JP2019015851A - 波長変換素子、照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による破損が起こり難い、波長変換素子、照明装置、およびをプロジェクターを提供する。
【解決手段】蛍光発光素子２７は、第１面（支持面）３５ａを有するベース部材（支持部材）３５と、第１面に対向する第２面（下面）３４ａを有する蛍光体層３４と、蛍光体層をベース部材に接合する接合部材３６と、を備える。接合部材は、蛍光体層の第２面とベース部材の第１面との間に設けられており、第２面の一部を第１面に接合している。第２面の角部と第１面との間には接合部材が設けられていないことにより、第２面の角部が第１面に接合されていない。
【選択図】図５

Description

本発明は、波長変換素子、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、固体光源からの励起光を蛍光に変換する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。蛍光体層は、金属のろう付けによって放熱基板と接合されている。

特開２０１１−１２９３５４号公報

しかしながら、励起光照射時と励起光非照射時とで大きな温度差が生じるため、上記特許文献１に記載の光源装置では、蛍光体層に対して大きな熱応力が加わる。特に、蛍光体層の角部に熱応力が集中し易い。そのため、蛍光体層が破損するおそれがあった。

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、熱応力による破損が起こり難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態様に係る波長変換素子は、第１面を有するベース部材と、第１面に対向する第２面を有する蛍光体層と、蛍光体層を前記ベース部材に接合する接合部材と、を備える。接合部材は、蛍光体層の第２面とベース部材の第１面との間に設けられており、第２面の一部を第１面に接合している。第２面の角部と第１面との間には接合部材が設けられていないことにより、第２面の角部が第１面に接合されていない。

第１態様に係る波長変換素子では、蛍光体層はベース部材の第１面に対向している第２面を有しており、第２面の角部が第１面に接合されていない。そのため、角部がベース部材と接合されている場合と比較して、蛍光体層の温度が上昇した場合に角部に生じる熱応力が小さい。よって、熱応力による蛍光体層の破損が起こり難い。

上記第１態様において、前記第１面の面法線の方向から見たとき、前記接合部材の輪郭は前記蛍光体層の輪郭の内側に収まっているのが好ましい。

この構成によれば、接合部材が蛍光体層からはみ出していないので、励起光が入射することによる接合部材の劣化を抑制できる。

上記第１態様において、前記第１面の面法線の方向から見たとき、前記接合部材は前記蛍光体層の中央部を含む領域に設けられているのが好ましい。

この構成によれば、蛍光体層の任意の角部とベース部材との間に隙間を形成し易い。

上記第１態様において、前記面法線の方向から見たとき、前記接合部材の輪郭は略円形であるのが好ましい。

この構成によれば、接合部材にかかる熱応力の均一性が高いので、蛍光体層の破損が起こり難い。

上記第１態様において、前記面法線の方向から見たとき、前記蛍光体層の形状は正方形であり、かつ前記接合部材の輪郭は前記蛍光体層の輪郭に内接しているのが好ましい。

この構成によれば、隙間を確実に形成しつつ、接合部材と蛍光体層との接触面積を大きくすることができるので、蛍光体層の熱が接合部材を介してベース部材に効率良く伝達される。

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、前記励起光を前記蛍光体層に向けて集光する集光光学系と、を備えた照明装置が提供される。

第２態様に係る照明装置は、熱応力による蛍光体層の破損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。

上記第２態様において、前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットが前記接合部材の輪郭内に収まるように、前記励起光を集光するのが好ましい。

この構成によれば、接合部材の輪郭内の蛍光体層において発熱するので、蛍光体層の熱が接合部材を介してベース部材に効率良く伝達される。

上記第２態様において、前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットを成形する光学素子を備え、前記面法線の方向から見たとき、前記スポットの形状および前記接合部材の輪郭は略円形であるのが好ましい。

蛍光体層で発生した熱は接合部材を介してベース部材に伝えられる。スポットの形状および接合部材の輪郭が略円形であることにより、接合部材の温度が均一になりやすいので、蛍光体層の温度も均一になりやすい。
この構成によれば蛍光体層の角部に熱応力が集中することが避けられるので、蛍光体層の破損が起こり難い。

上記第２態様において、前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットを成形する光学素子を備え、前記面法線の方向から見たとき、前記スポットの形状は６角形以上の多角形であり、前記接合部材の輪郭は略円形であるのが好ましい。

蛍光体層で発生した熱は接合部材を介してベース部材に伝えられる。接合部材の輪郭が略円形であり、かつスポットの形状が四角形の場合よりも円形に近いことにより、接合部材の温度が均一になりやすいので、蛍光体層の温度も均一になりやすい。
この構成によれば蛍光体層の角部に熱応力が集中することが避けられるので、蛍光体層の破損が起こり難い。

本発明の第３態様に従えば、上記第２態様の照明装置と、前記照明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、熱応力による破損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。 レンズアレイの構成を示す模式図。 支持面の面法線と平行に見た蛍光発光素子の平面図。 蛍光発光素子のＡ−Ａ矢視による断面図。 第二実施形態の照明装置１０２の概略構成を示す図。 ロッドインテグレーターの光入射端面及び光射出端面の平面形状を示す図。 蛍光発光素子上に形成される励起光のスポットを示す平面図。 変形例に係る蛍光発光素子の構成を示す平面図。 変形例に係る蛍光体層の平面形状を示す図。

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。

（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、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、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含むダイクロイックプリズム２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７と、第２の位相差板２８ｂと、第２のピックアップ光学系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、ホモジナイザー光学系２４と、ダイクロイックプリズム２５Ａと、第２の位相差板２８ｂと、第２のピックアップ光学系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のピックアップ光学系２６と、ダイクロイックプリズム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はホモジナイザー光学系２４に入射する。ホモジナイザー光学系２４は、例えば一対のレンズアレイ２４ａおよびレンズアレイ２４ｂからなる。レンズアレイ２４ａは複数の小レンズ２４ａｍを含み、レンズアレイ２４ｂは複数の小レンズ２４ｂｍを含む。複数の小レンズ２４ｂｍは複数の小レンズ２４ａｍとそれぞれ対応している。

図３はレンズアレイ２４ａの構成を示す模式図である。図３は、レンズアレイ２４ａの光入射面を小レンズ２４ａｍの光軸の方向に見た図である。
図３に示すように、小レンズ２４ａｍの形状は６角形となっている。レンズアレイ２４ａが備えている複数の小レンズ２４ａｍは光軸ａｘ１に垂直な面内において千鳥状に配列されている。レンズアレイ２４ｂが備えている複数の小レンズ２４ｂｍは当該面内において千鳥状に配列されている。なお、レンズアレイ２４ｂは、レンズアレイ２４ａと同様の構成を有している。

ホモジナイザー光学系２４において、レンズアレイ２４ａは複数の小レンズ２４ａｍによって光線束ＢＬを複数の部分光線に分割する。そして、レンズアレイ２４ｂの各小レンズ２４ｂｍは、第１のピックアップ光学系２６と協働することで複数の部分光線を後述する蛍光発光素子２７の蛍光体層３４上に集光する。

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ている。

さらに、レンズアレイ２４ｂの各小レンズ２４ｂｍは、第２のピックアップ光学系２９と協働することで複数の部分光線を後述する拡散反射素子３０上に集光する。これにより、光線束ＢＬの被照明領域（蛍光体層３４および拡散反射素子３０）上における光強度分布は均一な状態に変換される。

本実施形態において、ホモジナイザー光学系２４及び第１のピックアップ光学系２６は、特許請求の範囲に記載の「集光光学系」を構成している。

ホモジナイザー光学系２４を経由した光線束ＢＬは、ダイクロイックプリズム２５Ａに入射する。ダイクロイックプリズム２５Ａ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のピックアップ光学系２６に入射する。第１のピックアップ光学系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のピックアップ光学系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のピックアップ光学系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を支持する支持面３５ａを有する支持部材３５と、蛍光体層３４と支持面３５ａとの間に設けられた接合部材３６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」に相当し、支持部材３５は特許請求の範囲の「ベース部材」に相当する。

図４は支持面３５ａの面法線と平行に見た蛍光発光素子２７の平面図である。図５は蛍光発光素子２７のＡ−Ａ矢視による断面図である。

図４に示すように、支持面３５ａの面法線の方向から見た平面視において、蛍光体層３４の形状は四角形である。本実施形態では正方形の蛍光体層３４を用いた。四角形の蛍光体層３４は例えば大判の蛍光体基板をダイシングで個片化することで形成されるので、コスト低減を図ることができる。

図５に示したように、本実施形態において、蛍光体層３４における光線束ＢＬｓの入射面とは反対側の下面３４ａには反射層３７が設けられている。下面３４ａには、保護膜や、蛍光体層３４と接合部材３６との間の密着性を高めるための下地層が設けられていてもよい。蛍光体層３４の下面３４ａの一部は接合部材３６によって支持部材３５の支持面３５ａに接合されている。支持部材３５の支持面３５ａには、支持面３５ａと接合部材３６との間の密着性を高めるための下地層が設けられていてもよい。また、反射層３７を蛍光体層３４の下面３４ａに設ける代わりに、反射層３７を支持面３５ａに設けてもよい。支持面３５ａは特許請求の範囲の「第１面」に相当する。蛍光体層３４の下面３４ａは特許請求の範囲の「第２面」に相当する。

蛍光体層３４で生成された蛍光ＹＬのうち一部の蛍光ＹＬは反射層３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。反射層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のピックアップ光学系２６に向けて射出される。

本実施形態において、接合部材３６は、例えば、Ａｇ粒子を含有した接着剤から構成される。これにより、接合部材３６を介して蛍光体層３４の熱が支持部材３５に効率良く伝達される。

支持部材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、支持部材３５として銅板を用いた。なお、支持部材３５の材料としてはアルミニウムを用いても良い。

図４に示すように、蛍光体層３４の２つの外周辺の交点を頂点３９と呼ぶ。本明細書において、蛍光体層３４の角部３８とは、頂点３９の近傍を含む部位である。四角形の蛍光体層３４は４つの角部３８を有している。

支持面３５ａの面法線の方向から見たときに蛍光体層３４の下面３４ａの角部３８が支持部材３５と重なっている領域において、蛍光体層３４と支持部材３５との間には接合部材３６が設けられていない。これにより、下面３４ａの角部３８は支持面３５ａに接合されていない。言い換えれば、蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４の四つの角部３８において、蛍光体層３４と支持部材３５との間に隙間Ｓを有している。接合部材３６は蛍光体層３４の中央部を含む領域に設けられている。そのため、任意の角部３８に隙間Ｓを設けることが容易である。

接合部材３６の輪郭３６Ｒは蛍光体層３４の輪郭３４Ｒの内側に収まっている。接合部材３６の輪郭３６Ｒは略円形となっている。例えば、支持部材３５と蛍光体層３４との間に液滴状に配置した接合部材３６を押圧することで、略円形状の輪郭３６Ｒを有する接合部材３６を形成することができる。

本実施形態の蛍光体層３４は上述のように正方形であるため、接合部材３６の輪郭３６Ｒを略円形状にすることで蛍光体層３４の角部３８と支持部材３５との間に接合部材３６が設けられない状態となる。

隙間Ｓは蛍光体層３４の四隅に設けられている。本実施形態の蛍光発光素子２７においては、蛍光体層３４の形状を正方形とし、接合部材３６の輪郭３６Ｒを略円形としたため、上記隙間Ｓを容易に形成することができる。

本実施形態において、接合部材３６の輪郭３６Ｒは正方形からなる蛍光体層３４の輪郭３４Ｒに内接した状態となっている。
この構成によれば、上記隙間Ｓを確実に形成しつつ、接合部材３６と蛍光体層３４との接触面積を大きくすることができるので、蛍光体層３４の熱が接合部材３６を介して支持部材３５に効率良く伝達される。

また、平面視において、接合部材３６の輪郭３６Ｒが蛍光体層３４の輪郭３４Ｒの内側に収まっているので、励起光（光線束ＢＬｓ）が接合部材３６に入射し難い。そのため、励起光に曝されることによる接合部材３６の劣化が抑制される。

ところで、蛍光体層３４に励起光が照射されると、蛍光体層３４の温度が上昇することで膨張する。蛍光体層３４は接合部材３６によって支持部材３５に固定されているため、蛍光体層３４において熱応力が発生する。

ここで、比較例として、蛍光体層と支持部材との間に隙間なく接合部材が充填された蛍光発光素子について説明する。シミュレーションによれば、蛍光体層の形状が例えば一辺３．２ｍｍの正方形の場合、頂点を中心とする半径約０．５ｍｍの扇形の領域に熱応力が集中していることがわかった。そのため、蛍光体層の角部において、蛍光体層が破損、例えば、破断したり支持部材から剥離し易い。なお、一辺が１ｍｍの場合、扇形の半径は約０．１５ｍｍであった。つまり、熱応力が集中する扇形の半径は、一辺の約１５％である。

これに対し、本実施形態の蛍光発光素子２７は、角部３８において、蛍光体層３４と支持部材３５との間に隙間Ｓを有している。そのため、角部３８における蛍光体層３４の変形の自由度が高くなり、励起光の照射によって蛍光体層３４の温度が上昇した場合に角部３８に生じる熱応力が、比較例よりも小さくなる。よって、熱応力による蛍光体層３４の破損が起こり難い。なお、接合部材３６が設けられていない角部３８は、頂点３９を中心とする上記扇形の領域を包含することが好ましい。また、扇形の半径は一辺の約１５％に限定されず、隙間Ｓが設けられた角部３８において蛍光体層３４が破損しない程度に熱応力を低減できる大きさであればよい。

図４に示すように、本実施形態において、ホモジナイザー光学系２４及び第１のピックアップ光学系２６は、蛍光体層３４上に形成される励起光のスポットＳＰが接合部材３６の輪郭３６Ｒ内に収まるように、励起光を集光している。

蛍光体層３４上に形成される励起光のスポットＳＰは、レンズアレイ２４ａの小レンズ２４ａｍの二次光源像であるため、小レンズ２４ａｍと相似形状を有する。小レンズ２４ａｍの平面形状は６角形（図３参照）であるため、小レンズ２４ａｍは励起光のスポットＳＰを６角形に成形する。
すなわち、レンズアレイ２４ａは、特許請求の範囲に記載の「光学素子」に相当する。

本実施形態において、励起光のスポットＳＰは接合部材３６の輪郭３６Ｒ内に収まっているので、蛍光体層３４のうち輪郭３６Ｒ内の領域において発熱する。そのため、蛍光体層３４で発生した熱が接合部材３６を介して支持部材３５に効率良く伝達される。
よって、蛍光体層３４の温度上昇による蛍光変換効率の低下が抑制され、明るい蛍光ＹＬを生成することができる。

接合部材３６の輪郭３６Ｒが略円形なので、接合部材３６にかかる熱応力の均一性が高く、蛍光体層３４の破損が起こり難い。

蛍光体層３４で発生した熱は接合部材３６を介して支持部材３５に伝えられる。接合部材３６の輪郭が略円形であり、かつスポットＳＰの形状が四角形よりも円形に近いことにより、接合部材３６の温度が均一になりやすいので、蛍光体層３４の温度も均一になりやすい。この構成によれば蛍光体層３４の角部に熱応力が集中することが避けられるので、蛍光体層３４の損傷が起こり難い。

図２に戻って、蛍光体層３４から射出された蛍光ＹＬは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。第１のピックアップ光学系２６は、蛍光ＹＬをピックアップするとともに平行光に変換し、蛍光ＹＬを偏光分離素子５０Ａに入射させる。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のピックアップ光学系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のピックアップ光学系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のピックアップ光学系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のピックアップ光学系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、複数の偏光分離膜と複数の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、熱応力による蛍光体層３４の破損が起こりにくい。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６は本実施形態の照明装置１０２の概略構成を示す図である。図６に示すように、照明装置１０２は、光源装置１０２Ａ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。

光源装置１０２Ａは、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、集光光学系５１と、ロッドインテグレーター５２と、第２コリメーター光学系５３と、第１の位相差板２８ａと、ダイクロイックプリズム２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子２７と、第２の位相差板２８ｂと、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０と、を有している。

光源装置１０２Ａにおいて、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、集光光学系５１と、ロッドインテグレーター５２と、第２コリメーター光学系５３と、第１の位相差板２８ａと、ダイクロイックプリズム２５Ａと、第２の位相差板２８ｂと、第２のピックアップ光学系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。

集光光学系５１にはコリメーター光学系２２を通過した光線束ＢＬが入射する。集光光学系５１は光線束ＢＬを集光させるようにロッドインテグレーター５２に入射させる。

ロッドインテグレーター５２は、光入射端面５２ａと光射出端面５２ｂとを有する。光入射端面５２ａは集光光学系５１の焦点位置、または焦点近傍に配置されている。

図７はロッドインテグレーター５２における光入射端面５２ａ及び光射出端面５２ｂの形状を示す図である。図７に示すように、本実施形態において、光入射端面５２ａ及び光射出端面５２ｂの形状は、略円形となっている。

ロッドインテグレーター５２の光入射端面５２ａに入射した光線束ＢＬは、ロッドインテグレーター５２の内部を全反射することで伝播し、光射出端面５２ｂから射出される。これにより、光射出端面５２ｂから射出された光線束ＢＬの面内強度分布が均一化されている。ロッドインテグレーター５２により面内強度分布が均一化された光線束ＢＬは第２コリメーター光学系５３に入射する。

第２コリメーター光学系５３は例えば一つのレンズからなり、ロッドインテグレーター５２から射出された光線束ＢＬが入射する。第２コリメーター光学系５３は光線束ＢＬを平行光に変換する。平行化された光線束ＢＬは、第１の位相差板２８ａに入射し、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の割合で含んだ状態に変換される。

第１の位相差板２８ａを透過し、偏光分離素子５０Ａで反射されたＳ偏光の光線束ＢＬｓは第１のピックアップ光学系２６により蛍光発光素子２７の蛍光体層３４上に集光される。一方、第１の位相差板２８ａを透過し、偏光分離素子５０Ａを透過したＰ偏光の光線束ＢＬｐは第２のピックアップ光学系２９により拡散反射素子３０上に集光される。

本実施形態において、ロッドインテグレーター５２、第２コリメーター光学系５３及び第１のピックアップ光学系２６は、特許請求の範囲に記載の「集光光学系」を構成する。

本実施形態においても、第１のピックアップ光学系２６は、蛍光体層３４上に形成される励起光のスポットＳＰが接合部材３６の略円形状の輪郭３６Ｒ内に収まるように、励起光を集光させている。

本実施形態において、蛍光体層３４上に形成される励起光のスポットＳＰは、ロッドインテグレーター５２の光射出端面５２ｂの二次光源像に相当する。そのため、励起光のスポットＳＰは、光射出端面５２ｂ（略円形状）と相似形状を有する。

図８は本実施形態の蛍光発光素子２７上に形成される励起光のスポットを示す平面図である。図８に示すように、ロッドインテグレーター５２の光射出端面５２ｂは励起光のスポットＳＰ１を略円形に成形する。ロッドインテグレーター５２は、特許請求の範囲に記載の「光学素子」に相当する。

本実施形態において、励起光のスポットＳＰ１は、接合部材３６の輪郭３６Ｒと同様の略円形となっている。例えば、接合部材３６の輪郭３６Ｒと略同じ大きさになるように励起光のスポットＳＰ１のサイズを設定すれば、蛍光体層３４で発生した熱が接合部材３６の全体を通って支持部材３５に移動する。そのため、接合部材３６の温度分布の均一性が高くなりやすいので、蛍光体層３４の温度も均一になりやすい。励起光のスポットＳＰ１のサイズが接合部材３６の輪郭３６Ｒよりも小さい場合でも、蛍光体層３４の温度が均一になりやすい。よって、蛍光体層３４の角部に熱応力が集中しにくいので、蛍光体層３４の破損が起こり難い。

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。

上記実施形態では、接合部材３６の輪郭３６Ｒは略円形であったが、本発明はこれに限定されない。蛍光体層３４の角部３８と支持部材３５との間に隙間Ｓを設けることができるならば、輪郭３６Ｒは、例えば、図９に示したような楕円形でもよいし、頂点が丸まった略矩形や変形した円形でもよい。ただし、接合部材３６に生じる熱応力を均等にする、という観点からは、輪郭３６Ｒは略円形が好ましい。

上記実施形態では、接合部材３６が蛍光体層３４からはみ出さない状態、つまり、接合部材３６の輪郭３６Ｒ全体が蛍光体層３４の輪郭３４Ｒの内側に配置された状態を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。蛍光体層３４の角部３８と支持部材３５との間に隙間Ｓを設けることができるならば、図９に示したように、接合部材３６の輪郭３６Ｒの一部が蛍光体層３４の輪郭３４Ｒの外側に配置されていてもよい。

励起光のスポットの形状は特に限定されないが、蛍光体層３４に生じる熱応力を均等にする、という観点からは、円、又は円に近い６角形以上の多角形が好ましい。前述したように、スポットの形状は小レンズ２４ａｍの平面形状、あるいはロッドインテグレーターの光射出端面５２ｂの形状と相似であるため、小レンズ２４ａｍあるいはロッドインテグレーターの光射出端面５２ｂの形状をスポットの形状に合わせて設計すればよい。

上記実施形態では、蛍光体層３４の平面形状が正方形である場合を例に挙げたが、蛍光体層３４の形状はこれに限定されない。蛍光体層３４の形状は、例えば図１０に示したような長方形でもよいし、３角形、或いは５角形以上の多角形でも良い。

なお、本明細書において、四角形は幾何学で定義される四角形に限らず、図１０に示したように４つの頂点のうちいずれかの頂点が欠けた形も含む。この場合、二つの辺の延長線の交点を頂点３９と定義する。四角形以外の多角形の場合も同様である。

上記実施形態では、正方形の蛍光体層３４において総ての角部に隙間を設けたが、本発明はこれに限定されない。少なくとも一つの角部に隙間を設ければ本発明の効果が得られる。隙間が設けられた角部が多いほど高い効果が得られる。

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、２，１０２…照明装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、２７…蛍光発光素子、３４…蛍光体層、３４Ｒ…輪郭、３５…支持部材、３５ａ…支持面、３６…接合部材、３６Ｒ…輪郭、３８…角部、５２…ロッドインテグレーター、１０２…照明装置、ＳＰ１…スポット、ＳＰ…スポット。

Claims (10)

1. 第１面を有するベース部材と、
   前記第１面に対向する第２面を有し、前記第２面の一部が前記第１面に接合された蛍光体層と、
   前記蛍光体層の第２面と前記ベース部材の第１面との間に設けられ、前記蛍光体層を前記ベース部材に接合する接合部材と、を備え、
   前記第２面の角部と前記第１面との間には前記接合部材が設けられていないことにより、前記第２面の角部が前記第１面に接合されていない
   波長変換素子。
2. 前記第１面の面法線の方向から見たとき、前記接合部材の輪郭は前記蛍光体層の輪郭の内側に収まっている
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記第１面の面法線の方向から見たとき、前記接合部材は前記蛍光体層の中央部を含む領域に設けられている
   請求項１又は２に記載の波長変換素子。
4. 前記面法線の方向から見たとき、前記接合部材の輪郭は略円形である
   請求項２又は３に記載の波長変換素子。
5. 前記面法線の方向から見たとき、前記蛍光体層の形状は正方形であり、かつ前記接合部材の輪郭は前記蛍光体層の輪郭に内接している
   請求項４に記載の波長変換素子。
6. 請求項１乃至５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、
   前記励起光を前記蛍光体層に向けて集光する集光光学系と、を備える
   照明装置。
7. 前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットが前記接合部材の輪郭内に収まるように、前記励起光を集光する
   請求項６に記載の照明装置。
8. 前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットを成形する光学素子を備え、
   前記面法線の方向から見たとき、前記スポットの形状および前記接合部材の輪郭は略円形である
   請求項６又は７に記載の照明装置。
9. 前記集光光学系は、前記蛍光体層上に形成される前記励起光のスポットを成形する光学素子を備え、
   前記面法線の方向から見たとき、前記スポットの形状は６角形以上の多角形であり、前記接合部材の輪郭は略円形である
   請求項６又は７に記載の照明装置。
10. 請求項６乃至９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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