JP2022041435A - 波長変換素子、光源装置、および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性と光利用効率を安定して高めることが可能な波長変換素子を提供する。【解決手段】焼結体からなる波長変換素子（１）であって、蛍光部材（１０１）と、蛍光部材（１０１）よりも熱伝導率が高い透光部材（１０２）と、透光部材（１０２）よりも屈折率が高い散乱部材（１０３）とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、および画像投射装置に関する。

従来、光源からの励起光を蛍光体等の波長変換素子に照射し、波長変換素子から射出した変換光を用いて生成された照明光を、液晶素子やデジタルマイクロミラーデバイス等の光変調素子に導いて画像を投射する画像投射装置（プロジェクタ）が知られている。

特許文献１には、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）と、ＹＡＧ：Ｃｅとは屈折率が異なるセラミックス材料とを含む焼結蛍光体を用いたプロジェクタが開示されている。この焼結蛍光体は、内部の結晶粒界が気孔を有することにより良好な光散乱特性を得ることができるため、プロジェクタの光利用効率を高めることが可能である。特許文献２には、蛍光体の放熱性を向上させるため、熱伝導に優れたＡｌ_２Ｏ_３とＹＡＧ：Ｃｅとを混合した焼結蛍光体が開示されている。

特開２０１８－５３２２７号公報 特開２０１９－２８３０６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された構成では、焼結蛍光体の放熱性と光利用効率を安定して高めることは困難である。すなわち、焼結蛍光体内部の結晶粒界が有する気孔の形状と体積比率は焼結プロセスや焼結炉内の温度分布に大きく依存するため、気孔の形状と体積比率を安定させることは難しい。気孔の形状と体積比率が安定しないと、焼結蛍光体の放熱性と光利用効率が安定しない。

そこで本発明は、放熱性と光利用効率を安定して高めることが可能な波長変換素子、光源装置、および画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての波長変換素子は、焼結体からなる波長変換素子であって、蛍光部材と、前記蛍光部材よりも熱伝導率が高い透光部材と、前記透光部材よりも屈折率が高い散乱部材とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、放熱性と光利用効率を安定して高めることが可能な波長変換素子、光源装置、および画像投射装置を提供することができる。

実施例１における蛍光体の断面図である。 実施例１における蛍光光の滲み量の説明図である。 実施例２における画像投射装置の構成図である。 実施例２における光源装置から射出される光のスペクトルの説明図である。 実施例２におけるＢ／Ｙと滲み量との関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の屈折率とＢ／Ｙとの関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の平均粒子半径とＢ／Ｙとの関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の体積比率とＢ／Ｙとの関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の屈折率と滲み量との関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の平均粒子半径と滲み量との関係を示す図である。 実施例２における散乱粒子の体積比率と滲み量との関係を示す図である。 実施例３における画像投射装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における蛍光体（波長変換素子）１の構成について説明する。図１は、本実施例における蛍光体１の断面図である。蛍光体１は、セラミックス材料の焼結体からなる。１０１は蛍光部材（蛍光相）、１０２は透光部材（透光相）、１０３は散乱部材（散乱粒子）である。

本実施例において、蛍光部材１０１はＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ）、透光部材１０２はＡｌ_２Ｏ_３、散乱部材１０３はＴｉＯ_２である。ＹＡＧ：Ｃｅは、励起光を照射することにより黄色の蛍光光を発する黄色蛍光体である。蛍光体１の厚さは５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましく、本実施例の蛍光体１の厚さは２００μｍである。蛍光部材１０１および散乱部材１０３の形状は、それぞれ粒状であることが好ましい。このような構成によれば、蛍光体１を容易に製造することができる。本実施例における平均結晶平均粒子半径は、ＹＡＧ：Ｃｅが０．５μｍ、ＴｉＯ_２が０．４μｍである。

上述した各材料の可視光波長域における屈折率は、ＹＡＧ：Ｃｅが１．８３、Ａｌ_２Ｏ_３が１．７６８、ＴｉＯ_２が２．７２である。ＴｉＯ_２の結晶構造としてアナタース型とルチル型があるが、ルチル型の方が高い屈折率を持つため、より高い散乱機能を有する。本実施例のＴｉＯ_２の結晶構造はルチル型である。このように、ＴｉＯ_２である散乱部材１０３の屈折率が透光部材１０２であるＡｌ_２Ｏ_３と屈折率との差が大きいため、散乱部材１０３が好適に散乱源として機能する。このため、後述する蛍光光の滲み量を低減することができる。

次に、図２を参照して、蛍光体１から射出される蛍光光の滲み量について説明する。図２は、蛍光体１から射出される蛍光光の滲み量の説明図（蛍光光の発光プロファイル）である。図２の発光プロファイルは、蛍光体１の光射出面の中心における発光プロファイルである。図２において、縦軸は光強度、横軸は発光中心からの距離をそれぞれ示している。発光プロファイルにおいて、励起光照射領域（励起光照射サイズの端）から、光強度が最大値の５％となる位置までの距離を滲み量と定義する。滲み量が大きいと、蛍光体１から射出される蛍光光のエテンデュが大きくなるため、蛍光光をレンズ等の光学系で取り込む際の光の利用効率が低下する。従って、蛍光光の滲み量は小さいことが好ましい。

次に、本実施例における蛍光体１の製造方法を説明する。蛍光部材１０１を構成するＹＡＧ：Ｃｅ、透光部材１０２を構成するＡｌ_２Ｏ_３、散乱部材１０３を構成するＴｉＯ_２の各粉末を秤量し、エタノールと共にボールミル中に投入し、粉砕混合を行う。得られたスラリーを乾燥・造粒し、得られた造粒粉をプレス成形する。その後、得られた成形体を大気雰囲気中で約１５００℃以上１８００℃以下の温度で焼成する。ここで、ＴｉＯ_２の融点が１８５０℃と焼成温度よりも高いため、焼結体に含まれるＴｉＯ_２の形状と体積比率（蛍光体１の体積に対する散乱部材１０３の体積の比率）は焼成前の状態を概ね維持することができる。

このように、気孔を散乱粒子とする従来技術と比べ、本実施例の波長変換素子である蛍光体１に含まれる散乱部材１０３としてのＴｉＯ_２の形状と体積比率を安定させることができる。また、ＴｉＯ_２の熱伝導率は１０．７Ｗ／ｍ・Ｋであり、気孔の０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋよりも高いため、蛍光体１の熱伝導率を向上させることができる。

次に、図３を参照して、本発明の実施例２における画像投射装置（プロジェクタ）２００について説明する。図３は、画像投射装置２００の構成図である。画像投射装置２００は、光源装置２を有する。

２０１は第１の青色光源、２０２は第１の青色光、２０３は第１のコリメートレンズ、２０４は第１のレンズ、２０５は第２のレンズである。２０６は第１のダイクロイック膜、２０７は第１の平板、２０８は第３のレンズ、２０９は第１の蛍光体（波長変換素子）、２１０は第１の蛍光体支持部材、２１１は照明光（Ｗ）である。２１２は第１の反射ミラー、２１３は第１の光変調素子、２１４は第４のレンズ、２１５は第５のレンズ、２１６は第１の投射光である。

第１の青色光源２０１は、第１の青色光（以下、単に青色光ということがある）２０２を発する半導体レーザであり、波長変換素子としての第１の蛍光体２０９を励起する励起光源である。本実施例の画像投射装置２００は、第１の青色光源２０１を４つ有するが、第１の青色光源２０１の数は４つに限定されるものではない。第１の青色光源２０１が発する青色光のピーク波長は４５５ｎｍである。

第１の青色光源２０１から発せられた発散光としての第１の青色光２０２は、第１のコリメートレンズ２０３により略平行光に変換されてビーム整形レンズとしての第１のレンズ２０４に入射する。第２のレンズ２０５は、第１のコリメートレンズ２０３からの第１の青色光２０２の断面形状を調整する。第１のレンズ２０４から出射した励起光としての第１の青色光２０２は、第１の平板２０７上の一部に設けられた第１のダイクロイック膜２０６で反射し、第３のレンズ２０８を介して第１の蛍光体２０９に照射される。第１の平板３０７はガラスである。第１のダイクロイック膜２０６は、青色光を透過して黄色光を反射する特性を有する。

第１の蛍光体２０９の材料は、例えばＹＡＧ：Ｃｅである。第１の蛍光体２０９のサイズは縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚み０．２ｍｍである。第１の蛍光体２０９上には、第１の青色光２０２が縦１ｍｍ×横１ｍｍで略均一に照射される。第１の蛍光体２０９は、第１の蛍光体支持部材２１０によって支持されている。第１の蛍光体支持部材２１０の材料は、典型的には銅などの金属板である。ただし、金属板と同様な機能を有するものであれば、金属板に限定されるものではない。また、第１の蛍光体２０９からの放熱を効率的に行うため、モータなどを用いて第１の蛍光体２０９および第１の蛍光体支持部材２１０が回転してもよい。第１の蛍光体２０９は、第１の青色光２０２の一部を波長変換して黄色の蛍光光とし、波長変換されなかった青色の励起光と合成されて白色照明光（照明光２１１）となる。

照明光２１１は、第１の反射ミラー２１２で反射して第１の光変調素子２１３に入射する。第１の光変調素子２１３はデジタルマイクロミラーデバイスにより構成され、画像投射装置２００に入力された映像信号（画像情報）に基づいて、入射した白色照明光（照明光２１１）を変調して画像光を形成する。光変調素子２１３により変調されて画像光となった白色投射光２１６は、第４のレンズ２１４および第５のレンズ２１５を介して、不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。これにより、白色投射画像が表示される。

次に、図４を参照して、光源装置２から射出される光のスペクトルを説明する。図４は、光源装置２から射出される光のスペクトルの説明図である。図４において、縦軸は光量（ａ．ｕ．）、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示す。図４に示されるように、光源装置２から射出される光は、第１の蛍光体２０９が射出する蛍光光と、変換されなかった励起光が混在している。このため、好適な白色光を得るには、光源装置２から射出される光のうち、蛍光光の波長域の光量Ｙ（波長変換素子の波長域の光量）に対する励起光の光量Ｂ（第１の青色光源２０１の波長域の光量）の比率（以下Ｂ／Ｙ）を所定の範囲に設定することが好ましい。本実施形態において、好適な白色光を得るためのＢ／Ｙの所定の範囲は０．２８以上０．５６以下である。

図５は、第１の蛍光体２０９に含まれる散乱粒子の屈折率、平均粒子半径、体積密度を振ったときのＢ／Ｙと滲み量との関係を示す図である。図５において、縦軸は滲み量（ｍｍ）、横軸はＢ／Ｙをそれぞれ示す。

図５の破線は、前述の白色を得るための適正なＢ／Ｙの下限値（＝０．２８）および上限値（＝０．５６）を示している。この点は、図６～図８に関しても同様である。散乱粒子の屈折率は１～２．７２、散乱粒子の平均粒子半径は５０～５００ｎｍ、散乱粒子の体積比率は０．１～１０％の範囲で計算されている。なお、屈折率が１の条件は、散乱粒子が気孔である従来例との比較するために計算している。図５から分かるように、適正なＢ／Ｙを得るには、各パラメータを適切に組み合わせる必要があり、また、同じＢ／Ｙであっても、各パラメータをより適切に組み合わせることにより、滲み量を低減することができる。

図６は、散乱粒子の屈折率とＢ／Ｙとの関係を示す図である。図６において、縦軸はＢ／Ｙ、横軸は散乱粒子の屈折率をそれぞれ示す。図７は、散乱粒子の平均粒子半径とＢ／Ｙとの関係を示す図である。図７において、縦軸はＢ／Ｙ、横軸は散乱粒子の平均粒子半径（ｎｍ）をそれぞれ示す。図８は、散乱粒子の体積比率（波長変換素子の体積に対する散乱粒子の体積の比率）とＢ／Ｙとの関係を示す図である。図８において、縦軸はＢ／Ｙ、横軸は散乱粒子の体積比率（％）をそれぞれ示す。適正なＢ／Ｙを得るには、図６より、散乱粒子の屈折率が２．２以上であることが好ましい。図７より、散乱部材の平均粒子半径は、７５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。図８より、散乱粒子の体積比率が２％以上であることが好ましい。

図９は、散乱粒子の屈折率と滲み量との関係を示す図である。図９において、縦軸は滲み量（ｍｍ）、横軸は散乱粒子の屈折率をそれぞれ示す。図１０は、散乱粒子の平均粒子半径と滲み量との関係を示す図である。図１０において、縦軸は滲み量（ｍｍ）、横軸は散乱粒子の平均粒子半径（ｎｍ）をそれぞれ示す。図１１は、散乱粒子の体積比率と滲み量との関係を示す図である。図１１において、縦軸は滲み量（ｍｍ）、横軸は散乱粒子の体積比率（％）をそれぞれ示す。図９乃至図１１は、図５に示される白色光を得るための適正なＢ／Ｙの範囲内に入った条件のみを示している。白色光を得るための適正なＢ／Ｙの範囲内に入った条件で滲み量を低減するには、図１０より、散乱粒子の平均粒子半径を７５ｎｍ以上２００ｎｍ以下にすることが好ましい。また、図１１より、散乱粒子の体積比率を５％以上にすることが好ましい。

このように、蛍光体に含まれる散乱粒子の屈折率、平均粒子半径、体積比率を適切に選択することにより、気孔を散乱粒子とする従来技術と比べ、蛍光体から射出される蛍光光の光利用効率と蛍光体の熱伝導率を安定して改善することができる。その結果、安定して、光源装置を高効率化かつ小型化することができる。なお本実施例では、散乱粒子としてＴｉＯ_２を用いているが、これに限定されるものではない。散乱粒子は、屈折率が透光部材よりも高く、かつ透光部材との屈折率差が大きいことが好ましい。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例３における画像投射装置（プロジェクタ）３００について説明する。図１２は、画像投射装置３００の構成図である。画像投射装置３００は、光源装置３を有する。なお、以下の説明において、Ｗ、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ、白、赤、緑、青の意味である。

３０１は第２の青色光源、３０２は第２の青色光、３０３は第２のコリメートレンズ、３０４は第６のレンズ、３０５は第７のレンズである。３０６は第２の光反射部、３０７は平板、３０８は第８のレンズ、３０９は第２の蛍光体（波長変換素子）、３１０は第２の蛍光体支持部材、３１１は照明光である。３１２は第９のレンズ、３１３は第１０のレンズ、３１４は第１のフライアイレンズ、３１５は第２のフライアイレンズ、３１６は偏光変換素子、３１７は重畳レンズである。３１８は第１のダイクロイックミラー、３１９は第２の反射ミラー、３２０は第２のダイクロイックミラー、３２１は第１のリレーレンズ、３２２は第３の反射ミラー、３２３は第２のリレーレンズ、３２４は第４の反射ミラーである。３２５Ｒ、３２５Ｂ、３２５Ｇはフィールドレンズ、３２６Ｒ、３２６Ｂ、３２６Ｇは光変調素子（ＬＣＤ）、３２７はクロスダイクロイックプリズム、３２８は投射レンズ（投射光学系）、３２９は第２の投射光である。

第２の青色光源３０１は、第２の青色光３０２を発する半導体レーザであり、波長変換素子としての第２の蛍光体３０９を励起する励起光源である。本実施例の画像投射装置３００は、第２の青色光源３０１を４つ有するが、第２の青色光源３０１の数は４つに限定されるものではない。第２の青色光源３０１が発する青色光のピーク波長は４５５ｎｍである。

第２の青色光源３０１から発せられた発散光としての青色光３０２は、第２のコリメートレンズ３０３により平行光に変換されてビーム整形レンズとしての第６のレンズ３０４に入射する。第６のレンズ３０４は、第２のコリメートレンズ３０３からの第２の青色光３０２の断面形状を調整する。第６のレンズ３０４から出射した励起光としての第２の青色光３０２は、第２の平板３０７上の一部に設けられた第２のダイクロイック膜３０６で反射し、第８のレンズ３０８を介して第２の蛍光体３０９に照射される。第２の平板３０７はガラスである。第２のダイクロイック膜３０６は、青色光を透過して黄色光を反射する特性を有する。

第２の蛍光体３０９は、実施例２の第１の蛍光体２０９と同様に、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２からなる焼結体である。第２の蛍光体３０９は、第２の蛍光体支持部材３１０によって支持されている。第２の蛍光体支持部材３１０の材料としては、典型的には銅などの金属板である。ただし、金属板と同様な機能を有するものであれば、金属板に限定されるものではない。また、第２の蛍光体３０９からの放熱を効率的に行うため、モータなどを用いて第２の蛍光体３０９および第２の蛍光体支持部材３１０が回転してもよい。第２の蛍光体３０９は、第２の青色光３０２の一部を波長変換して黄色の蛍光光とし、波長変換されなかった青色の励起光と合成されて照明光３１１となる。

第９のレンズ３１２と第１０のレンズ３１３は、第２の蛍光体３０９から射出した発散光としての白色照明光（照明光３１１）を略平行光に変換する。照明光３１１は、第１のフライアイレンズ３１４に入射する。第１のフライアイレンズ３１４は、照明光３１１を複数の光束に分割するための複数の小レンズを有する。複数の小レンズは、光軸に垂直な面内にマトリクス状に配列されている。第２のフライアイレンズ３１５は、第１のフライアイレンズ３１４の複数の小レンズに対応して光軸に垂直な面内にマトリクス状に配列された複数の小レンズを有する。第２のフライアイレンズ３１５は、重畳レンズ３１７とともに、第１のフライアイレンズ３１４の各小レンズの像を光変調素子３２６Ｒ、３２６Ｇ、３２６Ｂの近傍に形成する。第２のフライアイレンズ３１５から出射した複数の光束としての照明光３１１は偏光変換素子３１６に入射する。

偏光変換素子３１６は、第２のフライアイレンズ３１５からの無偏光光としての照明光３１１を直線偏光に変換する。具体的には、偏光変換素子３１６は、照明光３１１のうち光軸に垂直かつ紙面に平行な方向（ｘ方向）の直線偏光成分をそのまま透過させ、光軸に垂直かつ紙面に垂直な方向（ｙ方向）の直線偏光成分を位相差板によってｘ方向の直線偏光成分に変換する。偏光変換素子３１６から出射した直線偏光としての照明光３１１は、重畳レンズ３１７に入射する。

重畳レンズ３１７は、偏光変換素子３１６からの複数の光束を集光して光変調素子３２６Ｒ、３２６Ｇ、３２６Ｂ上にて重畳させる。第１のフライアイレンズ３１４、第２のフライアイレンズ３１５および重畳レンズ３１７は、各光変調素子上における照明光１０Ｗの光強度分布を均一にする機能を有する。重畳レンズ１６から出射した照明光３１１は、第１のダイクロイックミラー３１８に入射する。第１のダイクロイックミラー３１８は、赤色光を透過させて緑青色光を反射する特性を有する。照明光３１１のうち第１のダイクロイックミラー３１８を透過した赤色光３１１Ｒは、第２の反射ミラー３１９で反射され、フィールドレンズ３２５Ｒを透過して光変調素子３２６Ｒに入射する。

第１のダイクロイックミラー３１８で反射された緑青色光は、第２のダイクロイックミラー３２０に導かれる。第２のダイクロイックミラー３２０は、緑色光を反射して青色光を透過させる特性を有する。第２のダイクロイックミラー３２０で反射された緑色光３１１Ｇは、フィールドレンズ３２５Ｇを透過して光変調素子３２６Ｇに入射する。

第２のダイクロイックミラー３２０を透過した青色光３１１Ｂは、第１のリレーレンズ３２１、第２の反射ミラー３１９、第２のリレーレンズ３２３および第３の反射ミラー３２２を介してフィールドレンズ３２５Ｂに入射する。そして青色光３１１Ｂは、フィールドレンズ３２５Ｂを透過して光変調素子３２６Ｂに入射する。

光変調素子３２６Ｒ、３２６Ｇ、３２６Ｂはそれぞれ、液晶素子やデジタルマイクロミラーデバイス等により構成される。光変調素子３２６Ｒ、３２６Ｇ、３２６Ｂはそれぞれ、画像投射装置３００に入力された映像信号（画像情報）に基づいて、入射した赤色光３１１Ｒ、緑色光３１１Ｇおよび青色光３１１Ｂを変調して画像光を形成する。光変調素子３２６Ｒ、３２６Ｇ、３２６Ｂにより変調されて画像光となった赤色光３１１Ｒ、緑色光３１１Ｇおよび青色光３１１Ｂは、クロスダイクロイックプリズム３２７により合成されて投射レンズ３２８に入射する。ここでクロスダイクロイックプリズム３２７は、緑色光を透過して赤色光と青色光を反射する特性を有する。投射レンズ３２８は、合成された画像光（投射光）３２９を不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射する。これにより、フルカラー投射画像が表示される。
このように、蛍光体に含まれる散乱粒子の屈折率、体積比率、平均粒子半径を適切に選択することにより、気孔を散乱粒子とする従来技術と比べ、蛍光体から射出される蛍光光の光利用効率と蛍光体の熱伝導率を安定して改善することができる。この結果、画像投射装置の歩留まりを向上させることができる。

各実施例によれば、放熱性と光利用効率を安定して高めることが可能な波長変換素子、光源装置、および画像投射装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 蛍光体（波長変換素子）
１０１ 蛍光部材
１０２ 透光部材
１０３ 散乱部材

Claims (11)

1. 焼結体からなる波長変換素子であって、
   蛍光部材と、
   前記蛍光部材よりも熱伝導率が高い透光部材と、
   前記透光部材よりも屈折率が高い散乱部材と、を有することを特徴とする波長変換素子。
2. 前記蛍光部材は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記透光部材は、Ａｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
4. 前記散乱部材の屈折率は、２．２以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記波長変換素子の体積に対する前記散乱部材の体積の比率は、２％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 前記散乱部材の平均粒子半径は、７５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記散乱部材は、ＴｉＯ_２であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記散乱部材の結晶構造は、ルチル型であることを特徴とする請求項７に記載の波長変換素子。
9. 請求項１乃至８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励起する光源と、を有することを特徴とする光源装置。
10. 前記光源装置から射出される光のうち、前記波長変換素子の波長域の光量に対する前記光源の波長域の光量の比率は、０．２８以上０．５６以下であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 請求項９または１０に記載の光源装置と、
    画像情報に基づいて前記光源装置からの光を変調して画像光を形成する光変調素子と、を有することを特徴とする画像投射装置。

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