JP6957463B2 - 波長変換素子、光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、励起光を波長変換して蛍光光を発する波長変換素子およびこれを用いた光源装置に関し、特に画像投射装置に好適なものに関する。

上記のような光源装置では、レーザ光等の励起光を高密度に集光して波長変換素子の蛍光体層に照射することで、効率良く蛍光光を発光させる。蛍光体層は、バインダと該バインダ内に分散した蛍光体粒子とにより構成される。

ただし、励起光を高密度に集光して照射することで蛍光体層が高温になりやすく、蛍光体層の劣化や蛍光体層内の蛍光体の発光効率の低下が懸念される。

特許文献１には、無機材料からなるバインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体層を形成し、金属基板に蛍光体粒子が接触するようにして放熱を促進させる方法が開示されている。

特許文献１にて開示された方法では、蛍光体層のうち基板近傍の蛍光体の放熱促進効果は期待できるものの、励起光が照射される入射面付近の蛍光体粒子の放熱促進効果については不明である。また、照射される励起光の強度は入射面側の方が高いため、蛍光体層における入射面側部分と基板側部分との間で局所的に大きな温度差（温度勾配）が生じ、この結果生じた応力による割れ等が発生するおそれがある。

特開２０１５−９４７７７号公報

課題は、励起光の照射による蛍光体層（蛍光体部）の温度勾配の発生を抑制することができないことである。

本発明の一側面としての波長変換素子は、バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、蛍光体部は厚み方向において該蛍光体粒子の体積密度が互いに異なる部分が複数形成され、互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、第２の面側から励起光が照射される波長変換素子である。該波長変換素子は、蛍光体部における該複数の部分のうち、第１の面を含む第１の部分での蛍光体粒子の体積密度が、第２の面を含む第２の部分での蛍光体粒子の体積密度よりも高く、蛍光体部の厚みが、蛍光体粒子の平均粒径の５倍以上であり、第１の部分での体積密度をρ１とし、第２の部分での体積密度をρ０とするとき、
１．１≦ρ１／ρ０≦２．０
なる条件を満足することを特徴とする。

また、励起光を発する光源と上記波長変換素子とを有する光源装置も、本発明の他の一側面を構成する。

また、上記光源装置と、該光源装置からの光を光変調素子により変調することで画像を投射する光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

さらに、本発明の他の一側面としての製造方法は、バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、蛍光体部は厚み方向において該蛍光体粒子の体積密度が互いに異なる部分が複数形成され、互いに反対側の第１の面と第２の面とを有し、第２の面側から励起光が照射される波長変換素子の製造方法である。該製造方法は、バインダ内に第１の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、バインダ内に第１の体積密度より高い第２の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意し、第２の材料が蛍光体部における該複数の部分のうち第１の面を含む第１の部分に位置し、第１の材料が蛍光体部における該複数の部分のうち第２の面を含む第２の部分に位置し、蛍光体部の厚みが、蛍光体粒子の平均粒径の５倍以上となるように第１の材料と第２の材料とを積層し、第１の体積密度をρ０とし、第２の体積密度をρ１とするとき、
１．１≦ρ１／ρ０≦２．０
なる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体部内の蛍光体粒子の密度を制御することで、励起光の照射による温度勾配の発生を抑え、温度勾配に伴う応力の発生を回避できるようにした波長変換素子を実現することができる。そして、このような波長変換素子を用いることで、安定的に蛍光光を発生可能な光源装置や安定的に良好な投射画像を表示可能な画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である光源装置の構成を示す図。 比較例である光源装置の構成を示す図。 実施例１の光源装置において蛍光体層内を進行する励起光と蛍光体層内の温度分布を示す図。 比較例において蛍光体層内を進行する励起光と蛍光体層内の温度分布を示す図。 実施例１と比較例の蛍光体層内の温度分布を比較した図。 実施例１の変形例を示す図。 本発明の実施例２である画像投射装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光源装置１００の構成を示す。光源装置１００は、光源としての発光素子（レーザダイオード）１と、波長変換素子２０と、光源光学系２とを有する。発光素子１は、青色レーザ（波長４５０ｎｍ付近）を励起光６として発する。波長変換素子２０は、基板３と、基板３上に形成されて該基板３により支持された蛍光体層（蛍光体部）１０とを有する。光源光学系２は、発光素子１から発せられた励起光６を波長変換素子２０（蛍光体層１０）に導く。

蛍光体層１０は、バインダ４と、該バインダ４内に分散した複数の蛍光体粒子５とにより構成されている。蛍光体粒子５は、励起光６を吸収して波長変換し、該励起光６よりも長波長（５００ｎｍ〜６５０ｎｍ）の光を蛍光光７として放出する。また、蛍光体層１０は、励起光の一部を波長変換せずに拡散（反射または透過）させる。光源装置１００は、蛍光体層１０から放出された蛍光光７と励起光のうち非変換光である拡散成分（図示せず）との合成光（白色光）を出射する。

発光素子１から発せられた励起光６は、光源光学系２により高密度に集光され、蛍光体層１０における基板３に接する基板接触面（第１の面）とは層厚み方向にて反対側の入射面（第２の面）上の一定面積の領域に照射される。入射面から蛍光体層１０内に入射した励起光６は、蛍光体層１０内で拡散しながら進行し、蛍光体粒子５により吸収されるとそのエネルギの一部が蛍光光７となって蛍光体粒子５から放出され、他のエネルギは熱として放出される。

基板３は、金属（アルミ等）もしくはサファイアやスピネルに蛍光波長に対する増反射コートを施したもの等の反射率および熱伝導性が高い材料により形成されている。基板３は、蛍光体層１０を通過して基板３に到達した励起光６や蛍光体粒子５から放出された蛍光光７を入射面側に反射する作用を有する。また、基板３は、その裏面側（蛍光体層１０とは反対側）において冷却され、蛍光体層１０からの放熱を促進する。

蛍光体層１０を層厚み方向に２等分したときの基板接触面側の半分の部分（第１の部分）を基板側部分１０ｂといい、入射面側の半分の部分（第２の部分）を入射面側部分１０ａという。このとき、蛍光体層１０は、図１中の枠内に拡大して示すように、基板側部分１０ｂにおける蛍光体粒子５の体積密度が入射面側部分１０ａの該体積密度よりも高くなるように形成されている。ここにいう蛍光体粒子５の体積密度（ｖｏｌ％：以下、蛍光体体積密度という）は、蛍光体層１０（バインダ４および蛍光体粒子５）の単位体積において蛍光体粒子５が占める体積の割合である。例えば図１には、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が３８％であるのに対して、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度が５８％である例を示している。このように蛍光体層１０内の蛍光体体積密度を制御（設定）することで、蛍光体層１０の内の温度勾配を緩和して、つまりは温度分布を均一に近づけて、応力による割れ等を抑制することができる。

図２には、比較例として、蛍光体層１０′内における蛍光体体積密度が層厚み方向にて均一である波長変換素子２０′を示す。また図３および図４のそれぞれの下側には、図１および図２のそれぞれの蛍光体層１０，１０′で発生する熱分布を模式的に示している。これらの図において、濃い部分は発熱が大きく（温度が高く）、薄い部分は発熱が小さい（温度が低い）ことを表す。蛍光体層で発生する熱の大部分は、蛍光体粒子が励起光を吸収して、その一部を蛍光ではなく熱として放出することにより発生する。このため、単位体積当たりの発熱の大きさは入射する励起光の強度および蛍光体体積密度に依存する。さらに、励起光の強度の層厚み方向（入射面からの深さ方向）での強度分布も、蛍光体体積密度に依存する。

図３および図４のそれぞれの上側には、蛍光体層１０，１０′に入射した励起光６が蛍光体層１０，１０′内を進行する様子を示している。図中の矢印が進行する励起光を示し、矢印の太さがその強度を示している。励起光は、各蛍光体層内を進むにしたがってその内部の蛍光体粒子や空孔等の拡散要因によって拡散を受けながら進行し、一部が蛍光体粒子により吸収されて蛍光光に変換される。すなわち、励起光は、内部拡散による影響と蛍光体粒子による吸収の２つの影響を受けて、その強度が深さ方向に減衰しながら進行していく。

蛍光体体積密度が深さ方向に均一な図２に示した比較例の蛍光体層１０′では、まず入射面の近傍で励起光の高い強度に応じて強い発熱が起こる。そして、励起光が深さ方向に進行するに従ってその強度が減衰していく。このため、図４に示すように、蛍光体層１０′内には、基板３側に比べて入射面側の発熱が非常に大きい熱分布が発生する。この結果、図５に蛍光体層１０′内での深さと温度との関係を示すように、蛍光体層１０′内での深さ方向での温度勾配が大きくなる。

これに対して、本実施例の蛍光体層１０では、図３に示すように入射する励起光６の強度は比較例の蛍光体層１０′と同じであるが、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が基板側部分１０ｂよりも低いため、入射面側部分１０ａでの発熱量が抑制される。しかも、励起光は、蛍光体層１０内にて強度が図４に比べて緩やかに減衰しながら蛍光体体積密度が高い基板側部分に到達し、そこで多くの蛍光体粒子に吸収される。この結果、図５にも示すように、蛍光体層１０のうち入射面側部分と基板側部分との温度差（深さ方向での温度勾配）が比較例の蛍光体層１０′に比べて小さくなり、蛍光体層１０内での温度分布が比較例の蛍光体層１０′よりも均一に近くなる。

さらに、基板３には金属基板を用いており、該基板３の裏面側を冷却することにより、蛍光体層１０の冷却効果をより高めることができる。このとき、蛍光体層１０内において基板３に近いほうが高い冷却効果が得られることから、蛍光体粒子の体積密度および励起光の強度がともに高い本実施例の蛍光体層１０の方が比較例に比べて、より高い放熱効果が期待できる。

以上のように波長変換素子２０を構成することにより、蛍光体層１０内での温度勾配の発生を抑制し、かつ高い放熱効果を得ることができる。特に、蛍光体層１０に照射される励起光の密度が非常に高い場合に本実施例の波長変換素子２０を用いることが有効である。具体的には、蛍光体層１０の入射面上での励起光の最大強度が１０Ｗ／ｍｍ^２以上である場合に本実施例の波長変換素子２０によって得られる効果が大きい。更に望ましくは、励起光の最大強度が１５Ｗ／ｍｍ^２以上（更に望ましくは２５Ｗ／ｍｍ^２以上）である場合には、得られる効果がより大きくなる。

蛍光体体積密度は、蛍光体層１０を基板３に塗布するプロセスや焼成等の処理によって変化するが、使用する蛍光体粒子とバインダの重量比や混合比等から求められる。これ以外の実際的な評価方法としては、入射面と平行な面における表面ＳＥＭまたは深さ方向の断面ＳＥＭを取得し、蛍光体粒子の領域とバインダまたはその他の領域との面積比からおおよそ求めることもできる。この評価方法を用いる場合の評価領域の目安としては、蛍光体粒子の平均粒径σに対して十分に広ければよい。なお、「粒径」とは、同一体積で球に換算したときの直径である。「平均粒径」は、全粒子の粒径の平均値であるが、一部の粒子の粒径から統計的に全粒子の粒径の平均値を求めてもよい。蛍光体粒子の平均粒径σに対して十分に広い評価領域とは、例えば、一辺がσの２倍から１００倍程度の領域や、面積が５０σ^２以上の領域である。さらに、複数の評価領域での平均値を用いて評価することが望ましい。

図１では、簡単のために、蛍光体層１０を入射面側部分１０ａと基板側部分１０ｂの２等分して説明したが、蛍光体層１０は蛍光体体積密度が深さ方向に徐々に変化することがより望ましい。例えば、図６（ａ）に示す例では、入射面側部分１０ａ、中間部分１０ｃおよび基板側部分１０ｂにかけて蛍光体体積密度が３５％、４５％および６５％と深さ方向に徐々に変化（増加）している。ただし、蛍光体粒子５の密度分布は厳密には蛍光体粒子の粒径や粒度分布に依存して変動するため、蛍光体粒子の平均粒径σ程度の範囲での密度のばらつきは無視してもよい。言い換えれば、図１に示すように蛍光体層１０を深さ方向に２等分したときに、入射面側部分１０ａよりも基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度が高くなっていればよい。

より具体的には、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度が入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度より１０％以上高いことが望ましく、さらには１５％以上高いことがより望ましい。なお、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度が入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度の２倍を超えると、この密度差によって蛍光体層としての安定性が低下し、割れや基板３からの剥れが発生するおそれがあるため、望ましくない。

また、蛍光体体積密度が１５％を下回ると、蛍光体層として十分な輝度を得るために蛍光体層全体の厚みを増やす必要が生じる。厚みが大きくなると、蛍光体層１０からの光が（後述するプロジェクタの光学系に対して）形成する光源像のサイズが増大して、該光学系の光取り込み効率上、不利になるため望ましくない。一方、蛍光体体積密度が７０％を超えると、バインダに対する蛍光体粒子の比率が高くなりすぎ、蛍光体層（膜）としての安定性が低下して割れや剥れが発生するため、望ましくない。

以上のことから、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度（第２の体積密度）をρ０とし、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度（第１の体積密度）をρ１とするとき、
１．１≦ρ１／ρ０≦３．５
なる条件を満足することが望ましい。また、この条件とともに又はこの条件とは別に、
２５％≦ρ１≦７０％
１５％≦ρ０≦５０％
なる条件を満足することが望ましい。なお、上記条件式は、
１．３（更に好ましくは１．５）≦ρ１／ρ０≦３．０（更に好ましくは２．０）
４５％≦ρ１≦７０％
１５％≦ρ０≦４０％
のうち１つ以上を満足するとより良い。

蛍光体粒子としては、ＣｅがドープされたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体を用いることができる。それ以外にも、ＬｕＡＧタイプやサイアロン蛍光体など、無機材料で紫外〜青色波長を吸収して可視域の緑〜赤色領域を発光する蛍光体材料であれば適宜選択して用いることができる。

本実施例における波長変換素子２０（蛍光体層１０）の製造方法としては、様々な方法を用いることができる。例えば、シリカやアルミナ、チタニア系ゾルゲル材料からなる無機バインダ内に蛍光体粒子を分散させて塗布、乾燥する方法がある。他には、ガラスセラミクスと蛍光体粒子を混合して焼成（焼結）することで、ガラスやセラミクス内に蛍光体粒子を分散させる方法もある。この際は高い焼成温度を用いると蛍光体粒子の特性が劣化することがあるため、バインダとして低融点ガラス等の材料を用いることが望ましい。

深さ方向において蛍光体体積密度が異なる蛍光体層１０を得るためには、例えば以下の製造方法を用いることができる。第１の方法として、予め異なる蛍光体体積密度で硬化前のバインダ内に蛍光体粒子を分散させた２以上の材料を用意し、それらの材料を基板３（または不図示のベース面）側から蛍光体体積密度が高い順に塗布して積層する方法がある。すなわち、バインダ内に第１の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、バインダ内に第１の体積密度より高い第２の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意する。そして、第２の材料が基板側に位置するようにこれら第１の材料と第２の材料とを積層すればよい。図６（ａ）に示したように第１および第２の体積密度の中間の第３の体積密度を有する中間部分１０ｃがある場合は、バインダ内に第３の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第３の材料も用意して、第１から第３の材料を積層すればよい。

これにより、容易に入射面側部分１０ａよりも蛍光体体積密度が高い基板側部分１０ｂを有した蛍光体層１０を製造することができる。この際、図６（ｂ）に示すように、蛍光体体積密度が高い材料に分散させる蛍光体粒子５として粒子径が互いに異なるものを混合してもよい。また、図６（ｃ）に示すように、各材料に蛍光体粒子５とは異なる他の粒子８を混合し、蛍光体粒子５と他の粒子８との密度比率をそれらの材料で異ならせてもよい。

第２の方法として、蛍光体粒子を硬化前のバインダやガラス内で沈降させることで、深さ方向に蛍光体体積密度に差を設ける方法で蛍光体層１０を製造してもよい。一般に、比重が異なる材質の混合物は重力方向に密度の偏りが生じる。このため、塗布条件や焼成および冷却条件を制御して蛍光体粒子５の密度の偏りを生じさせた後、蛍光体体積密度が高い側を基板側として配置することでも本実施例の蛍光体層１０を製造することができる。ただし、励起光の密度が非常に高強度となる場合には、有機材料のバインダを用いるとこれが熱により劣化して波長変換素子２０の安定性や寿命が低下するおそれがある。このため、蛍光体層１０は無機材料のみにより構成されることが望ましい。具体的には、バインダは、シリカまたは金属の酸化物や窒化物、もしくはそれらの混合体により形成されることが望ましい。

蛍光体粒子５の平均粒径σは、１〜１０μｍ程度の範囲のものであることが望ましい。蛍光体粒子の平均粒径σを小さくすると、一般には蛍光体層の表面状態の影響を受けて発光効率が低下することが知られている。平均粒径σが１μｍ以下の蛍光体粒子を用いる場合には、効率低下に対する表面修飾等の改良処理を施した上で使用することが望ましい。平均粒径σが１０μｍを超えると、膜厚制御性や微小領域における面内の密度のばらつきが懸念されるので、望ましくない。

また、蛍光体層１０の層厚みは、０．０２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが望ましい。０．０２ｍｍを下回ると高密度の励起光を効率良く蛍光光に変換することが難しい。また、０．５ｍｍを上回るとプロジェクタの光学系による光取り込み効率が低下し、また蛍光体層１０の割れが発生しやすくなる等の懸念がある。また、蛍光体層１０は、層厚み方向（深さ方向）に体積密度勾配を付与する点から、平均粒径σの５倍以上の層厚みを有することが望ましい。

さらに、図６（ｃ）に示したように、バインダ４内には蛍光体粒子５とは異なる他の粒子８として無機粒子を混合してもよい。これにより、蛍光体体積密度が異なる蛍光体層１０において蛍光体粒子５とバインダ４またはガラスの線膨張差による応力の偏りを緩和したり、熱伝導性を改善したり、励起光の拡散強度を制御したりする等の効果が期待できる。このような目的に用いられる無機粒子としては、励起光の波長における吸収が限りなく少なく、かつ励起光の波長における屈折率がバインダまたはガラスの材料に対して異なるものを用いることが望ましい。この屈折率差が小さすぎると、無機粒子の界面反射率が低下して励起光の拡散効果が低下する。具体的には、励起光または蛍光の波長において、屈折率差が少なくとも０．０５以上（更に望ましくは０．１０以上）の無機粒子を選択することが望ましい。

線膨張を緩和する目的で無機粒子を使用する場合には、無機粒子の材料は、例えば蛍光体粒子またはバインダの材料よりも小さな線膨張係数を有することが望ましい。さらには負の線膨張係数を有する材料を用いれば、蛍光体層に発生する応力の偏りをさらに抑制することができる。このように、様々な目的に応じて適切な材料を選択すればよい。

以上、本実施例の波長変換素子２０について説明したが、他の構成を有する波長変換素子を用いてもよい。例えば、図１では金属基板３上に蛍光体層１０を形成した反射型の波長変換素子２０を示したが、基板３は金属以外の透光性を有するものであってもよく、この場合は透過型の波長変換素子としても使用可能である。例えば、放熱性が高く線膨張係数が近い誘電体材質（サファイアやスピネル）であってもよい。

また、蛍光体層１０単体で支持可能であれば基板３がない構成であってもよい。この場合であっても、本実施例と同様に蛍光体層１０内で蛍光体体積密度を異ならせることで、温度勾配を緩和する効果が得られる。

また、蛍光体層１０の入射面や基板接触面には、コーティングや凹凸構造を設けてもよい。増反射膜やダイクロイックミラー等を設けることで、光利用効率の向上や利用波長の狭帯域化等が期待できる。ただし、微細な凹凸構造では蛍光体層の表面の温度変化（線膨張変化）によって形状（周期、屈折率および占有率）が変化し、凹凸構造による効果に影響が出る場合がある。本実施例で説明した構成を採用することで、蛍光体層の応力を緩和し、割れ等の抑制に加えて表面の凹凸構造の変化を抑制することができ、蛍光体層の発光特性をより安定化することができる。

基板３の冷却手段については、波長変換素子２０を一般的な回転ホイール体として構成したり、ピエゾ素子による微小駆動を行ったり、ペルチェ素子による局所冷却機構を用いたりすればよい。

本実施例によれば、蛍光体層１０内の蛍光体粒子の密度を制御することで、励起光の照射による温度勾配の発生を抑え、温度勾配に伴う応力の発生を回避できる波長変換素子２０を実現することができる。

本実施例における蛍光体層１０の厚みＴｈ（ｍｍ）と、この円環形状に構成された蛍光体層の半径方向の幅をＷｄ（ｍｍ）、円環形状の内径（半径）と外形（半径）をＲｉ（ｍｍ）、Ｒｏ（ｍｍ）とする。次に、蛍光体層の面積（円環形状になっている面の面積、或いは光入射側から見たときの面積）をＡｐｈ（平方ミリメートル）、またこの蛍光体層が形成された基板３の面積（光入射側から見たときの面積）をＡｓｕ（平方ミリメートル）とする。また、蛍光体層１０に入射する光のエネルギーをＬｉ（ワット）とする。

このとき、蛍光体層の厚みＴｈ（ｍｍ）は、３０μｍ以上２００μｍ以下（より好ましくは３５μｍ以上１２０μｍ以下、更に望ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下）であることが望ましい。また、蛍光体層は円環形状をしており、該円環形状の幅Ｗｄと、蛍光体層の厚みＴｈとが、
２０＜Ｗｄ／Ｔｈ＜１０００
（より好ましくは、５０＜Ｗｄ／Ｔｈ＜３００、更に望ましくは１２０以上）
を満足することが望ましい。このように構成することにより、蛍光体層から基板に向かって効率よく熱を逃がすことができる。

ここで、蛍光体層の円環形状の幅Ｗｄは、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下（より好ましくは５ｍｍ以上１２ｍｍ以下、更に望ましくは８ｍｍ以下）であることが望ましい。

また、蛍光体層の円環形状の外径をＲｏ、内径をＲｉとするとき、
１．０５＜Ｒｏ／Ｒｉ＜２．００
（より好ましくは、１．１０＜Ｒｏ／Ｒｉ＜１．７０、さらに望ましくは１．４０未満）
を満足することが望ましい。上限値を満足すると、内径の内側の領域の基板を一定以上確保でき、基板内部で熱が外側と内側の両方に逃げられるため、放熱の観点から有利となる。下限値を満足すると、熱を逃がすために、蛍光体層が径方向に大型化するのを防ぐことができる。蛍光体層の内径は４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下（より好ましくは、４０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、更に好ましくは７０ｍｍ以下）であることが望ましい。また、蛍光体層の外径は、５０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下（より好ましくは５０ｍｍ以上１０５ｍｍ以下、更に望ましくは８５ｍｍ以下）であることが望ましい。

次に、蛍光体層に入射する光強度をＬｉ（ワット）、蛍光体層の面積をＡｐｈ（平方ミリメートル）とするとき、
５＜Ａｐｈ／Ｌｉ＜１２０（ｍｍ^２／Ｗ）
（より好ましくは５＜Ａｐｈ／Ｌｉ＜６０、更に望ましくは６＜Ａｐｈ／Ｌｉ＜４０）
を満足することが望ましい。尚、ここで、蛍光体層に入射する光強度Ｌｉは、５０Ｗ以上５００Ｗ以下、より好ましくは、１００Ｗ以上５００Ｗ以下、更に望ましくは２５０Ｗ以上）であることが望ましい。また、蛍光体層の面積Ａｐｈ（平方ミリメートル）は、１０００以上１００００以下（より好ましくは、１５００以上６５００以下、更に望ましくは３７００以下）であることが望ましい。

また、蛍光体層に入射する光強度Ｌｉ（ワット）と、蛍光体層が形成された基板の面積Ａｓｕ（平方ミリメートル）とが
１０＜Ａｓｕ／Ｌｉ＜５００（ｍｍ２／Ｗ）
（より好ましくは２０＜Ａｓｕ／Ｌｉ＜２６０、更に望ましくは３０＜Ａｓｕ／Ｌｉ＜１００）
を満足することが望ましい。更に、基板の面積Ａｓｕ（平方ミリメートル）は、５０００以上１０００００以下（より好ましくは、６０００以上４１０００以下、更に望ましくは、１００００以下）であることが望ましい。

また、蛍光体層の面積Ａｐｈと蛍光体層の厚みＴｈ、及び基板の面積Ａｓｕｓが、
３０００（ｍｍ）＜Ａｐｈ／Ｔｈ＜１００００００（ｍｍ）
（より好ましくは８０００＜Ａｐｈ／Ｔｈ＜２０００００、更に望ましくは、１００００＜Ａｐｈ／Ｔｈ＜５８０００）
１．５０＜Ａｓｕｓ／Ａｐｈ＜８．００
（より好ましくは１．８０＜Ａｓｕｓ／Ａｐｈ＜７．００、更に望ましくは、２．００＜Ａｓｕｓ／Ａｐｈ＜４．００）
を満足することが望ましい。

上記各パラメータの値については、表１に詳細に示している。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施例であるプロジェクタ（画像投射装置）２００について説明する。プロジェクタ２００は、実施例１で説明した光源装置１００を備えている。光源装置１００から発せられた白色光１０２（点線で示す赤色光１０２ｒ、緑色光１０２ｇおよび青色光１０２ｂ）は以下に説明するプロジェクタ用光学系に入射する。まず、赤色、緑色および青色光１０２ｒ，１０２ｇ，青色光１０２ｂは偏光変換素子１０３に入射し、ここで一様な偏光方向を有する直線偏光としての赤色、緑色および青色照明光（点線で示す）１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂに変換される。

これら照明光１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂはダイクロイックミラー１０５により赤色照明光１０４ｒおよび青色照明光１０４ｂと緑色照明光１０４ｇとに分離される。緑色照明光１０４ｇは、偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１０８および位相補償板１１２を透過して光変調素子１１１ｇに到達する。赤色および青色照明光１０４ｒ，１０４ｂは、偏光板１０６を透過して色選択性位相板１０７に入射する。色選択性位相板１０７は、赤色照明光１０４ｒの偏光方向をそのまま維持しつつ青色照明光１０４ｂの偏光方向を９０°回転させる。色選択性位相板１０７から出射した赤色照明光１０４ｒは、ＰＢＳ１０９および位相補償板１１２ｒを透過して光変調素子１１１ｒに到達する。色選択性位相板１０７から出射した青色照明光１０４ｂは、ＰＢＳ１０９で反射して位相補償板１１２ｂを透過して光変調素子１１１ｂに到達する。各光変調素子は、反射型液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスにより構成される。光変調素子として、透過型液晶パネルを用いることも可能である。

光変調素子１１１ｇ，１１１ｒ，１１１ｂは入射した緑色、赤色および青色照明光１０４ｇ，１０４ｒ，１０４ｂを画像変調して緑色、赤色および青色画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒに変換する。これら画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒは、ＰＢＳ１０８，１０９および合成プリズム１１８を介して合成され、投射レンズ１２０によりスクリーン等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。

このように実施例１で説明した光源装置１００を用いることにより、安定的に明るい投射画像を表示可能なプロジェクタ２００を実現することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

Claims (20)

1. バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、
   前記蛍光体部は厚み方向において前記蛍光体粒子の体積密度が互いに異なる部分が複数形成され、互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、前記第２の面側から励起光が照射される波長変換素子であって、
   前記蛍光体部における前記複数の部分のうち、前記第１の面を含む第１の部分での前記蛍光体粒子の体積密度が、前記第２の面を含む第２の部分での前記蛍光体粒子の体積密度よりも高く、
   前記蛍光体部の厚みが、前記蛍光体粒子の平均粒径の５倍以上であり、
   前記第１の部分での前記体積密度をρ１とし、前記第２の部分での前記体積密度をρ０とするとき、
   １．１≦ρ１／ρ０≦２．０
   なる条件を満足することを特徴とする波長変換素子。
2. 前記蛍光体部を支持する基板を有し、
   前記第１の面は、前記基板に接し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. 前記基板は、金属により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. ２５％≦ρ１≦７０％
   １５％≦ρ０≦５０％
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記バインダ内に前記蛍光体粒子とは異なる無機粒子が分散しており、
   前記無機粒子と前記バインダとの屈折率差が０．０５以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 励起光を発する光源と、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子とを有することを特徴とする光源装置。
7. 前記蛍光体部の前記第２の面上での前記励起光の強度が、１０Ｗ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項６または７に記載の光源装置と、
   該光源装置からの光を光変調素子により変調することで画像を投射する光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
9. バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、前記蛍光体部は厚み方向において前記蛍光体粒子の体積密度が互いに異なる部分が複数形成され、互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、前記第２の面側から励起光が照射される波長変換素子の製造方法であって、
   前記バインダ内に第１の体積密度で前記蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、前記バインダ内に前記第１の体積密度より高い第２の体積密度で前記蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意し、前記第２の材料が前記蛍光体部における前記複数の部分のうち前記第１の面を含む第１の部分に位置し、前記第１の材料が前記蛍光体部における前記複数の部分のうち前記第２の面を含む第２の部分に位置し、前記蛍光体部の厚みが、前記蛍光体粒子の平均粒径の５倍以上となるように前記第１の材料と前記第２の材料とを積層し、前記第１の体積密度をρ０とし、前記第２の体積密度をρ１とするとき、
   １．１≦ρ１／ρ０≦２．０
   なる条件を満足することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
10. 前記蛍光体部の厚みＴｈが３０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
11. 前記蛍光体部の厚みをＴｈとし、円環形状に形成された前記蛍光体部の幅をＷｄとするとき、
    ２０＜Ｗｄ／Ｔｈ＜１０００
    を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
12. 円環形状に形成された前記蛍光体部の幅Ｗｄが５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
13. 円環形状に形成された前記蛍光体部の外径をＲｏとし、内径をＲｉとするとき、
    １．０５＜Ｒｏ／Ｒｉ＜２．００
    を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
14. 円環形状に形成された前記蛍光体部の外径Ｒｏが５０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
15. 円環形状に形成された前記蛍光体部の内径Ｒｉが４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
16. 前記蛍光体部の面積Ａｐｈが１０００ｍｍ^２以上１００００ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
17. 前記蛍光体部の面積をＡｐｈし、前記蛍光体部の厚みをＴｈとするとき、
    ３０００（ｍｍ）＜Ａｐｈ／Ｔｈ＜１００００００（ｍｍ）
    を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
18. 前記蛍光体部の面積をＡｐｈとし、前記基板の面積をＡｓｕｓとするとき、
    １．５０＜Ａｓｕｓ／Ａｐｈ＜８．００
    を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
19. 前記蛍光体部に入射する光強度をＬｉとし、前記蛍光体部の面積をＡｐｈとするとき、
    ５＜Ａｐｈ／Ｌｉ＜１２０（ｍｍ^２／Ｗ）
    を満足することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
20. 前記蛍光体部に入射する光強度Ｌｉは５０Ｗ以上５００Ｗ以下であることを特徴とする請求項６に記載の光源装置。

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