JP2019074677A - 波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクター Download PDF

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Abstract

【課題】波長変換効率を低下させることなく、射出光の色味の調整が可能な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は、第１面を有する基板と、第１波長の励起光が入射する第１励起光入射面を有し、第１面に対向して設けられ、励起光を第２波長の光に波長変換する第１蛍光体層と、第１励起光入射面の一部に当接して設けられ、励起光を第３波長の光に波長変換する第２蛍光体層と、第１蛍光体層と基板との間に設けられ、第２波長の光と第３波長の光とを反射する反射層と、を備え、第１蛍光体層は、励起光の入射方向から見て、環状であり、励起光の入射方向から見た第２蛍光体層の面積は、励起光の入射方向から見た第１蛍光体層の面積よりも小さく、第２蛍光体層の厚さは、第１蛍光体層の厚さよりも薄い。【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換素子、波長変換装置、光源装置およびプロジェクターに関する。
プロジェクターに用いられる光源装置として、半導体レーザー等の発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に、蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。
下記の特許文献１に、紫外光を発光する固体光源と、紫外光を可視光に変換する波長変換層を有するカラーホイールと、空間光変調器と、投射レンズと、を備えた「投射型表示装置」が開示されている。特許文献１には、円形の基板が３つの領域に分割され、３つの領域のそれぞれに青色光用蛍光体層、緑色光用蛍光体層、赤色光用蛍光体層のいずれかが設けられたカラーホイールが例示されている。
下記の特許文献２に、所定波長域の蛍光を発する正面側蛍光体層と、正面側蛍光体層から発せられる蛍光の波長域とは異なる波長域の蛍光を発する背面側蛍光体層と、正面側蛍光体層と背面側蛍光体層との間に設けられたダイクロイックフィルターと、を備えた蛍光板と、励起光源と、を備えた「光源装置」が開示されている。特許文献２には、緑色蛍光体を含む正面側蛍光体層とシアン色蛍光体を含む背面側蛍光体層とに励起光を照射することにより、シアン色により色味が調整された緑色の蛍光が蛍光板の正面側に射出され、シアン色により色味が調整された青色光（励起光）が蛍光板の背面側に射出されることが記載されている。
特開２００４−３４１１０５号公報 特開２０１６−０６２０１２号公報
蛍光体を備えた光源装置において、射出光の色は基本的には蛍光体材料の特性で決まるが、さらに射出光の色味を調整したいという要求がある。その場合、上記の特許文献１、２には、以下のような問題点があった。
特許文献１のカラーホイールでは、カラーホイールの回転方向に沿って３つの領域が設けられ、３つの領域の各々に互いに異なる色の蛍光体層が設けられている。ところが、異なる蛍光体材料からなる蛍光体層を基板上に隙間無く形成することは難しく、隣り合う２つの蛍光体層の間に隙間が生じた場合には波長変換効率が低下する、という問題がある。その上、各領域から射出される色光の色味は当該領域で用いられる蛍光体材料の特性で決まるため、色味を細かく調整することが難しい、という問題がある。
また、特許文献２の光源装置は、シアン色光を用いて緑色光と青色光の色味の調整を行っているが、緑色光と青色光が蛍光板の両面から互いに逆向きに射出される構成を有しており、緑色光と青色光は同じ方向には射出されない。そのため、この光源装置をプロジェクターに用いる場合、プロジェクターの光学系の構成に制約がある、という問題がある。
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って、波長変換効率を低下させることなく、射出光の色味の調整が可能な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波長変換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、上記の波長変換装置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、第１面を有する基板と、第１波長の励起光が入射する第１励起光入射面を有し、前記第１面に対向して設けられ、前記励起光を前記第１波長とは異なる第２波長の光に波長変換する第１蛍光体層と、前記第１励起光入射面の一部に当接して設けられ、前記励起光を前記第１波長および前記第２波長とは異なる第３波長の光に波長変換する第２蛍光体層と、前記第１蛍光体層と前記基板との間に設けられ、前記第２波長の光と前記第３波長の光とを反射する反射層と、を備え、前記第１蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、環状であり、前記励起光の入射方向から見た前記第２蛍光体層の面積は、前記励起光の入射方向から見た前記第１蛍光体層の面積よりも小さく、前記第２蛍光体層の厚さは、前記第１蛍光体層の厚さよりも薄いことを特徴とする。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、第２蛍光体層は第１蛍光体層の第１励起光入射面の一部に当接して設けられているため、第１蛍光体層の第１励起光入射面には、第２蛍光体層が設けられている領域と第２蛍光体層が設けられていない領域とが存在する。第２蛍光体層が設けられている領域では、第２蛍光体層の厚さが第１蛍光体層の厚さよりも薄いため、励起光の一部が第２蛍光体層において第３波長の光に波長変換されるとともに、励起光の他の一部が第２蛍光体層を透過して第１蛍光体層に到達し、第１蛍光体層において第２波長の光に波長変換される。また、第２蛍光体層が設けられていない領域では、励起光が第１蛍光体層において第２波長の光に波長変換される。
各蛍光体層で生成された第２波長の光および第３波長の光は、反射層でともに反射され、各蛍光体層から互いに同じ方向に射出される。このように、本発明の一つの態様の波長変換素子において、第１蛍光体層と第２蛍光体層とは各蛍光体層の厚さ方向に積層されており、周方向に並んで配置されていない。そのため、第１蛍光体層と第２蛍光体層との間に隙間が生じることがなく、隣り合う蛍光体層間の隙間に起因した波長変換効率の低下が生じることがない。また、第１蛍光体層の面積や厚さに対する第２蛍光体層の面積や厚さの比を変更することにより、射出光の色味の調整が可能である。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第１蛍光体層の前記第１励起光入射面の第１の位置および前記第１の位置とは異なる第２位置に、それぞれ前記第２蛍光体層が設けられていてもよい。
本発明の一つの態様において、第２蛍光体層は第１蛍光体層の第１励起光入射面の一部に設けられているため、励起光の照射位置が第１蛍光体層の周方向に移動する構成の波長変換装置に用いる場合、第２波長の光のみが射出される期間と、第２波長の光と第３波長の光とが混ざった光が射出される期間と、が切り替わる。その際、本発明の一つの態様の構成によれば、第１励起光入射面の第１の位置および第２位置に、それぞれ第２蛍光体層が設けられているため、一つの第２蛍光体層が設けられた場合と比べて、励起光の照射位置が第１蛍光体層を１周する間の色光の切り替わり回数が増え、色光の切り替わり周期が短くなる。これにより、射出光の色割れを生じにくくすることができる。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第１蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、円環状であり、前記第２蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、略矩形であってもよい。
この構成によれば、第２蛍光体層を円弧状に加工する必要がなく、作製しやすい。また、第２蛍光体層を第１蛍光体層の第１面の一部に設ける際、第２蛍光体層が円弧状である場合に比べて位置合わせマージンを大きくしやすいため、位置合わせ作業を容易に行うことができる。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２蛍光体層は、前記励起光が入射する第２励起光入射面を有し、前記第１励起光入射面と、前記第２励起光入射面とは略同一平面上にあってもよい。
この構成によれば、第２蛍光体層が設けられている領域と第２蛍光体層が設けられていない領域との間で段差が生じないため、蛍光体層を全体として薄型化することができる。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記波長変換素子を、前記基板の前記第１面に垂直な回転軸を中心として回転させる回転駆動装置と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、波長変換素子を回転させることにより各蛍光体層の温度上昇を抑制できるため、波長変換効率を高めることができる。
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、を備えたことを特徴とする。
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を備えているため、高い強度の光を得られる光源装置を実現することができる。
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、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えたことを特徴とする。
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を備えているため、高光束のプロジェクターを実現することができる。
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。 第２実施形態の波長変換素子の平面図である。 第３実施形態の波長変換素子の平面図である。 図５のVI−VI線に沿う波長変換素子の断面図である。 第４実施形態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、図面を用いて説明する。
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。
第１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。
第１実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー画像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を備えている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備えている。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１光源装置１００と、第２光源装置１０２と、色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒと、液晶光変調装置４００Ｇと、液晶光変調装置４００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム５００と、投射光学装置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光源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、波長変換装置３０と、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備える。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の励起光源に対応する。
第１光源１０は、波長が４４５ｎｍの青色の励起光Ｅ（第１波長の励起光）を射出する半導体レーザーから構成されている。第１光源１０は、一つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。第１光源１０は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば波長が４６０ｎｍの青色の励起光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。第１光源１０は、第１光源１０から射出される励起光Ｅの光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。なお、本明細書において、波長とは、発光強度がピーク値を示す波長を意味する。
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光源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、ともに凸レンズで構成されている。
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に至る光路中に、光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとのそれぞれに対して４５°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、第１光源１０から射出された青色の励起光Ｅを反射させ、後述する波長変換装置３０から射出された黄色の蛍光ＹＡ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で反射した励起光Ｅを集束させ、後述する波長変換素子４０に入射させる機能と、波長変換素子４０から射出された蛍光ＹＡを略平行化し、ダイクロイックミラー８０に入射させる機能と、を有している。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、ともに凸レンズで構成されている。
第２光源装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、拡散板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備える。
第２光源７１０は、第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。もしくは、第１光源１０が発光ピーク波長４４５ｎｍの光を射出する半導体レーザーで構成されている場合、第２光源７１０は、発光ピーク波長４６０ｎｍの光を射出する半導体レーザーで構成されていてもよい。第２光源７１０は、一つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。
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光源７１０から射出された青色光Ｂを拡散板７３２上もしくは拡散板７３２の近傍に集光させる。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、ともに凸レンズで構成されている。
拡散板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを拡散させ、波長変換装置３０から射出された蛍光ＹＡの配光分布に近い配光分布を有する青色光Ｂを生成する。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から射出された拡散光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、ともに凸レンズで構成されている。
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、ダイクロイックミラー８０を透過した蛍光ＹＡと合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗは、第１レンズアレイ１２０に入射する。
第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０からの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を有する。第２レンズアレイ１３０は、後段の重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれの画像形成領域近傍に結像させる。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、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。図示を省略するが、偏光変換素子１４０は、偏光分離層と反射層と位相差層とを備えている。
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０から射出された各部分光束を集光し、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂのそれぞれ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、波長変換装置３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。
色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０と、ダイクロイックミラー２２０と、反射ミラー２３０と、反射ミラー２４０と、反射ミラー２５０と、リレーレンズ２６０と、リレーレンズ２７０と、を備えている。色分離導光光学系２００は、第１光源装置１００と第２光源装置１０２とから得られた白色光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを、対応する液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂに導く。
フィールドレンズ３００Ｒは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｇは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｇとの間に配置されている。フィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｂとの間に配置されている。
ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を透過させるダイクロイックミラーである。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。反射ミラー２４０および反射ミラー２５０は、青色光成分を反射する反射ミラーである。
ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを透過して、液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２２０で反射され、フィールドレンズ３００Ｇを透過して、液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂは、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、およびフィールドレンズ３００Ｂを経て、液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。
液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、各色光に対応するカラー画像を形成する。図示を省略するが、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光入射側に、入射側偏光板が配置されている。液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂの光射出側に、射出側偏光板が配置されている。
クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構成を有し、直角プリズム同士が貼り合わされた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が設けられている。
クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学装置６００によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。投射光学装置６００は、複数の投射レンズで構成されている。
以下、波長変換装置３０について詳細に説明する。
図２は、波長変換素子４０の斜視図である。図３は、図２のIII−III線に沿う波長変換素子４０の断面図である。
図１〜図３に示すように、波長変換装置３０は、波長変換素子４０と、モーター６０（回転駆動装置）と、を備えている。波長変換素子４０は、基板４４と、第１蛍光体層５１と、第２蛍光体層５２と、反射層５４と、を備えている。詳細は後述するが、波長変換素子４０は、励起光Ｅが入射する側と同じ側に蛍光ＹＡを射出する。すなわち、本実施形態の波長変換素子４０は、反射型の波長変換素子である。なお、以下の説明では、第１蛍光体層５１と第２蛍光体層５２とを含む蛍光体層の全体を、波長変換部５０と称することもある。
基板４４は、例えばアルミニウム、銅等の熱伝導率が高い材料からなる円板状部材で構成されている。これにより、基板４４は、高い放熱性を確保することができる。本明細書においては、基板４４の２つの面のうち、励起光が入射する側の面を第１面４４ａと称し、第１面４４ａに対向する面を第２面４４ｂと称する。
第１蛍光体層５１は、基板４４の第１面４４ａに対向し、後述する反射層５４を介して、基板４４の周縁部に沿って円環状に設けられている。このように、第１蛍光体層５１の形状は、円形の基板４４の周縁部に沿った円環状であることが望ましいが、必ずしも円環状でなくてもよく、例えば多角形環状などであってもよい。第１蛍光体層５１は、励起光Ｅが入射する側の第１面５１ａと、第１面５１ａに対向する第２面５１ｂと、を有している。第１蛍光体層５１は、所定の波長を有する励起光Ｅを励起光Ｅの波長とは異なる波長の蛍光Ｙに波長変換する。
本実施形態の第１面５１ａは、特許請求の範囲の第１励起光反射面に対応する。
具体的には、第１蛍光体層５１は、賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ１−ｘ，Ｇｄｘ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２（０≦ｘ≦１）からなるＹＡＧ系蛍光体（Ｃｅ：ＹＡＧ）から構成されている。本実施形態では、第１蛍光体層５１は、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体のバルク体から構成されている。ただし、第１蛍光体層５１は、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体からなる蛍光体粒子とバインダーとから構成されていてもよい。また、第１蛍光体層５１は、後述する第２蛍光体層５２で用いられる賦活剤と同じ賦活剤を含んでいてもよい。
例えば、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体からなる第１蛍光体層５１は、ピーク波長が約４６０ｎｍの励起光Ｅを吸収し、ピーク波長が約５４０ｎｍで波長域が約４８０〜７００ｎｍの黄色の蛍光Ｙを生成する。
本実施形態の励起光Ｅは、特許請求の範囲の第１波長の励起光に対応する。本実施形態の蛍光Ｙは、特許請求の範囲の第２波長の光に対応する。
なお、説明の便宜上、第１蛍光体層５１から射出された黄色の蛍光Ｙを第１の蛍光Ｙと称する。
図２および図３に示すように、第２蛍光体層５２は、第１蛍光体層５１の第１面５１ａの一部に当接して設けられている。励起光Ｅの入射方向から見て、第２蛍光体層５２は、円弧状に形成されている。本実施形態において、基板４４の半径方向における第２蛍光体層５２の幅Ｗ２は、基板４４の半径方向における第１蛍光体層５１の幅Ｗ１と等しく、基板４４の周方向に沿った第２蛍光体層５２の長さは、基板４４の周方向に沿った第１蛍光体層５１の幅よりも短い。したがって、励起光Ｅの入射方向から見た第２蛍光体層５２の面積は、励起光Ｅの入射方向から見た第１蛍光体層５１の面積よりも小さい。第２蛍光体層５２は、励起光Ｅを励起光Ｅの波長および第１の蛍光Ｙの波長とは異なる波長の蛍光Ｒに波長変換する。
本実施形態の蛍光Ｒは、特許請求の範囲の第３波長の光に対応する。なお、説明の便宜上、第２蛍光体層５２から射出された赤色の蛍光Ｒを第２の蛍光Ｒと称する。
具体的には、第２蛍光体層５２は、賦活剤としてＰｒ、Ｅｕ、Ｃｒのいずれかが分散された（Ｙ１−ｘ，Ｇｄｘ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２からなるＹＡＧ系蛍光体（Ｐｒ：ＹＡＧ，Ｅｕ：ＹＡＧ，Ｃｒ：ＹＡＧのいずれか）から構成されている。なお、賦活剤は、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｃｒから選ばれる一種が含まれていてもよいし、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｃｒから選ばれる複数種が含まれた共賦活の賦活剤であってもよい。第１蛍光体層５１と同様、本実施形態では、第２蛍光体層５２は、上記の蛍光体のバルク体から構成されているが、上記の蛍光体からなる蛍光体粒子とバインダーとから構成されていてもよい。
例えば、第２蛍光体層５２がＰｒ：ＹＡＧ蛍光体からなる場合、第２蛍光体層５２は、ピーク波長が約４６０ｎｍの励起光Ｅを吸収し、ピーク波長が約６１０ｎｍで波長域が約５００以下〜８００ｎｍの赤色の蛍光Ｒを生成する。
例えば、第２蛍光体層５２がＥｕ：ＹＡＧ蛍光体からなる場合、第２蛍光体層５２は、ピーク波長が約４００ｎｍの励起光Ｅを吸収し、ピーク波長が約５９０ｎｍで波長域が約５００以下〜７５０ｎｍの赤色の蛍光Ｒを生成する。
例えば、第２蛍光体層５２がＣｒ：ＹＡＧ蛍光体からなる場合、第２蛍光体層５２は、ピーク波長が約４５０ｎｍの励起光Ｅを吸収し、ピーク波長が約７１０ｎｍで波長域が約６００〜８００ｎｍの赤色の蛍光Ｒを生成する。
図３に示すように、反射層５４は、第１蛍光体層５１（第１蛍光体層５１の第２面５１ｂ）と基板４４（基板４４の第１面４４ａ）との間に設けられている。反射層５４は、例えば銀、アルミニウム等の反射率が高い金属膜から構成されている。反射層５４は、第１蛍光体層５１および第２蛍光体層５２で生成された第１の蛍光Ｙと第２の蛍光Ｒとを反射する。
図２および図３に示すように、波長変換部５０において、第２蛍光体層５２が存在しない領域を第１領域５０Ａと称し、第２蛍光体層５２が存在する領域を第２領域５０Ｂと称する。本実施形態では、波長変換部５０の全体の面積の約８０％が第１領域５０Ａであり、約２０％が第２領域５０Ｂであるが、第１領域５０Ａの面積と第２領域５０Ｂの面積との割合は、要求される射出光（蛍光ＹＡ）の色味に応じて適宜変更が可能である。
図３に示すように、波長変換部５０の第１領域５０Ａは、第１蛍光体層５１からなる１層の蛍光体層で構成され、第２領域５０Ｂは、第１蛍光体層５１と第２蛍光体層５２とからなる２層の蛍光体層で構成されている。また、第１蛍光体層５１の厚さｔ１は、第１領域５０Ａと第２領域５０Ｂとにわたって同一である。したがって、波長変換部５０は、第１領域５０Ａと第２領域５０Ｂとの間に段差を有している。第２領域５０Ｂにおいて、第２蛍光体層５２の厚さｔ２は、第１蛍光体層５１の厚さｔ１よりも薄い。
モーター６０は、波長変換素子４０を、基板４４の第１面４４ａもしくは第２面４４ｂに垂直な回転軸を中心として回転させる。本実施形態では、波長変換素子４０を回転させることによって、波長変換部５０上での励起光Ｅの照射位置Ｐ（図２参照）を時間的に変化させている。これにより、波長変換部５０の同じ箇所に励起光Ｅが常に照射され、波長変換素子４０（波長変換部５０）が局所的に加熱されて劣化することを抑制している。
上記構成の波長変換素子４０は、以下に示す工程により作製する。
まず、基板４４の第１面４４ａに、第１蛍光体層５１となるＣｅ：ＹＡＧ蛍光体材料を円環状に塗布した後、当該蛍光体材料の上層に、第２蛍光体層５２となるＰｒ：ＹＡＧ蛍光体材料、Ｅｕ：ＹＡＧ蛍光体材料、Ｃｒ：ＹＡＧ蛍光体材料のいずれかを円弧状に塗布する（塗布工程）。
次に、前工程で作製した２層構成の蛍光体材料を焼成して２層の蛍光体材料を一体化し、波長変換部５０を形成する（焼成工程）。２種類の蛍光体材料は、賦活剤が異なるだけであり、蛍光体材料本体を構成するＹＡＧが共通であるため、焼成を一括して行うことができる。
以上の工程により、本実施形態の波長変換素子４０が完成する。
本実施形態の波長変換装置３０を用いる際には、波長変換素子４０に励起光Ｅを照射すると同時に、波長変換素子４０を高速に回転させる。ここで、波長変換部５０上での励起光Ｅの照射位置Ｐが第１領域５０Ａにあるときには、励起光Ｅが第１蛍光体層５１に照射され、第１蛍光体層５１から第１の蛍光Ｙ（黄色の蛍光Ｙ）が射出される。
励起光Ｅの照射位置Ｐが第２領域５０Ｂにあるときには、励起光Ｅが第２蛍光体層５２に照射される。第２領域５０Ｂにおいては、第２蛍光体層５２の厚さｔ２が第１蛍光体層５１の厚さｔ１よりも薄いため、第２蛍光体層５２の厚さｔ２を適切に設定することにより、励起光Ｅの一部が第２蛍光体層５２において第２の蛍光Ｒ（赤色の蛍光Ｒ）に波長変換されるとともに、励起光Ｅの他の一部が第２蛍光体層５２を透過して第１蛍光体層５１に到達し、第１蛍光体層５１において第１の蛍光Ｙに波長変換される。これらの第１の蛍光Ｙおよび第２の蛍光Ｒのうち、基板４４に向かって進んだ光は、反射層５４でともに反射され、波長変換部５０から互いに同じ方向に射出される。このとき、黄色の第１の蛍光Ｙに赤色の第２の蛍光Ｒが混ざった光となることにより、第１の蛍光Ｙ単独の場合よりも赤味が増した黄色の蛍光ＹＲが得られる。
第１蛍光体層５１の材料として例示したＣｅ：ＹＡＧは、一般的に良く用いられるが、赤色光成分が不足する傾向にある。この観点から、本実施形態の波長変換素子４０によれば、赤味が増した黄色の蛍光ＹＲが得られるため、好適である。
また、波長変換素子４０が高速に回転していることにより、第１の蛍光Ｙが射出される期間と、第１の蛍光Ｙと第２の蛍光Ｒとが混ざった蛍光ＹＲが射出される期間と、が高速に切り替わる。これにより、第１の蛍光Ｙと、第１の蛍光Ｙと第２の蛍光Ｒとが混ざった蛍光ＹＲと、が人間の目において時間的に混ざり合い、赤味が増した黄色の蛍光ＹＡが得られる。
すなわち、蛍光ＹＡは、波長変換部５０の第１領域５０Ａ（第１蛍光体層５１）から射出される蛍光Ｙと、波長変換部５０の第２領域５０Ｂ（第１蛍光体層５１＋第２蛍光体層５２）から射出される蛍光ＹＲと、が時間的に合成された光である。また、蛍光ＹＲは、波長変換部５０の第２領域５０Ｂにおいて、黄色の第１の蛍光Ｙと赤色の第２の蛍光Ｒとが合成された光である。また、白色光Ｗは、青色光Ｂと蛍光ＹＡとが合成された光である。
このように、本実施形態の波長変換素子４０において、波長変換部５０を構成する第１蛍光体層５１と第２蛍光体層５２とは基板４４の厚さ方向に積層されており、基板４４の周方向には並んで配置されていない。そのため、本実施形態の波長変換素子４０では、第１蛍光体層５１と第２蛍光体層５２との間に隙間が生じることがなく、２つの蛍光体層間の隙間に起因した波長変換効率の低下が生じることがない。また、第１蛍光体層５１の面積に対する第２蛍光体層５２の面積の比、もしくは第１蛍光体層５１の厚さに対する第２蛍光体層５２の厚さの比を変更することによって、射出光の色味の調整が可能である。
本実施形態の第１光源装置１００は、上記の波長変換素子４０を備えているため、高い強度の出力光（白色光Ｗ）を得ることができる。
本実施形態のプロジェクター１は、上記の第１光源装置１００を備えているため、高光束のプロジェクターを実現することができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクター、光源装置および波長変換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、光源装置および波長変換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４は、第２実施形態の波長変換素子４１の平面図である。
図４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４に示すように、第２実施形態の波長変換素子４１は、基板４４と、第１蛍光体層５１と、２つの第２蛍光体層５２と、反射層（図示せず）と、を備えている。第１蛍光体層５１の第１面５１ａの周方向に沿った第１の位置および第１の位置とは異なる第２の位置に、それぞれ第２蛍光体層５２が設けられている。本実施形態では、２つの第２蛍光体層５２が設けられているが、第２蛍光体層５２の数は２つに限ることなく、適宜変更が可能である。その他の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態においても、波長変換効率を低下させることなく、射出光の色味の調整が可能な波長変換素子４１が得られる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の波長変換素子４１によれば、第１蛍光体層５１上に２つの第２蛍光体層５２が設けられているため、第１実施形態の波長変換素子４０と比べて、波長変換素子４１が１回転する間の第１の蛍光が射出される第１期間と、第１の蛍光と第２の蛍光とが混ざった光が射出される第２期間と、の切り替わり周期が短くなる。これにより、射出光の色割れを生じにくくすることができる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクター、光源装置および波長変換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、光源装置および波長変換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５は、第３実施形態の波長変換素子４２の平面図である。図６は、図５のVI−VI線に沿う波長変換素子４２の断面図である。
図５および図６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５および図６に示すように、第３実施形態の波長変換素子４２は、基板４４と、第１蛍光体層５５と、４つの第２蛍光体層５６と、反射層５４と、を備えている。第１蛍光体層５５の第１面５５ａの周方向に沿った互いに異なる箇所に、４つの第２蛍光体層５６が設けられている。本実施形態では、４つの第２蛍光体層５６が設けられているが、第２蛍光体層５６の数は４つに限ることなく、適宜変更が可能である。
励起光Ｅの入射方向から見て、第１蛍光体層５５の形状は略円環状であり、第２蛍光体層５６の形状は略矩形である。基板４４の半径方向における第２蛍光体層５６の幅Ｗ２は、基板４４の半径方向における第１蛍光体層５５の幅Ｗ１よりも小さい。
図６に示すように、第１蛍光体層５５は、波長変換部５７の第２領域５７Ｂ（第２蛍光体層５６が設けられている領域）において凹部を有しており、第２蛍光体層５６は、励起光Ｅが入射する第１面５６ａを有し、第１蛍光体層５５の凹部の内部に設けられている。すなわち、第２蛍光体層５６は、第１蛍光体層５５の凹部の内部に埋め込まれている。これにより、第２蛍光体層５６の第１面５６ａと第１領域５７Ａ（第２蛍光体層５６が設けられていない領域）における第１蛍光体層５５の第１面５５ａとは、同一平面Ｆ上にある。すなわち、波長変換部５７の励起光Ｅが入射する側の面に段差が存在しない。その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の第１面５６ａは、特許請求の範囲の第２励起光入射面に対応する。
本実施形態においても、波長変換効率を低下させることなく、射出光の色味の調整が可能な波長変換素子４２が得られる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の場合、第１蛍光体層５５の形状が略円環状であり、第２蛍光体層５６の形状が略矩形であり、第２蛍光体層５６の幅Ｗ２が第１蛍光体層５５の幅Ｗ１よりも小さいため、第２蛍光体層５６を第１蛍光体層５５の第１面５５ａの一部に設ける際、位置合わせ作業を行いやすくなる。
本実施形態の波長変換部５７を作製する場合、第１蛍光体層５５の凹部を埋め込むように第２蛍光体層５６の材料を塗布し、全体を一括して焼結すればよい。あるいは、矩形状の第２蛍光体層５６を予め作製しておき、第２蛍光体層５６を第１蛍光体層５５の凹部に嵌め込んで接合してもよい。後者の場合、例えば大判の第２蛍光体層材料をダイシング等の方法で分割して第２蛍光体層５６を作製する場合、第２蛍光体層５６の形状が矩形であれば、第２蛍光体層５６を円弧状に加工する必要がなく、分割作業が容易になる。
また、本実施形態の場合、波長変換部５７の第１領域５７Ａと第２領域５７Ｂとの間で段差が生じないため、波長変換部５７の薄型化が図れる。
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図７を用いて説明する。
上記実施形態の波長変換素子が反射型の波長変換素子であったのに対し、本実施形態の波長変換素子は透過型の波長変換素子である点が異なる。
図７は、第４実施形態の波長変換素子４３の断面図である。
図７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７に示すように、第４実施形態の波長変換素子４３は、基板４６と、第１蛍光体層５１と、第２蛍光体層５２と、ダイクロイックミラー５８（反射層）と、を備えている。本実施形態において、基板４６は、例えばガラス等からなる透明基板で構成されている。励起光Ｅは、基板４６の第１面４６ａから入射し、基板４６の第２面４６ｂに設けられた波長変換部５９から射出される。すなわち、本実施形態の波長変換素子４３は、透過型の波長変換素子である。
基板４６の第２面４６ｂに、第１領域５９Ａと第２領域５９Ｂとを有する波長変換部５９が設けられている。波長変換部５９は、第１領域５９Ａにおいて、第１蛍光体層５１を備えており、第２領域５９Ｂにおいて、基板４６の第２面４６ｂの側から順に設けられた第２蛍光体層５２と、第１蛍光体層５１と、を備えている。第２領域５９Ｂにおいて、第２蛍光体層５２の厚さｔ２は、第１蛍光体層５１の厚さｔ１よりも薄い。
ダイクロイックミラー５８は、基板４６と波長変換部５９との間に設けられた誘電体多層膜で構成されている。ダイクロイックミラー５８は、青色光に対応する波長域の光を透過させ、緑色光および赤色光に対応する波長域の光を反射させる特性を有する。
本実施形態の波長変換素子４３においては、基板４６の第１面４６ａから入射した励起光Ｅは、ダイクロイックミラー５８を透過する。第２領域５９Ｂにおいて、励起光Ｅの一部は、第２蛍光体層５２において第２の蛍光Ｒ（赤色の蛍光Ｒ）に波長変換されるとともに、励起光Ｅの他の一部は、第２蛍光体層５２を透過して第１蛍光体層５１に到達し、第１蛍光体層５１において第１の蛍光Ｙ（黄色の蛍光Ｙ）に波長変換される。第１の蛍光Ｙおよび第２の蛍光Ｒのうち、基板４６に向かって進んだ光は、ダイクロイックミラー５８でともに反射され、波長変換部５９から互いに同じ方向に射出される。
本実施形態においても、波長変換効率を低下させることなく、射出光の色味の調整が可能な波長変換素子４３が得られる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、波長変換部５９は、基板４６の第１面４６ａに設けられていてもよい。その場合、励起光Ｅの進行方向に沿って、ダイクロイックミラー５８、第２蛍光体層５２、第１蛍光体層５１、および基板４６がこの順に配置されていればよい。
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。
例えば励起光源として、青色の励起光を発する半導体レーザーに代えて、青色の励起光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられてもよい。
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。
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。
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。
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光源（励起光源）、３０…波長変換装置、４０，４１，４２，４３…波長変換素子、４４，４６…基板、４４ａ，４６ａ…（基板の）第１面、５１，５５…第１蛍光体層、５２，５６…第２蛍光体層、５４…反射層、５５ａ…（第１蛍光体層の）第１面、５６ａ…（第２蛍光体層の）第１面、５８…ダイクロイックミラー（反射層）、６０…モーター（回転駆動装置）、１００…第１光源装置（光源装置）、４００Ｂ，４００Ｇ，４００Ｒ…液晶光変調装置（光変調装置）、６００…投射光学装置。

Claims (7)

  1. 第１面を有する基板と、
    第１波長の励起光が入射する第１励起光入射面を有し、前記第１面に対向して設けられ、前記励起光を前記第１波長とは異なる第２波長の光に波長変換する第１蛍光体層と、
    前記第１励起光入射面の一部に当接して設けられ、前記励起光を前記第１波長および前記第２波長とは異なる第３波長の光に波長変換する第２蛍光体層と、
    前記第１蛍光体層と前記基板との間に設けられ、前記第２波長の光と前記第３波長の光とを反射する反射層と、を備え、
    前記第１蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、環状であり、
    前記励起光の入射方向から見た前記第２蛍光体層の面積は、前記励起光の入射方向から見た前記第１蛍光体層の面積よりも小さく、
    前記第２蛍光体層の厚さは、前記第１蛍光体層の厚さよりも薄いことを特徴とする波長変換素子。
  2. 前記第１蛍光体層の前記第１励起光入射面の第１の位置および前記第１の位置とは異なる第２の位置に、それぞれ前記第２蛍光体層が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 前記第１蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、円環状であり、
    前記第２蛍光体層は、前記励起光の入射方向から見て、略矩形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
  4. 前記第２蛍光体層は、前記励起光が入射する第２励起光入射面を有し、
    前記第１励起光入射面と、前記第２励起光入射面とは略同一平面上にあることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  5. 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と、
    前記波長変換素子を、前記基板の前記第１面に垂直な回転軸を中心として回転させる回転駆動装置と、
    を備えたことを特徴とする波長変換装置。
  6. 請求項５に記載の波長変換装置と、
    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。
  7. 請求項６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、
    前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。
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