JP2021117250A - 波長変換素子、波長変換素子の製造方法、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

波長変換素子、波長変換素子の製造方法、光源装置およびプロジェクター Download PDF

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Abstract

【課題】反射部材の信頼性の低下を抑制できる、波長変換素子および波長変換素子の製造方法を提供する。また、当該波長変換素子を備えた光源装置を提供する。また、当該光源装置を備えたプロジェクターを提供する。【解決手段】本発明の波長変換素子は、複数の気孔を有し、第1の波長帯の光に励起されて第1の波長帯の光とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層と、波長変換層の第1面に形成される第1接合層と、第1接合層に接合される第2接合層と、第2接合層に形成され、第1の波長帯の光または第2の波長帯の光を反射する反射部材と、備え、波長変換層の第1面は、凹部を有し、第1接合層の一部は、凹部に形成され、第2接合層は、凹部を覆うように形成され、第1接合層および第2接合層は、プラズマ重合膜である。【選択図】図4

Description

本発明は、波長変換素子、波長変換素子の製造方法、光源装置およびプロジェクターに関するものである。
例えば、下記特許文献1、2には、蛍光を利用した照明装置が開示されている。
下記特許文献1の照明装置では、蛍光体と蛍光体を支持する支持部材とを化学結合させて、蛍光体から支持部材への熱伝導性を向上させることで蛍光体の温度上昇を抑制した波長変換素子を用いている。下記特許文献2の照明装置では、蛍光体と支持基板との間に反射部材を設け、蛍光体で生成した蛍光を反射部材によって反射して外部に射出させる反射型の波長変換素子を用いている。
特開2018−136511号公報 特開2011−129354号公報
特許文献2に開示される反射型の波長変換素子に対して特許文献1に開示の化学結合を適用することは困難であるため、反射部材と蛍光体との密着性が低下して反射部材が蛍光体から剥離するおそれがあった。
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様によれば、複数の気孔を有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯の光とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層と、前記波長変換層の第1面に形成される第1接合層と、前記第1接合層に接合される第2接合層と、前記第2接合層に形成され、前記第1の波長帯の光または前記第2の波長帯の光を反射する反射部材と、備え、前記波長変換層の第1面は、凹部を有し、前記第1接合層の一部は、前記凹部に形成され、前記第2接合層は、前記凹部を覆うように形成され、前記第1接合層および前記第2接合層は、プラズマ重合膜であることを特徴とする波長変換素子が提供される。
本発明の第2の態様によれば、複数の気孔と第1面と第1面に設けられた凹部とを有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層を用意する準備工程と、前記波長変換層の前記第1面に第1接合層を形成する第1工程と、基板の第2面に反射部材を形成する第2工程と、前記反射部材に第2接合層を形成する第3工程と、前記第1接合層および第2接合層にそれぞれエネルギーを付与する第4工程と、前記第1接合層と前記第2接合層とを加圧し、前記凹部が前記第2接合層によって覆われるように前記第1接合層および前記第2接合層を接合する第5工程と、前記反射部材と前記基板とを分離する第6工程と、を備え、前記第1工程において、前記第1接合層の一部は、前記凹部内に形成されることを特徴とする波長変換素子の製造方法が提供される。
本発明の第3の態様によれば、上記第1の態様の波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて前記第1の波長帯の光を射出する光源と、を備える光源装置が提供される。
本発明の第4の態様によれば、上記第3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、を備えるプロジェクターが提供される。
プロジェクターの概略を示す図である。 照明装置の概略を示す図である。 波長変換素子の要部構成を示す断面図である。 波長変換素子の要部構成を示す断面図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。 波長変換素子の製造工程を示す図である。
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。
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構成を示す模式図である。
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写型画像表示装置である。
プロジェクター1は、照明装置100、色分離導光光学系200、光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500および投写光学系600を備える。
本実施形態において、照明装置100は白色の照明光WLを色分離導光光学系200に向けて射出する。
色分離導光光学系200は、ダイクロイックミラー210,220、反射ミラー230,240,250およびリレーレンズ260,270を備える。色分離導光光学系200は、照明装置100からの照明光WLを赤色光LR、緑色光LGおよび青色光LBに分離し、赤色光LR、緑色光LGおよび青色光LBをそれぞれが対応する光変調装置400R,400G,400Bに導光する。
色分離導光光学系200と、光変調装置400R,400G,400Bとの間には、フィールドレンズ300R,300G,300Bが配置されている。
ダイクロイックミラー210は、赤色光成分を通過させ、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、青色光成分を通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240,250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を通過した赤色光LRは、反射ミラー230で反射され、フィールドレンズ300Bを通過して赤色光用の光変調装置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LGは、ダイクロイックミラー220でさらに反射され、フィールドレンズ300Gを通過して緑色光用の光変調装置400Gの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー210で反射された青色光LBは、ダイクロイックミラー220を透過し、リレーレンズ260、反射ミラー240、リレーレンズ270、反射ミラー250、フィールドレンズ300Bを経て青色光用の光変調装置400Bの画像形成領域に入射する。
光変調装置400R,400G,400Bは、入射された色光を画像情報に応じて変調して各色光に対応するカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、各フィールドレンズ300R,300G,300Bと各光変調装置400R,400G,400Bとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、各光変調装置400R,400G,400Bとクロスダイクロイックプリズム500との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。
クロスダイクロイックプリズム500は、各光変調装置400R,400G,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光学素子である。
このクロスダイクロイックプリズム500は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略X字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
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、投写光学系600によって拡大投写され、スクリーンSCR上で画像を形成する。
図2は、照明装置100の構成を示す概略図である。
照明装置100は、前述したように照明光WLを色分離導光光学系200に向けて射出する。図2に示すように、照明装置100は、光源装置100A、インテグレーター光学系17、偏光変換素子18および重畳レンズ19を備える。光源装置100Aは、光源部(光源)31、アフォーカル光学系32、ホモジナイザー光学系33、光分離合成装置14、位相差板15、ピックアップ光学系16および波長変換素子4を備える。また、光源部31は、アレイ光源31Aおよびコリメーター光学系31Bを備える。
光源部31のアレイ光源31Aは、複数の半導体レーザー111により構成される。
具体的に、アレイ光源31Aは、当該アレイ光源31Aから射出される光束の照明光軸Ax1と直交する一平面内に複数の半導体レーザー111がアレイ状に配列されることにより形成される。なお、詳しくは後述するが、波長変換素子4にて反射された光束の照明光軸をAx2としたとき、照明光軸Ax1と照明光軸Ax2とは互いに直交している。照明光軸Ax1上においては、光源部31と、アフォーカル光学系32と、ホモジナイザー光学系33と、光分離合成装置14とが、この順に並んで配置されている。
一方、照明光軸Ax2上においては、波長変換素子4と、ピックアップ光学系16と、位相差板15と、光分離合成装置14と、インテグレーター光学系17と、偏光変換素子18と、重畳レンズ19とが、後述する蛍光YLの進行方向にこの順に並んで配置されている。
アレイ光源31Aを構成する半導体レーザー111は、例えば、440〜480nmの波長域にピーク波長を有する青色光BLを射出する。また、半導体レーザー111から射出される青色光BLは、コヒーレントな直線偏光であり、光分離合成装置14に向けて照明光軸Ax1と平行に射出される。本実施形態において、青色光BLは「第1の波長帯の光」に相当する。
また、アレイ光源31Aは、各半導体レーザー111が射出する青色光BLの偏光方向を、光分離合成装置14の光分離合成層143にて反射される偏光成分(例えば、S偏光成分)の偏光方向と一致させるようにしている。アレイ光源31Aから射出された青色光BLは、コリメーター光学系31Bに入射する。
コリメーター光学系31Bは、アレイ光源31Aから射出された青色光BLを平行光に変換するものである。コリメーター光学系31Bは、例えば各半導体レーザー111に対応してアレイ状に配置された複数のコリメーターレンズ27を備える。このコリメーター光学系31Bを通過することにより平行光に変換された青色光BLは、アフォーカル光学系32に入射する。
アフォーカル光学系32は、コリメーター光学系31Bから入射された青色光BLの光束径を調整する。このアフォーカル光学系32は、レンズ121とレンズ122を備える。このアフォーカル光学系32を通過することにより光束径が調整された青色光BLは、ホモジナイザー光学系33に入射する。
ホモジナイザー光学系33は、後述するピックアップ光学系16と協働して、青色光BLの照度分布を均一化する。このホモジナイザー光学系33は、一対のマルチレンズアレイ131,132を備える。このホモジナイザー光学系33から射出された青色光BLは、光分離合成装置14に入射する。
光分離合成装置14は、いわゆるプリズム型の偏光ビームスプリッターであり、P偏光およびS偏光のうち、一方の偏光光を通過させ、他方の偏光光を反射させる。この光分離合成装置14は、プリズム141,142および光分離合成層143を備える。これらプリズム141,142は、略三角柱形状に形成され、それぞれ照明光軸Ax1に対して45°の角度をなす傾斜面を有し、かつ、照明光軸Ax2に対して45°の角度をなしている。
光分離合成層143は、上記傾斜面に設けられ、当該光分離合成層143に入射した第1の波長帯の青色光BLを、S偏光成分とP偏光成分とに分離する偏光分離機能を有する。この光分離合成層143は、青色光BLのS偏光成分を反射させ、青色光BLのP偏光成分を透過させる。
また、光分離合成層143は、当該光分離合成層143に入射した光のうち、第1の波長帯(青色光BLの波長帯)とは異なる第2の波長帯(緑色光LGおよび赤色光LR)の光を、その偏光状態にかかわらず透過させる機能を有する。なお、光分離合成装置14は、プリズム型のものに限らず、プレート型の偏光分離装置を用いてもよい。
本実施形態において、光分離合成層143に入射した青色光BLは、その偏光方向がS偏光成分と一致していることから、S偏光の青色光(以下、青色光BLsと称す)として、波長変換素子4に向けて反射される。
位相差板15は、光分離合成層143と波長変換素子4との間の光路中に配置された1/4波長板である。この位相差板15に入射するS偏光である青色光BLsは、円偏光の青色光BLcに変換された後、ピックアップ光学系16に入射する。なお、位相差板15は、1/2波長板でもよい。
ピックアップ光学系16は、青色光BLcを波長変換素子4に向けて集光させる。このピックアップ光学系16は、レンズ161,レンズ162を備える。具体的に、ピックアップ光学系16は、入射された複数の光束(青色光BLc)を後述する波長変換素子4に向けて集光させるとともに、当該波長変換素子4上で当該複数の光束(青色光BLc)を互いに重畳させる。
ピックアップ光学系16からの青色光BLcは、波長変換素子4に入射する。波長変換素子4は、青色光BLcの一部により励起されることによって赤色光および緑色光を含む蛍光YLを生成する。蛍光YLは、例えば、500〜700nmの波長域にピーク波長を有する。なお、波長変換素子4の構成については、後述する。青色光BLcの一部は後述のように波長変換素子4で反射される。本実施形態において、蛍光YLは「第2の波長帯の光」に相当する。なお、蛍光YLの一部も波長変換素子4で反射される。
そして、波長変換素子4から射出された蛍光YLおよび波長変換素子4で反射された青色光BLcは、ピックアップ光学系16、位相差板15を通過し、光分離合成装置14に入射する。ここで、青色光BLcは位相差板15を再び通過することにより、P偏光の青色光BLpとなる。青色光BLpは、光分離合成層143を透過する。また、蛍光YLは、光分離合成層143を透過する。蛍光YLと青色光BLp(P偏光の青色光)とが合成され、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17に入射する。
インテグレーター光学系17は、後述する重畳レンズ19と協働して、被照明領域における照度分布を均一化する。インテグレーター光学系17は、一対のレンズアレイ171,172を備える。これら一対のレンズアレイ171,172は、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。このインテグレーター光学系17から射出された照明光WLは、偏光変換素子18に入射する。
偏光変換素子18は、偏光分離膜と位相差板とから構成され、照明光WLを直線偏光に変換する。偏光変換素子18から射出された照明光WLは、重畳レンズ19に入射する。
重畳レンズ19は、照明光WLを被照明領域である各光変調装置400R、400G、400Bの画素形成領域上に重畳させることにより、被照明領域の照度分布を均一化する。
以下、波長変換素子4の構成について説明する。
波長変換素子4は、図2に示すように、基材(支持基板)10と、波長変換層11と、反射部材12と、固定部材13と、接合部材23と、放熱部材26とを備えている。
基材10は、ピックアップ光学系16側となる表面10aと、表面10aと反対を向く裏面10bとを有している。基材10は、表面10a側に波長変換層11が設けられ、裏面10b側に放熱部材26が設けられている。
本実施形態において、基材10の材料としては、熱伝導性が高く放熱性に優れた材料を用いることが好ましく、例えば、アルミニウム、銅等の金属や、窒化アルミ、アルミナ、サファイア、ダイヤモンド等のセラミクスが挙げられる。
波長変換層11は、入射された光の一部を蛍光YLに変換して射出するとともに、他の一部を蛍光YLに変換せずに射出する。本実施形態において、波長変換層11は、蛍光体粒子を焼成した蛍光体で形成される。波長変換層11を構成する蛍光体粒子として、Ceイオンを含んだYAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体が用いられる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、1種であってもよいし、2種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものが用いられてもよい。波長変換層11を構成する蛍光体として、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体、無機材料であるガラスバインダーと蛍光体粒子とを焼成することで形成された蛍光体などが好適に用いられる。
放熱部材26は、例えば、ヒートシンクから構成され、複数のフィンを有した構造からなる。放熱部材26は例えば金属ろうによる接合(金属接合)によって基材10の裏面10bに固定される。波長変換素子4は、放熱部材26を介して波長変換層11を放熱させることができるため、波長変換層11の熱劣化を防ぐことができる。
反射部材12は、基材10の表面10aと波長変換層11との間に設けられる。反射部材12は、波長変換層11から入射した光をピックアップ光学系16に向けて反射させる。
本実施形態の反射部材12は、複数の膜を積層した多層膜で構成される。
図3は、波長変換素子4の要部構成を示す断面図である。具体的に、図3は反射部材12の断面を示す図である。
図3に示すように、波長変換層11は、光射出面11Aと底面(第1面)11Bとを有している。光射出面11Aは、図2において青色光BLcを入射させるとともに蛍光YLを射出する面である。底面11Bは基材10に対向する面である。
反射部材12は、波長変換層11の底面11B側に設けられる。本実施形態の波長変換素子4において、波長変換層11と反射部材12とは接合部材23を介して接合されている。接合部材23の構成については後述する。
本実施形態の波長変換素子4において、反射部材12は固定部材13(第3接合層)を介して基材10の表面10aに保持される。固定部材13による接合方法としては、例えば、銀ろう等の金属ろうによる接合(金属接合)を用いることができる。これにより、反射部材12と基材10との間の熱伝導性を向上できる。固定部材13として、ナノAg粒子を用いた焼結型接合材を用いてもよい。
本実施形態の反射部材12は、基材10の表面10a側から波長変換層11の底面11B側に向かって順に積層された、接合補助層55、第1密着層54、第1保護層53、反射層52、第2保護層51、多層膜50、および第2密着層49を含む。
接合補助層55は固定部材13に対する接合信頼性を向上させる。接合補助層55として、例えば、Ag層を用いれば、反射部材12と基材10との間における熱伝導性を向上できる。
第1密着層54は、接合補助層55と第1保護層53との密着性を向上させる膜であり、例えば、Ni層で構成される。第1密着層54は、反射層52を保護する第1保護層53の形成時に、接合補助層55が酸化されることを防止する。第1密着層54は、接合補助層55と第1保護層53との間に設けられる。なお、Ni層から構成される第1密着層54とAg層から構成される接合補助層55とは自由電子を共有するため、強い密着力を得ることができる。
第1保護層53は、反射層52を保護する機能を有する。第1保護層53は、例えば、SnOで構成される。第1保護層53は、第1密着層54と反射層52との間に設けられる。なお、SnO層から構成される第1保護層53とNi層から構成される第1密着層54とは、強い密着性を有する。
反射層52は、反射部材12に入射した青色光BLcまたは蛍光YLを反射させる層である。反射層52の材料としては、例えば、AgまたはAlが用いられる。本実施形態では、より高い反射率を得るAg層を用いて反射層52を形成した。反射層52は、第1保護層53と第2保護層51との間に設けられる。なお、Ag層から構成される反射層52とSnO層から構成される第1保護層53とは、強い密着性を有する。
第2保護層51は、第1保護層53と同様、反射層52の保護機能を有する層である。第1保護層53および第2保護層51は、例えば、SnOで構成される。第2保護層51は、反射層52と後述する多層膜50の増反射層50dとの間に設けられる。第2保護層51は第1保護層53より膜厚が薄い。そのため、第2保護層51を形成する際、反射層52が酸化され難いため、反射層52と第2保護層51との間には第1密着層54のようなNi層を設ける必要がない。なお、SnO層から構成される第2保護層51とAg層から構成される反射層52とは、強い密着性を有する。
多層膜50は、無機酸化物を含有する層であり、増反射層50a、50b、50c、50dを含む。増反射層50a、50b、50c、50dは増反射効果を奏し、蛍光YLの取り出し効率を向上させる。本実施形態において、増反射層50a、50b、50c、50dの形成材料として、例えば、Nb、SiO、Nb、Alをそれぞれ用いた。
Al層から構成される増反射層50dは、第2保護層51と増反射層50cとの間に設けられる。Nb層から構成される増反射層50cは、増反射層50dと増反射層50bとの間に設けられる。SiO層から構成される増反射層50bは、増反射層50cと増反射層50aとの間に設けられる。Nb層から構成される増反射層50aは、増反射層50bとSiO層から構成される第2密着層49との間に設けられる。
なお、Al層から構成される増反射層50dとSnO層から構成される第2保護層51とは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。Nb層から構成される増反射層50cとAl層から構成される増反射層50dとは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。SiO層から構成される増反射層50bとNb層から構成される増反射層50cとは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。Nb層から構成される増反射層50aとSiO層から構成される増反射層50bとは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。
第2密着層49は、後述する接合部材23と多層膜50との接合性、密着性を向上させるための無機酸化物層であり、例えば、SiO層で構成される。
第2密着層49は、後述する接合部材23とNb層から構成される増反射層50aとの間に設けられる。なお、SiO層から構成される第2密着層49とNb層から構成される増反射層50aとは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。
図4は波長変換層11の要部構成を示す断面図である。図4では反射部材12を簡略化して単層の部材として示している。
図4に示すように、本実施形態において、波長変換層11は、内部に設けられた複数の気孔21を有している。これにより、波長変換層11は、複数の気孔21により光散乱特性を有したものとなっている。複数の気孔21は、例えば、平均径が60μm程度の気孔で構成される。
複数の気孔21の一部は、波長変換層11の底面11Bに露出する。波長変換層11は、底面11Bに設けられた凹部21aを有している。凹部21aは底面11Bに露出した気孔21の一部で構成されている。本実施形態の波長変換素子4は、底面11Bに設けられた接合部材23を有している。接合部材23は、波長変換層11と反射部材12とを接合する部材である。
接合部材23は、第1接合層23aと、第1接合層23aに接合される第2接合層23bと、を含む。本実施形態において、第1接合層23aおよび第2接合層23bはプラズマ重合膜で構成される。第1接合層23aおよび第2接合層23bの構成材料としては、シロキサン結合を含み、Si骨格とSi骨格に結合する有機基からなる脱離基とを有する材料、例えば、ポリオルガノシロキサンのようなシロキサン結合を含む重合物等が挙げられる。なお、第1接合層23aおよび第2接合層23bはシロキサン結合を含んでいれば同一材料で構成されてもよいし、別材料で構成されてもよい。本実施形態において、接合部材23のうち波長変換層11に対向する第1接合層23aの屈折率は波長変換層11の屈折率よりも低い。
プラズマ重合膜からなる第1接合層23aおよび第2接合層23bは、例えば、プラズマ照射等によってエネルギーを付与すると活性化されて接着性を発現する特性を有する。そのため、接合部材23は、エネルギー照射によって発現された接着性を利用することで、接着剤等を用いることなく第1接合層23aおよび第2接合層23bを化学的に接合できる。接合部材23は、第1接合層23aおよび第2接合層23b間に化学的に接合された接合界面23cを有する。なお、第1接合層23aおよび第2接合層23bは活性化の過程でシロキサン結合のメチル基が切断されるため、接合界面23cが含有するメチル基は、第1接合層23aおよび第2接合層23bが含有するメチル基に対して、相対的に含有量が少なくなっている。接合界面23cを介した第1接合層23aと第2接合層23bとの密着性は、非常に強い。よって、第1接合層23aと第2接合層23bとの接合力は非常に強く、波長変換層11と反射部材12とは、接合部材23によって強固に接合されている。
本実施形態の波長変換層11は、底面11Bに設けられた密着補助膜8を含んでいる。密着補助膜8は、接合部材23に対する波長変換層11の密着性を向上させるための膜であり、例えば、ポリシラザンを焼結させたSiO膜で構成される。密着補助膜8は、凹部21aに入り込むように底面11Bに形成される。
第1接合層23aは密着補助膜8を介して波長変換層11の底面11Bに形成される。なお、密着補助膜8は必要に応じて省略してもよい。密着補助膜8を省略した場合、第1接合層23aは底面11Bに直接形成されることになる。
第1接合層23aの一部は凹部21aに形成される。第1接合層23aは、凹部21a内に入り込んで形成されるため、アンカー効果によって波長変換層11に対する密着性が高められている。よって、第1接合層23aは、波長変換層11から剥離し難い。また、第1接合層23aは、SiO膜で構成される密着補助膜8によって、波長変換層11に対する密着性がより高められている。
第2接合層23bは、凹部21aを覆うように第1接合層23aに接合されることで、第1接合層23a及び第2接合層23bを含む接合部材23が構成される。反射部材12は、第2接合層23bの第1接合層23aと反対側に形成されている。
本実施形態の接合部材23は、波長変換層11との接合部分をなす第1接合層23aが波長変換層11から剥離し難いため、接合部材23は波長変換層11に対して優れた密着性を有する。また、第2接合層23bは、SiO層から構成される第2密着層49によって、多層膜50に対する密着性が高められている。よって、接合部材23を介して波長変換層11に接合された反射部材12は、波長変換層11から剥離し難く、反射部材12は波長変換層11に良好に密着した状態とされる。
本実施形態の波長変換素子4は、例えば、以下に示す製造方法により製造される。
まず、波長変換層11を準備する(準備工程)。
はじめに、波長変換層11を構成する蛍光体粒子等を含有する混合物を調整し、当該混合物を所定の温度にて焼成する。焼成によって、図5Aに示すように、複数の気孔21を含み、蛍光体からなる蛍光体基材9が形成される。なお、気孔21の大きさ或いは数は、焼成温度や混合物に添加する物質の材質等で調整可能である。
続いて、蛍光体基材9の両面を研磨することで、図5Bに示すように光射出面11Aと底面11Bとを有した波長変換層11を形成する。研磨により気孔21の一部が外部に露出し、波長変換層11の底面11Bに凹部21aが形成される。そして、底面11Bに例えば、蒸着、CVD等のドライプロセスを用いて密着補助膜8を構成するSiO膜を成膜する。本実施形態では、CVDを用いて密着補助膜8を形成した。なお、ウエットプロセスを用いてSiO膜を形成してもよい。
続いて、図5Cに示すように、第1接合層23aの一部が、凹部21a内に形成されるように波長変換層11の底面11Bに第1接合層23aを形成する(第1工程)。第1工程において、凹部21a内に第1接合層23aの一部が入り込むように、第1接合層23aが形成される。
本実施形態において、波長変換層11より屈折率の低い材料を用いて第1接合層23aを形成する。具体的に、プラズマ重合法を用いて、シロキサン結合を含み、Si骨格と、Si骨格に結合する有機基からなる脱離基とを有する材料、例えば、ポリオルガノシロキサンを成膜することで第1接合層23aを形成する。プラズマ重合法で形成された第1接合層23aは凹部21a内に一部が入り込んだ状態に成膜される。
本実施形態において、波長変換層11は底面11Bに設けられた密着補助膜8を有するので、第1接合層23aおよび波長変換層11は接合性および密着性が高くなる。また、第1接合層23aは、凹部21a内に入り込んで形成されるため、アンカー効果によって波長変換層11に対する密着性が高まる。本実施形態によれば、第1接合層23aは波長変換層11より屈折率の低い材料を用いて形成されているので、波長変換層11と第1接合層23aとの界面で全反射させることができる。
続いて、図6Aに示すように、転写用基板(基板)40の表面(第2面)40aに反射部材12を形成する(第2工程)。
具体的に、転写用基板40としてはサファイア基板を用いた。転写用基板40の表面40aは鏡面とされている。
転写用基板40の表面40a上に、蒸着やスパッタリング等によって、図3に記載された反射部材12の各層を順次成膜することで反射部材12を形成する。すなわち、転写用基板40の表面40a上に、接合補助層55、第1密着層54、第1保護層53、反射層52、第2保護層51、多層膜50の増反射層50d、多層膜50の増反射層50c、多層膜50の増反射層50b、多層膜50の増反射層50aおよび第2密着層49を順次成膜することで反射部材12を形成する。反射部材12は鏡面である転写用基板40の表面40a上に均一に成膜される。本実施形態の波長変換素子4の製造方法によれば、反射部材12を均一に形成できる。
続いて、図6Bに示すように、反射部材12に第2接合層23bを形成する(第3工程)。具体的に、プラズマ重合法を用いて、シロキサン結合を含み、Si骨格と、Si骨格に結合する有機基からなる脱離基とを有する材料、例えば、ポリオルガノシロキサンを成膜することで第2接合層23bを形成する。第2接合層23bは均一性の高い反射部材12上に成膜されるため、第2接合層23b自体も均一性の高い膜となる。
続いて、図5Dに示すように、第1接合層23aの表面23a1にエネルギーを付与する(第4工程)。また、図6Cに示すように、第2接合層23bの表面23b1にそれぞれエネルギーを付与する(第4工程)。
具体的に、プラズマ照射によるエネルギーを付与することで第1接合層23aおよび第2接合層23bの表面23a1,23b1をそれぞれ活性化させる(第4工程)。
続いて、図7Aに示すように、第1接合層23aと第2接合層23bとを互いに対向させるとともに、接触させ、さらに加圧し、凹部21aが第2接合層23bにより覆われるように第1接合層23aおよび第2接合層23bを接合する(第5工程)。
第5工程では、第1接合層23aおよび第2接合層23bを加圧することで各表面23a1,23b1を密着させる。第1接合層23aおよび第2接合層23bの表面23a1,23b1は活性化される過程でシロキサン結合のメチル基が切断されて接着性を発現しているため、第1接合層23aおよび第2接合層23bは化学的に接合される。このようにして、第1接合層23aおよび第2接合層23b間に接合界面23cを有する接合部材23が形成される(図7A参照)。なお、第1接合層23aおよび第2接合層23bは活性化の過程でシロキサン結合のメチル基が切断されるため、第1接合層23aおよび第2接合層23bの接合部分には相対的にメチル基の少ない接合界面23cが形成される。
続いて、図7Bに示すように、反射部材12と転写用基板40とを分離する(第6工程)。
本実施形態において、転写用基板40の表面40aは鏡面となっている。転写用基板40の表面40aおよび反射部材12の接合補助層55との密着力は、反射部材12の各層間における密着力および接合部材23の接合界面23cの密着力と比べて最も小さくなる。すなわち、Ag層から構成される接合補助層55とサファイアから構成される転写用基板40との密着力は、反射部材12の各層間における密着力および接合部材23の接合界面23cの密着力と比べて最も小さくなる。したがって、転写用基板40の剥離時、最も密着力の小さい反射部材12の接合補助層55と転写用基板40との界面で剥離が生じ、反射部材12を波長変換層11側に転写することができる。転写用基板40を剥離することで、第1接合層23aおよび第2接合層23bにより接合された波長変換層11および反射部材12を含む接合体44が形成される。
なお、転写用基板40の剥離方法は特に限定されず、例えば、力学的に剥離する方法や、熱応力を生じさせて剥離する方法や、反射部材12と転写用基板40との間に潮解性のある物質を含有する層を形成することで剥離する方法を用いてもよい。
続いて、図7Cに示すように、接合体44と基材10の表面10aとを固定部材13(第3接合層)を介して接合する(第7工程)。最後に、基材10の裏面10bに放熱部材26を固定することで本実施形態の波長変換素子4が製造される。
(実施形態の効果)
本実施形態の波長変換素子4によれば以下の効果を奏する。
本実施形態の波長変換素子4は、複数の気孔21を有し、青色光BLcに励起されて蛍光YLを生成する波長変換層11と、波長変換層11の底面11Bに形成される第1接合層23aと、第1接合層23aに接合される第2接合層23bと、第2接合層23bに形成され、青色光BLcおよび蛍光YLを反射する反射部材12と、備え、波長変換層11の底面11Bは、凹部21aを有し、第1接合層23aの一部は、凹部21aに形成され、第2接合層23bは、凹部21aを覆うように形成され、第1接合層23aおよび第2接合層23bは、プラズマ重合膜である。
本実施形態の波長変換素子4によれば、第1接合層23aの一部が凹部21aに入り込んで形成されるため、アンカー効果によって波長変換層11に対する第1接合層23aの密着性を向上させることができる。よって、第1接合層23aが波長変換層11から剥離し難いため、第2接合層23bを介して第1接合層23aに接合された反射部材12は波長変換層11から剥離し難くなる。したがって、本実施形態の波長変換素子4によれば、波長変換層11からの反射部材12の剥離を抑制でき、反射部材12の信頼性を向上できる。
また、本実施形態の波長変換素子4は、凹部21aを覆うように形成された第2接合層23bを備えるため、波長変換層11の底面11Bに形成した第1接合層23aに対して、別工程で製造した反射部材12を有する第2接合層23bを接合する製造工程が採用可能となる。反射部材12は複数の層を成膜して構成される。ここで、凹部21aを有する底面11Bの平坦度は低いため、仮に反射部材12を波長変換層11の底面11Bに直接形成した場合、反射部材12を構成する各層を良好に成膜することが難しく、反射部材12の平坦性が低下してしまう。反射部材12の平坦性が低下すると、蛍光YLを効率良く反射できず、蛍光YLの取り出し効率を低下させてしまう。
これに対し、本実施形態の波長変換素子4は、別工程で製造した平坦性の高い反射部材12を第2接合層23bによって第1接合層23aに接合した構成を有するので、蛍光YLを効率良く反射し、蛍光YLの取り出し効率を向上させることができる。
また、本実施形態の波長変換素子4において、プラズマ重合膜からなる第1接合層23aおよび第2接合層23bは接着剤を用いることなく接合できるため、接着剤等を用いた場合に比べて接合部分における耐光性が向上する。よって、波長変換層11と反射部材12との接合信頼性に優れた波長変換素子が提供される。
また、本実施形態の波長変換素子4は、基材10と、基材10と反射部材12とを接合する固定部材13と、を備える。
この構成によれば、固定部材13を介して反射部材12から熱を基材10に放出することができる。よって、反射部材12と基材10との間の熱伝導性が向上するので、反射部材12を介して波長変換層11から放熱させることができる。よって、波長変換層11の熱劣化を防ぐことができる。
また、本実施形態の波長変換素子4において、第1接合層23aの屈折率は波長変換層11の屈折率よりも低い。
この構成によれば、波長変換層11と第1接合層23aとの界面で全反射を利用することができる。よって、光の利用効率を向上させることができる。
本実施形態の波長変換素子4の製造方法は、複数の気孔21と底面11Bと底面11Bに設けられた凹部21aとを有し、青色光BLcに励起されて蛍光YLを生成する波長変換層11を用意する準備工程と、波長変換層11の底面11Bに第1接合層23aを形成する第1工程と、転写用基板40の表面40aに反射部材12を形成する第2工程と、反射部材12に第2接合層23bを形成する第3工程と、第1接合層23aおよび第2接合層23bにそれぞれエネルギーを付与する第4工程と、第1接合層23aと第2接合層23bとを加圧し、第2接合層23bによって凹部21aが覆われるように第1接合層23aおよび第2接合層23bを接合する第5工程と、反射部材12と転写用基板40とを分離する第6工程と、を備え、第1工程において、第1接合層23aの一部は、凹部21a内に形成される。
本実施形態の波長変換素子4の製造方法によれば、第1工程によって、第1接合層23aの一部が凹部21aに入り込んで形成されるため、第1接合層23aはアンカー効果によって波長変換層11に対する密着性が向上する。よって、第1接合層23aが波長変換層11から剥離し難いため、第2接合層23bを介して第1接合層23aに接合された反射部材12は波長変換層11から剥離し難くなる。したがって、本実施形態の波長変換素子4の製造方法によれば、波長変換層11からの反射部材12の剥離を抑制し、反射部材12の信頼性を向上した波長変換素子を提供できる。
ここで、凹部21aを有する底面11Bの平坦度は低いため、仮に反射部材12を波長変換層11の底面11Bに直接形成した場合、反射部材12の平坦性が低下し、蛍光YLを効率良く反射できず、蛍光YLの取り出し効率を低下させてしまう。
これに対し、本実施形態の波長変換素子4の製造方法は、凹部21aを覆うように第2接合層23bを第1接合層23aに接合して反射部材12を波長変換層11に転写することができる。すなわち、本実施形態の波長変換素子4の製造方法では、反射部材12を凹部21aのない転写用基板40の表面40aに形成した後、波長変換層11と接合するので、凹部21aによる欠陥が反射部材12に発生することを抑制できる。よって、反射部材12の平坦性が向上することで、反射部材12の反射率低下が抑制されて、蛍光YLを効率良く反射し、蛍光YLの取り出し効率を向上できる。
また、本実施形態の波長変換素子4の製造方法において、第1接合層23aおよび第2接合層23bは接着剤を用いることなく分子間接合によって接合できるため、接着剤等を用いた場合に比べて接合部分における耐光性が向上する。よって、波長変換層11と反射部材12との接合信頼性に優れた波長変換素子4を提供できる。
また、本実施形態の波長変換素子4の製造方法においては、第6工程の後、第1接合層23aおよび第2接合層23bにより波長変換層11および反射部材12を接合した接合体44と基材10とを固定部材13を介して接合する第7工程を備える。
この構成によれば、固定部材13を介して反射部材12から熱を基材10に放出する構造を得ることができる。よって、反射部材12と基材10との間の熱伝導性が向上するので、反射部材12を介して波長変換層11の熱を放出できる。よって、波長変換層11の熱劣化を抑制することで信頼性の高い波長変換素子4を提供できる。
また、本実施形態の波長変換素子4の製造方法において、第1工程では、波長変換層11より屈折率の低い材料を用いて第1接合層23aを形成する。
この構成によれば、波長変換層11と第1接合層23aとの界面で全反射を利用する波長変換素子4を製造できる。よって、光の利用効率の高い波長変換素子4が提供される。
本実施形態の光源装置100Aは、上記の波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて前記第1の波長帯の光を射出する光源と、を備えることを特徴とする。
本実施形態の光源装置100Aによれば、反射部材12の剥離を抑制した上記波長変換素子4を備えるので、信頼性の高い光源装置を提供できる。
本実施形態のプロジェクター1は、上記の光源装置100Aと、光源装置100A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400R,400G,400Bと、画像光を投写する投写光学系600と、を備える。
本実施形態のプロジェクター1によれば、上記光源装置100Aを用いた照明装置100を備えるため、当該プロジェクター1も信頼性に優れたものとなる。
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、上記実施形態では、波長変換素子4として固定型のものを例に挙げたが、本発明の波長変換素子は回転ホイール型にも適用可能である。回転ホイール型に適用することで、波長変換層の放熱性が向上し、蛍光発光効率が向上することで波長変換素子4から出射される光量を向上できる。
また、上記実施形態では、光変調装置として過型液晶ライトバルブを用いているが、光変調装置として、反射型液晶ライドバルブを用いることもできる。また、光変調装置として、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、DMD(Digital Micromirror Device)等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。さらに、照明装置の光源として、半導体レーザーダイオードに限らずLED(Light Emitting Diode)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用照明装置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。
また、上記実施形態では、第2保護層51と反射層52との間には、Ni層が設けられていてもよい。当該Ni層は、第2保護層51が形成される際に、反射層52が酸化することを防止することができる。
また、上記実施形態では、反射層52と第1保護層53との間には、Ni層が設けられていてもよい。当該Ni層は、反射層52が劣化することを防止することができる。
本開示の一態様に係る波長変換素子は、複数の気孔を有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯の光とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層と、前記波長変換層の第1面に形成される第1接合層と、前記第1接合層に接合される第2接合層と、前記第2接合層に形成され、前記第1の波長帯の光または前記第2の波長帯の光を反射する反射部材と、備え、前記波長変換層の第1面は、凹部を有し、前記第1接合層の一部は、前記凹部に形成され、前記第2接合層は、前記凹部を覆うように形成され、前記第1接合層および前記第2接合層は、プラズマ重合膜であることを特徴とする。
また、上記態様に係る波長変換素子において、支持基板と、前記支持基板と前記反射部材とを接合する第3接合層と、を備える構成としてもよい。
また、上記態様に係る波長変換素子において、前記第1接合層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率よりも低い構成としてもよい。
本開示の一態様に係る波長変換素子の製造方法は、複数の気孔と第1面と第1面に設けられた凹部とを有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層を用意する準備工程と、前記波長変換層の前記第1面に第1接合層を形成する第1工程と、基板の第2面に反射部材を形成する第2工程と、前記反射部材に第2接合層を形成する第3工程と、前記第1接合層および第2接合層にそれぞれエネルギーを付与する第4工程と、前記第1接合層と前記第2接合層とを加圧し、前記凹部が前記第2接合層によって覆われるように前記第1接合層および前記第2接合層を接合する第5工程と、前記反射部材と前記基板とを分離する第6工程と、を備え、前記第1工程において、前記第1接合層の一部は、前記凹部内に形成されることを特徴とする。
また、上記態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記第6工程の後、前記第1接合層および前記第2接合層により波長変換層および反射部材を接合した接合体と支持基板とを第3接合層を介して接合する第7工程を備える製造方法としてもよい。
また、上記態様に係る波長変換素子の製造方法において、前記第1工程では、前記波長変換層より屈折率の低い材料を用いて前記第1接合層を形成する製造方法としてもよい。
本開示の一態様に係る光源装置は、上記態様の波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて前記第1の波長帯の光を射出する光源と、を備えることを特徴とする。
本開示の一態様に係るプロジェクターは、上記態様の光源装置と、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、を備えることを特徴とする。
1…プロジェクター、4…波長変換素子、10…基材(支持基板)、11…波長変換層、12…反射部材、13…固定部材(第3接合層)、21…気孔、21a…凹部、23a…第1接合層、23b…第2接合層、31…光源部(光源)、40…転写用基板(基板)、44…接合体、100A…光源装置、400B,400G,400R…光変調装置、600…投写光学系。

Claims (8)

  1. 複数の気孔を有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯の光とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層と、
    前記波長変換層の第1面に形成される第1接合層と、
    前記第1接合層に接合される第2接合層と、
    前記第2接合層に形成され、前記第1の波長帯の光または前記第2の波長帯の光を反射する反射部材と、備え、
    前記波長変換層の第1面は、凹部を有し、
    前記第1接合層の一部は、前記凹部に形成され、
    前記第2接合層は、前記凹部を覆うように形成され、
    前記第1接合層および前記第2接合層は、プラズマ重合膜である
    ことを特徴とする波長変換素子。
  2. 支持基板と、
    前記支持基板と前記反射部材とを接合する第3接合層と、を備える
    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接合層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率よりも低い
    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. 複数の気孔と第1面と第1面に設けられた凹部とを有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層を用意する準備工程と、
    前記波長変換層の前記第1面に第1接合層を形成する第1工程と、
    基板の第2面に反射部材を形成する第2工程と、
    前記反射部材に第2接合層を形成する第3工程と、
    前記第1接合層および第2接合層にそれぞれエネルギーを付与する第4工程と、
    前記第1接合層と前記第2接合層とを加圧し、前記凹部が前記第2接合層によって覆われるように前記第1接合層および前記第2接合層を接合する第5工程と、
    前記反射部材と前記基板とを分離する第6工程と、を備え、
    前記第1工程において、前記第1接合層の一部は、前記凹部内に形成される
    ことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
  5. 前記第6工程の後、前記第1接合層および前記第2接合層により波長変換層および反射部材を接合した接合体と支持基板とを第3接合層を介して接合する第7工程を備える
    ことを特徴とする請求項4に記載の波長変換素子の製造方法。
  6. 前記第1工程では、前記波長変換層より屈折率の低い材料を用いて前記第1接合層を形成する
    ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の波長変換素子の製造方法。
  7. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記波長変換素子に向けて前記第1の波長帯の光を射出する光源と、を備える
    ことを特徴とする光源装置。
  8. 請求項7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、を備える
    ことを特徴とするプロジェクター。
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