JP6701793B2 - 波長変換素子、波長変換装置、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、波長変換装置、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、カラーホイールを用いた投射型表示装置が提案されている。カラーホイールは、蛍光体層が設けられた基板を回転させつつ、基板上の蛍光体層に励起光を照射して蛍光を発生させ、蛍光を含む白色光を生成するものである。下記の特許文献１に記載の投射型表示装置においては、カラーホイールの円盤状の透明基材が３つの領域に分割され、それぞれの領域には、赤色、緑色、青色の各々の色に波長変換するように、蛍光体層がそれぞれ形成されている。

特開２００４−３４１１０５号公報

特許文献１の投射型表示装置において、蛍光体層で発生する熱は空気に伝達されるが、カラーホイールから空気への熱抵抗が大きいために、カラーホイールの放熱性が低いという問題があった。また、カラーホイールの放熱性が低いと、蛍光体層は冷却されず、高温になりやすい。一般に、蛍光体層が高温になると、蛍光体層の量子効率が低下するため、投射型表示装置に設けられた照明装置の発光効率が低下することがあった。さらに、蛍光体層のバインダーとして有機材料が用いられる場合には、熱による蛍光体層の変色や劣化が起こることがあった。

一方、カラーホイールの放熱性を高めるために、カラーホイールのホイール径を大きくすると、投射型表示装置全体が大きくなることがあった。また、カラーホイールの放熱性を高めるために、カラーホイールの回転数を上げると、風切音やモーターのノイズが大きくなることがあった。

さらに、蛍光体層で発生する熱を少なくするために、蛍光体層に照射される励起光の光量を少なくすると、投射型表示装置に設けられた照明装置の明るさが低下することがあった。

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り、放熱性および信頼性の高い波長変換素子を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の波長変換素子を備え、放熱性および信頼性の高い波長変換装置を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の波長変換装置を備え、明るさや発光効率に優れる照明装置を提供することを目的の一つとする。本発明の一つの態様は、上記の照明装置を備え、低騒音かつ小型化が可能な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、回転軸を中心として回転可能に構成された基材と、前記基材の回転方向に沿って、前記基材の外周面に設けられた無機材料からなる波長変換層と、を備え、前記基材は、前記基材の内部に液体が流通する流通部を有している。
本発明の一つの態様の波長変換素子においては、波長変換層は無機材料から形成されているため、例えば有機材料を含む波長変換層に比べて、波長変換層自体の熱伝導率（放熱性）が高く、信頼性が高い。
また、本発明の一つの態様の波長変換素子では、基材が回転軸を中心として回転可能に構成され、波長変換層が基材の回転方向に沿って基材の外周面に設けられている。そのため、本発明の一つの態様の波長変換素子は、波長変換層へ入射する光の入射位置を時間的に変化させることができ、波長変換層が局所的に加熱されるのを抑制できる。
さらに、本発明の一つの態様の波長変換素子では、基材の内部に液体を流通させることにより、例えば空冷を利用した従来の波長変換素子に比べて、波長変換層を効率的に冷却することができる。
以上の作用によって、本発明の一つの態様の波長変換素子は、放熱性および信頼性が高い。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基材は、筒状の形状を有し、前記外周面と前記波長変換層のうち、少なくとも前記外周面は、前記回転軸方向に沿う一方の端部から他方の端部に向かって前記回転軸に近づくように形成されている部分を有してもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子においては、回転軸方向に沿う一方の端部では、他方の端部と比べて、基材の外周面と波長変換層との間隙を十分に小さくできるため、波長変換層で発生する熱を効率的に基材に伝え、冷却することができる。
これにより、本発明の一つの態様の波長変換素子は、放熱性が高い。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基材の回転方向に沿って複数に分割された前記波長変換層が、前記基材の回転方向に沿って並べられてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子においては、基材と波長変換層との間隙を十分に小さくでき、波長変換層で発生する熱を効率的よく基材に伝え、冷却することができる。
また、本発明の一つの態様の波長変換素子では、複数の波長変換層のうち隣接するもの同士は、適度に隙間を有しているため、基材と波長変換層の熱膨張率の差に起因する波長変換層の破損を抑制することができる。
これにより、本発明の一つの態様の波長変換素子は、放熱性および信頼性が高い。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基材と前記波長変換層とが焼結により一体となっていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子においては、波長変換層で発生する熱を効率的に基材に伝え、冷却することができる。
また、本発明の一つの態様の波長変換素子では、基材と波長変換層とが焼結されて一体となっていることにより、例えば基材と波長変換層とが、接着剤などの固定部材を介して固定されている波長変換素子と比べて、波長変換層が基材から脱落するおそれが低い。
これにより、本発明の一つの態様の波長変換素子は、放熱性および信頼性が高い。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記基材は、前記基材の回転軸と垂直な方向に積層された複数の層を有し、前記複数の層は、焼結により一体となっていてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子においては、基材は、基材の回転軸と垂直な方向に積層された複数の層を有しているため、例えば、層ごとに異なる特性を付与することができ、放熱性を高めた構成とすることができる。
これにより、本発明の一つの態様の波長変換素子は、放熱性が高い。

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、前記液体を冷却する冷却装置と、前記液体を前記流通部へ送液する送液装置と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換装置においては、冷却装置によって冷却された液体を、基材内部の流通部へ送液装置を用いて送液することができるため、波長変換層を効率的に冷却することができる。
これにより、本発明の一つの態様の波長変換装置は、放熱性が高い。

本発明の一つの態様の照明装置は、本発明の一つの態様の波長変換装置と、前記波長変換素子へ入射する光を射出する光源と、を備える。
本発明の一つの態様の照明装置においては、放熱性の高い波長変換装置を備えるため、波長変換層が高温になりにくく、波長変換層の量子効率の低下を抑制し、照明装置の発光効率の低下を抑制することができる。
また、本発明の一つの態様の照明装置は、放熱性の高い波長変換装置を備えるため、波長変換層で発生する熱を少なくする目的で、波長変換層へ入射する光の光量を少なくする必要がない。
以上の作用によって、本発明の一つの態様の照明装置は、明るさや発光効率に優れる。

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照明装置と、前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備える。
本発明の一つの態様のプロジェクターにおいては、放熱性の高い波長変換装置を備えた照明装置を有するため、波長変換装置の放熱性を高める目的で、基材を大きくしたり、基材の回転数を増やしたりする必要がない。
以上の作用によって、本発明の一つの態様のプロジェクターは、低騒音かつ小型化が可能である。

本発明の一実施形態のプロジェクターの光学系を示す概略図である。 第１実施形態の波長変換素子の斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 第２変形例の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子の斜視図である。 第４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］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。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。

［プロジェクター］
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。
本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）上にカラー映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、緑色、青色の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を備える。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る。

図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の光学系を示す概略図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１照明装置１００と、第２照明装置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、投射光学系６００と、を備える。
本実施形態の第１照明装置１００は、特許請求の範囲の照明装置に対応する。

第１照明装置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１０４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。
本実施形態の波長変換装置１０４は、特許請求の範囲の波長変換装置に対応する。

第１光源１０は、励起光として第１の波長帯の青色のレーザー光（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）Ｅ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、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。
なお、第１光源１０は、４４５ｎｍ以外の波長、例えば４６０ｎｍの青色レーザー光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。
本実施形態の第１光源１０は、特許請求の範囲の光源に対応する。本実施形態の励起光は、特許請求の範囲における波長変換素子へ入射する光に対応する。

第１光源１０は、第１光源１０から射出されるレーザー光の光軸２００ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。
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、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、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１００ａｘとの各々に対して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、青色光Ｅを反射させ、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光Ｙ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を通過した青色光Ｅを集光させて波長変換素子３０に備えられた波長変換層２０に入射させる機能と、波長変換層２０から射出された蛍光Ｙを略平行化する機能とを有する。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、を備える。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、凸レンズで構成されている。
本実施形態の波長変換素子３０は、特許請求の範囲の波長変換素子に対応する。本実施形態の波長変換層２０は、特許請求の範囲の波長変換層に対応する。

波長変換装置１０４は、波長変換素子３０と、冷却装置５０と、送液装置６０と、冷却液配管６２を備える。
冷却装置５０は、冷却ジャケット５２と、ペルチェ素子５４と、放熱フィン５６と、ファン５８と、を備える。
本実施形態の冷却装置５０は、特許請求の範囲の冷却装置に対応する。本実施形態の送液装置６０は、特許請求の範囲の送液装置に対応する。

第２照明装置１０２は、第２光源７１０と、集光光学系７６０と、散乱板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備える。
第２光源７１０は、第１照明装置１００の第１光源１０と同一の半導体レーザーから構成されている。第２光源７１０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。

集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備える。集光光学系７６０は、第２光源７１０から射出された青色光Ｂを散乱板７３２上もしくは散乱板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、凸レンズで構成されている。

散乱板７３２は、第２光源７１０からの青色光Ｂを散乱させ、波長変換素子３０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。散乱板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、を備える。コリメート光学系７７０は、散乱板７３２から射出された光を略平行化する。第１レンズ７７２および第２レンズ７７４は、凸レンズで構成されている。

第２照明装置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、波長変換素子３０から射出されダイクロイックミラー８０を透過した蛍光Ｙ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。

図２は、本実施形態の波長変換素子３０を示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
波長変換素子３０は、図２および図３に示すように、基材４０と、反射膜４１と、固定部材４２と、流通部４５と、波長変換層２０と、を備える。ただし、図２は、反射膜４１および固定部材４２を省略して図示している。
波長変換層２０は、青色光Ｅが入射することにより、蛍光Ｙを基材４０とは反対側に向けて射出する。すなわち、波長変換素子３０は、反射型の波長変換素子である。

基材４０は、金属製またはセラミックス製の放熱性に優れた基材から構成される。基材４０に用いられる金属としては、例えばアルミニウム、銅、ステンレスなどが挙げられる。
基材４０は、モーターと、ギヤおよびベルト等の回転伝達機構（図示略）により、回転軸４４を中心として回転可能に構成されている。図１に示す冷却液配管６２と基材４０との継ぎ手部分には、ロータリーアクチュエーター（図示略）が設けられている。
本実施形態の回転軸４４は、特許請求の範囲の回転軸に対応する。

本実施形態において、基材４０は、筒状の形状を有しており、回転軸４４と垂直な方向の断面は円環状である。基材４０の内部には流通部４５が設けられている。流通部４５には、液体Ｌが流通するように構成されている。基材４０の厚さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定される。

基材４０の外径は、回転軸４４と平行な方向に一定ではなく、基材４０の中心部と端部で異なっている。基材４０は、接続部４０Ｓと、拡径部４０Ｌと、を有する。拡径部４０Ｌは、接続部４０Ｓよりも外径および内径が大きくなるように構成され、接続部と一体に作製される。接続部４０Ｓは、拡径部４０Ｌの両方の端部に設けられている。

基材４０は、基材４０の外周面４０ａと、基材４０の一方の端部４０ｂ（図２における基材４０の左側端部）と、基材４０の他方の端部４０ｃ（図２における基材４０の右側端部）と、を有する。基材４０の外周面４０ａは、特許請求の範囲における基材の外周面に相当する。基材４０の一方の端部４０ｂは、特許請求の範囲における回転軸４４の方向に沿う一方の端部に相当する。基材４０の他方の端部４０ｃは、特許請求の範囲における回転軸４４の方向に沿う他方の端部に相当する。

ここで、拡径部４０Ｌにおける一方の端部４０ｂ側にある端面Ｅ１の外径をＤ１、他方の端部側にある端面Ｅ２の外径をＤ２とする。本実施形態においては、拡径部４０ＬはＤ１＞Ｄ２の関係を満たすように構成されている。換言すると、基材４０の外周面４０ａは、基材４０の一方の端部４０ｂから他方の端部４０ｃに向かって、基材４０の回転軸４４に近づくように形成されている部分（図２における拡径部４０Ｌ）を有する。すなわち、基材４０の拡径部４０Ｌでは、基材４０の外周面４０ａが回転軸４４に対して傾いており、拡径部４０Ｌはテーパー形状を有する。

一方、接続部４０Ｓの外径は、回転軸４４と平行な方向に一定になるように構成されている。接続部４０Ｓにおける端面Ｅ３の外径をＤ３とするとき、基材４０の端面Ｅ１，Ｅ２の外径Ｄ１、Ｄ２との関係が、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３となるように構成されている。すなわち、接続部４０Ｓの外径は、拡径部４０Ｌの外径よりも小さい。

なお、図３に示すように、流通部４５は、拡径部４０Ｌの内部では接続部４０Ｓの内径に対して拡がるように構成されている。

波長変換層２０は、無機材料から構成されている。波長変換層２０は、基材４０の回転方向に沿って、基材４０の外周面４０ａに設けられている。波長変換層２０は、筒状の形状を有しており、回転軸４４と垂直な方向の断面は円環状である。

波長変換層２０の外径は、回転軸４４と平行な方向に一定ではない。ここで、波長変換層２０における基材の一方の端部４０ｂ側にある端面Ｅ４の内径をＤ４、他方の端部側にある端面Ｅ５の内径をＤ５とする。本実施形態の波長変換層２０においては、基材４０の端面Ｅ１，Ｅ２の外径Ｄ１、Ｄ２との関係が、Ｄ１＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ２の関係を満たすように構成されている。換言すると、波長変換層２０の外周面２０ａは、基材４０の一方の端部４０ｂから他方の端部４０ｃに向かって、基材４０の回転軸４４に近づくように形成されている。すなわち、波長変換層２０は、波長変換層２０の外周面２０ａが回転軸４４に対して傾いており、テーパー形状を有する。

波長変換層２０は、第１光源１０から射出される青色光Ｅにより励起され、第２の波長帯の蛍光Ｙを射出する。蛍光Ｙは、赤色光および緑色光を含む黄色光である。波長変換層２０は、無機蛍光体と無機材料からなるバインダーとの混合物、またはバルク状の無機蛍光体から構成されている。

上記無機蛍光体としては、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体が用いられる。ＹＡＧ：Ｃｅを例にとると、波長変換層２０として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やゾ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、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、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。
無機材料からなるバインダーとしては、高融点ガラス、アルミナ多結晶またはＹＡＧ多結晶などが挙げられる。励起光および蛍光Ｙが波長変換層２０を透過するためには、バインダーは透明である必要がある。

液体Ｌとしては、吸熱性、流動性、安全性を満たせば特に限定されず、例えば水が挙げられる。液体Ｌの冷却方法は、従来公知の方法を採用できる。本実施形態において、液体Ｌは冷却装置５０により冷却され、冷却された液体Ｌは送液装置６０により流通部４５に送液される。

反射膜４１は、波長変換層２０と基材４０との間に設けられている。反射膜４１は、波長変換層２０から発せられた蛍光Ｙを高い効率で反射するように、銀などの金属または誘電体多層膜で構成されている。そのため、反射膜４１が形成される基材４０の外周面４０ａは、高い精度の平面粗さを有している。これにより、反射膜４１は、基材４０側に向かう蛍光Ｙの大部分を、基材４０とは反対側に向けて反射する。
なお、基材４０の外周面４０ａの反射率が十分高い場合には、反射膜４１は必ずしも基材４０に設けられていなくてもよい。

図３に示すように、波長変換層２０は、固定部材４２を用いて、反射膜４１を備えた基材４０に固定されている。本実施形態の場合、固定部材４２として、接着剤が用いられる。励起光および蛍光が反射膜４１に入射するためには、固定部材４２は光透過性を有する必要がある。固定部材４２としては、例えばシリコーン樹脂が用いられる。

図１に戻って、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小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ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小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ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小レンズ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小レンズ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に変換する。

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、波長変換素子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、２２０と、反射ミラー２３０、２４０、２５０と、リレーレンズ２６０、２７０と、を備える。色分離導光光学系２００は、第１照明装置１００と第２照明装置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，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、およびフィールドレンズ３００Ｂは、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒ、液晶光変調装置４００Ｇ、および液晶光変調装置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および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を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置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を通過した青色光は、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を経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ、４００Ｇ、および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。
図示を省略したが、液晶光変調装置４００Ｒ、４００Ｇ、および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、４００Ｇ、および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、４００Ｇ、および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、投射光学系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。投射光学系６００は、複数の投射レンズ６で構成されている。

波長変換素子３０を作製する方法としては例えば、以下に記載する方法が挙げられる。
まず、上記のように構成された基材４０および基材４０とは別体に作製した波長変換層２０を用意する。
本実施形態に係る基材４０および波長変換層２０は、傾斜角θが互いに等しくなるように構成されている。図３に示すように、傾斜角θとは、相対する面（外周面）が回転軸４４に対して傾斜している角度を意味する。

次いで、基材４０を他方の端部４０ｃ側から波長変換層２０の内側に挿入し、波長変換層２０を他方の端部４０ｃから一方の端部４０ｂの方向にスライドさせ、基材４０の外径と波長変換層２０の内径とが一致する位置で固定する。
このとき、反射膜４１は、基材４０の外周面４０ａにおいて基材４０と波長変換層２０とが少なくとも重なる位置にあらかじめ設けられている。
一方、固定部材４２は、基材４０の外周面４０ａまたは波長変換層２０の内側の少なくとも一方にあらかじめ設けられている。例えば、基材４０がセラミックからなる場合には、基材４０と波長変換層２０とが焼結により一体となっていてもよい。このとき、基材４０に波長変換層２０を積層または埋め込みを行ってから基材４０と一緒に焼結してもよい。

本実施形態に係る波長変換層２０には、レーザー光からなる青色光Ｅが入射するため、波長変換層２０で熱が発生する。波長変換層２０は、無機材料から形成されているため、例えば有機材料を含む従来の波長変換層に比べて、波長変換層２０自体の熱伝導率が大きい（放熱性が高い）。
また、本実施形態に係る基材４０は、回転軸４４を中心として回転可能に構成され、波長変換層２０は、基材４０の回転方向に沿って設けられている。そのため、波長変換層２０における青色光Ｅの入射位置を時間的に変化させることができ、波長変換層２０が局所的に加熱されるのを抑制できる。上記に加えて、本実施形態に係る波長変換層２０が、拡径部４０Ｌに設けられていることにより、接続部４０Ｓに設けられている場合と比べて、波長変換層２０における単位時間あたりの青色光Ｅの入射量を低減できる。そのため、波長変換層２０が加熱されるのをさらに抑制できる。
さらに、本実施形態に係る基材４０は、その内部に液体Ｌが流通することにより、例えば空冷を利用した従来の波長変換素子に比べて、波長変換層２０を効率的に冷却することができる。

さらに、本実施形態に係る基材４０は、回転軸４４と平行な方向に一定ではなく、拡径部４０Ｌと、接続部４０Ｓと、を有する。拡径部４０Ｌは、接続部４０Ｓと比べて表面積が大きいため、放熱性が高い。

本実施形態に係る波長変換素子３０を作製する方法としては、例えば基材４０と、基材４０とは別体に作製された波長変換層２０を用意して、基材４０を波長変換層２０の内側に挿入する方法が挙げられる。従来の波長変換素子においては、基材および波長変換層が回転軸と平行な方向に一定な外径を有するため、基材の外径を小さくする、または波長変換層の内径を大きくする必要がある。これにより、基材と波長変換層との間隙が大きくなり、固定部材の使用量が増加する。固定部材は熱伝導率が小さいため、効率的に波長変換層を冷却することができなくなり、従来の波長変換素子では放熱性が低下する。
一方、本実施形態に係る波長変換素子３０においては、基材４０および波長変換層２０は、傾斜角θが等しくなるように構成されたテーパー形状を有するため、従来のように基材の外径や波長変換層の内径をあらかじめ調整する必要がない。これにより基材４０と波長変換層２０との間隙が十分に小さくなり、固定部材４２の使用量を低減することができる。以上のことから、効率的に波長変換層２０を冷却することができるため、波長変換素子３０は放熱性が高い。

本実施形態に係る波長変換素子３０の放熱性が高いことにより、固定部材４２が波長変換層２０で発生する熱によって劣化するのを抑え、固定部材４２の劣化による波長変換層２０の脱落を抑制することができる。
以上のことから、本実施形態に係る波長変換素子３０は、放熱性および信頼性が高い。

本実施形態の波長変換装置１０４は、上記構成の波長変換素子３０を備えているため、放熱性および信頼性の高い波長変換装置を実現することができる。本実施形態の第１照明装置１００は、上記構成の波長変換装置１０４を備えているため、明るさや発光効率に優れた照明装置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、上記構成の第１照明装置１００を備えているため、低騒音かつ小型化が可能なプロジェクターを実現することができる。

（第１変形例）
本発明の第１実施形態に係る波長変換素子３０において、波長変換層２０は必ずしも、外周面２０ａが回転軸４４に対して傾いていなくてもよい。例えば、図２に示す波長変換層２０の外周面２０ａが回転軸４４と平行な方向に一定になるように形成されていてもよい。この場合、第１変形例の照明装置において、波長変換層２０から蛍光Ｙが射出される方向は、波長変換層２０に青色光Ｅが入射する側と同じ側となる。

（第２変形例）
本発明の第１実施形態に係る波長変換素子３０において、波長変換層２０は必ずしも、基材４０の回転方向に沿って設けられていなくてもよい。例えば、図２に示す波長変換層２０の端面Ｅ４または端面Ｅ５もしくはその両方が回転軸４４に対して垂直でなくてもよい。ただし、波長変換層２０の全てにおいて、レーザー光からなる青色光Ｅが入射されるように、波長変換層２０は基材４０の外周面４０ａに配置されている。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図４〜６を用いて説明する。
第２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、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３２の斜視図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
図４および図５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、説明を省略する。

第２実施形態の波長変換素子３２は、基材４３と、反射膜４１と、固定部材４２と、流通部４５と、波長変換層２２と、を備える。すなわち、第２実施形態の波長変換素子３２においては、基材および波長変換層の構成が第１実施形態と異なり、基材および波長変換層以外の構成要素は第１実施形態と同じである。

第１実施形態の波長変換素子３０では、基材４０の外周面４０ａは、基材４０の一方の端部４０ｂから他方の端部４０ｃに向かって、回転軸４４に近づくように形成されている部分を有する。これに対して、図４および図５に示すように、第２実施形態の基材４３の外周面４３ａは、基材４３の一方の端部４３ｂから他方の端部４３ｃに向かって、回転軸４４と平行な方向に一定である。

また、第１実施形態の波長変換素子３０では、波長変換層２０は一体成形されている。これに対して、図４および図５に示すように、第２実施形態の波長変換素子３２では、波長変換層２２は、基材４３の回転方向に沿って９０°ずつ４つに分割されている。この分割された波長変換層を、それぞれ波長変換層２３、２４、２５、２６とする。波長変換層２３、２４、２５、２６は、基材４３の回転方向に沿って並んでいる。

従来の波長変換素子においては、基材および波長変換層が回転軸と平行な方向に一定な外径を有するため、上記の波長変換素子の作製方法によれば、基材の外径を小さくする、または波長変換層の内径を大きくする必要がある。これにより、基材と波長変換層との間隙が大きくなり、固定部材の使用量が増加する。固定部材は熱伝導率が低いため、波長変換層を効率的に冷却することができなくなり、従来の波長変換素子では放熱性が低下する。
一方、本実施形態に係る波長変換素子３２においては、波長変換層２３、２４、２５、２６を、基材４３の回転方向に沿って並べればよいため、従来のように基材の外径や波長変換層の内径をあらかじめ調整する必要がない。これにより、基材４３と波長変換層２２との間隙を十分に小さくできるため、固定部材４２の使用量を低減でき、効率的に波長変換層２２を冷却することができる。

従来の波長変換素子において、基材が金属からなる場合には、基材の熱膨張率は無機材料からなる波長変換層と比べて高いために、波長変換層が割れることがある。本実施形態においては、波長変換層２３、２４、２５、２６のうち隣接するもの同士は、適度な隙間を有しているため、基材４３の熱膨張に合わせて、この隙間が大きくなることで、波長変換層２２が割れるのを抑制している。すなわち、波長変換層２２が上記の構成であることにより、基材４３と波長変換層２２との熱膨張率の差に起因する波長変換層２２の破損を抑制することができる。

なお、本実施形態における基材４３の外周面４３ａは、基材４３の一方の端部４３ｂから他方の端部４３ｃに向かって、回転軸４４に近づくように形成されている部分を有してもよい。

（第３変形例）
図６は、第３変形例の波長変換素子３４の断面図である。図６は、第２実施形態における図５に対応している。図６に示すように、上記隙間を、無機蛍光体を含む樹脂層４６で埋めてもよい。無機蛍光体としては第１実施形態と同じものを使用することができる。励起光および蛍光が樹脂層４６を透過するためには、樹脂層４６に含まれる樹脂は光透過性を有する必要がある。樹脂としては、例えばシリコーン樹脂等が用いられる。これにより、上記隙間に励起光が照射された場合においても、蛍光を発生させることができるため、明るさの低下を抑制することができる。

本実施形態においても、波長変換素子が放熱性および信頼性が高いといった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、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、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７は、第３実施形態の波長変換素子３６の断面図である。図７は、第１実施形態における図３に対応している。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、説明を省略する。

第３実施形態の波長変換素子３６は、基材４７と、流通部４５と、波長変換層２０と、を備える。すなわち、第３実施形態の波長変換素子３６においては、流通部４５および波長変換層２０の構成は第１実施形態と同じである。

第１実施形態の波長変換素子３０では、基材４０は、基材４０の回転軸４４と垂直な方向に１つの層のみから構成されている。これに対して、図７に示すように、第３実施形態の波長変換素子３６では、基材４７は、基材４７の回転軸４４と垂直な方向に積層された２つの層を有している。この２つの層のうち流通部４５側に設けられた層（図７における基材４０の内側の層）を第１基材４８とし、波長変換層２０側に設けられた層（図７における基材４０の外側の層）を第２基材４９とする。

本実施形態において、第１基材４８および第２基材４９はセラミックスから構成されている。第１基材４８と第２基材４９とは、各々の機能に応じて空孔の量や光散乱性が異なる。第１基材４８は、液体Ｌが浸透するのを抑制する目的で、第２基材４９と比べて空孔が少なくなっている。一方、第２基材４９は、基材４７側に向かう蛍光Ｙの大部分を、基材４７とは反対側に向けて反射させる目的で、第２基材４９の形成材料とは異なる屈折率を有する粒子や空孔を有する光散乱体である。このような構成によれば、基材４７に反射層を設ける必要がないため、基材４７は放熱性に優れる。

第１基材４８および第２基材４９は、焼結により一体となっている。この場合、固定部材４２を設ける必要がないため、波長変換素子３４は、効率的に波長変換層２０を冷却することができる。また、第２基材４９はセラミックスからなるため、耐熱性が高く、信頼性の高い波長変換素子３４が提供される。

本実施形態においても、波長変換素子が放熱性および信頼性が高いといった第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図８を用いて説明する。第４実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と異なり第２照明装置を必要としない。また、第４実施形態に係る照明装置の構成は、第１実施形態の第１照明装置と異なる。そのため、プロジェクター全体の説明は省略し、照明装置についてのみ説明する。
図８は、第４実施形態に係るプロジェクター２の光学系を示す概略図である。図８は、第１実施形態における図１に対応している。図８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、説明を省略する。

第１実施形態の第１照明装置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１０４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。これに対して、図８に示すように、第４実施形態の照明装置１０６は、位相差板１２と、ダイクロイックミラー８２と、反射ミラー８８と、波長変換装置１０８と、を備える。第１光源１０と、コリメート光学系７０、コリメート集光光学系９０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０および重畳レンズ１５０は第１実施形態と同じものを使用できる。

位相差板１２は、コリメート光学系７０に対して第１光源１０とは反対側に１つと、後述する第１ダイクロイックミラー８４と第２ダイクロイックミラー８６との間に設けられている。位相差板１２は、コリメート光学系７０で集光した青色光Ｅを、ｐ偏光およびｓ偏光を含む円偏光に変換する。

ダイクロイックミラー８２は、第１ダイクロイックミラー８４と、第２ダイクロイックミラー８６とを備える。第１ダイクロイックミラー８４および第２ダイクロイックミラー８６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、第１光源１０の光軸２００ａｘと照明光軸１０６ａｘ、１０６ｂｘ、１０６ｃｘとの各々に対して４５°の角度で交わるようにそれぞれ配置されている。
第１ダイクロイックミラー８４および第２ダイクロイックミラー８６は、ｓ偏光の青色光Ｅｓおよび赤色の蛍光Ｒを反射させ、ｐ偏光の青色光Ｅｐおよび緑色の蛍光Ｇを通過させる。

第２ダイクロイックミラー８６を通過したｐ偏光の青色光Ｅｐは、反射ミラー８８で反射される。

第１実施形態の波長変換素子３０では、基材４０の外周面４０ａの回転方向に沿って１つの波長変換層２０を備える。これに対して、図８に示すように、第４実施形態の照明装置１０６では、波長変換素子３８は、基材４０の外周面４０ａの回転方向に沿って２つの波長変換層２８Ｇ、２８Ｒと、１つの拡散反射層２９を備える。

波長変換層２８Ｇは、第１ダイクロイックミラー８４で反射されたｓ偏光の青色光Ｅｓにより励起され、蛍光Ｇを射出する。射出された蛍光Ｇは、第１ダイクロイックミラー８４を通過し、コリメート集光光学系９０に進む。
波長変換層２８Ｒは、第２ダイクロイックミラー８６で反射されたｓ偏光の青色光Ｅｓにより励起され、蛍光Ｒを射出する。射出された蛍光Ｒは、第２ダイクロイックミラー８６で反射され、位相差板１２を通過して円偏光となった後、第１ダイクロイックミラー８４で反射され、コリメート集光光学系９０に進む。

拡散反射層２９は、反射ミラー８８で反射されたｐ偏光の青色光Ｅｐを偏光方向を変えずに、拡散反射する。拡散反射されたｐ偏光の青色光Ｅｐは反射ミラー８８で反射され、位相差板１２を通過して円偏光となった後、第１ダイクロイックミラー８４で反射され、コリメート集光光学系９０に進む。

蛍光Ｇ、蛍光Ｒおよび青色光Ｅは、合成されて白色光Ｗとなる。白色光Ｗが、第１レンズアレイ１２０に入射する以降の構成は、第１実施形態と同様である。

（第４変形例）
本発明の第４実施形態に係る波長変換素子において、波長変換層は必ずしも２つ設けられていなくてもよい。例えば、波長変換層２８Ｇ、２８Ｒの代わりに、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光Ｙを射出する波長変換層を１つだけ有してもよい。蛍光Ｙは、コリメート集光光学系９０を通過した後、ダイクロイックミラーに入射する。第３変形例においては、ダイクロイックミラーはｓ偏光の青色光Ｅｓを反射させ、ｐ偏光の青色光Ｅｐおよび蛍光Ｙを通過させる。ダイクロイックミラーを通過した蛍光Ｙおよび青色光Ｅは、合成されて白色光Ｗとなる。
上記の構成によれば、波長変換層は１つでよく、波長変換層で発生する熱を少なくすることができる。

以上のような構成のプロジェクター２によれば、第１実施形態と同様に、波長変換層２８Ｇ、２８Ｒで発生する熱を効率的に冷却することができる。また、拡散反射層２９で発生する熱も効率的に冷却することができるため、プロジェクター全体の放熱性が高い。さらに、本実施形態では、照明装置が１つあればよいためプロジェクターの小型化が可能である。

本実施形態においても、波長変換素子が放熱性および信頼性が高いといった第１実施形態と同様の効果が得られる。

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。

例えば、第１実施形態では、波長変換素子を形成する方法として、基材と、基材とは別体に作製された波長変換層を用意して、波長変換層の内側に挿入する例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、波長変換素子を形成する他の方法として、無機蛍光体と無機材料からなるバインダーとの混合物を、反射膜４１を備えた基材４０の外周面４０ａに塗布する方法が挙げられる。この塗布方法としては、例えばスクリーン印刷、吹付塗装、浸漬塗りなどが挙げられる。このとき基材と波長変換層とは焼結により一体としてもよく、例えば既に焼結された基材に無機蛍光体のスラリー液を塗布後に再度焼結してもよい。

例えば、第２実施形態では、波長変換層は、基材の回転方向に９０°ずつ４つに分割されている例を挙げたが、角度や分割数は上記に限定されず、また均等に分割されていなくてもよい。すなわち、波長変換層が複数に分割され、これらが基材の回転方向に沿って並んでいればよい。

例えば、第３実施形態では、基材は、基材の回転軸と垂直な方向に積層された２つの層を有している例を挙げたが、基材は回転軸と垂直な方向に複数の層を有していればよい。

さらに、例えば上記実施形態では、反射型の波長変換素子を備えた照明装置の例を挙げたが、透過型の波長変換素子を備えた照明装置であってもよい。この場合、波長変換素子の基材および固定部材はともに光透過性を有する必要がある。

その他、波長変換装置、照明装置、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、本発明による照明装置を、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、これに限られない。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、本発明による照明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。本発明による照明装置は、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。

上記実施形態では、波長変換層として無機蛍光体を用いたが、これに限られない。波長変換層として、例えば量子ロッドを用いてもよい。

１、２…プロジェクター、１０…第１光源（光源）、１２…位相差板、２０、２２、２３、２４、２５、２６、２８Ｇ、２８Ｒ…波長変換層、３０、３２、３４、３６、３８…波長変換素子、４０、４３、４７…基材、４０ａ…外周面、４０ｂ…一方の端部、４０ｃ…他方の端部、４４…回転軸、４５…流通部、５０…冷却装置、６０…送液装置、１００…第１照明装置（照明装置）、１０２…第２照明装置、１０６…照明装置、１０４、１０８…波長変換装置、４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂ…液晶光変調装置（光変調装置）、６００…投射光学系、Ｌ…液体。

Claims (7)

1. 回転軸を中心として回転可能に構成された基材と、
   前記基材の回転方向に沿って、前記基材の外周面に設けられた無機材料からなる波長変換層と、を備え、
   前記基材は、筒状の形状を有するとともに前記基材の内部に液体が流通する流通部を有し、
   前記外周面と前記波長変換層のうち、少なくとも前記外周面は、前記回転軸方向に沿う一方の端部から他方の端部に向かって前記回転軸に近づくように形成されている部分を有することを特徴とする波長変換素子。
2. 回転軸を中心として回転可能に構成された基材と、
   前記基材の回転方向に沿って、前記基材の外周面に設けられた無機材料からなる波長変換層と、を備え、
   前記基材は、前記基材の内部に液体が流通する流通部を有し、
   前記基材の回転方向に沿って複数に分割された前記波長変換層が、隙間を介して前記基材の回転方向に沿って並んでおり、
   前記隙間に設けられ、蛍光体を含む樹脂層を備えることを特徴とする波長変換素子。
3. 前記基材と前記波長変換層とが焼結により一体となってい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. 前記基材は、前記基材の回転軸と垂直な方向に積層された複数の層を有し、
   前記複数の層は、焼結により一体となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長変換素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長変換素子と、
   前記液体を冷却する冷却装置と、前記液体を前記流通部へ送液する送液装置と、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、
   前記波長変換素子へ入射する光を射出する光源と、を備えたことを特徴とする照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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