蛍光体層の平面サイズはいずれも１．２ｍｍ角とした。

励起光のパワー密度を増加させていったとき、例えば図４のグラフＥで示したように、蛍光変換効率が急激に低下する直前のパワー密度を計測した。本明細書では、蛍光変換効率が急激に低下する直前のパワー密度を限界励起光パワー密度と定義する。なお、本実験は、支持基板におけるヒートシンク側の面の温度が５０〜７０℃となるようにして行った。このようにすれば、ヒートシンクとして一般的な冷却性能を有したものを採用することが可能となる。

各厚みに対する限界励起光パワー密度の最大値から図６のグラフに破線で示す近似曲線を求めた。また、平均値から図６のグラフに実線で示す近似曲線を求めた。このグラフは、蛍光体層を融解させないためのパワー密度と蛍光体厚みとの条件を示すものである。

つまり、図６のグラフのハッチングで示される領域Ａ１の蛍光体厚み及び励起光のパワー密度で蛍光を生成すれば、蛍光体層は融解しない。しかし、図６のハッチングで示される領域Ａ１より上の領域の条件では蛍光体層が融解する。また、ダブルハッチングで示される領域Ａ２の蛍光体厚み及び励起光のパワー密度で蛍光を生成すれば、蛍光体層の融解をより防止できる。

本発明者は、図６に示すグラフから下式（１）、式（２）を導出した。式（１）は破線で示した近似曲線を表す近似式であり、式（２）は実線で示した近似曲線を表す近似式である。式（１）、式（２）において、ｘとは蛍光体層３４に入射する励起光（光線束ＢＬ_ｓ）のパワー密度の最大値（単位は、Ｗ／ｍｍ^２）を示し、ｙとは蛍光体層３４の厚さ（単位は、ｍｍ）を示す。

一方、蛍光体層の厚みを薄くすると、励起光を吸収する量が減って蛍光変換効率（図４参照）も低下する。そのため、蛍光体層の厚みを薄くするにも限度がある。蛍光体層の厚みの下限値は励起光吸収係数によって決まる。

蛍光体層に吸収されない励起光量をＩとすると、励起光量Ｉは下式（４）で表せる。式（４）において、Ｉ_０は蛍光体層に照射した励起光の光量であり、αは励起光吸収係数であり、ｙは蛍光体層の厚みである。

Ｉ＝Ｉ_０*ｅｘｐ（−２αｙ） 式（４）

ここで、蛍光体において一般的とされる、励起光の９０％以上を吸収し、１０％以下を透過させる条件で上記式（４）を変形すると、下式（３）が導かれる。この式（３）は、蛍光体層の厚みの下限値を規定したものである。

図２に示した本実施形態の照明装置２によれば、蛍光体層３４と、該蛍光体層３４に入射する励起光（光線束ＢＬ_ｓ）のパワー密度とが上記式（１）を満足している。具体的に、本実施形態では、励起光のパワー密度が、蛍光体層３４の厚みに対応した限界励起光パワー密度を超えないように、制御装置２０によりアレイ光源２１Ａから射出される光線束ＢＬの強度が調整される。

また、蛍光体層３４の厚みは、上記式（３）で規定される下限値よりも大きい。そのため、蛍光体層３４は、蛍光変換効率が大きく低下しない程度の厚さを有している。

また、本実施形態の蛍光発光素子２７において、ヒートシンク３８は、励起光の発光時に支持体３５の面３５ｂの温度を５０〜７０℃に保持する放熱性能を有するように構成されている。

これにより、上記式（１）を算出した際に行った実験条件を再現できるので、上記式（１）に基づいて、蛍光体層３４の融解を防止することができる。また、ヒートシンク３８として一般的な冷却性能を有したものを採用できるので、蛍光発光素子２７のコストを低減できる。

本実施形態の照明装置２によれば、蛍光体層３４の融解を防止しつつ、蛍光ＹＬの高輝度化をすることができる。

本実施形態においては、蛍光体層３４に入射する励起光（光線束ＢＬ_ｓ）のパワー密度の最大値を４０Ｗ／ｍｍ^２以上とするのが好ましい。このようにすれば、蛍光体層３４を十分に薄くしつつ励起光のパワー密度を高くできるので、小さな照射領域から十分な蛍光を生成することができる。すなわち、蛍光の射出領域が小さくなるので、後段の光学系（第１の集光光学系２６の第１レンズ２６ａ）が蛍光体層３４から射出された蛍光ＹＬを効率良く取り込むことができる。よって、蛍光ＹＬの利用効率を高くできる。

図２に戻る。蛍光体層３４から射出された蛍光ＹＬは、非偏光光である。蛍光ＹＬは、第１の集光光学系２６を通過した後、偏光分離素子５０Ａに入射する。そして、この蛍光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａからインテグレーター光学系３１に向けて進む。

一方、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の光線束ＢＬ_ｐは、第２の位相差板２８ｂに入射する。第２の位相差板２８ｂは、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の光線束ＢＬ_ｐは、この第２の位相差板２８ｂによって、例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ１に変換された後、第２の集光光学系２９に入射する。
第２の集光光学系２９は、例えばレンズ２９ａから構成され、青色光ＢＬ_ｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。

拡散反射素子３０は、第２の集光光学系２９から射出された青色光ＢＬ_ｃ１を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬ_ｃ１をランバート反射させつつ、且つ、偏光状態を乱さないものを用いることが好ましい。

以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬ_ｃ２と称する。本実施形態によれば、青色光ＢＬ_ｃ１を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光ＢＬ_ｃ２が得られる。例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ１は左回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ２として反射される。

青色光ＢＬ_ｃ２は第２の集光光学系２９によって平行光に変換された後に再び第２の位相差板２８ｂに入射する。

左回り円偏光の青色光ＢＬ_ｃ２は、第２の位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬ_ｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬ_ｓ１は、偏光分離素子５０Ａによってインテグレーター光学系３１に向けて反射される。

これにより、青色光ＢＬ_ｓ１は、偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光ＹＬと共に、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬ_ｓ１及び蛍光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａから互いに同一方向に向けて射出され、青色光ＢＬ_ｓ１と蛍光（黄色光）ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが生成される。

照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に向けて射出される。インテグレーター光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数の小レンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレーター光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３ａに入射する。重畳レンズ３３ａはインテグレーター光学系３１と協同して、被照明領域における照明光ＷＬによる照度の分布を均一化する。このようにして、照明装置２は照明光ＷＬを生成する。

本実施形態の照明装置２によれば、蛍光体層３４の融解を防止しつつ、高輝度の蛍光ＹＬを射出するので、明るい照明光ＷＬを生成することができる。したがって、この照明装置２を備える本実施形態のプロジェクター１によれば、明るい画像を投射することができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、半導体レーザー２１１に供給する電流値を制御することで励起光のパワー密度を制御する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、制御装置２０によって半導体レーザー２１１をパルス幅変調で駆動する場合において、電流値やデューティ比を調整することでパワー密度を制御しても良い。

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。

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２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、２０…制御装置、３４…蛍光体層、３５…支持体、３５ａ…面（第二面）、３５ｂ…面（第一面）、３８…ヒートシンク（放熱器）、２１１…半導体レーザー（発光素子）、ＢＬ_ｓ…励起光。

Claims (8)

1. 励起光を射出する発光素子と、
   前記励起光が入射する蛍光体層と、
   前記蛍光体層上における前記励起光のパワー密度を制御する制御装置と、を備え、
   前記パワー密度の最大値をｘ（単位は、Ｗ／ｍｍ^２）、前記蛍光体層の厚さをｙ（単位は、ｍｍ）としたとき、（１）式を満足する
   照明装置。
   

   
2. 前記蛍光体層は、ＹＡＧ蛍光体を含むセラミックスで構成されている
   請求項１に記載の照明装置。
3. 互いに対向する第一面と第二面とを有する支持体と、前記第一面に接続された放熱器と、をさらに備え、
   前記蛍光体層は前記支持体の前記第二面側に設けられており、
   前記放熱器は、前記発光素子の発光時に前記第一面の温度を５０〜７０℃とするように構成されている
   請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記蛍光体層と前記第二面との間に設けられた金属層をさらに備える
   請求項３に記載の照明装置。
5. 前記パワー密度の最大値は４０Ｗ／ｍｍ^２以上である
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記最大値ｘおよび前記厚さｙは（２）式を満足する
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置。
   

   
7. 蛍光体層の励起光の吸収係数をαとしたとき、
   （３）式をさらに満足する
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明装置。
   

   
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明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。

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