JP2018165783A - 波長変換素子、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】大きな光強度を有する蛍光が得られ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２０は、励起光および励起光が波長変換された蛍光が通過する第１面２２ａと、第１面とは異なる第２面２２ｂと、を有する波長変換部２５と、第２面に対向する平面２７ａと、平面から波長変換部が設けられた側と反対側に突出する仮想曲面上に設けられた再帰反射構造体３０と、を有する透光性部材２７と、を備え、仮想曲面の曲率中心は、波長変換部の第２面に対向して位置し、第２面から射出された蛍光は、透光性部材の内部を進行し、再帰反射構造体によって反射する。【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターにおいては、投写画像の高輝度化を実現するために、強度が大きい射出光を得られる光源装置が求められている。そこで、近年、励起光源と波長変換素子とを備えた光源装置が提案されている。この光源装置では、半導体レーザー、発光ダイオード等の励起光源から射出された励起光を波長変換素子に照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光を照明光の一部として利用する。

例えば下記の特許文献１に、レーザーと、青色光の照射によって緑色光もしくは赤色光を発生する蛍光基板と、蛍光基板からの光が入射する四角錐体状のプリズムアレイと、を備えた光源装置が開示されている。この文献には、蛍光基板とプリズムアレイとの間で蛍光が多重反射することによって、蛍光の配光指向性が高められる、と記載されている。

また、下記の特許文献２に、青色光を射出する励起光源と、青色光の照射によって緑色光を発生する蛍光ホイールと、を備えた光源装置が開示されている。この文献には、蛍光体層に対する蛍光体の含有重量濃度および膜厚を最適化することにより、光強度が大きい蛍光が得られる、と記載されている。

特開２０１２−２７０５２号公報 特開２０１１−５３３２０号公報

蛍光基板等の波長変換素子には、励起光が入射する面と反対側の面から蛍光を射出させる透過型の波長変換素子と、励起光が入射する面と同じ面から蛍光を射出させる反射型の波長変換素子と、がある。

一般に、蛍光体は、温度の上昇により発光効率が低下するという特性を有している。特許文献１の光源装置では、透過型の波長変換素子が用いられているため、蛍光体層で発生した熱を効率良く放出することが難しい、という問題がある。したがって、たとえ蛍光の配光指向性が高められたとしても、高い発光効率が得られず、高い強度の蛍光が得られる波長変換素子を実現することが難しい。

一方、特許文献２の光源装置においては、蛍光ホイールのうち、蛍光体層の形成領域は反射型の構造を有しているが、青色光の拡散領域は透過型の構造を有しているため、蛍光ホイール全体として、蛍光体層からの放熱が難しい。

また、特許文献２の蛍光ホイールは、金属基板上に銀等の反射面、フッ化マグネシウム等の透明保護膜、蛍光体層が順次積層された構成を有している。大きな光強度を有する蛍光を得るためには、上記の反射面で反射して励起光が入射する向きと逆向きに射出する反射光を増やすことが重要である。以下、本明細書では、反射面による蛍光の反射光を反射蛍光と称する。反射蛍光を増やすためには、反射面における反射率の向上が有効である。

特許文献２のように、銀を用いて反射面を形成した場合、高い反射率が得られるが、３〜５％程度の反射損失が生じる、入射角が大きくなると反射率が低下する、等の問題がある。また、銀の光吸収により熱が発生し、熱酸化により銀が劣化する虞がある。このように、銀を用いた反射面には種々の問題があり、反射率の向上が難しいという課題がある。

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り、反射蛍光を従来よりも増やすことにより、大きな光強度を有する蛍光が得られ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、上記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波長変換素子は、励起光および前記励起光が波長変換された蛍光が通過する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する波長変換部と、前記第２面に対向する平面と、前記平面から前記波長変換部が設けられた側と反対側に突出する仮想曲面上に設けられた再帰反射構造体と、を有する透光性部材と、を備え、前記仮想曲面の曲率中心は、前記波長変換部の前記第２面に対向して位置し、前記第２面から射出された前記蛍光は、前記透光性部材の内部を進行し、前記再帰反射構造体によって反射することを特徴とする。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、透光性部材の仮想曲面の曲率中心が波長変換部の第２面に対向して位置しているため、波長変換部の第２面から射出された蛍光は、再帰反射構造体によって反射した後、波長変換部に戻る。再帰反射構造体による反射は、銀等の反射面による反射と異なり、光損失を伴わない。そのため、本発明の一つの態様によれば、反射蛍光の光量を増やすことができ、大きな光強度を有する蛍光が得られ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は、前記波長変換部と前記透光性部材とを支持する基板をさらに備えてもよい。

この構成によれば、基板によって波長変換部と透光性部材とを支持できるとともに、熱伝導率が高い基板を選択することにより波長変換素子の放熱性を高めることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基板は、開口部を有する非透光性基板から構成され、前記波長変換部は、前記開口部に設けられていてもよい。

この構成によれば、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属製の基板を用いることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基板は、透光性基板から構成され、前記波長変換部は、前記透光性基板の一面に設けられていてもよい。

この構成によれば、基板に開口部を設ける必要がなく、基板を通して蛍光を射出させることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記再帰反射構造体は、底面の形状が正三角形であり、３つの側面の形状が直角二等辺三角形である三角錐体から構成されていてもよい。

この構成によれば、波長変換素子を設計する際に、複数の再帰反射構造体を仮想曲面に沿って最密充填させることができる。これにより、反射蛍光の光量をさらに増やすことができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記仮想曲面は半球面であってもよい。

この構成によれば、透光性部材を製造しやすく、反射蛍光の光量を確保することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記仮想曲面の曲率中心は、前記波長変換部の内部、もしくは前記透光性部材の内部に位置していてもよい。

この構成によれば、再帰反射構造体で反射した蛍光を波長変換部に戻すことができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換部の前記第２面と前記透光性部材の前記平面との間に設けられた接着層をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、接着層によって波長変換部と透光性部材とを固定することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記仮想曲面の曲率中心は、前記接着層の内部に位置していてもよい。

この構成によれば、再帰反射構造体で反射した蛍光を波長変換部に戻すことができる。

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波長変換素子と、前記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、反射蛍光の光量を増やすことができ、大きな光強度を有する蛍光が得られるため、光強度が大きい光源装置を提供することができる。

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、前記画像光を投写する投写光学系と、を備える。

この構成によれば、大きな光強度を有する蛍光が得られる光源装置を用いるため、高輝度の投写画像が得られるプロジェクターを提供することができる。

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平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う波長変換素子の断面図である。 再帰反射構造体の斜視図である。 再帰反射構造体における蛍光の反射の様子を示す図である。 仮想曲面上の複数の再帰反射構造体を平面上に展開して示す図である。 波長変換素子の作用を説明するための図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 変形例の波長変換素子の断面図である。

［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。
本実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーと波長変換素子とを含む光源装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
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。

本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投写面）上にカラー映像を表示する投写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つの光変調装置を用いている。プロジェクターは、光源装置の発光素子として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（レーザーダイオード）を用いている。

図１は、本実施形態のプロジェクター１の概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１光源装置１００（光源装置）と、第２光源装置１０２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、合成光学系５００と、投写光学系６００と、を備えている。
本実施形態の第１光源装置１００は、特許請求の範囲の光源装置に対応する。

第１光源装置１００は、第１発光素子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、波長変換素子２０と、ホモジナイザー光学系１２５と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備えている。波長変換素子２０については、後で詳しく説明する。

第１発光素子１０は、青色の励起光Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。励起光Ｅの発光強度のピーク波長は、例えば４４５ｎｍである。第１発光素子１０は、１個の半導体レーザーから構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーから構成されていてもよい。なお、第１発光素子１０には、４４５ｎｍ以外の波長（例えば４６０ｎｍ）の青色光を射出する半導体レーザーが用いられてもよい。第１発光素子１０は、第１発光素子１０の光軸１１０ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。
本実施形態の第１発光素子１０は、特許請求の範囲の励起光源に対応する。

コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。コリメート光学系７０は、第１発光素子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、凸レンズから構成されている。

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までの光路中に設けられている。ダイクロイックミラー８０は、第１発光素子１０の光軸１１０ａｘおよび照明光軸１００ａｘのそれぞれに対して４５°の角度で交差するように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、青色波長域の光を反射し、赤色光および緑色光を含む黄色波長域の光を透過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０から射出された励起光Ｅを略集光した状態で波長変換素子２０に入射させる機能と、波長変換素子２０から射出された蛍光Ｙ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、凸レンズから構成されている。

第２光源装置１０２は、第２発光素子７１０と、集光光学系７６０と、拡散板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備えている。

第２発光素子７１０は、青色光Ｂを射出する半導体レーザーから構成されている。青色光Ｂの発光強度のピーク波長は、第１発光素子１０からの励起光Ｅの発光強度のピーク波長と異なり、例えば４６０ｎｍである。ただし、第２発光素子７１０として、第１発光素子１０からの励起光Ｅの発光強度のピーク波長と同一のピーク波長を有する光を射出する半導体レーザーが用いられてもよい。

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発光素子７１０から射出された青色光Ｂを拡散板７３２の近傍に集光する。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、凸レンズから構成されている。

拡散板７３２は、第２発光素子７１０から射出された青色光Ｂを拡散し、波長変換素子２０から射出される蛍光Ｙの配光分布に類似した配光分布を有する青色光Ｂとする。拡散板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、を備えている。コリメート光学系７７０は、拡散板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、凸レンズから構成されている。

第２光源装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０で反射された後、ダイクロイックミラー８０を透過した蛍光Ｙと合成されて、白色の照明光Ｗとなる。照明光Ｗは、ホモジナイザー光学系１２５に入射する。

ホモジナイザー光学系１２５は、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、を備えている。第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０から射出された光を複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ１２２を有する。複数の第１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レンズ１２２に対応する複数の第２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の各々の画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２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、直線偏光光に変換する。偏光変換素子１４０は、詳細な図示を省略するが、偏光分離層と、反射層と、位相差層と、を備えている。偏光分離層は、波長変換素子２０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。反射層は、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。位相差層は、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。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各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の各々の画像形成領域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、波長変換素子２０から射出された光の面内光強度分布を均一化する。

色分離導光光学系２００は、白色の照明光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する。色分離導光光学系２００は、第１ダイクロイックミラー２１０と、第２ダイクロイックミラー２２０と、第１反射ミラー２３０と、第２反射ミラー２４０と、第３反射ミラー２５０と、第１リレーレンズ２６０と、第２リレーレンズ２７０と、を備えている。

第１ダイクロイックミラー２１０は、第１光源装置１００から射出された照明光Ｗを、赤色光Ｒとその他の光（緑色光Ｇおよび青色光Ｂ）とに分離する機能を有する。第１ダイクロイックミラー２１０は、赤色光Ｒを透過するとともに、その他の光（緑色光Ｇおよび青色光Ｂ）を反射する。一方、第２ダイクロイックミラー２２０は、その他の光を緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する機能を有する。第２ダイクロイックミラー２２０は、緑色光Ｇを反射し、青色光Ｂを透過する。

第１反射ミラー２３０は、赤色光Ｒの光路中に配置され、第１ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒを光変調装置４００Ｒに向けて反射する。第２反射ミラー２４０および第３反射ミラー２５０は、青色光Ｂの光路中に配置され、第２ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂを光変調装置４００Ｂに向けて反射する。緑色光Ｇは、第２ダイクロイックミラー２２０により光変調装置４００Ｇに向けて反射される。

第１リレーレンズ２６０および第２リレーレンズ２７０は、青色光Ｂの光路中における第２ダイクロイックミラー２２０の光射出側に配置されている。第１リレーレンズ２６０および第２リレーレンズ２７０は、青色光Ｂの光路長が赤色光Ｒや緑色光Ｇの光路長よりも長いことに起因した青色光Ｂの損失を補償する機能を有している。

光変調装置４００Ｒは、赤色光Ｒを画像情報に応じて変調し、赤色光Ｒに対応した画像光を形成する。光変調装置４００Ｇは、緑色光Ｇを画像情報に応じて変調し、緑色光Ｇに対応した画像光を形成する。光変調装置４００Ｂは、青色光Ｂを画像情報に応じて変調し、青色光Ｂに対応した画像光を形成する。

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および射出側には、一対の偏光板（図示せず）が配置され、特定の方向の直線偏光光のみを透過させる構成となっている。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。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、それぞれ光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、光変調装置４００Ｂに入射する赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂを平行化する。

合成光学系５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂからの画像光が入射することにより、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投写光学系６００に向けて射出する。合成光学系５００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。

投写光学系６００は、投写レンズ群６から構成されている。投写光学系６００は、合成光学系５００により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投写する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

以下、波長変換素子２０の構成について説明する。
図２は、基板２２の法線方向から見た波長変換素子２０の平面図である。
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う波長変換素子２０の断面図である。
図３に示すように、第１実施形態の波長変換素子２０は、基板２２と、蛍光体２５（波長変換部）と、透光性部材２７と、接着層２８と、接合材２９と、を備えている。

基板２２は、蛍光体２５と透光性部材２７とを支持する板体である。図３において、基板２２の上面を第１面２２ａとし、基板２２の下面を第２面２２ｂとする。図２に示すように、基板２２は、第１面２２ａの法線方向（Ｙ方向）から見た外形形状が円形であり、中央に円形の開口部２２ｈが設けられている。蛍光体２５は、基板２２の開口部２２ｈに嵌め込まれた形態で基板２２に支持されている。透光性部材２７は、基板２２の第２面２２ｂに貼り付けられた形態で基板２２に支持されている。

基板２２は、開口部２２ｈを有する非透光性基板から構成されている。蛍光体２５が励起光Ｅの照射によって発熱するため、蛍光体２５からの放熱を促進する目的で、基板２２には熱伝導率が高い材料を用いることが望ましい。基板２２の材料として、例えば銅、アルミニウム等の金属材料、セラミックス材料等が用いられる。なお、第１実施形態の波長変換素子２０の構成は、基板２２として非透光性基板を用いる際に好適であるが、透光性基板が用いられてもよい。

蛍光体２５は、基板２２の開口部２２ｈに設けられている。蛍光体２５は、第１発光素子１０から射出された励起光Ｅにより励起され、励起光Ｅよりも長波長の蛍光Ｙ、例えば黄色の蛍光Ｙを射出する蛍光材料から構成されている。蛍光体２５は、無機材料からなる（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体と、当該ＹＡＧ系蛍光体に分散された発光中心となる賦活剤と、を含んでいる。すなわち、蛍光体２５は、賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体から構成されている。

蛍光体２５は、励起光Ｅおよび蛍光Ｙが通過する第１面２５ａと、第１面２５ａとは異なる第２面２５ｂと、を有する。蛍光体２５は、必ずしもＹＡＧ系蛍光体で構成されていなくてもよいが、ガーネット系蛍光体を用いることが望ましい。その理由は、ガーネット系蛍光体は、他の蛍光体に比べて熱伝導率が高く、高熱環境下での信頼性が高いためである。なお、蛍光体２５の第１面２５ａには、図示しない反射防止層が設けられることが望ましい。

透光性部材２７は、球体の中心もしくは中心近傍を通る任意の平面で球体を半分に分割した形状（略半球状）を有する。したがって、透光性部材２７は、蛍光体２５の第２面２５ｂに対向する平面２７ａと、平面２７ａから蛍光体２５が設けられた側と反対側に突出する仮想曲面２７ｓ上に設けられた複数の再帰反射構造体３０と、を有する。

本実施形態の場合、透光性部材２７が略半球状であるため、上記の仮想曲面２７ｓは半球面である。複数の再帰反射構造体３０は、半球面からなる仮想曲面２７ｓに沿って設けられている。また、仮想曲面２７ｓの曲率中心２７ｃは、蛍光体２５の第２面２５ｂの近傍に位置している。言い換えると、蛍光体２５と透光性部材２７とは、曲率中心２７ｃが第２面２５ｂの近傍に位置するように、位置合わせがなされている。曲率中心２７ｃは、蛍光体２５の第２面２５ｂの中心と一致していることが望ましいが、蛍光体２５の第２面２５ｂの中心からずれた位置にあってもよい。その場合でも、曲率中心２７ｃは、少なくとも蛍光体２５の第２面２５ｂ上に位置していればよい。

図３において、曲率中心２７ｃは、蛍光体２５の第２面２５ｂ上に位置しているが、必ずしも蛍光体２５の第２面２５ｂ上に位置していなくてもよく、図３に示す他の３つの位置のいずれかにあってもよい。曲率中心２７ｃ１は、蛍光体２５の内部に位置している。曲率中心２７ｃ２は、接着層２８の内部に位置している。曲率中心２７ｃ３は、透光性部材２７の内部に位置している。すなわち、曲率中心２７ｃ，２７ｃ１，２７ｃ２，２７ｃ３は、蛍光体２５の第２面２５ｂに対向した位置であって、第２面２５ｂの近傍にあればよい。よって、曲率中心２７ｃは、透光性部材２７の平面２７ａに位置していてもよいし、蛍光体２５の第１面２５ａに位置していてもよい。すなわち、「曲率中心が蛍光体の内部に位置する」とは蛍光体２５の表面に曲率中心２７ｃが位置することも含む。同様に、「曲率中心が接着層の内部に位置する」とは接着層２８の表面に曲率中心２７ｃが位置することも含む。さらに、「曲率中心が透光性部材の内部に位置する」とは透光性部材２７の表面に曲率中心２７ｃが位置することも含む。要するに、蛍光体２５から透光性部材２７に入射した光が再帰反射構造体３０で反射して再び蛍光体２５に入射するように、蛍光体２５と仮想曲面２７ｓの曲率中心２７ｃとの位置関係を設定することが望ましい。

透光性部材２７は、例えばガラス、樹脂等の透光性材料で構成されている。複数の再帰反射構造体３０は、成型法により透光性部材２７の本体部分（半球部分）と同時に作製することができる。そのため、複数の再帰反射構造体３０は、透光性部材２７の本体部分と一体であることが望ましいが、透光性部材２７の本体部分と別体であってもよい。ただし、別体であったとしても、再帰反射構造体３０と本体部分とは、屈折率が同一の材料で構成されることが望ましい。

蛍光体２５と透光性部材２７とは、接着層２８により接着されている。後述するように、接着層２８は、蛍光体２５と透光性部材２７との間の蛍光Ｙの光路上に位置するため、少なくとも蛍光Ｙの波長域の光に対する透光性を有する必要がある。さらに、接着層２８の屈折率は、蛍光体２５および透光性部材２７の屈折率と近いことが望ましい。また、蛍光体２５からの放熱性を確保する目的で、熱伝導率が高い接着剤が用いられることが望ましい。以上の観点から、接着層２８には、例えばシリコーン樹脂からなる接着剤が用いられる。

基板２２と透光性部材２７とは、接合材２９により接合されている。接合材２９は、接着層２８と異なり、蛍光Ｙの光路上に位置しないため、透光性を有する必要はない。また、蛍光体２５からの放熱性を確保する目的で、熱伝導率が高い接合材２９が用いられることが望ましい。以上の観点から、接合材２９には、例えば銀、銅等のナノ粒子を含む熱伝導接合材、はんだ等が用いられる。

以下、再帰反射構造体３０について説明する。
図４は、再帰反射構造体３０の斜視図である。図５は、再帰反射構造体３０における蛍光Ｙの反射の様子を示す図である。図６は、仮想曲面２７ｓ上の複数の再帰反射構造体３０を平面上に展開して示す図である。

図４に示すように、再帰反射構造体３０は、立方体を、１つの頂点Ａに隣接する３つの頂点Ｂ，Ｃ，Ｄを通る平面で切断した三角錐体の形状を有する。三角錐体の底面を△ＢＣＤとし、３つの側面を△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤとすると、再帰反射構造体３０は、底面△ＢＣＤの形状が正三角形であり、３つの側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤの形状が直角二等辺三角形である三角錐体から構成されている。本実施形態の再帰反射構造体３０は、いわゆるコーナーキューブ型の再帰反射構造体である。

複数の再帰反射構造体３０は、各々の底面△ＢＣＤが透光性部材２７の仮想曲面２７ｓに対向し、頂点Ａが透光性部材２７の外側に突出する向きに、仮想曲面２７ｓ上に設けられている。図６に示すように、複数の再帰反射構造体３０は、仮想曲面２７ｓ上に隙間なく最密充填状態で配置されている。なお、ここでは、説明を判りやすくするため、再帰反射構造体３０の形状を４つの面を有する三角錐体としたが、実際には再帰反射構造体３０は透光性部材２７の本体部分と一体に形成されるため、物理的な面としての底面△ＢＣＤは存在せず、仮想的な面である。３つの側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤは物理的な面として存在する。

再帰反射構造体３０において、各側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤは、底面△ＢＣＤに対して４５度の角度をなしている。そのため、底面△ＢＣＤから再帰反射構造体３０に入射した光は、各側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤで反射し、光が入射した経路上を光が入射した向きと逆向きに辿り、底面△ＢＣＤから射出される。

ここで、具体的に説明するため、入射角０度で底面△ＢＣＤに入射した蛍光Ｙを想定する。
図５に示すように、入射角０度で底面△ＢＣＤに入射した蛍光Ｙ０は、側面△ＡＢＣ→側面△ＡＢＤ→側面△ＡＣＤの順で、３つの側面で順次反射する。このとき、側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤに当たった蛍光Ｙ０は、側面同士の配置角度の関係から、同じ直交面内で入射角と等しい反射角で反射する。その結果、３つの側面で順次反射した蛍光Ｙ０は、底面△ＢＣＤから射出角０度で射出される再帰反射光Ｙ１となる。なお、再帰反射光Ｙ１は、底面△ＢＣＤにおける蛍光Ｙ０の入射位置とは僅かに離れた位置から射出される。以下、この入射位置と射出位置との変化量をシフト量と呼称する。再帰反射構造体３０の寸法が小さいほどシフト量も小さい。

ここで、側面△ＡＢＣ、△ＡＢＤ、△ＡＣＤでの反射は、再帰反射構造体３０を構成する媒質と空気との屈折率界面における反射であるから、光損失を伴わない全反射である。したがって、再帰反射構造体３０に入射した蛍光Ｙは、光損失を伴うことなく、入射の向きとは逆向きに射出される。また、再帰反射構造体３０を構成する媒質の屈折率が高いほど、全反射が生じる臨界角は小さくなる。そのため、底面△ＢＣＤに対する入射角が０度以外の場合であっても、所定の入射角の範囲内であれば、光損失を伴わない再帰反射が生じる。以下、この入射角の範囲を許容角度範囲と呼称する。一例として、再帰反射構造体３０を構成する媒質の屈折率が１．５２の場合、入射角が５．７度以下であれば、光損失を伴わない再帰反射が生じる。

励起光Ｅが照射されることによって、蛍光体２５の内部では等方的な角度分布をもって蛍光Ｙが発生する。以下、蛍光体２５から透光性部材２７に入射した蛍光Ｙの挙動について、図７を用いて説明する。

蛍光体２５の第２面２５ｂの中心２５ｃが透光性部材２７の仮想曲面２７ｓの曲率中心２７ｃに一致していたとする。このとき、図７に示すように、蛍光体２５の第２面２５ｂの中心２５ｃから射出された蛍光Ｙ０、すなわち、曲率中心２７ｃから射出された蛍光Ｙ０は、再帰反射構造体３０の三角錐体の底面△ＢＣＤに対して垂直に入射する。つまり、再帰反射構造体３０に対する蛍光Ｙ０の入射角が０度である。このとき、蛍光Ｙ０は、再帰反射構造体３０において光損失を伴うことなく再帰反射され、進行方向を反転させて再帰反射光Ｙ１となり、蛍光体２５に戻る。すなわち、第２面２５ｂから射出された蛍光Ｙ０は、透光性部材２７の内部を進行し、再帰反射構造体３０によって反射し、蛍光体２５に戻る。蛍光体２５に戻った再帰反射光Ｙ１は、励起光Ｅが入射した向きとは逆向きに進み、蛍光体２５の第１面２５ａから外部に射出される。

ところで、蛍光体２５の第２面２５ｂの中心２５ｃ以外の位置、例えば第２面２５ｂの端部２５ｔから射出された蛍光Ｙ３は、曲率中心２７ｃから外れた位置から射出されたことになるため、再帰反射構造体３０に対して垂直に入射しない。つまり、再帰反射構造体３０に対する蛍光Ｙ３の入射角θは、０度以外の角度である。上述したように、その場合でも、入射角θが許容角度範囲内であれば、蛍光Ｙ３は、光損失を伴うことなく反射されて再帰反射光Ｙ４となり、蛍光体２５の射出位置の近傍に戻る。

入射角θを許容角度範囲内に収め、蛍光Ｙ３を蛍光体２５の射出位置の近傍に戻すためには、蛍光体２５から再帰反射構造体３０までの距離は、蛍光体２５の寸法に対してある程度大きいことが望ましい。すなわち、透光性部材２７の寸法は、蛍光体２５の寸法に対してある程度大きいことが望ましい。透光性部材２７の平面２７ａの直径をＷＬとし、蛍光体２５の直径をＷＦとしたとき、例えばＷＬ／ＷＦ＞１０の関係を満たすように、透光性部材２７および蛍光体２５の大きさが設定されることが望ましい。

ただし、再帰反射構造体３０を構成する媒質の屈折率が大きい程、許容角度範囲が広がるため、ＷＬ／ＷＦの下限値は上記の１０よりも小さくなる可能性がある。そのため、ＷＬ／ＷＦの値は上記の１０に限定されることなく、媒質の屈折率に応じて決定されることが望ましい。したがって、屈折率が高い媒質で再帰反射構造体３０を構成した場合には、上記のＷＬの値を小さくできるため、透光性部材２７を小型化することができる。

また、再帰反射構造体３０の寸法は、蛍光体２５の寸法よりも小さいことが望ましい。さらに、図６に示すように、再帰反射構造体３０の底面△ＢＣＤの一辺の長さをＷＳとしたとき、例えばＷＳ＜ＷＦ／５の関係を満たすように、再帰反射構造体３０および蛍光体２５の大きさが設定されることが望ましい。その理由は、再帰反射構造体３０の寸法が蛍光体２５よりも大きくなると、蛍光Ｙ０が再帰反射して逆向きに戻ったとしても、蛍光体２５から再帰反射構造体３０に向かう蛍光Ｙ０の光路と、再帰反射構造体３０から蛍光体２５に向かう再帰反射光Ｙ１の光路と、の位置の差（シフト量）が大きくなり、再帰反射しても蛍光体２５に戻らない蛍光が発生し、光損失が生じるためである。

以上詳細に説明したように、第１実施形態の波長変換素子２０は、透光性部材２７に設けられた再帰反射構造体３０によって蛍光Ｙを再帰反射させ、蛍光体２５に戻す作用を有している。この種の再帰反射は、銀等の反射面による反射と異なり、光損失を伴わないため、従来に比べて大きな光量の反射蛍光が蛍光体２５に戻り、第１面２５ａから外部に射出される。このようにして、第１実施形態によれば、大きな光強度を有する蛍光が得られる波長変換素子２０を実現することができる。

また、第１実施形態の波長変換素子２０は、非透光性基板からなる基板２２を備えているため、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い材料の選択肢が多い。この種の材料を選択することにより、波長変換素子２０の放熱性を高め、蛍光体２５の変換効率を高めることができる。

また、第１実施形態の波長変換素子２０において、底面が正三角形の三角錐体からなる再帰反射構造体３０が用いられているため、波長変換素子２０を設計する際に、複数の再帰反射構造体３０を仮想曲面２７ｓに沿って最密充填状態で配置させることができる。これにより、反射蛍光の光量をさらに増やすことができる。

また、透光性部材２７の仮想曲面２７ｓが半球面であるため、透光性部材２７を製造しやすく、反射蛍光の光量を確保することができる。

また、第１実施形態では、上記の波長変換素子２０が用いられたことにより、光強度が大きい第１光源装置１００を提供することができる。

また、第１実施形態では、上記の第１光源装置１００が用いられたことにより、高輝度の投写画像が得られるプロジェクター１を提供することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図８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光源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の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８は、第２実施形態の波長変換素子の断面図である。
図８において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、第２実施形態の波長変換素子４０は、基板４２と、蛍光体２５（波長変換部）と、透光性部材２７と、第１接着層４４と、第２接着層４５と、接合材４６と、を備えている。

基板４２は、蛍光体２５と透光性部材２７とを支持する板体である。図８において、基板４２の上面を第１面４２ａとし、基板４２の下面を第２面４２ｂとする。基板４２は、第１実施形態と同様、第１面４２ａの法線方向（Ｙ方向）から見た外形形状が円形であるが、開口部は設けられていない。蛍光体２５は、基板４２の第２面４２ｂに設けられている。蛍光体２５および透光性部材２７の構成は、第１実施形態と同様である。

基板４２は、透光性基板から構成されている。基板４２の材料として、例えばサファイア等の結晶材料、透明セラミックス材料、ガラス材料等が用いられる。ただし、蛍光体２５が励起光Ｅの照射によって発熱するため、蛍光体２５からの放熱を促進する目的で、基板４２には熱伝導率が高い結晶材料、例えば透明セラミックス材料を用いることが望ましい。

蛍光体２５は、第１接着層４４により基板４２に接着され、第２接着層４５により透光性部材２７に接着されている。第１接着層４４および第２接着層４５は、透光性を有する必要があり、第１実施形態の接着剤と同様、熱伝導率が高い接着剤が用いられることが望ましい。したがって、第１接着層４４および第２接着層４５には、例えばシリコーン樹脂からなる接着剤が用いられる。

基板４２と透光性部材２７とは、接合材４６により接合されている。すなわち、蛍光体２５の周辺に接合材４６が充填されている。第２実施形態では、蛍光体２５が基板４２と透光性部材２７との間に挟持されるため、接合材４６の厚さは、第１実施形態の接合材２９（図３参照）より厚くなる。そのため、放熱性の観点から、熱伝導率が高い接合材４６が用いられることがさらに望ましい。接合材４６には、例えば銀、銅等のナノ粒子を含む熱伝導接合材、はんだ等が用いられる。

第２実施形態においても、蛍光体２５から透光性部材２７に入射した蛍光の挙動については第１実施形態と同様である。ただし、蛍光体２５の第１面２５ａから蛍光Ｙが射出される際には、第１実施形態と異なり、蛍光体２５の第１面２５ａからの蛍光Ｙは、第１接着層４４、基板４２を順次透過して外部空間に射出される。その観点から、第１接着層４４および基板４２の光透過率が高い程、大きな光強度を有する蛍光が得られる。

第２実施形態においても、大きな光強度を有する蛍光が得られる波長変換素子４０を実現できる、三角錐体からなる再帰反射構造体３０が用いられたことで最密充填状態での配置が可能であり、反射蛍光の光量をさらに増やせる、光強度が大きい第１光源装置１００を提供できる、高輝度の投写画像が得られるプロジェクター１を提供できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、第２実施形態では、透光性基板からなる基板４２が用いられているため、基板４２に開口部を形成する加工が不要になる。

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、複数の再帰反射構造体が透光性部材の仮想曲面の全域にわたって設けられた例を挙げたが、複数の再帰反射構造体は必ずしも仮想曲面の全域にわたって設けられていなくてもよい。

例えば図９に示すように、変形例の波長変換素子６０においては、半球面からなる仮想曲面２７ｓのうち、複数の再帰反射構造体３０は、基板２２から遠い側（図９の下側）の一部の仮想曲面２７ｓ上に設けられ、基板２２に近い側（図９の上側）には設けられていない。この場合、蛍光体２５の第２面２５ｂから大きな射出角で射出され、再帰反射構造体３０が設けられていない領域に到達した蛍光Ｙ５については、再帰反射の効果が得られない。変形例の波長変換素子６０においても、銀等の反射面が設けられた従来の波長変換素子に比べれば、大きな光強度を有する蛍光が得られる。

また、上記実施形態では、全てが同じ形状、同じ寸法の再帰反射構造体が設けられた例を挙げたが、この構成に代えて、互いに異なる形状、もしくは互いに異なる寸法の再帰反射構造体が設けられていてもよい。再帰反射構造体の形状や寸法によっては、複数の再帰反射構造体が最密充填状態で配置できない場合が生じ、再帰反射構造体が設けられていない箇所には仮想曲面の一部が現存する。しかし、この構成においても、従来の波長変換素子に比べれば、大きな光強度を有する蛍光を得ることができる。

また、透光性部材の平面から蛍光体が設けられた側と反対側に突出する面については、必ずしも全体が連続した滑らかな仮想曲面となっていなくてもよく、例えば一定の曲率を有する仮想曲面にこれとは曲率が異なる仮想曲面が接合された形状であってもよい。

また、上記実施形態では、三角錐体からなる再帰反射構造体の例を挙げたが、微小な球体からなる再帰反射構造体が用いられてもよい。この場合、例えば透光性部材の表面に透光性部材と略同じ屈折率を有するガラスビーズ等の複数の球体を配置し、透光性部材の仮想曲面から球体の一部が外部に露出する構成とすれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。

その他、波長変換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、本発明の波長変換素子には、上記実施形態で例示した構成要素以外の構成要素が付加されていてもよい。

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光源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。本発明による光源装置は、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、１０…第１発光素子（励起光源）、２０，４０，６０…波長変換素子、２２…基板（非透光性基板）、４２…基板（透光性基板）、２２ｈ…開口部、２５…蛍光体（波長変換部）、２５ａ…（蛍光体の）第１面、２５ｂ…（蛍光体の）第２面、２７…透光性部材、２７ａ…平面、２７ｃ，２７ｃ１，２７ｃ２，２７ｃ３…曲率中心、２７ｓ…仮想曲面、３０…再帰反射構造体、１００…第１光源装置（光源装置）、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投写光学系。

Claims (11)

1. 励起光および前記励起光が波長変換された蛍光が通過する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する波長変換部と、
   前記第２面に対向する平面と、前記平面から前記波長変換部が設けられた側と反対側に突出する仮想曲面上に設けられた再帰反射構造体と、を有する透光性部材と、
   を備え、
   前記仮想曲面の曲率中心は、前記波長変換部の前記第２面に対向して位置し、
   前記第２面から射出された前記蛍光は、前記透光性部材の内部を進行し、前記再帰反射構造体によって反射することを特徴とする波長変換素子。
2. 前記波長変換部と前記透光性部材とを支持する基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記基板は、開口部を有する非透光性基板から構成され、
   前記波長変換部は、前記開口部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記基板は、透光性基板から構成され、
   前記波長変換部は、前記透光性基板の一面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
5. 前記再帰反射構造体は、底面の形状が正三角形であり、３つの側面の形状が直角二等辺三角形である三角錐体から構成されていることを特徴とする請求項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。
6. 前記仮想曲面は半球面であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記仮想曲面の曲率中心は、前記波長変換部の内部、もしくは前記透光性部材の内部に位置していることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記波長変換部の前記第２面と前記透光性部材の前記平面との間に設けられた接着層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記仮想曲面の曲率中心は、前記接着層の内部に位置していることを特徴とする請求項８に記載の波長変換素子。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記励起光を射出する励起光源と、を備えたことを特徴とする光源装置。
11. 請求項１０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、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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