JP2018159742A - 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】蛍光体層の剥離を抑制することができる、波長変換素子を提供する。また、前記波長変換素子を備える光源装置を提供する。また、前記光源装置を備えるプロジェクターを提供する。【解決手段】蛍光体層と、支持体と、該蛍光体層と該支持体との間に設けられた熱応力低減部材と、を備える波長変換素子である。【選択図】図2

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、蛍光体層を備えた波長変換素子と、を組み合わせた光源装置がある。このような光源装置においては、蛍光体層の温度が上昇すると蛍光変換効率が低下してしまう。例えば、下記特許文献1に開示の光源装置では、金属接合材によって蛍光体層を放熱基板に接合することで蛍光体の冷却効率を高めている。また、下記特許文献2に開示の光源装置では、ボイド率が75%以下の半田によって蛍光体層を放熱基板に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 特開2016−177979号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の光源装置では、蛍光体層と放熱基板とで線膨張係数が異なるため、蛍光体層の発熱時に熱応力で蛍光体層が破断し剥離するおそれがある。また、上記特許文献2に記載の光源装置では、接合材としての半田がボイドを含むために機械的強度が弱く、蛍光体層の発熱時に熱応力で蛍光体層が剥離するおそれがある。
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、熱による損傷が起こりにくい波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、前記波長変換素子を備える光源装置を提供することを目的の一つとする。また、前記光源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、蛍光体層と、支持体と、該蛍光体層と該支持体との間に設けられた熱応力低減部材と、を備える波長変換素子が提供される。
第1態様に係る波長変換素子では、蛍光体層と支持体との線膨張係数差による損傷が起こりにくい。
上記第1態様において、前記支持体は金属で形成されており、前記熱応力低減部材は、前記蛍光体層と前記支持体との線膨張係数差による熱応力を低減するための熱応力吸収機能を有する金属材料を含むのが好ましい。
この構成によれば、熱応力低減部材を介して蛍光体層の熱を支持体に効率良く伝達できるので、蛍光体層の温度上昇を低減できる。
上記第1態様において、前記金属材料は軟質金属材料であるのが好ましい。
この構成によれば、損傷がより起こりにくい。
上記第1態様において、前記熱応力低減部材のモース硬度は、前記支持体のモース硬度よりも低いのが好ましい。
この構成によれば、損傷がより起こりにくい。
上記第1態様において、前記金属材料は多孔質であるのが好ましい。
この構成によれば、損傷がより起こりにくい。
上記第1態様において、前記金属材料は、インジウム、塩化銀、鉛、錫、マグネシウム、銀、亜鉛、硫黄、銅、金の群から選ばれた材料からなるのが好ましい。
この構成によれば、損傷がより起こりにくい。
上記第1態様において、前記支持体は金属で形成されており、前記熱応力低減部材は、前記蛍光体層と前記支持体との線膨張係数差による熱応力を低減するための熱応力吸収機能を有する樹脂材料を含むのが好ましい。
樹脂材料を含む熱応力低減部材は柔軟性に優れるため、損傷がより起こりにくい。
本発明の第2態様に従えば、上記第1態様の波長変換素子と、前記蛍光体層を励起するための励起光を射出する発光素子と、を備えた光源装置が提供される。
第2態様に係る光源装置は、熱による損傷が起こりにくいので、光を安定して射出することができる。
本発明の第3態様に従えば、上記第2態様の光源装置と、前記光源装置からの照明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が提供される。
第3態様に係るプロジェクターは、熱による損傷が起こりにくい照明装置を備えるので、信頼性が高い。
第一実施形態の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。 蛍光を射出する際の蛍光発光素子の状態を説明するための図。 第二実施形態の蛍光発光素子の構成を示す断面図。 第三実施形態の蛍光発光素子の構成を示す断面図。
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。
(第一実施形態)
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、その他の光を反射する。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を透過させる。
第1の全反射ミラー8aは、赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。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のダイクロイックミラー7bの後段に配置されている。
光変調装置4Rは、赤色光LRを画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。光変調装置4Gは、緑色光LGを画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置4Bは、青色光LBを画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。
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。
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からの各画像光が入射する。合成光学系5は、各画像光を合成し、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、光源装置2A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。
光源装置2Aは、アレイ光源21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、を有している。
光源装置2Aにおいて、アレイ光源21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上に順次配置されている。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。光軸ax2は照明装置2の照明光軸に相当する。
アレイ光源21は、複数の半導体レーザー21aを備える。複数の半導体レーザー21aは光軸ax1と直交する面内において、アレイ状に配置されている。半導体レーザー21a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21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21aは特許請求の範囲の「発光素子」に相当する。
アレイ光源21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21から射出された光線B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21a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、例えば光学軸を光軸ax1の周りに回転可能とされた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BLsとP偏光成分の光線束BLp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BLsを反射させ、P偏光成分の光線束BLp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BLs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BLs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BLs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BLs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と支持体35との間に設けられた熱応力低減部材36と、熱応力低減部材36と蛍光体層34との間に設けられた反射部37とを有している。本実施形態において、蛍光発光素子27は特許請求の範囲の「波長変換素子」に相当する。
本実施形態において、蛍光体層34は、複数のYAG蛍光体粒子が焼結された焼結体である。蛍光体層34は、光線束BLsによって励起され、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。この蛍光体層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。
蛍光体層34の光線束BLsが入射する側とは反対側の面は、支持体35に熱応力低減部材36を介して固定されている。
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、本実施形態では誘電体多層膜を用いた。このようにして、蛍光YLが蛍光体層34から第1の集光光学系26に向けて射出される。
支持体35としては熱伝導性に優れたものが好ましく、本実施形態では金属からなる板状部材を用いた。本実施形態では、支持体35として銅板を用いた。なお、支持体35の材料としてはアルミニウムを用いても良い。
ところで、蛍光体層34に励起光(光線束BLs)が照射されると、蛍光体層34の温度が上昇する。図3は、蛍光体層34の温度が上昇している場合の蛍光発光素子27の状態を説明するための図である。
蛍光体層34と支持体35とは線膨張係数が異なるため、励起光が照射された際、熱応力が発生する。具体的に、支持体35の線膨張係数は、蛍光体層34の線膨張係数よりも大きい。そのため、図3に示すように、支持体35の膨張量(伸び量)は、蛍光体層34の膨張量(伸び量)よりも大きくなる。このとき、蛍光体層34に発生した熱応力によって、蛍光体層34は破断或いは支持体35から剥離するおそれがある。
これに対し、本実施形態の蛍光発光素子27は、支持体35と蛍光体層34との間に熱応力低減部材36を設けている。熱応力低減部材36は、蛍光体層34と支持体35とを接合する接合部材である。熱応力低減部材36は、励起光の照射時に蛍光体層34に生じる熱応力を低減する熱応力低減機能を有する金属材料を含む。なお、蛍光体層34と熱応力低減部材36とは、蛍光体層34の表面に形成したメタライズ層(図示せず)を介して互いに接合されている。メタライズ層は必ずしも必要ではなく、十分な接合強度が得られる場合には省略しても構わない。
熱応力低減部材36のモース硬度は、支持体35のモース硬度よりも低い。本実施形態において、熱応力低減部材36はモース硬度の低い軟質金属材料から構成される。軟質金属材料は、例えば、インジウム、塩化銀、鉛、錫、マグネシウム、銀、亜鉛、硫黄、銅、金の群から選ばれる。下記表1に軟質系金属材料のモース硬度を示す。
Figure 2018159742
なお、熱応力低減部材36として銅または金を用いる場合、支持体35の材料としてアルミニウムを用いるのが望ましい。このようにすれば、上述した支持体35よりも熱応力低減部材36のモース硬度を低くすることができる。
このような軟質金属材料から構成された熱応力低減部材36は、金属の特長である高い熱伝導性を有しつつ、柔軟性に優れている。そのため、熱応力低減部材36は、蛍光体層34の熱を支持体35に効率良く伝達しつつ、蛍光体層34に生じる応力歪を低減することができる。よって、熱応力による蛍光発光素子27の破損が起こりにくい。
図2に戻って、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BLpは、第2の位相差板28bによって右回り円偏光の青色光BLc1に変換され、第2の集光光学系29に入射する。第2の位相差板28bは、1/4波長板から構成されている。
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BLc1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BLc1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BLc1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BLc2と称する。本実施形態によれば、青色光BLc1を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光BLc2が得られる。右回り円偏光の青色光BLc1は左回り円偏光の青色光BLc2として反射される。
青色光BLc2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を透過してS偏光の青色光BLs1に変換される。青色光BLs1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。
青色光BLs1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BLs1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を射出する。
本実施形態の照明装置2では、蛍光体層34と支持体35との線膨張係数差による蛍光発光素子27の破損、具体的には蛍光体層34の破損或いは剥離が起こりにくい。よって、照明装置2は照明光WLを安定して射出することができる。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は、信頼性が高い。
(第二実施形態)
続いて、第二実施形態に係る照明装置について説明する。本実施形態と第一実施形態とは、蛍光発光素子の構成において異なり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については省略若しくは簡略化する。
図4は本実施形態の蛍光発光素子27Aの構成を示す断面図である。
図4に示すように、本実施形態の蛍光発光素子27Aは、支持体35と蛍光体層34との間に熱応力低減部材36Aを設けている。本実施形態の熱応力低減部材36Aは、蛍光体層34と支持体35とを接合する接合部材である。熱応力低減部材36Aは、励起光の照射時に蛍光体層34に生じる熱応力を低減する熱応力低減機能を有した金属材料を含む。
本実施形態において、熱応力低減部材36Aを構成する金属材料は多孔質である。そのため、熱応力低減部材36Aは、多数の空孔38を有している。このような多孔質からなる金属材料(以下、多孔質金属と称す場合もある)は、例えば、インジウム、塩化銀、鉛、錫、マグネシウム、銀、亜鉛、硫黄、銅、金の群から選ばれる。
このような多孔質金属から構成された熱応力低減部材36Aは、柔軟性に優れているため、蛍光体層34と支持体35との線膨張係数差による蛍光発光素子27の破損、具体的には蛍光体層34の破損或いは剥離が起こりにくい。
(第三実施形態)
続いて、第三実施形態に係る照明装置について説明する。本実施形態と第一実施形態とは、蛍光発光素子の構成において異なり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については省略若しくは簡略化する。
図5は本実施形態の蛍光発光素子27Bの構成を示す断面図である。
図5に示すように、本実施形態の蛍光発光素子27Bは、支持体35と蛍光体層34との間に熱応力低減部材36Bを設けている。熱応力低減部材36Aは、蛍光体層34と支持体35とを接合する接合部材である。熱応力低減部材36Aは、励起光の照射時に蛍光体層34に生じる熱応力を低減する熱応力低減機能を有した樹脂材料を含む。なお、熱応力低減部材36Aは樹脂材料を主体に構成されていれば、例えば、Ag等の金属粒子を含有していても良い。このように金属粒子を含有することで熱伝導率が向上するため、蛍光体層34の熱を支持体35に効率良く伝達することができる。
本実施形態の熱応力低減部材36Bを構成する樹脂材料は、例えば、シリコーンやエポキシ等の有機系の接着材料から構成される。このような樹脂材料から構成された熱応力低減部材36Bは柔軟性に優れるため、蛍光体層34と支持体35との線膨張係数差による蛍光発光素子27の破損、具体的には蛍光体層34の破損或いは剥離が起こりにくい。
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、上記実施形態では、蛍光発光素子27,27A,27Bとして固定方式のものを例に挙げたが、蛍光発光素子27A,27B,27Cとして支持体35が回転可能な回転方式のものを採用しても良い。
また、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。
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、2A…光源装置、4B,4G,4R…光変調装置、6…投射光学系、21a…半導体レーザー、27,27A,27B…蛍光発光素子、36,36A,36B…熱応力低減部材。

Claims (9)

  1. 蛍光体層と、支持体と、該蛍光体層と該支持体との間に設けられた熱応力低減部材と、を備える
    波長変換素子。
  2. 前記支持体は金属で形成されており、
    前記熱応力低減部材は、前記蛍光体層と前記支持体との線膨張係数差による熱応力を低減するための熱応力吸収機能を有する金属材料を含む
    請求項1に記載の波長変換素子。
  3. 前記金属材料は軟質金属材料である
    請求項2に記載の波長変換素子。
  4. 前記熱応力低減部材のモース硬度は、前記支持体のモース硬度よりも低い
    請求項2又は3に記載の波長変換素子。
  5. 前記金属材料は多孔質である
    請求項2乃至4のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  6. 前記金属材料は、インジウム、塩化銀、鉛、錫、マグネシウム、銀、亜鉛、硫黄、銅、金の群から選ばれた材料からなる
    請求項2乃至5のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  7. 前記支持体は金属で形成されており、
    前記熱応力低減部材は、前記蛍光体層と前記支持体との線膨張係数差による熱応力を低減するための熱応力吸収機能を有する樹脂材料を含む
    請求項1に記載の波長変換素子。
  8. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記蛍光体層を励起するための励起光を射出する発光素子と、を備える
    光源装置。
  9. 請求項8に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの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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