JP2022149550A - 波長変換装置、光源装置、プロジェクター、および波長変換装置の製造方法 - Google Patents

波長変換装置、光源装置、プロジェクター、および波長変換装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】波長変換効率に優れる波長変換装置を提供する。【解決手段】本発明の波長変換装置は、蛍光体相と酸化マグネシウムを含むマトリクス相とを有し、励起光を波長変換する波長変換層と、波長変換層の第１面、および第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に設けられ、酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、波長変換装置、光源装置、プロジェクター、および波長変換装置の製造方法に関する。
光源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には、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体からなる蛍光部材を備え、蛍光部材の第１面から入射した励起光の一部を黄色光に波長変換し、励起光の残りの一部と黄色光とを白色光として第２面から射出させる光源装置が開示されている。また、下記の特許文献２には、窒化アルミニウム焼結体からなる基材上に、硫酸バリウムからなる反射層、およびＹＡＧ蛍光体層を順次積層した光源装置が開示されている。
この種の光源装置において、蛍光体に励起光が照射されると、励起光を吸収することによって蛍光体の温度が上昇する。ところが、蛍光体は、温度の上昇に伴って波長変換効率が低下し、蛍光発光量が低下する。そのため、蛍光体の熱伝導率を高めることにより放熱性を向上させた蛍光体が従来から知られている。下記の特許文献３に、無機蛍光体粒子と酸化マグネシウム粒子とを含む波長変換部材が開示されている。特許文献３には、酸化マグネシウム粒子は熱伝導性に優れるため、波長変換部材は無機蛍光体粒子で発生した熱を効率良く外部に放出することができる、と記載されている。
特開２０１２－３９２３号公報 特開２０１１－１９８５６０号公報 特開２０１８－１８０２７１号公報
上記の酸化マグネシウムは、環境雰囲気中の水分によって水酸化マグネシウムに変質しやすい。酸化マグネシウムが水酸化マグネシウムに変質した場合、熱伝導率が低下するため、所望の熱伝導性を有する波長変換部材が得られない。その結果、この波長変換部材では、波長変換効率が低下し、所望の蛍光発光量が得られないおそれがある。また、波長変換効率の低下を補うために単に励起光量を増加させても、波長変換層の温度が上昇するため、波長変換効率の低下を補うことは難しい。
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の波長変換装置は、蛍光体相と酸化マグネシウムを含むマトリクス相とを有し、励起光を波長変換する波長変換層と、前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に設けられ、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層と、を備える。
本発明の一つの態様の光源装置は、前記励起光を射出する光源と、本発明の一つの態様の波長変換装置と、を備える。
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、前記光源装置から射出される光を画像信号に基づいて変調する光変調装置と、前記光変調装置によって変調された光を投写する投写光学装置と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換装置の製造方法は、蛍光体材料からなる粉体と酸化マグネシウム粉体とを混合して混合粉体を生成する工程と、前記混合粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、前記焼結体を研磨して波長変換層を形成する工程と、前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制材料を蒸着して水和抑制層を形成する工程と、を備える。
第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 第１実施形態の光源装置を示す概略構成図である。 第１実施形態の波長変換装置を示す断面図である。 波長変換層におけるＹＡＧ体積比と熱伝導率との関係を示す図である。 第２実施形態の波長変換装置を示す断面図である。 第３実施形態の光源装置を示す概略構成図である。 第３実施形態の波長変換装置を示す断面図である。
［第１実施形態］
以下、本発明の一実施形態について、図１～図４を用いて説明する。
図１は、第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
なお、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。
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、光源装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投写光学装置６と、を備える。
光源装置２は、色分離光学系３に向けて白色の照明光ＷＬを射出する。光源装置２の構成については、後で詳しく説明する。
色分離光学系３は、光源装置２から射出された照明光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ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、第１全反射ミラー８ａと、第２全反射ミラー８ｂと、第３全反射ミラー８ｃと、第１リレーレンズ９ａと、第２リレーレンズ９ｂと、を備えている。
第１ダイクロイックミラー７ａは、光源装置２からの照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光と、に分離する。第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む光を反射する。一方、第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する。これにより、第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを含む光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。
第１全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２全反射ミラー８ｂおよび第３全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２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リレーレンズ９ａおよび第２リレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２全反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１リレーレンズ９ａおよび第２リレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する。
光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。
光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれには、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および射出側のそれぞれには、図示しない偏光板が配置されている。
光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒは、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化する。光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが配置されている。フィールドレンズ１０Ｇは、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化する。光変調装置４Ｂの入射側には、フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化する。
合成光学系５には、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出される画像光が入射する。合成光学系５は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢのそれぞれに対応する画像光を合成し、合成された画像光を投写光学装置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。
投写光学装置６は、複数の投写レンズを有する。投写光学装置６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投写する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大された映像が表示される。
以下、光源装置２の構成について説明する。
図２は、本実施形態の光源装置２を示す概略構成図である。
図２に示すように、光源装置２は、第１光源４０と、コリメート光学系４１と、ダイクロイックミラー４２と、コリメート集光光学系４３と、波長変換装置２０と、第２光源４４と、集光光学系４５と、拡散板４６と、コリメート光学系４７と、を備える。
第１光源４０は、レーザー光からなる青色の励起光Ｅを射出する複数の半導体レーザー４０ａで構成されている。励起光Ｅの発光強度のピークは、例えば４４５ｎｍである。複数の半導体レーザー４０ａは、第１光源４０の光軸ａｘと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。なお、半導体レーザー４０ａとしては、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４５５ｎｍや４６０ｎｍの青色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４０の光軸ａｘは、光源装置２の照明光軸１００ａｘと直交する。
本実施形態の第１光源４０は、特許請求の範囲の光源に対応する。
コリメート光学系４１は、第１レンズ４１ａと、第２レンズ４１ｂと、を備える。コリメート光学系４１は、第１光源４０から射出された光を略平行化する。第１レンズ４１ａおよび第２レンズ４１ｂのそれぞれは、凸レンズで構成されている。
ダイクロイックミラー４２は、コリメート光学系４１からコリメート集光光学系４３までの間の光路中に、第１光源４０の光軸ａｘと照明光軸１００ａｘとのそれぞれに対して４５°の角度で交差する向きに配置されている。ダイクロイックミラー４２は、青色光成分を反射させ、赤色光成分および緑色光成分を透過させる。したがって、ダイクロイックミラー４２は、励起光Ｅおよび青色光Ｂを反射させ、黄色の蛍光Ｙを透過させる。
コリメート集光光学系４３は、ダイクロイックミラー４２を透過した励起光Ｅを集光させて波長変換装置２０に入射させる一方、波長変換装置２０から射出された蛍光Ｙを略平行化する。コリメート集光光学系４３は、第１レンズ４３ａと、第２レンズ４３ｂと、を備える。第１レンズ４３ａおよび第２レンズ４３ｂのそれぞれは、凸レンズで構成されている。
第２光源４４は、第１光源４０の波長帯と同一の波長帯を有する半導体レーザーから構成されている。第２光源４４は、１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。また、第２光源４４は、第１光源４０の半導体レーザーとは波長帯が異なる半導体レーザーから構成されていてもよい。
集光光学系４５は、第１レンズ４５ａと、第２レンズ４５ｂと、を備える。集光光学系４５は、第２光源４４から射出された青色光Ｂを拡散板４６の拡散面上または拡散面の近傍に集光させる。第１レンズ４５ａと第２レンズ４５ｂのそれぞれは、凸レンズで構成されている。
拡散板４６は、第２光源４４から射出された青色光Ｂを拡散させ、波長変換装置２０から射出された蛍光Ｙ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４６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４７は、第１レンズ４７ａと、第２レンズ４７ｂと、を備える。コリメート光学系４７は、拡散板４６から射出された光を略平行化する。第１レンズ４７ａおよび第２レンズ４７ｂのそれぞれは、凸レンズで構成されている。
第２光源４４から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー４２で反射され、波長変換装置２０から射出され、ダイクロイックミラー４２を透過した蛍光Ｙと合成されて、白色の照明光ＷＬを生成する。照明光ＷＬは、均一照明光学系８０に入射する。
均一照明光学系８０は、第１レンズアレイ８１と、第２レンズアレイ８２と、偏光変換素子８３と、重畳レンズ８４と、を有する。
第１レンズアレイ８１は、光源装置２からの照明光ＷＬを複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ８１ａを有する。複数の第１レンズ８１ａは、照明光軸１００ａｘと直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
第２レンズアレイ８２は、第１レンズアレイ８１の複数の第１レンズ８１ａに対応する複数の第２レンズ８２ａを有する。複数の第２レンズ８２ａは、照明光軸１００ａｘに直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
第２レンズアレイ８２は、重畳レンズ８４とともに、第１レンズアレイ８１の各第１レンズ８１ａの像を光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍にそれぞれ結像する。
偏光変換素子８３は、第２レンズアレイ８２から射出された光を一方の直線偏光に変換する。偏光変換素子８３は、例えば偏光分離膜および位相差板（図示略）を備える。
重畳レンズ８４は、偏光変換素子８３から射出された各部分光束を集光して光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍にそれぞれ重畳させる。
次に、波長変換装置２０の構成について説明する。
図３は、波長変換装置２０の構成を示す断面図である。図３は、図２の照明光軸１００ａｘを含む平面で波長変換装置２０を切断した断面に相当する。
図３に示すように、波長変換装置２０は、基板５４と、接合層５３と、反射層５５と、波長変換層５２と、水和抑制層５７と、を備える。反射層５５、波長変換層５２、および水和抑制層５７は、波長変換素子６０を構成する。本実施形態の波長変換装置２０は、波長変換層５２に対する励起光Ｅの入射位置が時間的に変化しない固定型の波長変換装置で構成されている。
基板５４は、反射層５５、波長変換層５２、および水和抑制層５７を有する波長変換素子６０を支持する。基板５４は、例えばアルミニウム、銅等の高い熱伝導率を有する金属材料で構成されている。
接合層５３は、基板５４の第１面５４ａに設けられ、基板５４と波長変換素子６０とを接合する。接合層５３は、例えばナノ銀ペースト等の高い熱伝導率を有する接合材で構成されている。
反射層５５は、接合層５３を挟んで基板５４の第１面５４ａに対向して設けられている。すなわち、反射層５５は、基板５４と波長変換層５２の第１面５２ａとの間に設けられている。反射層５５は、高い光反射率を有する銀等の金属膜、または誘電体多層膜、またはこれらの膜の組合せから構成されている。
波長変換層５２は、反射層５５に対向する第１面５２ａと、第１面５２ａとは反対側の第２面５２ｂと、を有する。波長変換層５２は、第２面５２ｂから入射する励起光Ｅが波長変換されて生成された蛍光Ｙを第２面５２ｂから射出させる。すなわち、本実施形態の波長変換素子６０は、反射型の波長変換素子である。
波長変換層５２は、蛍光体相２５と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むマトリクス相２６と、を有する。蛍光体相２５は、賦活剤が添加された酸化物蛍光体を含有する。蛍光体相２５は、複数の蛍光体粒子で構成されている。蛍光体相２５は、例えば賦活剤としてセリウム（Ｃｅ）が添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）：Ｃｅ）を含んでいる。
ＹＡＧ：Ｃｅを例にとると、蛍光体粒子として、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ３等の構成元素を含む原料粉体を混合して固相反応させた材料、共沈法、ソルゲル法等の湿式法により得られるＹ－Ａｌ－Ｏアモルファス粒子、噴霧乾燥法、火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるＹＡＧ粒子等を用いることができる。
蛍光体相２５を構成する酸化物蛍光体は、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２の他、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２，Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２，ＴｂＡｌ５Ｏ１２のうちの少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。また、蛍光体相２５は、賦活剤として、セリウム（Ｃｅ）に代えて、ユーロピウム（Ｅｕ）を含んでいてもよい。
マトリクス相２６は、蛍光体相２５を構成する複数の蛍光体粒子同士を結合するバインダーとして機能する。マトリクス相２６は、透光性セラミックスとして酸化マグネシウムを含む材料で構成されている。マトリクス相２６を構成する酸化マグネシウムの熱伝導率は、約５０Ｗ／ｍ・Ｋである。蛍光体相２５を構成するＹＡＧの熱伝導率は、約９Ｗ／ｍ・Ｋである。すなわち、マトリクス相２６は、蛍光体相２５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する透光性セラミックスを含有する。
マトリクス相２６を構成する金属酸化物は、上記のＭｇＯに加えて、Ａｌ２Ｏ３，ＺｎＯ，ＴｉＯ２，Ｙ２Ｏ３，ＹＡｌＯ３，ＢｅＯ，ＭｇＡｌ２Ｏ４の少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。
Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は、約３０Ｗ／ｍ・Ｋである。ＺｎＯの熱伝導率は、約２５Ｗ／ｍ・Ｋである。ＴｉＯ２の熱伝導率は、約４３Ｗ／ｍ・Ｋである。Ｙ２Ｏ３の熱伝導率は、約２７Ｗ／ｍ・Ｋである。ＹＡｌＯ３の熱伝導率は、約１２Ｗ／ｍ・Ｋである。ＢｅＯの熱伝導率は、約２５０Ｗ／ｍ・Ｋである。ＭｇＡｌ２Ｏ４の熱伝導率は、約１４Ｗ／ｍ・Ｋである。
本実施形態の波長変換層５２において、蛍光体相２５の含有量は、マトリクス相２６と蛍光体相２５とを含む相全体における体積比で、例えば２０ｖｏｌ％程度である。以下、本明細書において、マトリクス相２６と蛍光体相２５とを合わせた相全体に対する蛍光体相２５の体積比をＹＡＧ体積比と称する。
図４は、波長変換層５２におけるＹＡＧ体積比と熱伝導率との関係を示す図である。
図４のグラフにおいて、横軸はＹＡＧ体積比（vol％）であり、縦軸は熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。実線のグラフは、マトリクス相としてＭｇＯを用いた本実施形態の場合を示す。破線のグラフは、マトリクス相としてＡｌ２Ｏ３を用いた比較例の場合を示す。また、熱伝導率の値としては、室温における熱伝導率を採用する。
図４に示すように、本実施形態、比較例のいずれにおいても、ＹＡＧ体積比が大きくなるに従って、熱伝導率は直線的に低下する。また、同じＹＡＧ体積比で比較すると、マトリクス相としてＭｇＯを用いた本実施形態の波長変換層５２の熱伝導率は、マトリクス相としてＡｌ２Ｏ３を用いた比較例の波長変換層の熱伝導率よりも高いことが判る。本実施形態の場合、熱伝導率の目標値として約４０Ｗ／ｍ・Ｋを想定しているため、ＹＡＧ体積比は２０vol％程度とすることが望ましい。
図３に示すように、水和抑制層５７は、波長変換層５２の第２面５２ｂに設けられている。水和抑制層５７は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、三酸化チタン（ＴｉＯ３）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のうちのいずれか１つ以上を含む材料から構成されている。これらの材料からなる水和抑制層５７は、波長変換層５２のマトリクス相２６を構成する酸化マグネシウムの水和を抑制する。また、水和抑制層５７は、励起光Ｅを透過して波長変換層５２に入射させ、波長変換層５２で生成される蛍光Ｙを透過して射出させる。
以下、本実施形態の波長変換装置２０の製造方法について説明する。
最初に、ＹＡＧ：Ｃｅの原料粉体である所定量のＡｌ２Ｏ３粉体、Ｙ２Ｏ３粉体、およびＣｅＯ２粉体と所定量のエタノールとを混合し、ポット内でボールミーリングを行ってスラリーを生成する。スラリーを乾燥させ、造粒後に脱脂、焼結させてＹＡＧ：Ｃｅ粉体を生成する。以下、ＹＡＧ：Ｃｅ粉体をＹＡＧ粉体と略記する。別途、ＭｇＯ粉体を準備する。
次に、ＹＡＧ粉体とＭｇＯ粉体とを混合し、混合粉体を生成する。このとき、例えばエタノール溶媒中にＹＡＧ粉体とＭｇＯ粉体とを投入した後、溶媒を揮発させて乾燥することにより、ＹＡＧ粉体とＭｇＯ粉体とが均一に混合された混合粉体が生成される。
次に、前工程で作製したＹＡＧとＭｇＯとの混合粉体を焼結して、焼結体を作製する。このとき、ＹＡＧとＭｇＯとが相互に反応しないように焼結させるため、ＹＡＧと酸化マグネシウムとの反応温度以下、例えば１０００℃でのホットプレスにより焼結を行う。ホットプレスを用いることにより、焼結体を緻密化することができる。なお、必ずしもホットプレスを用いなくてもよく、例えば大気焼成法を用いてもよい。
次に、前工程で作製した焼結体を研磨して波長変換層５２を作製する。
次に、前工程で作製した波長変換層５２の一面に、ＳｉＯ２、ＴｉＯ３、ＭｇＦ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５等の水和抑制材料を蒸着して水和抑制層５７を形成する。このとき、波長変換層５２の厚さは数十μｍ程度であるため、波長変換層５２の側面には水和抑制材料が蒸着されなくてもよい。
以上の工程により、本実施形態の波長変換装置２０が完成する。
なお、波長変換層５２の表面に多数の孔が存在する場合、水和抑制材料が連続的に成膜されず、欠陥を有する水和抑制層５７が形成されるおそれがある。その場合、水和抑制材料の蒸着を行う前に、例えばポリシラザン等のコーティング剤を波長変換層５２の表面に塗布し、孔を埋めた後、水和抑制材料の蒸着を行ってもよい。これにより、欠陥の少ない水和抑制層５７を形成することができる。
［第１実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態の波長変換装置２０は、蛍光体相２５と酸化マグネシウムを含むマトリクス相２６とを有し、励起光Ｅを波長変換する波長変換層５２と、波長変換層５２の第２面５２ｂに設けられ、酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層５７と、を備える。
この構成によれば、波長変換層５２を構成するマトリクス相が高い熱伝導率を有する酸化マグネシウムを含むため、波長変換層５２の全体としての熱伝導率が向上し、波長変換層５２で発生する熱を、反射層５５、接合層５３を介して基板５４に効率良く伝達することができる。これにより、波長変換装置２０においては、波長変換層５２の温度上昇に伴う波長変換効率の低下を抑制することができる。
ところが、酸化マグネシウムは、熱伝導性に優れる反面、水和しやすい物質であり、環境雰囲気中の水分によって水酸化マグネシウムに変質しやすい。酸化マグネシウムが水酸化マグネシウムに変質した場合、熱伝導率が低下して所望の熱伝導性が得られない。そのため、波長変換装置２０を長期間使用すると、波長変換層５２の波長変換効率が低下し、所望の蛍光発光量が得られないおそれがある。この問題に対して、本実施形態の波長変換装置２０によれば、環境雰囲気に露呈する波長変換層５２の第２面５２ｂに水和抑制層５７が設けられているため、酸化マグネシウムの水酸化マグネシウムへの変質が抑制され、所望の熱伝導率を確保できる。これにより、長期間の使用にわたって、波長変換層５２の波長変換効率を維持することができる。
本実施形態の波長変換装置２０において、水和抑制層５７は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、三酸化チタン（ＴｉＯ３）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のうちのいずれか１つ以上を含む材料から構成されている。
この構成によれば、酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層５７として、所望の効果を発揮することができる。
本実施形態の波長変換装置２０は、基板５４と、基板５４と波長変換層５２の第１面５２ａとの間に設けられた反射層５５と、をさらに備える。水和抑制層５７は、波長変換層５２の第２面５２ｂに設けられ、励起光Ｅを透過して波長変換層５２に入射させ、波長変換層５２で生成される蛍光Ｙを透過して射出させる。
この構成によれば、反射型の波長変換装置２０を構成することができ、本実施形態のような固定型の波長変換装置に適用することができる。または、回転型の波長変換装置に適用してもよい。
本実施形態の光源装置２は、励起光Ｅを射出する第１光源４０と、波長変換装置２０と、を備える。
この構成によれば、波長変換効率に優れる光源装置２を実現することができる。
本実施形態のプロジェクター１は、光源装置２と、光源装置２から射出される光を画像信号に基づいて変調する光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒと、光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒによって変調された光を投写する投写光学装置６と、を備える。
この構成によれば、表示品質に優れ、高効率のプロジェクター１を実現することができる。
本実施形態の波長変換装置２０の製造方法は、蛍光体材料からなる粉体と酸化マグネシウム粉体とを混合して混合粉体を生成する工程と、混合粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、焼結体を研磨して波長変換層５２を形成する工程と、波長変換層５２の第２面５２ｂに酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制材料を蒸着して水和抑制層５７を形成する工程と、を備える。
この製造方法によれば、長期間の使用にわたって高い波長変換効率が維持された波長変換装置２０を製造することができる。
本実施形態の場合、焼結体を形成する工程において、蛍光体材料と酸化マグネシウムとの反応温度以下でのホットプレスを用いて混合粉体を焼結する。
この方法によれば、蛍光体材料および酸化マグネシウムのそれぞれの機能が維持され、波長変換効率の低下抑制効果が確保できる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
第２実施形態の波長変換装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、水和抑制層の構成が第１実施形態とは異なる。そのため、波長変換素子の基本構成については説明を省略する。
図５は、第２実施形態の波長変換装置２１を示す断面図である。
図５において、第１実施形態の図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図５に示すように、波長変換装置２１は、基板５４と、接合層５３と、反射層５５と、波長変換層５２と、水和抑制層５７と、を備える。
波長変換層５２は、第１面５２ａと、第２面５２ｂと、第１面５２ａおよび第２面５２ｂと交差する方向に沿う側面５２ｃと、を有する。図５では、側面５２ｃを平面状に示しているが、例えば曲面状であってもよいし、側面５２ｃと第１面５２ａとの角部、または側面５２ｃと第２面５２ｂとの角部が面取り加工されていてもよい。
本実施形態の場合、水和抑制層５７は、波長変換層５２の第２面５２ｂに加えて、側面５２ｃにも設けられている。波長変換装置２１のその他の構成は、第１実施形態の波長変換装置２０と同様である。
［第２実施形態の効果］
本実施形態においても、波長変換層５２の温度上昇に伴う波長変換効率の低下抑制効果を長期間にわたって維持できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態の波長変換装置２１においては、水和抑制層５７が波長変換層５２の側面５２ｃにも設けられているため、波長変換層５２の側面５２ｃからわずかに生じる酸化マグネシウムの変質も確実に抑制することができる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６および図７を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、光源装置および波長変換装置の構成が第１実施形態と異なる。そのため、以下では光源装置および波長変換装置の構成について説明する。
図６は、第３実施形態の光源装置２Ａを示す概略構成図である。図７は、第３実施形態の波長変換装置３２０を示す断面図である。
図６および図７において、上記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、説明を省略する。
図６に示すように、光源装置２Ａは、励起光源ユニット１０と、アフォーカル光学系１１と、ホモジナイザー光学系１２と、集光光学系１３と、波長変換素子２２０と、ピックアップ光学系３０と、均一照明光学系８０と、を備える。
励起光源ユニット１０は、レーザー光からなる青色の励起光Ｅを射出する複数の半導体レーザー１０ａと、複数のコリメーターレンズ１０ｂと、から構成される。複数の半導体レーザー１０ａは、照明光軸１００ａｘと直交する平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ１０ｂは、各半導体レーザー１０ａに対応するように、照明光軸１００ａｘと直交する平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ１０ｂは、当該コリメーターレンズ１０ｂに対応する半導体レーザー１０ａから射出された励起光Ｅを平行光に変換する。
本実施形態の励起光源ユニット１０は、特許請求の範囲の光源に対応する。
アフォーカル光学系１１は、例えば凸レンズ１１ａと、凹レンズ１１ｂと、を備える。アフォーカル光学系１１は、励起光源ユニット１０から射出された平行光束からなる励起光Ｅの光束径を縮小する。
ホモジナイザー光学系１２は、例えば第１マルチレンズアレイ１２ａと、第２マルチレンズアレイ１２ｂと、を備える。ホモジナイザー光学系１２は、励起光の光強度分布を波長変換素子２２０上で均一な分布、いわゆるトップハット分布にする。ホモジナイザー光学系１２は、第１マルチレンズアレイ１２ａおよび第２マルチレンズアレイ１２ｂの複数のレンズから射出された複数の小光束を、集光光学系１３とともに、波長変換素子２２０上で互いに重畳させる。これにより、波長変換素子２２０上に照射する励起光Ｅの光強度分布を均一な状態とする。
集光光学系１３は、例えば第１レンズ１３ａと、第２レンズ１３ｂと、を備える。本実施形態において、第１レンズ１３ａおよび第２レンズ１３ｂは、それぞれ凸レンズから構成されている。集光光学系１３は、ホモジナイザー光学系１２から波長変換素子２２０までの光路中に配置され、励起光Ｅを集光させて波長変換素子２２０に入射させる。波長変換素子２２０の構成については後述する。
ピックアップ光学系３０は、例えば第１コリメートレンズ３１と、第２コリメートレンズ３２と、を備える。ピックアップ光学系３０は、波長変換素子２２０から射出された光を略平行化する平行化光学系である。第１コリメートレンズ３１および第２コリメートレンズ３２は、それぞれ凸レンズから構成されている。ピックアップ光学系３０で平行化された光は均一照明光学系８０に入射する。
図７に示すように、波長変換装置３２０は、基板１２１と、波長変換層３２２と、第１水和抑制層１２３と、第２水和抑制層１２６と、接合層１２４と、モーター１５５と、を備える。波長変換層３２２、第１水和抑制層１２３、および第２水和抑制層１２６は、波長変換素子２２０を構成する。本実施形態の波長変換装置３２０は、波長変換素子２２０に対する励起光Ｅの入射位置を時間的に変化させる回転ホイール型の波長変換装置で構成されている。
基板１２１は、非透光性部材で構成された円板状の部材である。基板１２１は、例えばアルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属材料で構成されている。基板１２１は、所定の回転軸Ｏの周りに回転可能とされている。回転軸Ｏは、基板１２１の中心を通る。モーター１５５は、基板１２１を回転軸Ｏの周りに回転させる。
波長変換層３２２は、回転軸Ｏの周りに環状に形成されている。波長変換層３２２は、第１実施形態の波長変換層５２と同様、蛍光体相２５と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むマトリクス相２６と、を有する。波長変換層３２２は、マトリクス相２６として酸化マグネシウムを含み、例えば４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の高い熱伝導率を有する。
波長変換層３２２は、第１面３２２ａと、第１面３２２ａとは反対側の第２面３２２ｂと、を有する。第１面３２２ａは、集光光学系１３（図６参照）に対向し、第２面３２２ｂは、ピックアップ光学系３０（図６参照）に対向する。本実施形態の波長変換素子２２０は、波長変換層３２２の第１面３２２ａから励起光Ｅを入射させ、波長変換層３２２の第２面３２２ｂから蛍光Ｙを射出させる透過型の波長変換素子である。
波長変換層３２２は、第１面３２２ａの径方向内側の端部３２２ａ１が接合層１２４を介して基板１２１に固定されている。接合層１２４は、第１実施形態の接合層５３と同様、例えばナノ銀ペースト等の高い熱伝導率を有する接合材で構成されている。回転軸Ｏに沿う方向から平面視した際、波長変換層３２２は、基板１２１よりも径方向外側に張り出して外部雰囲気に露呈される露呈部３２２Ｆを有する。したがって、励起光Ｅは、波長変換層３２２の露呈部３２２Ｆに入射する。波長変換層３２２における露呈部３２２Ｆよりも径方向内側の領域は、接合層１２４を介して基板１２１に当接する。これにより、波長変換層３２２で生じる熱は、接合層１２４を介して基板１２１に伝搬される。
第１水和抑制層１２３は、波長変換層３２２の第１面３２２ａに設けられている。本実施形態において、第１水和抑制層１２３は、波長変換層３２２の第１面３２２ａの全域に設けられているが、接合層１２４と接する領域には設けられていなくてもよく、少なくとも露呈部３２２Ｆに設けられていればよい。第１水和抑制層１２３は、励起光Ｅを透過して波長変換層３２２に入射させる。
第２水和抑制層１２６は、波長変換層３２２の第２面３２２ｂに設けられている。第２水和抑制層１２６は、波長変換層３２２で生成される蛍光Ｙを透過して射出させる。本実施形態の場合、第２水和抑制層１２６は、蛍光Ｙに加えて、波長変換層３２２で波長変換されなかった一部の励起光Ｅ１も透過して射出させる。これにより、波長変換層３２２から白色の照明光ＷＬ１が射出される。本実施形態では、第１水和抑制層１２３および第２水和抑制層１２６の双方が設けられているが、第１水和抑制層１２３および第２水和抑制層１２６のいずれか一方が設けられていてもよい。また、本実施形態においても、水和抑制層が波長変換層３２２の側面にさらに設けられていてもよい。
第１水和抑制層１２３および第２水和抑制層１２６のそれぞれは、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、三酸化チタン（ＴｉＯ３）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のうちのいずれか１つ以上を含む材料から構成されている。なお、第１水和抑制層１２３の構成材料と第２水和抑制層１２６の構成材料とは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
また、第１水和抑制層１２３は、酸化マグネシウムの水和を抑制するだけではなく、励起光を透過させ、蛍光を反射させる特性を有し、ダイクロイック膜として機能してもよい。この特性は、水和抑制層の材料や膜厚を適宜選択することによって実現が可能である。
［第３実施形態の効果］
本実施形態においても、波長変換層３２２の温度上昇に伴う波長変換効率の低下抑制効果を長期間にわたって維持できる、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装置３２０は、波長変換層３２２が設けられる基板１２１を備え、波長変換層３２２は、基板１２１から露呈した露呈部３２２Ｆを有する。水和抑制層１２３，１２６は、波長変換層３２２の少なくとも露呈部３２２Ｆにおける第１面３２２ａと第２面３２２ｂとに設けられている。第１面３２２ａに設けられた第１水和抑制層１２３は、励起光Ｅを透過して波長変換層３２２に入射させ、第２面３２２ｂに設けられた第２水和抑制層１２６は、波長変換層３２２で生成される蛍光Ｙを透過して射出させる。
この構成によれば、外部雰囲気に晒されやすい露呈部３２２Ｆを有する波長変換層３２２においても、酸化マグネシウムの水和を確実に抑制することができ、波長変換効率に優れる透過型の波長変換装置３２０を実現することができる。
本実施形態の波長変換装置３２０では、波長変換層３２２を回転させることによって、波長変換層３２２における励起光Ｅの入射位置を時間的に移動させている。これにより、波長変換層３２２の一部のみが局所的に加熱され、波長変換層３２２が劣化することが抑制される。このように、本実施形態の場合、波長変換層３２２が熱伝導率の高いＭｇＯからなるマトリクス相２６を含むことに加え、波長変換層３２２を回転させることにより、放熱性をさらに高めることができる。
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。
上記実施形態で示した波長変換装置、光源装置、およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料、製造方法等の具体的な記載については、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、本発明に係る光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。例えば本発明の一つの態様の光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。
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。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、蛍光体相と酸化マグネシウムを含むマトリクス相とを有し、励起光を波長変換する波長変換層と、前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に設けられ、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換装置において、前記水和抑制層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、三酸化チタン（ＴｉＯ３）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のうちのいずれか１つ以上を含む材料から構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、基板と、前記基板と前記波長変換層の前記第１面との間に設けられた反射層と、をさらに備え、前記水和抑制層は、前記波長変換層の前記第２面に設けられ、前記励起光を透過して前記波長変換層に入射させ、前記波長変換層で生成される蛍光を透過して射出させてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換装置は、前記波長変換層が設けられる基板をさらに備え、前記波長変換層は、前記基板から露呈した露呈部を有し、前記水和抑制層は、前記波長変換層の少なくとも前記露呈部における前記第１面と前記第２面とに設けられ、前記第１面に設けられた前記水和抑制層は、前記励起光を透過して前記波長変換層に入射させ、前記第２面に設けられた前記水和抑制層は、前記波長変換層で生成される蛍光を透過して射出させてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換装置において、前記波長変換層は、前記第１面および前記第２面と交差する方向に沿う側面を有し、前記水和抑制層は、さらに前記側面にも設けられてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、前記励起光を射出する光源と、本発明の一つの態様の波長変換装置と、を備える。
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、前記光源装置から射出される光を画像信号に基づいて変調する光変調装置と、前記光変調装置によって変調された光を投写する投写光学装置と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換装置の製造方法は、蛍光体材料を含む粉体と酸化マグネシウムを含む粉体とを混合して混合粉体を生成する工程と、前記混合粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、前記焼結体を研磨して波長変換層を形成する工程と、前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制材料を蒸着して水和抑制層を形成する工程と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換装置の製造方法では、前記焼結体を形成する工程において、前記蛍光体材料と前記酸化マグネシウムとの反応温度以下でのホットプレスを用いて前記混合粉体を焼結してもよい。
１…プロジェクター、２，２Ａ…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投写光学装置、１０…励起光源ユニット（光源）、２０，２１，３２０…波長変換装置、２５…蛍光体相、２６…マトリクス相、４０…第１光源（光源）、５２，３２２…波長変換層、５２ａ，３２２ａ…第１面、５２ｂ，３２２ｂ…第２面、５２ｃ…側面、５４，１２１…基板、５５…反射層、５７…水和抑制層、１２３…第１水和抑制層、１２６…第２水和抑制層、３２２Ｆ…露呈部、Ｅ…励起光、Ｙ…蛍光。

Claims (9)

  1. 蛍光体相と酸化マグネシウムを含むマトリクス相とを有し、励起光を波長変換する波長変換層と、
    前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に設けられ、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制層と、
    を備える、波長変換装置。
  2. 前記水和抑制層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、三酸化チタン（ＴｉＯ３）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）のうちのいずれか１つ以上を含む材料から構成される、請求項１に記載の波長変換装置。
  3. 基板と、
    前記基板と前記波長変換層の前記第１面との間に設けられた反射層と、
    をさらに備え、
    前記水和抑制層は、前記波長変換層の前記第２面に設けられ、前記励起光を透過して前記波長変換層に入射させ、前記波長変換層で生成される蛍光を透過して射出させる、請求項１または請求項２に記載の波長変換装置。
  4. 前記波長変換層が設けられる基板をさらに備え、
    前記波長変換層は、前記基板から露呈した露呈部を有し、
    前記水和抑制層は、前記波長変換層の少なくとも前記露呈部における前記第１面と前記第２面とに設けられ、
    前記第１面に設けられた前記水和抑制層は、前記励起光を透過して前記波長変換層に入射させ、
    前記第２面に設けられた前記水和抑制層は、前記波長変換層で生成される蛍光を透過して射出させる、請求項１または請求項２に記載の波長変換装置。
  5. 前記波長変換層は、前記第１面および前記第２面と交差する方向に沿う側面を有し、
    前記水和抑制層は、さらに前記側面にも設けられる、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装置。
  6. 前記励起光を射出する光源と、
    請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換装置と、
    を備える、光源装置。
  7. 請求項６に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出される光を画像信号に基づいて変調する光変調装置と、
    前記光変調装置によって変調された光を投写する投写光学装置と、
    を備える、プロジェクター。
  8. 蛍光体材料を含む粉体と酸化マグネシウムを含む粉体とを混合して混合粉体を生成する工程と、
    前記混合粉体を焼結して焼結体を形成する工程と、
    前記焼結体を研磨して波長変換層を形成する工程と、
    前記波長変換層の第１面、および前記第１面とは反対側の第２面の少なくとも一方に、前記酸化マグネシウムの水和を抑制する水和抑制材料を蒸着して水和抑制層を形成する工程と、
    を備える、波長変換装置の製造方法。
  9. 前記焼結体を形成する工程において、前記蛍光体材料と前記酸化マグネシウムとの反応温度以下でのホットプレスを用いて前記混合粉体を焼結する、請求項８に記載の波長変換装置の製造方法。
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