JP2022041839A - 波長変換素子、光源装置、画像投射装置、および波長変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性および光利用効率を高めることが可能な波長変換素子を提供する。【解決手段】波長変換素子（１７）は、第一の波長の光を第二の波長の光に変換する波長変換層（１７１）と、波長変換層（１７１）の少なくとも一つの面に堆積された平坦化層（１７６）とを有し、平坦化層（１７６）の表面粗さは、波長変換層（１７１）の表面粗さよりも小さい。【選択図】図４

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、画像投射装置、および波長変換素子の製造方法に関する。

特許文献１には、青色光を発する青色レーザダイオード（ＬＤ）および青色ＬＤからの光の一部の波長を変換する波長変換素子が開示されている。特許文献１に開示された波長変換素子は、有機材料からなるバインダの中に蛍光体材料を有し、蛍光光を反射する反射層としてダイクロイック層にバインダを用いて塗布する構成を有する。特許文献２には、セラミックス材料からなる蛍光体を焼結し、表面に反射層を形成し、青色ＬＤからの光を入射させる構成を有する波長変換素子が開示されている。

特開２００９－２７７５１６号公報 特開２０１９－６６８８０号公報

特許文献１に開示された波長変換素子は、青色ＬＤからの光を蛍光光に変換する際の熱により有機材料からなるバインダの信頼性の低下を抑制するため、蛍光体ホイールを回転させる必要がある。特許文献２に開示された波長変換素子は焼結蛍光体であり、焼結により蛍光体に空隙が形成されている。このため、焼結蛍光体の表面に反射層を蒸着すると、空隙に反射層が形成されず、光利用効率が低下する可能性がある。

そこで本発明は、信頼性および光利用効率を高めることが可能な波長変換素子、光源装置、画像投射装置、および波長変換素子の製造方法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、第一の波長の光を第二の波長の光に変換する波長変換層と、前記波長変換層の少なくとも一つの面に堆積された平坦化層とを有し、前記平坦化層の表面粗さは、前記波長変換層の表面粗さよりも小さい。

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、信頼性および光利用効率を高めることが可能な波長変換素子、光源装置、画像投射装置、および波長変換素子の製造方法を提供することができる。

実施例１における画像投射装置の構成図である。 実施例１における光源装置の構成図である。 実施例１における偏光分離素子の特性図である。 実施例１における蛍光体モジュールの構成図である。 実施例１における蛍光体モジュールの表面をＡＦＭで観察した画像である。 実施例１における蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例１の変形例としての蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例４の変形例としての蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例５における蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例６における蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例７における蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。 実施例８における蛍光体モジュールの製造方法の説明図である。

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における画像投射装置（プロジェクタ）１の構成について説明する。図１は、画像投射装置１の構成図である。以下の説明において、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ、赤、緑、青を意味する。

１００は光源装置、２０は照明光、２１ａは第一のフライアイレンズ、２１ｂは第二のフライアイレンズ、２２は偏光変換素子、２３は第四のレンズ、２４はダイクロイックミラー、２５は波長選択性位相板である。２６ＲＢはＲＢ用偏光ビームスプリッタ、２６ＧはＧ用偏光ビームスプリッタ、２７ＲはＲ用λ／４板、２７ＧはＧ用λ／４板、２７ＢはＢ用λ／４板である。２８ＲはＲ用光変調部、２８ＧはＧ用光変調部、２８ＢはＢ用光変調部である。Ｒ用光変調部２８Ｒ、Ｇ用光変調部２８Ｇ、およびＢ用光変調部２８Ｂはそれぞれ、画像情報に基づいて光源装置１００からの光を変調して画像光を形成する光変調素子である。２９は変調光、３０は色合成プリズム、３１は投射光、３２は投射レンズである。

照明光２０は、第一のフライアイレンズ２１ａおよび第二のフライアイレンズ２１ｂを透過しながら複数の光束に分割され、偏光変換素子２２に入射する。偏光変換素子２２は、無偏光光である照明光２０を一方向の偏光方向を有する直線偏光に変換する。一般に、レーザダイオード（ＬＤ）からの光束は直線偏光光であるが、蛍光体モジュール１７（図２参照）からの光束は偏光方向が乱れた無偏光光である。このため、後述の偏光ビームスプリッタでの偏光分離を効率良く行うため、偏光変換素子２２を設けることで偏光方向を所定の方向に揃えている。本実施例において、偏光変換素子２２は、照明光２０を図１の紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光（Ｓ偏光）に変換する。偏光変換素子２２から出射した照明光２０としての複数の光束は、第四のレンズ２３により集光されて各光変調部（Ｒ用光変調部２８Ｒ、Ｇ用光変調部２８Ｇ、Ｂ用光変調部２８Ｂ）上に略均一に重ね合わせられる。これにより、各光変調部は均一に照明される。

第四のレンズ２３を透過した照明光２０は、ダイクロイックミラー２４に導かれる。ダイクロイックミラー２４は、照明光２０のうちＲＢ光２０ＲＢを反射し、Ｇ光２０Ｇを透過させる。ダイクロイックミラー２４を透過したＳ偏光のＧ光２０Ｇは、Ｇ用偏光ビームスプリッタ２６Ｇに入射した後、その偏光分離面で反射され、Ｇ用光変調部２８Ｇへ至る。ここで、Ｇ用光変調部２８Ｇはデジタル駆動式の反射型液晶表示素子である。Ｒ用光変調部２８ＲおよびＢ用光変調部２８Ｂもそれぞれ、Ｇ用光変調部２８Ｇと同様の構成を有する。各光変調部の各画素は、表示画像の各フレーム期間内にＯＮ／ＯＦＦ駆動する。ＯＮ／ＯＦＦ駆動のデューティを制御することにより、所望の階調が表示される。制御部３は、Ｒ用光変調部２８Ｒ、Ｇ用光変調部２８Ｇ、およびＢ用光変調部２８Ｂをそれぞれ制御する。

Ｇ用光変調部２８Ｇにおいては、Ｇ光２０Ｇが画像変調されて反射される。変調光２９ＧのうちＳ偏光成分は、Ｇ用偏光ビームスプリッタ２６Ｇの偏光分離面を反射し、光源装置１００側に戻され、投射光から除去される。一方、変調光２９ＧのうちＰ偏光成分は、Ｇ用偏光ビームスプリッタ２６Ｇの偏光分離面を透過する。このとき、全ての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、λ／４板２７Ｇの遅相軸または進相軸をＧ用偏光ビームスプリッタ２６Ｇへの入射光軸と反射光軸を含む平面に略垂直な方向に調整する。これにより、Ｇ用偏光ビームスプリッタ２６ＧとＧ用光変調部２８Ｇとで発生する偏光状態の乱れの影響を低減することができる。Ｇ用偏光ビームスプリッタ２６Ｇから出射した変調光２９Ｇは、色合成プリズム３０へ至る。

ダイクロイックミラー２４で反射されたＲＢ光２０ＲＢは、波長選択性位相板２５に入射する。波長選択性位相板２５は、Ｒ光の偏光方向を９０度回転させてＰ偏光とし、Ｂ光はそのままの偏光方向のＳ偏光として透過させる。波長選択性位相板２５を透過したＲＢ光２０ＲＢは、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢに入射する。ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢは、Ｐ偏光であるＲ光２０Ｒを透過し、Ｓ偏光であるＢ光２０Ｂを反射する。ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を透過したＲ光２０Ｒは、Ｒ用光変調部２８Ｒで画像変調されて反射される。変調光２９Ｒのうち、Ｐ偏光成分は、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を透過し、光源側に戻され、投射光からは除去される。一方、変調光２９ＲのうちＳ偏光成分は、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を反射されて色合成プリズム３０へ至る。

ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を反射したＢ光２０Ｂは、Ｂ用光変調部２８Ｂで画像変調されて反射される。変調光２９Ｂのうち、Ｓ偏光成分は、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を反射し、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、変調光２９ＢのうちＰ偏光成分は、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢの偏光分離面を透過して色合成プリズム３０へ至る。このとき、λ／４板２７Ｒ、２７Ｂの遅相軸をＧの場合と同じように調整することにより、Ｒ、Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

以上のようにして１つの光束に合成され、ＲＢ用偏光ビームスプリッタ２６ＲＢから出射したＲＢ光２０ＲＢは、色合成プリズム３０に至る。色合成プリズム３０は、ＲとＢの光を透過し、Ｇ光２０Ｇを反射する。色合成プリズム３０で合成された投射光３１は、投射レンズ３２を介してスクリーンなどの被投射面に投射される。これにより、投射画像としてのカラー画像が表示される。なお、図１に示される光路は、画像投射装置１が白を表示しているときのものである。以下の説明でも、特に断りが無い限り、画像投射装置１は白を表示しているものとする。

次に、図２を参照して、本実施例における光源装置１００の構成について説明する。図２は、光源装置１００の構成図である。青色光源（励起光源）５ｂは、青色の光（励起光）を発する半導体レーザ（青色ＬＤ）であり、ＧａＮ基板を用いて製造されている。青色光源５ｂは、後述の蛍光体モジュール（波長変換素子）１７を励起する。なお、図２には２つの青色光源５ｂが示されているが、１つの青色光源５ｂでもよく、３つ以上の青色光源５ｂを有していてもよい。青色光源５ｂのピーク波長は４５５ｎｍであり、図２の紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光であるＳ偏光の光を励起光１２として出射する。

青色光源５ｂは、青色光源用ヒートシンク６ｂに取り付けられている。青色光源用ヒートシンク６ｂは、放熱フィンが設けられた銅板等で構成される。青色光源５ｂと青色光源用ヒートシンク６ｂとの間は、熱伝導シートなどの熱伝導部材で密着されていることが好ましい。青色光源用ヒートシンク６ｂは、青色光源用冷却部７ｂによって冷却される。青色光源用冷却部７ｂは、ファンである。青色光源用冷却部７ｂの回転数は、制御部３の指示に基づいて、冷却制御部８により制御される。

青色光源５ｂから発せられた青色光は、青色用コリメートレンズ９ｂに入射する。青色用コリメートレンズ９ｂは、青色光源５ｂからの光を略平行光にする。なお、図２中の矢印の向きは、光の進行方向を表している。第一のレンズ１０および第二のレンズ１１は、青色用コリメートレンズ９ｂから出射した光の光束径を調整する。青色用コリメートレンズ９ｂから出射した光は、第一のレンズ１０および第二のレンズ１１に入射し、励起光１２として出射する。前述のように、励起光１２はＳ偏光の青色光であり、位相差板１４に照射される。位相差板１４は、λ／４板である。位相差板１４を透過した励起光１２は、Ｓ偏光から、例えば右回りの円偏光に変換され、偏光分離素子１３に照射される。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、偏光分離素子１３の光学特性（透過率特性、反射率特性）について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は偏光分離素子１３の特性図（透過率特性図、反射率特性図）である。図３（ａ）において、縦軸は透過率（％）、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示す。図３（ｂ）において、縦軸は反射率（％）、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示す。

偏光分離素子１３は、励起光である青色光に対しては、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する特性を有し、青色光より長波の光に対しては、Ｓ偏光Ｐ偏光ともに透過する特性を有する。したがって、偏光分離素子１３に入射した励起光１２のうち、Ｓ偏光成分は反射され、第三のレンズ１６は励起光１２を集光して蛍光体モジュール１７上に所定サイズの光照射領域を形成する。

蛍光体モジュール１７は、所定のサイズで照射された励起光１２を波長変換して黄色の蛍光光４０として発光する波長変換素子である。蛍光光４０は、再び第三のレンズ１６に入射、集光し、偏光分離素子１３に入射される。図２に示されるように、蛍光光４０は偏光分離素子１３を透過し、照明光２０となる。

一方、偏光分離素子１３に入射した励起光１２のうち、Ｐ偏光成分は透過し、位相差板１５を通過し拡散反射板５０にて拡散反射される。拡散反射された励起光１２は、再び位相差板１５を通過し、位相差板１５を２回通過することで、偏光状態がＰ偏光からＳ偏光へ変わり、偏光分離素子１３で反射され、照明光２０となる。

次に、図４を参照して、本実施例における蛍光体モジュール１７の構成について説明する。図４は、蛍光体モジュール１７の構成図である。蛍光体モジュール１７は、蛍光体プレート１７１、モジュール基板１７２、反射層１７３、および平坦化層１７６を備えて構成されている。蛍光体プレート１７１は、第一の波長の光（励起光１２）を第二の波長の光（蛍光光４０）に変換する波長変換層である。反射層１７３は、第一の波長の光または第二の波長の光の少なくとも一部の光を反射する。平坦化層１７６は、蛍光体プレート１７１の少なくとも一つの面に堆積されている。モジュール基板１７２は、反射層１７３を保持する基板である。

蛍光体プレート１７１の材料は、例えば、ＹＡＧ：ＣｅやＬｕＡＧ等の蛍光体材料（蛍光粒子、蛍光体粉末）を含む。蛍光体プレート１７１は、ＹＡＧ：ＣｅやＬｕＡＧ等の蛍光粒子のみを焼結、または他のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などのセラミックス材料とともに焼結し、適切なサイズに加工することにより製造される焼結体である。本実施例において、蛍光体プレート１７１のサイズは、５ｍｍ四方で厚みは０．２ｍｍである。

セラミックス材料を焼結すると、内部に空隙１７５が発生する。これは、セラミックス材料の焼結において、焼結初期に粉末は接触面積を増やし、合体しながら接合していく。ここで粒径分布や粒子の凝集があるために、理想的なネック成長だけではなく、小さな粒子や気孔の合体による粒成長や気孔成長が生じる。その後、中期焼結や終期焼結において、気孔の消滅や合体が起こり、一部の気孔が焼結したセラミックス内に残ったままとなり、これが空隙１７５となる。空隙１７５が蛍光体プレート１７１の表面に露出すると、蛍光体プレート１７１の表面に空隙１７５による穴が存在する状態となる。

図５は、蛍光体プレート１７１の表面をＡＦＭで観察した画像である。図５より、蛍光体プレート１７１のうち蛍光体材料で焼結されている箇所とは別に、空隙１７５が存在していることが確認できる。

モジュール基板１７２は、アルミニウム、銅、銅とタングステンの合金、または、銅とモリブデンの合金などの熱伝導率の高い材料からなる。反射層１７３は、平坦化層１７６上に設けられている。反射層１７３は、例えば、アルミや銀などの高反射金属膜を蒸着した層、誘電体多層膜（誘電体膜）による増反射層、または、高反射金属膜の上に誘電体多層膜による増反射層を有する。また反射層１７３は、金属膜と、金属膜を保護する保護膜と、誘電体膜とを含む多層膜とから構成されていてもよい。反射層１７３により、蛍光体プレート１７１が発する蛍光光および未変換の励起光を反射し、照明光２０として利用することができる。

ここで、蛍光体プレート１７１にそのまま反射層１７３を蒸着すると、蛍光体プレート１７１の表面に露出した空隙１７５に反射層１７３が蒸着されないことにより、照明光２０として利用可能な光量が低下してしまう。そこで本実施例では、蛍光体プレート１７１の空隙１７５を埋めるため、平坦化層１７６を蛍光体プレート１７１に構成する。

次に、図６を参照して、蛍光体モジュール１７の製造方法について説明する。図６は、蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。まず、蛍光体プレート１７１の上に平坦化層１７６を形成する。本実施例では、常圧ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を蛍光体プレート１７１上に堆積することで、平坦化層１７６を形成する。ＣＶＤとは、基板上に、薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面または気相での化学反応により膜を堆積する方法であり、成長速度が速いため、膜を１μｍ以上の厚さに堆積することが可能である。このような方法によれば、蛍光体プレート１７１の空隙１７５を埋めることができるとともに、平坦化層１７６の表面粗さＲａを蛍光体プレート１７１の表面粗さよりも小さくすることができる。

続いて、平坦化層１７６上に光学層（反射層１７３や反射防止膜）を形成する。本実施例では、平坦化層１７６上に、光学層として反射層１７３を蒸着する。反射層１７３は、例えば、蛍光体プレート１７１や平坦化層１７６の屈折率に最適化した誘電体多層膜である。誘電体多層膜による反射層１７３に関しては、蛍光体プレート１７１の屈折率に対して、励起光１２および蛍光光４０の少なくとも一つの波長帯域の光の反射率が９０％以上になるように設計することが好ましい。蛍光体プレート１７１の屈折率は、蛍光体材料の屈折率に相当する１．８程度である。平坦化層１７６の屈折率は、ＳｉＯ_２の屈折率に近い１．５程度である。また、平坦化層１７６も誘電体多層膜の一つとして、反射層１７３を最適化してもよい。

続いて、反射層１７３を蒸着した蛍光体プレート１７１をモジュール基板１７２に接着させる。本実施例では、接着方法として、熱伝導率の高くできる液相接合を使用する。液相接合とは、はんだなどであり、本実施例では金とスズの合金を反射層１７３とモジュール基板１７２との間に配置し、熱処理を行うことで、反射層１７３とモジュール基板１７２とを接合させる。

その結果、蛍光体プレート１７１に照射された励起光１２を蛍光光４０に変換する際に発生する熱は、膜厚の薄い、平坦化層１７６と反射層１７３、および金とスズの合金による液相接合層を介し、熱伝導率の高いモジュール基板１７２に伝わる。これにより、効率よく冷却することが可能となる。また、蛍光体プレート１７１に照射された励起光１２、および蛍光体プレート１７１で発生した蛍光光４０は、蛍光体プレート１７１上の平坦化層１７６に形成された反射層１７３にて反射され、第三のレンズ１６に入射し、照明光２０として利用される。これにより、空隙１７５が存在する蛍光体プレート１７１に直接反射層１７３を形成する場合と比べて、高い光利用効率を実現することが可能となる。

次に、図７を参照して、本実施例の変形例としての蛍光体モジュール１７の製造方法について説明する。図７は、変形例としての蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。

本変形例では、常圧ＣＶＤで蛍光体プレート１７１上に平坦化層１７６を蒸着で形成した後、平坦性を高めるために研磨を行う。研磨方法としては、機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシング、またはコロイダルシリカポリシング等による方法があるが、これらに限定されるものではない。平坦化層１７６を形成した後に研磨を行うことで、平坦化層１７６の表面粗さＲａを更に小さくすることができる。平坦化層の表面粗さＲａを好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下にすることが可能となる。例えば、本変形例では、表面粗さが１５０ｎｍである蛍光体プレート１７１の表面に、平坦化層１７６を約２μｍ堆積した後に研磨した結果、平坦化層１７６の表面粗さＲａを８ｎｍまで小さくすることが可能である。なお、蛍光体プレート１７１で発生した熱をモジュール基板１７２に熱損失なく伝えるため、研磨後の平坦化層１７６の厚さは５μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下であることが好ましい。

本実施例は、蛍光体プレート１７１の反射層１７３側（蛍光体プレート１７１と反射層１７３との間）に平坦化層１７６が配置されている例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、蛍光体プレート１７１の励起光１２の入射側に平坦化層１７６を形成してもよい。この場合、平坦化層１７６の上に、励起光１２に対する反射防止膜を形成する（蛍光体プレート１７１と反射防止膜との間に平坦化層１７６を形成する）ことにより、蛍光体プレート１７１の界面で反射される励起光１２を低減することが可能となる。反射防止膜は、第一の波長の光または第二の波長の光の少なくとも一部の光の反射を防止する。

また、蛍光体プレート１７１の側面に平坦化層１７６を形成してもよい。また、平坦化層１７６の堆積方法は、常圧ＣＶＤに限定されるものではなく、減圧ＣＶＤやプラズマＣＶＤなどの他の方法を用いてもよい。また、平坦化層１７６の材料はＴＥＯＳに限定されるものではなく、Ｐｏｌｙ－ＳｉやＳｉ_３Ｎ_４などの他の材料を堆積してもよい。

次に、本発明の実施例２における蛍光体モジュールの製造方法について説明する。本実施例は、蛍光体プレート１７１上に平坦化層１７６を形成し、モジュール基板１７２またはモジュール基板１７２に形成された反射層１７３と直接接合する方法に関する。

蛍光体プレート１７１に平坦化層１７６を形成する方法は、実施例１と同様である。例えば、平坦化層１７６を形成した後に研磨を行うことで、平坦化層１７６の表面粗さＲａ（≦１００ｎｍ）は蛍光体プレート１７１の表面粗さよりも小さくなる。

反射層１７３は、モジュール基板１７２の表面を蛍光体プレート１７１と同様に、機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシング、またはコロイダルシリカポリシング等により、表面粗さが１００ｎｍ以下になるまで研磨する。そして、モジュール基板１７２の上に蒸着で反射層１７３を形成する。または、反射層１７３を形成した後に反射層１７３の表面を、機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシング、またはコロイダルシリカポリシング等により研磨する。これにより、反射層１７３ａの表面粗さを１００ｎｍ以下とすることが可能となる。

蛍光体プレート１７１上に形成された平坦化層１７６と反射層１７３とが接する面の表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以下の場合、それぞれの表面を重ね合わせることで直接接合させることができる。その結果、蛍光体プレート１７１に照射された励起光１２を蛍光光４０に変換する際に発生する熱は、膜厚の薄い反射層１７３を介し熱伝導率の高いモジュール基板１７２に伝わり、効率よく冷却が可能となる。また、蛍光体プレート１７１に照射された励起光１２、および蛍光体プレート１７１で発生した蛍光光４０は、モジュール基板１７２上に形成された反射層１７３にて反射され、第三のレンズ１６に入射し、照明光２０として利用される。これにより、空隙１７５が存在する蛍光体プレート１７１に直接反射層１７３を構成した場合に比べて、高い光利用効率を実現することが可能となる。

直接接合方法としては、「拡散接合」、「常温接合」、「陽極接合」、または「反応接合」などの接合方法がある。これらの直接接合により、強い接着強度を維持したまま、反射層１７３の光学特性を維持し、さら蛍光体プレート１７１および反射層１７３の熱抵抗を小さくすることが可能となる。

また、接合表面に存在する自然酸化膜やコンタミ層を除去し活性化させるため、蛍光体プレート１７１の第一の平坦面１７１ａおよび反射層１７３の第二の平坦面１７３ａをそれぞれ、これらの接合前にＡｒビーム等で処理することも有効である。なお、表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）や、光学式表面形状測定機などを用いて測定することが可能である。

以上のように、各実施例において、波長変換素子（蛍光体モジュール１７）は、波長変換層（蛍光体プレート１７１）および平坦化層１７６を有する。波長変換層は、第一の波長の光（励起光１２）を第二の波長の光（蛍光光４０）に変換する。平坦化層１７６は、波長変換層の少なくとも一つの面（下側、上側、または側面の少なくとも一つ）に堆積されている。平坦化層１７６の表面粗さは、波長変換層の表面粗さよりも小さい。

次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、平坦化層１７６を液相法（ゾルゲル法）で形成する方法に関する。本実施例の平坦化層１７６は、蛍光体プレート１７１の凹部を埋めつつ、反射層１７３側の面を平坦化することを目的として形成される。平坦化層１７６の特性として、少なくとも蛍光光４０の波長域で透明であることが好ましい。

本実施例において、平坦化層１７６を構成する金属酸化物としては、金属酸化物である限り特に限定されるものではないが、ゾルゲル法による金属酸化物ゲル、または金属酸化物微粒子であるのが好ましい。ここで、ゾルゲル法による金属酸化物ゲルとは、金属アルコキシド等の化合物ゾルを加水分解した後、重縮合反応させ、加熱することにより形成されるものである。金属酸化物としては、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）などが挙げられる。なお、本実施例の平坦化層１７６の材料としてはシラザンやシリケートが用いられるが、これに限定されるものではない。また、平坦化層１７６の熱伝導率を改善するために、金属微粒子や金属酸化物微粒子などが含まれていてもよい。

本実施例において、平坦化層１７６は、ゾルゲル法による金属酸化物ゲルである場合、または金属酸化物微粒子である場合のいずれも、通常、それらの溶剤溶液を蛍光体上に塗布する湿式成膜法により成膜後、加熱・焼成することにより形成される。塗布方法については、膜厚やその形状等によって変化するため限定はされないが、スピンコート法やディップ法、スクリーン印刷法などを用いることができる。製造時の温度条件としては、通常の作業温度である室温近傍で行なえるが、必要に応じて溶媒の沸点以下の温度まで加熱することもある。

また、平坦化層１７６の厚さとしては、熱伝導の観点から１０μｍ以下であるのが好ましく、５μｍ以下であるのがさらに好ましく、１μｍ以下であるのがさらに好ましい。平坦化層１７６の厚さは、溶剤溶液の塗布量や加熱・焼成の条件などにより制御することができる。

また、平坦化層１７６の表面の粗さとしては、表面粗さＲａを指標として、１００ｎｍ以下であるのが好ましく、１０ｎｍ以下であるのがさらに好ましく、５ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。表面粗さＲａが前記値以下であると、反射層１７３の特性を十分に得ることができる。上記工程だけでは表面粗さＲａを十分低減することができない場合には、平坦化層１７６に対して、実施例１に記載した平坦化手法を用いてもよい。表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）や、光学式表面形状測定機、触針式の段差計などを用いて測定することが可能である。なお、平坦化層１７６を形成した後の反射層１７３およびモジュール基板１７２の形成方法は、実施例１と同様である。

以上の工程により、形成される平坦化層表面を一層平坦化できることにもなる。この結果、反射層１７３の特性を十分に得ることができるようになるため、蛍光体モジュール全体の効率を改善することができる。

次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、平坦化層１７６を液相法で形成する方法に関する。本実施例の平坦化層１７６は、蛍光体プレート１７１の凹部を埋めつつ、予め反射層１７３が設けられたモジュール基板１７２と蛍光体プレート１７１とを接合することを目的として形成される。平坦化層１７６の特性として、少なくとも励起光１２と蛍光光４０との波長域で透明であることが望ましい。また、平坦化層１７６の材料としては、実施例３で挙げたものが考えられる。

次に、図８を参照して、本実施例の変形例としての蛍光体モジュール１７の製造方法について説明する。図８は、本実施例の変形例としての蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。

まず、モジュール基板１７２の表面に反射層１７３を形成する。反射層１７３は、平坦化層１７６の屈折率に対して、少なくとも蛍光光４０の波長域で高い反射率を有することが好ましい。次に、平坦化層１７６の原料となる溶剤溶液が、蛍光体上にスピンコート等の手法を用いて塗布される。その後、塗布された溶剤溶液上に、モジュール基板１７２に形成された反射層１７３を貼り合わせる。その後、溶剤溶液を加熱・焼成する。ここで、反射層１７３やモジュール基板１７２の材料に耐熱温度よりも低い焼成温度を持つ溶融溶剤を用いることが好ましい。また、平坦化層の膜厚、および、平坦化層表面の粗さとしては、実施例３に記載の範囲であることが好ましい。

以上の工程により、蛍光体表面の平坦化と反射層との貼り合わせを一括して行うことができる。その結果、蛍光体モジュールの低コスト化を図ることができる。

次に、図９を参照して、本発明の実施例５における蛍光体モジュール１７の製造手法について説明する。図９は、本実施例における蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。本実施例では、平坦化層１７６をガラス層で構成するため、ガラスペースト塗布法としてスクリーン印刷法での構成手法について説明する。

ガラスペースト１８として、蛍光体プレート１７１に発生している空隙１７５よりも小さいガラス粉体１８０とビヒクル１８１を用いる。ガラス粉体１８０の材料としては、ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどが挙げられる。また、ビヒクル１８１としては、有機溶媒やニトロセルロースなどのセルロース系樹脂やアクリル樹脂やポリプロピレンカーボネートなどのバインダが挙げられる。ガラス粉体１８０とビヒクル１８１の混合においては、ガラス粉体１８０同士の凝集体などを抑制するため攪拌させることが好ましい。また、使用前にガラスペースト１８を十分に真空脱泡処理することが好ましい。

空隙１７５のサイズは、蛍光体プレート１７１の主材料である蛍光体粒子であるＹＡＧ：Ｃｅや他のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などのセラミックス材料の粒子径と略同等である。蛍光体粒子やセラミックス材料は粒度分布に応じた粒子径のばらつきを持っているため、空隙１７５のサイズも同じように、ばらつきを持っている。本実施例では蛍光体粒子およびセラミックス材料の粒子径がＤ５０で１．０μｍの材料を使用する。

また、ガラス粉体１８０の粒径は０．１μｍであり、空隙１７５よりも小さい。このガラス粉体１８０の粒径は空隙１７５のサイズ、つまり蛍光体粒子またはセラミックス材料の粒子径と比較すると１／３以下の大きさであることが望ましく、さらに１／１０以下の大きさであることがより好ましい。これは、空隙１７５にガラス粉体１８０が入り込み、その空隙１７５を平坦化するためである。

スクリーン印刷で塗布するガラスペースト１８の厚みは、空隙１７５内にガラス粉体１８０が入り込むためには、空隙１７５より厚いことが望ましく、そのためにはスクリーンメッシュのメッシュ太さが空隙１７５より大きいことが望ましい。本実施例では焼成後のガラス層１７６の厚みを２μｍとするため、メッシュ太さを２．５μｍとして、スクリーン印刷を行った。これは次に述べる焼成工程で収縮することにより、ガラス層１７６がスクリーン印刷を行った時のガラスペースト１８よりも薄くなるためである。また、ガラス層１７６と蛍光体プレート１７１の密着性を向上させるために、蛍光体プレート１７１の表面を、ＵＶオゾン処理やプラズマ処理などの表面処理を行ってもよい。

そして、ガラスペースト１８をスクリーン印刷した後は焼成し、ガラス層１７６をガラス材料のみの層とする。焼成方法としては電気炉等による熱放射加熱、赤外線加熱、レーザ光照射、および誘電加熱等などがあげられる。ガラスペースト１８の中の有機溶媒を揮散させて除去するために、前記焼成処理の前に乾燥工程を設けてもよい。ガラスペースト１８の中に有機溶剤が残留していると、加熱工程においてバインダ樹脂等の消失すべき成分を十分に除去できない可能性がある。

乾燥工程後、ガラスペースト１８の中のガラス質材料の焼結温度領域での加熱処理が行われる。ここで、ガラス質材料の焼結は、ガラス軟化点（Ｔｓ）以上の温度で行うことが必要である。焼結温度領域としては、Ｔｓ～Ｔｓ＋１５０℃の温度領域が好ましい。加熱処理の方法としては、少なくともガラスペースト１８の温度が上記温度になる方法であれば特に限定されない。上記手順に従えば、蛍光体プレート１７１上にガラス層１７６を形成することが可能となる。

蛍光体プレート１７１上に、ガラス層１７６を形成した後に、より平坦性を高めるために、研磨を行う。研磨方法としては機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシングやコロイダルシリカポリシング等があげられる。ガラス層１７６を形成したのちに研磨をすることで、ガラス層１７６の表面粗さＲａは蛍光体プレート１７１の表面粗さＲａと比較して低くなり、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることが可能となる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例６における蛍光体モジュール１７の製造手法について説明する。図１０は、本実施例における蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。

ガラスペースト１８として蛍光体プレート１７１に発生している空隙１７５よりも小さいガラス粉体１８０とビヒクル１８１をディスペンサ１９０に入れる。そして蛍光体プレート１７１に対して、ディスペンスする。ディスペンサ１９０または蛍光体プレート１７１を保持しているステージのどちらか一方には駆動部が取り付いており、蛍光体プレート１７１に対して、場所を変えながらガラスペースト１８をディスペンス可能である。ディスペンスする箇所は、空隙１７５がある箇所だけでもよいし、または蛍光体プレート１７１全体にディスペンスしてもよい。また、蛍光体プレート１７１全体にディスペンスしつつ、空隙１７５を検知する検知手段を有し、空隙１７５の位置や大きさに応じて、ディスペンス量を調整することで、より効果的に空隙１７５にガラスペースト１８を埋めることが可能となる。

ディスペンサの針の太さも空隙１７５よりも小さいものにすることで、より効果的に空隙１７５にガラスペースト１８を注入することが可能となる。その場合、ガラスペースト１８に用いているガラス粉体１８０の粒径は、針のサイズのよりも小さいことが好ましい。また、空隙１７５の大きさに対して、ガラス粉体１８０のサイズが１／５以下であることが好ましく、１／１０であることがより好ましい。また、ガラス層１７６と蛍光体プレート１７１の密着性を向上させるために、蛍光体プレート１７１の表面を、ＵＶオゾン処理やプラズマ処理などの表面処理を行ってもよい。

ディスペンス後は、焼成し、ガラス層１７６をガラス材料のみの層とする。焼成方法としては電気炉等による熱放射加熱、赤外線加熱、レーザ光照射、および誘電加熱等などがあげられる。ガラスペースト１８の中の有機溶媒を揮散させて除去するために、前記焼成処理の前に乾燥工程を設けてもよい。ガラスペースト１８の中に有機溶剤が残留していると、加熱工程においてバインダ樹脂等の消失すべき成分を十分に除去できない可能性がある。

乾燥工程後、ガラスペースト１８の中のガラス質材料の焼結温度領域での加熱処理が行われる。ここで、ガラス質材料の焼結は、ガラス軟化点（Ｔｓ）以上の温度で行うことが必要である。焼結温度領域としては、Ｔｓ～Ｔｓ＋１５０℃の温度領域が好ましい。加熱処理の方法としては、少なくともガラスペースト１８の温度が上記温度になる方法であれば特に限定されない。上記手順に従えば、蛍光体プレート１７１上にガラス層１７６を形成することが可能となる。

蛍光体プレート１７１上に、ガラス層１７６を形成した後に、より平坦性を高めるために、研磨を行う。研磨方法としては機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシングやコロイダルシリカポリシングなどが挙げられる。ガラス層１７６を形成したのちに研磨をすることで、ガラス層１７６の表面粗さＲａは蛍光体プレート１７１の表面粗さと比較して低くなり、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることが可能となる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例７における蛍光体モジュール１７の製造手法について説明する。図１１は、本実施例における蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。

ガラス粉体１８０と有機溶媒１８２をガラス混合液２００として、スプレーガン１９１で蛍光体プレート１７１に霧状に噴出することによるスプレー散布で、蛍光体プレート１７１の表面にガラス混合液２００を形成する。霧状に噴出することで、蛍光体プレート１７１の形状や表面構造によらず、均質なガラス混合液２００を形成することが可能となり、空隙１７５にもガラス粉体１８０を充填することが可能となる。また、ガラス層１７６と蛍光体プレート１７１の密着性を向上させるために、蛍光体プレート１７１の表面を、ＵＶオゾン処理やプラズマ処理などの表面処理を行ってもよい。

スプレー後は、焼成し、ガラス層１７６をガラス材料のみの層とする。焼成方法としては電気炉等による熱放射加熱、赤外線加熱、レーザ光照射、および誘電加熱等などがあげられる。ガラス混合液２００の中のガラス質材料の焼結温度領域での加熱処理が行われる。ここで、ガラス質材料の焼結は、ガラス軟化点（Ｔｓ）以上の温度で行うことが必要である。焼結温度領域としては、Ｔｓ～Ｔｓ＋１５０℃の温度領域が好ましい。加熱処理の方法としては、少なくともガラスペースト１８の温度が上記温度になる方法であれば特に限定されない。上記手順に従えば、蛍光体プレート１７１上にガラス層１７６を形成することが可能となる。

蛍光体プレート１７１上に、ガラス層１７６を形成したのちに、より平坦性を高めるために、研磨を行う。研磨方法としては機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシングやコロイダルシリカポリシングなどが挙げられる。ガラス層１７６を形成したのちに研磨をすることで、ガラス層１７６の表面粗さＲａは蛍光体プレート１７１の表面粗さと比較して低くなり、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることが可能となる。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例８における蛍光体モジュール１７の製造手法について説明する。図１２は、本実施例における蛍光体モジュール１７の製造方法の説明図である。

ガラス材料を溶解したガラス混合液（ガラス溶液）２００に蛍光体プレート１７１を浸し、徐々に引き上げて自然にガラス層１７６を形成する。また、ガラス材料のゲル溶液に蛍光体プレート１７１を浸し、加熱処理することでガラス層１７６を形成することも可能である。

蛍光体プレート１７１上に、ガラス層１７６を形成した後に、より平坦性を高めるために、研磨を行う。研磨方法としては機械的ポリシング、化学的ポリシング（ＣＭＰ）、機械的化学的複合ポリシングやコロイダルシリカポリシングなどが挙げられる。ガラス層１７６を形成したのちに研磨をすることで、ガラス層１７６の表面粗さＲａは蛍光体プレート１７１の表面粗さと比較して低くなり、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることが可能となる。

各実施例によれば、信頼性および光利用効率を高めることが可能な波長変換素子、光源装置、画像投射装置、および波長変換素子の製造方法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。

１７ 蛍光体モジュール（波長変換素子）
１７１ 蛍光体プレート（波長変換層）
１７６ 平坦化層

Claims (15)

1. 第一の波長の光を第二の波長の光に変換する波長変換層と、
   前記波長変換層の少なくとも一つの面に堆積された平坦化層と、を有し、
   前記平坦化層の表面粗さは、前記波長変換層の表面粗さよりも小さいことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記第一の波長の光または前記第二の波長の光の少なくとも一部の光を反射する反射層を更に有し、
   前記平坦化層は、前記波長変換層と前記反射層との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記反射層は、金属膜からなることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記反射層は、誘電体膜からなることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
5. 前記反射層は、金属膜と、前記金属膜を保護する保護膜と、誘電体膜とを含む多層膜からなることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
6. 前記反射層を保持する基板を更に有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記第一の波長の光または前記第二の波長の光の少なくとも一部の光の反射を防止する反射防止膜を更に有し、
   前記平坦化層は、前記波長変換層と前記反射防止膜との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
8. 前記平坦化層の表面粗さＲａは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記波長変換層は、蛍光体材料を焼結した焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の波長変換素子。
10. 前記波長変換層は、蛍光体材料とセラミックス材料とを焼結した焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の波長変換素子。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 請求項１１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。
13. 第一の波長の光を第二の波長の光に変換する波長変換層を形成するステップと、
    前記波長変換層の少なくとも一つの面に平坦化層を堆積するステップと、を有することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
14. 前記波長変換層の少なくとも一つの面に堆積された前記平坦化層を研磨するステップを更に有することを特徴とする請求項１３に記載の波長変換素子の製造方法。
15. 第一の波長の光を第二の波長の光に変換する波長変換層を形成するステップと、
    前記波長変換層の少なくとも一つの面と、基板に保持された反射層とを接合するステップと、を有することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
    

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