JP6977285B2 - 波長変換素子、光源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、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターにおいては、投写画像の高輝度化を実現するために、強度が大きい射出光を得られる光源装置が求められている。そこで、近年、励起光源と波長変換素子とを備えた光源装置が提案されている。この光源装置では、半導体レーザー、発光ダイオード等の励起光源から射出された励起光を波長変換素子に照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光を照明光の一部として利用する。

例えば下記の特許文献１に、レーザーと、青色光の照射によって緑色光もしくは赤色光を発生する蛍光基板と、蛍光基板からの光が入射する四角錐体状のプリズムアレイと、を備えた光源装置が開示されている。この文献には、蛍光基板とプリズムアレイとの間で蛍光が多重反射することによって、蛍光の配光指向性が高められる、と記載されている。

また、下記の特許文献２に、青色光を射出する励起光源と、青色光の照射によって緑色光を発生する蛍光ホイールと、を備えた光源装置が開示されている。この文献には、蛍光体層に対する蛍光体の含有重量濃度および膜厚を最適化することにより、光強度が大きい蛍光が得られる、と記載されている。

特開２０１２−２７０５２号公報 特開２０１１−５３３２０号公報

蛍光基板等の波長変換素子には、励起光が入射する面と反対側の面から蛍光を射出させる透過型の波長変換素子と、励起光が入射する面と同じ面から蛍光を射出させる反射型の波長変換素子と、がある。

一般に、蛍光体は、温度の上昇により発光効率が低下するという特性を有している。特許文献１の光源装置では、透過型の波長変換素子が用いられているため、蛍光体層で発生した熱を効率良く放出することが難しい、という問題がある。したがって、たとえ蛍光の配光指向性が高められたとしても、高い発光効率が得られず、高い強度の蛍光が得られる波長変換素子を実現することが難しい。

一方、特許文献２の光源装置においては、蛍光ホイールのうち、蛍光体層の形成領域は反射型の構造を有しているが、青色光の拡散領域は透過型の構造を有しているため、蛍光ホイール全体として、蛍光体層からの放熱が難しい。

また、特許文献２の蛍光ホイールは、金属基板上に銀等の反射面、フッ化マグネシウム等の透明保護膜、蛍光体層が順次積層された構成を有している。大きな光強度を有する蛍光を得るためには、上記の反射面で反射して励起光が入射する向きと逆向きに射出する反射光を増やすことが重要である。反射面による蛍光の反射光を増やすためには、反射面における反射率の向上が有効である。

特許文献２のように、銀を用いて反射面を形成した場合、高い反射率が得られるが、３〜５％程度の反射損失が生じる、入射角が大きくなると反射率が低下する、等の問題がある。また、銀の光吸収により熱が発生し、熱酸化により銀が劣化する虞がある。このように、銀を用いた反射面には種々の問題があり、反射率の向上が難しいという課題がある。

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、反射面における蛍光の反射光を従来よりも増やすことにより、大きな光強度を有する蛍光が得られる波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の波長変換素子を備えた光源装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の光源装置を備えた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、励起光が入射するとともに蛍光を射出する第１面を有する波長変換部と、前記蛍光を反射する反射面を有する反射部と、前記波長変換部と前記反射部とを接合する透光性の接合部と、前記第１面と前記反射面との間に設けられ、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する屈折率界面と、を備え、前記屈折率界面の前記第１面の側に位置する第１の媒質の屈折率は、前記屈折率界面の前記反射面の側に位置する第２の媒質の屈折率よりも高く、前記波長変換部から前記反射部に向かって進む前記蛍光が前記屈折率界面を通過した後の前記蛍光の角度分布は、前記蛍光が前記屈折率界面を通過する前の前記蛍光の角度分布よりも狭いことを特徴とする。

本発明の一つの態様の波長変換素子によれば、波長変換部から反射部に向かって進む蛍光において、屈折率界面を通過した後の蛍光の角度分布が屈折率界面を通過する前よりも狭くなるため、反射面における反射率を高めることができ、反射面における蛍光の反射光の光量を増やすことができる。これにより、大きな光強度を有する蛍光が得られる波長変換素子を実現することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記屈折率界面は、前記波長変換部の前記第１面とは反対側の第２面、もしくは前記接合部の前記波長変換部の側に位置する第１面から構成されていてもよい。

この構成によれば、波長変換部の第１面とは反対側の第２面または接合部の波長変換部の側に位置する第１面を前記屈折率界面とすることができる。したがって、簡易な構造の波長変換素子を提供することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換部と前記接合部との間に設けられた第１屈折率部をさらに備えてもよい。この場合、前記波長変換部は前記第１の媒質から構成され、前記第１屈折率部は前記第２の媒質から構成されていてもよい。

この構成によれば、波長変換部と第１屈折率部とが接する面を前記屈折率界面とすることができる。この場合、第２の媒質を適宜選択して第１屈折率部の屈折率を調整することにより、屈折率界面を通過した後の蛍光の角度分布を制御することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換部と前記接合部との間に設けられた第２屈折率部をさらに備えてもよい。この場合、前記第２屈折率部は前記第１の媒質で構成され、前記接合部は前記第２の媒質で構成されていてもよい。

この構成によれば、第２屈折率部と接合部とが接する面を前記屈折率界面とすることができる。この場合、第１の媒質を適宜選択して第２屈折率部の屈折率を調整することにより、屈折率界面を通過した後の蛍光の角度分布を制御することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記波長変換部と前記接合部との間において前記接合部に当接して設けられた第１屈折率部と、前記波長変換部と前記接合部との間において前記波長変換部に当接して設けられた第２屈折率部と、をさらに備えてもよい。この場合、前記第１屈折率部は前記第２の媒質で構成され、前記第２屈折率部は前記第１の媒質で構成されていてもよい。

この構成によれば、第１屈折率部と第２屈折率部とが接する面を前記屈折率界面とすることができる。この場合、第１の媒質および第２の媒質を適宜選択して第１屈折率部および第２屈折率部の屈折率を調整することにより、屈折率界面を通過した後の蛍光の角度分布を制御することができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記屈折率界面は、複数の錐体を含む形状を有していてもよい。

この構成によれば、蛍光が複数の錐体を含む形状を有する屈折率界面を通過した際に、反射部の反射面に対する入射角が小さい蛍光の割合を増やすことができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記錐体の底面は多角形状であってもよい。

この構成によれば、多角形の形状を最適に設計することにより、複数の錐体を配置する際に最密充填させることができる。これにより、反射面に対する入射角が小さい蛍光の割合を増やす効果を最大限に高めることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記反射部は誘電体多層膜で構成されていてもよい。

一般に、誘電体多層膜は、反射率の入射角依存性が大きいが、入射角度範囲が狭い領域では金属膜に比べて高い反射率を得やすい。上述したように、本発明の一つの態様の波長変換素子においては、反射面に対する蛍光の入射角を小さくでき、よって、入射角度範囲を狭くできるため、誘電体多層膜の特性を生かして蛍光の反射率を高めることができる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記反射部に当接して設けられた基板をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、基板によって波長変換部、反射部等の積層体を支持できるとともに、熱伝導率が高い基板を選択することにより波長変換素子の放熱性を高めることができる。

本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記励起光を射出する励起光源と、を備える。

この構成によれば、大きな光強度を有する蛍光が得られるので、光強度が大きい光源装置を提供することができる。

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、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備える。

この構成によれば、大きな光強度を有する蛍光が得られる光源装置を用いるので、高輝度の投写画像が得られるプロジェクターを提供することができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の断面図である。 複数のプリズム構造体の斜視図である。 反射面の法線方向から見た複数のプリズム構造体の平面図である。 変形例のプリズム構造体の斜視図である。 反射面の法線方向から見た変形例のプリズム構造体の平面図である。 波長変換素子の作用を説明するための図である。 基板の法線方向から見た波長変換装置の平面図である。 第２実施形態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断面図である。 第４実施形態の波長変換素子の断面図である。 第５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６を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、半導体レーザーと波長変換素子とを含む光源装置を備えた液晶プロジェクターの一例である。
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。

本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投写面）上にカラー映像を表示する投写型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクターは、光源装置の発光素子として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（レーザーダイオード）を用いている。

図１は、本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１光源装置１００（光源装置）と、第２光源装置１０２と、色分離導光光学系２００と、光変調装置４００Ｒと、光変調装置４００Ｇと、光変調装置４００Ｂと、合成光学系５００と、投写光学系６００と、を備えている。
本実施形態の第１光源装置１００は、特許請求の範囲の光源装置に対応する。

第１光源装置１００は、第１発光素子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２０と、ホモジナイザー光学系１２５と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０と、を備えている。波長変換装置２０については、後で詳しく説明する。

第１発光素子１０は、青色の励起光Ｅを射出する半導体レーザーから構成されている。励起光Ｅの発光強度のピーク波長は、例えば４４５ｎｍである。第１発光素子１０は、１個の半導体レーザーから構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーから構成されていてもよい。なお、第１発光素子１０には、４４５ｎｍ以外の波長（例えば４６０ｎｍ）の青色光を射出する半導体レーザーが用いられてもよい。第１発光素子１０は、第１発光素子１０の光軸１１０ａｘが照明光軸１００ａｘと直交するように配置されている。
本実施形態の第１発光素子１０は、特許請求の範囲の励起光源に対応する。

コリメート光学系７０は、第１レンズ７２と、第２レンズ７４と、を備えている。コリメート光学系７０は、第１発光素子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、凸レンズから構成されている。

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までの光路中に設けられている。ダイクロイックミラー８０は、第１発光素子１０の光軸１１０ａｘおよび照明光軸１００ａｘのそれぞれに対して４５°の角度で交差するように配置されている。ダイクロイックミラー８０は、青色波長域の光を反射し、赤色光および緑色光を含む黄色波長域の光を透過させる。

コリメート集光光学系９０は、ダイクロイックミラー８０から射出された励起光Ｅを略集光した状態で波長変換素子２１に入射させる機能と、波長変換素子２１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、を備えている。第１レンズ９２および第２レンズ９４は、凸レンズから構成されている。

第２光源装置１０２は、第２発光素子７１０と、集光光学系７６０と、拡散板７３２と、コリメート光学系７７０と、を備えている。

第２発光素子７１０は、青色光Ｂを射出する半導体レーザーから構成されている。青色光Ｂの発光強度のピーク波長は、第１発光素子１０からの励起光Ｅの発光強度のピーク波長と異なり、例えば４６０ｎｍである。ただし、第２発光素子７１０として、第１発光素子１０からの励起光Ｅの発光強度のピーク波長と同一のピーク波長を有する光を射出する半導体レーザーが用いられてもよい。

集光光学系７６０は、第１レンズ７６２と、第２レンズ７６４と、を備えている。集光光学系７６０は、第２発光素子７１０から射出された青色光Ｂを拡散板７３２の近傍に集光する。第１レンズ７６２および第２レンズ７６４は、凸レンズから構成されている。

拡散板７３２は、第２発光素子７１０から射出された青色光Ｂを拡散し、波長変換装置２０から射出される蛍光Ｙの配光分布に類似した配光分布を有する青色光Ｂとする。拡散板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、を備えている。コリメート光学系７７０は、拡散板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、凸レンズから構成されている。

第２光源装置１０２から射出された青色光Ｂは、ダイクロイックミラー８０で反射された後、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、白色の照明光Ｗとなる。照明光Ｗは、ホモジナイザー光学系１２５に入射する。

ホモジナイザー光学系１２５は、第１レンズアレイ１２０と、第２レンズアレイ１３０と、を備えている。第１レンズアレイ１２０は、ダイクロイックミラー８０から射出された光を複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ１２２を有する。複数の第１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レンズ１２２に対応する複数の第２レンズ１３２を備えている。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１レンズ１２２の像を光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２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、直線偏光光に変換する。偏光変換素子１４０は、詳細な図示を省略するが、偏光分離層と、反射層と、位相差層と、を備えている。偏光分離層は、波長変換装置２０からの光に含まれる偏光成分のうち、一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する。反射層は、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する。位相差層は、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの各々の画像形成領域の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、波長変換装置２０から射出された光の面内光強度分布を均一化する。

色分離導光光学系２００は、白色の照明光Ｗを赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する。色分離導光光学系２００は、第１ダイクロイックミラー２１０と、第２ダイクロイックミラー２２０と、第１反射ミラー２３０と、第２反射ミラー２４０と、第３反射ミラー２５０と、第１リレーレンズ２６０と、第２リレーレンズ２７０と、を備えている。

第１ダイクロイックミラー２１０は、第１光源装置１００から射出された照明光Ｗを、赤色光Ｒとその他の光（緑色光Ｇおよび青色光Ｂ）とに分離する機能を有する。第１ダイクロイックミラー２１０は、赤色光Ｒを透過するとともに、その他の光（緑色光Ｇおよび青色光Ｂ）を反射する。一方、第２ダイクロイックミラー２２０は、その他の光を緑色光Ｇと青色光Ｂとに分離する機能を有する。第２ダイクロイックミラー２２０は、緑色光Ｇを反射し、青色光Ｂを透過する。

第１反射ミラー２３０は、赤色光Ｒの光路中に配置され、第１ダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光Ｒを光変調装置４００Ｒに向けて反射する。第２反射ミラー２４０および第３反射ミラー２５０は、青色光Ｂの光路中に配置され、第２ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光Ｂを光変調装置４００Ｂに向けて反射する。緑色光Ｇは、第２ダイクロイックミラー２２０により光変調装置４００Ｇに向けて反射される。

第１リレーレンズ２６０および第２リレーレンズ２７０は、青色光Ｂの光路中における第２ダイクロイックミラー２２０の光射出側に配置されている。第１リレーレンズ２６０および第２リレーレンズ２７０は、青色光Ｂの光路長が赤色光Ｒや緑色光Ｇの光路長よりも長いことに起因した青色光Ｂの損失を補償する機能を有している。

光変調装置４００Ｒは、赤色光Ｒを画像情報に応じて変調し、赤色光Ｒに対応した画像光を形成する。光変調装置４００Ｇは、緑色光Ｇを画像情報に応じて変調し、緑色光Ｇに対応した画像光を形成する。光変調装置４００Ｂは、青色光Ｂを画像情報に応じて変調し、青色光Ｂに対応した画像光を形成する。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂ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には、一対の偏光板（図示せず）が配置され、特定の方向の直線偏光光のみを透過させる構成となっている。

光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。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、それぞれ光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、光変調装置４００Ｂに入射する赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂを平行化する。

合成光学系５００は、光変調装置４００Ｒ、光変調装置４００Ｇ、および光変調装置４００Ｂからの画像光が入射することにより、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投写光学系６００に向けて射出する。合成光学系５００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。

投写光学系６００は、投写レンズ群６から構成されている。投写光学系６００は、合成光学系５００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、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

以下、波長変換装置２０の構成について説明する。
図２は、波長変換素子２１の断面図であり、図１の符号Ａの部分を拡大視した図である。
図６は、基板２４の法線方向から見た波長変換装置２０の平面図である。
図２および図６に示すように、波長変換装置２０は、円板状の波長変換素子２１と、波長変換素子２１を回転させるモーター２２と、を備えている。波長変換素子２１の詳細な構成については後述する。なお、図１では、図示の都合上、波長変換素子２１の構成要素を適宜省略している。

波長変換素子２１は、モーター２２の駆動により回転軸２３を中心として回転する。回転軸２３の延在方向から見たとき、基板２４の形状は円形である。蛍光層２５は、基板２４の第１面２４ａに、基板２４の周方向に沿って円環状に設けられている。励起光Ｅは、円環状の蛍光層２５の１箇所に照射される。図６において、励起光Ｅの照射領域を符号Ｃで示す。

図２に示すように、波長変換素子２１は、基板２４と、反射ミラー２６（反射部）と、接合層２７（接合部）と、低屈折率層２８（第１屈折率部）と、高屈折率層２９（第２屈折率部）と、蛍光層２５（波長変換部）と、複数のプリズム構造体３０が設けられた屈折率界面３１と、を備えている。反射ミラー２６、接合層２７、低屈折率層２８、高屈折率層２９、および蛍光層２５は、基板２４の第１面２４ａ（上面）に基板２４側からこの順に積層されている。すなわち、波長変換素子２１は、蛍光層２５と接合層２７との間において接合層２７に当接して設けられた低屈折率層２８と、蛍光層２５と接合層２７との間において蛍光層２５に当接して設けられた高屈折率層２９と、をさらに備えている。

蛍光層２５は、励起光Ｅが入射するとともに蛍光Ｙを射出させる第１面２５ａ（上面）を有する。すなわち、波長変換素子２１は、励起光Ｅが入射する面と同じ面から蛍光Ｙを射出させる反射型の波長変換素子である。

基板２４は、熱伝導率が相対的に高い銅、アルミニウム等の金属板で構成されている。基板２４は、反射ミラー２６、接合層２７、低屈折率層２８、高屈折率層２９および蛍光層２５を支持するとともに、蛍光層２５で発生した熱を放出する機能を有する。放熱機能をより高めるため、基板２４の第２面２４ｂにヒートシンク等の放熱用部材が設けられてもよい。

反射ミラー２６は、誘電体多層膜からなる誘電体ミラーで構成されている。もしくは、反射ミラー２６は、銀等の金属薄膜からなる金属ミラーで構成されていてもよい。反射ミラー２６は、基板２４とは別体に構成され、図示しない接着層により基板２４の第１面２４ａに接着されていてもよいし、基板２４の第１面２４ａに誘電体多層膜や金属薄膜が直接形成された構成であってもよい。反射ミラー２６は、蛍光層２５から射出された蛍光Ｙのうち、基板２４側に向かって進む蛍光Ｙを反射させ、再び蛍光層２５に向かって進行させる。したがって、反射ミラー２６の上面は、反射面２６ａである。反射ミラー２６は、蛍光Ｙを反射する反射面２６ａを有する。すなわち、波長変換素子２１は、反射ミラー２６に当接して設けられた基板２４を備えている。

接合層２７は、透光性を有するシリコーン接着剤で構成されている。接合層２７は、反射ミラー２６が設けられた基板２４と、別途作製された低屈折率層２８、高屈折率層２９および蛍光層２５からなる積層体と、を接合する。すなわち、接合層２７は、蛍光層２５と反射ミラー２６とを接合する。

低屈折率層２８および高屈折率層２９は、ともに透光性を有するガラス、樹脂等の材料で構成されている。高屈折率層２９は、第１の媒質で構成されている。低屈折率層２８は、第１の媒質とは種類が異なる第２の媒質で構成されている。すなわち、低屈折率層２８と高屈折率層２９とが互いに接する面は、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する屈折率界面３１を構成する。屈折率界面３１は、第１面２５ａと反射面２６ａとの間に設けられ、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する面からなる。屈折率界面３１の第１面２５ａの側に位置する第１の媒質の屈折率は、屈折率界面３１の反射面２６ａの側に位置する第２の媒質の屈折率よりも高い。

図３Ａは、複数のプリズム構造体３０の斜視図である。図３Ｂは、反射面２６ａの法線方向から見た複数のプリズム構造体３０の平面図である。
図２、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、低屈折率層２８と高屈折率層２９との屈折率界面３１に、複数のプリズム構造体３０からなるプリズムアレイ３３が設けられている。プリズムアレイ３３は、複数のプリズム構造体３０が隙間なく最密充填状態で配置された構成を有している。言い換えると、屈折率界面３１は、複数の傾斜面が隙間なく連続して配列された形状を有する。ここでは、プリズム構造体３０の形状として、底面が正方形である正四角錐の例が示されているが、正四角錐以外の四角錐であってもよいし、四角錐以外の多角錐であってもよい。すなわち、屈折率界面３１は、複数の錐体を含む形状を有する。また、錐体の底面は多角形状である。

また、複数のプリズム構造体３０の寸法および形状は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。複数のプリズム構造体３０の寸法や形状が互いに同じ場合、隣り合うプリズム構造体３０間の配列ピッチＰは、例えば数μｍ〜５０μｍ程度であることが望ましい。プリズム構造体３０の高さＴ（底面から頂点までの距離）は、例えば上記配列ピッチＰの０．２倍以上とすることが望ましい。

図４Ａは、変形例のプリズム構造体５０の斜視図である。図４Ｂは、反射面２６ａの法線方向から見た変形例のプリズム構造体５０の平面図である。
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、変形例のプリズム構造体５０は、基本形状は円錐であるが、円錐の底面側の一部が中心軸に平行な平面によって切断された形状を有している。すなわち、プリズム構造体５０は、頂点５０ｔ側が円錐状であり、底面５０ｂが正方形状の形状を有している。ただし、プリズム構造体５０の底面５０ｂは、正方形以外の四角形であってもよいし、四角形以外の多角形であってもよい。

プリズムアレイ３３は、高屈折率層２９に設けられていてもよいし、低屈折率層２８に設けられていてもよい。プリズムアレイが高屈折率層２９に設けられる場合、波長変換素子２１の製造工程において、高屈折率層２９を形成する際に金型を用い、金型の表面形状を高屈折率層材料の表面に転写して複数のプリズム構造体３０を形成した後、隣り合うプリズム構造体３０間の隙間を低屈折率層材料で埋め込むことにより、プリズムアレイ３３を作製することができる。プリズムアレイ３３が低屈折率層２８に設けられる場合も同様である。

蛍光層２５は、第１発光素子１０から射出された励起光Ｅにより励起され、黄色の蛍光Ｙを射出する蛍光体から構成されている。蛍光層２５は、無機材料からなる（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体と、当該ＹＡＧ系蛍光体に分散された発光中心となる賦活剤と、を備えている。すなわち、第１実施形態の場合、蛍光層２５は、賦活剤としてＣｅが分散された（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなるＹＡＧ系蛍光体から構成されている。

蛍光層２５は、必ずしもＹＡＧ系蛍光体で構成されていなくてもよいが、ガーネット系蛍光体を用いることが望ましい。ガーネット系蛍光体は、他の蛍光体に比べて熱伝導率が高く、高熱環境下での信頼性が高い。そのため、回転ホイール型ではなく、固定型の蛍光体を用いた光源装置に用いた場合であっても、高出力の蛍光が得られる。

屈折率の一例として、ＹＡＧ系蛍光体からなる蛍光層２５の屈折率が１．８であり、シリコーン接着剤からなる接合層２７の屈折率が１．４であったとすると、低屈折率層２８および高屈折率層２９の材料として、屈折率が１．４よりも大きく、１．８よりも小さいガラス、樹脂等の中から選択し、低屈折率層２８の屈折率が高屈折率層２９の屈折率よりも小さい関係を満たせばよい。

以下、本実施形態の波長変換素子２１の作用を、図５を用いて説明する。
図５に示すように、蛍光層２５において、励起光Ｅの照射によって発生した蛍光Ｙは、指向性を持たず、等方的に広がって進む。すなわち、蛍光Ｙの配光分布は、ランバーシアン分布である。

蛍光層２５の任意の発光点Ｓから第１面２５ａ側（図５の上方）に進み、そのまま外部空間に射出される蛍光Ｙも存在するが、ここでは発光点Ｓから屈折率界面３１の側（図５の下方）に進む蛍光Ｙ０に着目する。高屈折率層２９を進んだ後、屈折率界面３１に達した蛍光Ｙ０は、屈折率界面３１に対する入射角に応じて、屈折率界面３１を透過する透過光Ｙ１と、屈折率界面３１で全反射する反射光Ｙ２と、に分離される。

透過光Ｙ１は、屈折率界面３１で反射面２６ａに対する入射角が小さくなる方向に屈折する。一方、反射光Ｙ２は、最初に入射した屈折率界面３１（傾斜面３１ａ）に隣接する屈折率界面３１（傾斜面３１ｂ）で再度反射して蛍光層２５に戻った後、蛍光層２５内の微粒子や空孔によって散乱反射され、屈折率界面３１に再び入射する。厳密には、反射光Ｙ２の全てが傾斜面３１ｂで再度反射するわけではなく、一部の反射光（図示略）は傾斜面３１ｂを透過する。傾斜面３１ｂを透過した光は配光分布を広げる側に作用するが、このような光は限定的である。また、このような光が極力生じないように、プリズム構造体３０，５０を設計することが望ましい。

以上述べたように、蛍光層２５から反射面２６ａ側に向けて射出された蛍光Ｙ０の大部分は、屈折率界面３１を通過して反射ミラー２６に入射する。その過程では、上述したように、蛍光層２５と屈折率界面３１との間で複数回の反射を繰り返しつつ、最終的に反射ミラー２６に入射する光も存在する。屈折率界面３１を屈折率の高い媒質（第１の媒質）側から屈折率の低い媒質（第２の媒質）側へ通過することによって、反射ミラー２６に向けて射出される蛍光Ｙ０の指向性が高まり、配光分布が狭い蛍光Ｙ３に変換されて反射ミラー２６に入射する。すなわち、屈折率界面３１を通過した後の蛍光Ｙ３の角度分布は、屈折率界面３１を通過する前の蛍光Ｙ０の角度分布よりも狭い。

角度分布が狭くなった蛍光Ｙ３は、反射ミラー２６で反射して蛍光層に戻り、反射面による蛍光の反射光Ｙ４は、蛍光層２５の第１面２５ａから励起光Ｅが入射した向きと逆向きに射出される。

誘電体ミラーもしくは金属ミラーのいずれの反射ミラー２６を用いた場合も、反射率は入射角依存性を有しており、入射角が大きくなる程、反射率は低下する。そのため、従来の光源装置では、反射ミラーに入射する蛍光の角度分布が広く、反射光の量が低下するという問題があった。

この問題に対して、本実施形態の波長変換素子２１においては、プリズムアレイ３３を備えた屈折率界面３１が設けられたことにより、屈折率界面３１が設けられていない場合と比べて、反射ミラー２６に入射する蛍光Ｙの角度分布が狭くなるため、高い反射率が得られ、反射光量の低下を抑制することができる。これにより、大きな光強度を有する蛍光Ｙが得られる波長変換素子２１を実現することができる。

さらに、誘電体ミラーは、金属ミラーに比べて反射率の入射角依存性が大きい反面、入射角度範囲が狭い領域では金属ミラーに比べて高い反射率を得ることができ、反射損失が少ない。そのため、誘電体ミラーは、プリズムアレイ３３を備えた屈折率界面３１と組み合わせて使用することが好適であり、誘電体多層膜の特性を生かして蛍光Ｙの反射効率を高めることができる。さらに、誘電体ミラーは金属ミラーに比べて光吸収量が少ないため、大きな光強度の励起光Ｅが入射した場合でも、反射ミラー２６の劣化を抑制でき、安定した光学性能を長期にわたって維持することができる。

また、本実施形態の波長変換素子２１は、高屈折率層２９と低屈折率層２８とを備えているため、これらの層の材料を適切に選択して高屈折率層２９と低屈折率層２８のそれぞれの屈折率を調整することにより、屈折率界面３１を通過した後の蛍光Ｙの角度分布を制御することができる。

また、本実施形態の波長変換素子２１は、正四角錐状のプリズム構造体３０を備えているため、反射面２６ａの法線方向に対して対称的な角度分布を生成することができる。また、図３Ｂに示したように、複数のプリズム構造体３０を最密充填状態で配置させることができるため、蛍光Ｙの角度分布を狭める効果を最大限に高めることができる。

本実施形態の第１光源装置１００は、上記の効果を有する波長変換素子２１を備えているため、大きな光強度を有する蛍光が得られるので、高強度の射出光を得ることができる。

本実施形態のプロジェクター１は、上記の効果を有する第１光源装置１００を備えているため、高輝度の投写画像を得ることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第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、プロジェクターおよび光源装置の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２実施形態の波長変換素子の断面図である。
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、詳細な説明を省略する。

図７に示すように、波長変換素子４１は、基板２４と、反射ミラー２６（反射部）と、接合層２７（接合部）と、低屈折率層４２（第１屈折率部）と、蛍光層４３（波長変換部）と、複数のプリズム構造体４４が設けられた屈折率界面４５と、を備えている。反射ミラー２６、接合層２７、低屈折率層４２および蛍光層４３は、基板２４の第１面２４ａに、基板２４側からこの順に積層されている。すなわち、波長変換素子４１は、蛍光層４３と接合層２７との間に設けられた低屈折率層４２をさらに備えている。

低屈折率層４２は、透光性を有するガラス、樹脂等の材料で構成されている。低屈折率層４２は、蛍光層４３（第１の媒質）とは屈折率が異なる第２の媒質で構成されている。すなわち、蛍光層４３と低屈折率層４２とが互いに接する面は、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する屈折率界面４５を構成する。屈折率界面４５に対して第１面４３ａの側に位置する蛍光層４３を構成する第１の媒質の屈折率は、屈折率界面４５に対して反射面２６ａの側に位置する低屈折率層４２を構成する第２の媒質の屈折率よりも高い。よって、第２実施形態の蛍光層４３は、第１実施形態の蛍光層２５と高屈折率層２９の作用を併せ持つ。

蛍光層４３と低屈折率層４２との屈折率界面４５に、複数のプリズム構造体４４からなるプリズムアレイ４６が設けられている。プリズム構造体４４およびプリズムアレイ４６の構成は、第１実施形態と同様である。プリズムアレイ４６は、蛍光層４３に設けられていてもよいし、低屈折率層４２に設けられていてもよい。プリズムアレイ４６が蛍光層４３に設けられる場合、波長変換素子４１の製造工程において、例えば蛍光層４３の第２面４３ｂをエッチング加工することにより、プリズムアレイ４６を作製することができる。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態の波長変換素子４１においては、プリズムアレイ４６を備えた屈折率界面４５が設けられ、蛍光層４３の母材を構成する第１の媒質は、低屈折率層４２を構成する第２の媒質より屈折率が高いため、第１実施形態と同様に、反射ミラー２６に入射する蛍光Ｙの角度分布を狭めることができ、反射ミラー２６において高い反射率が得られ、反射光量の低下を抑制することができる。これにより、大きな光強度を有する蛍光Ｙが得られる波長変換素子４１を実現することができる。
さらに、第２実施形態においても、誘電体ミラーの使用により反射ミラー２６の劣化を抑制できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

第２実施形態では、第１実施形態で用いた高屈折率層２９を用いないため、第１実施形態に比べて、波長変換素子４１を構成する層の数を減らすことができる。これにより、波長変換素子４１の低コスト化を図ることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図８を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第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、プロジェクターおよび光源装置の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８は、第３実施形態の波長変換素子の断面図である。
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、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、波長変換素子６１は、基板２４と、反射ミラー２６（反射部）と、接合層６２（接合部）と、高屈折率層２９（第２屈折率部）と、蛍光層２５（波長変換部）と、複数のプリズム構造体６４が設けられた屈折率界面６５と、を備えている。反射ミラー２６、接合層６２、高屈折率層２９および蛍光層２５は、基板２４の第１面２４ａに、基板２４側からこの順に積層されている。すなわち、波長変換素子６１は、蛍光層２５と接合層６２との間に設けられた高屈折率層２９をさらに備えている。

高屈折率層２９は、透光性を有するガラス、樹脂等の材料で構成されている。高屈折率層２９は、接合層６２を構成する第２の媒質とは屈折率が異なる第１の媒質で構成されている。すなわち、高屈折率層２９と接合層６２とが互いに接する面は、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する屈折率界面６５を構成する。屈折率界面６５に対して第１面２５ａの側に位置する高屈折率層２９を構成する第１の媒質の屈折率は、屈折率界面６５に対して反射面２６ａの側に位置する接合層６２を構成する第２の媒質の屈折率よりも高い。よって、第３実施形態の接合層６２は、第１実施形態の低屈折率層２８と接合層２７の作用を併せ持つ。なお、屈折率界面６５は、接合層６２の蛍光層２５の側に位置する第１面６２ａから構成されていてもよい。

高屈折率層２９と接合層６２との屈折率界面６５に、複数のプリズム構造体６４からなるプリズムアレイ６６が設けられている。プリズム構造体６４およびプリズムアレイ６６の構成は、第１実施形態と同様である。プリズムアレイ６６は、高屈折率層２９に設けられていてもよいし、接合層６２に設けられていてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

第３実施形態の波長変換素子６１においては、プリズムアレイ６４を備えた屈折率界面６５が設けられ、高屈折率層２９を構成する第１の媒質は、接合層６２を構成する第２の媒質より屈折率が高いため、第１実施形態と同様に、反射ミラー２６に入射する蛍光Ｙの角度分布を狭めることができ、反射ミラー２６において高い反射率が得られ、反射光量の低下を抑制することができる。これにより、大きな光強度を有する蛍光Ｙが得られる波長変換素子６１を実現することができる。
第３実施形態においても、誘電体ミラーの使用により反射ミラー２６の劣化を抑制できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

第３実施形態では、第１実施形態で用いた低屈折率層２８を用いないため、第１実施形態に比べて、波長変換素子６１を構成する層の数を減らすことができる。これにより、波長変換素子６１の低コスト化を図ることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。
第４実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第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、プロジェクターおよび光源装置の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９は、第４実施形態の波長変換素子の断面図である。
図９において、第１〜第３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、詳細な説明を省略する。

図９に示すように、波長変換素子８１は、基板２４と、反射ミラー２６（反射部）と、接合層６２（接合部）と、蛍光層４３（波長変換部）と、複数のプリズム構造体８４が設けられた屈折率界面８５と、を備えている。反射ミラー２６、接合層６２および蛍光層４３は、基板２４の第１面２４ａに、基板２４側からこの順に積層されている。

蛍光層４３と接合層６２とが互いに接する面は、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接する屈折率界面８５を構成する。言い換えると、屈折率界面８５は、蛍光層４３の第１面４３ａとは反対側の第２面４３ｂ、もしくは接合層６２の蛍光層４３の側に位置する第１面６２ａから構成されている。屈折率界面８５に対して第１面４３ａの側に位置する蛍光層４３（第１の媒質）の屈折率は、屈折率界面８５に対して反射面２６ａの側に位置する接合層６２を構成する第２の媒質の屈折率よりも高い。

蛍光層４３と接合層６２との屈折率界面８５に、複数のプリズム構造体８４からなるプリズムアレイ８６が設けられている。プリズムアレイ８６の構成は、第１実施形態と同様である。プリズムアレイ８６は、蛍光層４３に設けられていてもよいし、接合層６２に設けられていてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

第４実施形態の波長変換素子８１においては、プリズムアレイ８６を備えた屈折率界面８５が設けられ、蛍光層４３を構成する母材（第１の媒質）は、接合層６２を構成する第２の媒質より屈折率が高いため、第１実施形態と同様に、反射ミラー２６に入射する蛍光Ｙの角度分布を狭めることができ、反射ミラー２６において高い反射率が得られ、反射光量の低下を抑制することができる。これにより、大きな光強度を有する蛍光Ｙが得られる波長変換素子８１を実現することができる。
第４実施形態においても、誘電体ミラーの使用により反射ミラー２６の劣化を抑制できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、第４実施形態では、第１実施形態で用いた高屈折率層２９および低屈折率層２８を用いないため、第２、第３実施形態に比べて、波長変換素子８１を構成する層の数をさらに減らすことができる。これにより、波長変換素子８１の低コスト化を図ることができる。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１０を用いて説明する。
第５実施形態のプロジェクターおよび光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、波長変換装置の構成が第１実施形態の波長変換装置２０の構成と異なる。そのため、プロジェクターおよび光源装置の全体の説明は省略し、波長変換装置についてのみ説明する。
図１０は、第５実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
図１０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、詳細な説明を省略する。

第１実施形態の第１光源装置１００の波長変換装置２０は、モーター２２によって回転可能とされた円板状の波長変換素子２１を備えていた。これに対し、第５実施形態のプロジェクター３は、図１０に示すように、第１光源装置１０５が、固定型の波長変換素子８１（波長変換装置８１）を備えている。波長変換素子８１は、基板８２の法線方向から見て、例えば矩形状の形状を有する。波長変換素子８１には、第１〜第４実施形態で例示した波長変換素子２１、４１、６１、８１と同様の断面構造を有する波長変換素子を用いることができる。ただし、放熱作用を高めるために、基板８２にヒートシンク８３が設けられていてもよい。

第５実施形態においても、大きな光強度を有する蛍光が得られる波長変換素子８１を実現できる、誘電体ミラーの使用により反射ミラーの劣化を抑制できる、高強度の射出光が得られる第１光源装置１００を実現できる、高輝度の投写画像が得られるプロジェクター３を実現できる、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。
例えば上記実施形態では、屈折率界面に全てが同じ形状、同じ寸法の複数のプリズム構造体が設けられた例を挙げたが、この構成に代えて、互いに異なる形状、もしくは互いに異なる寸法の錐体状の複数のプリズム構造体が設けられていてもよい。この場合、複数のプリズム構造体が最密充填状態で配置できない場合が生じ、屈折率界面に反射面に対して平行な平面部分が存在する。この構成においては、上記実施形態の構成に比べて、蛍光の角度分布を狭める効果が低下する。しかしながら、従来の波長変換素子に比べれば、大きな光強度を有する蛍光を得ることができる。

また、本発明の波長変換素子には、上記実施形態で例示した各層以外の層が付加されていてもよい。例えば、蛍光層の第１面の励起光入射側に、反射防止層が設けられていてもよい。

その他、波長変換素子および光源装置を構成する各構成要素の数、形状、材料、配置等については、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、３つの光変調装置を備えるプロジェクターを例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに本発明を適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

その他、プロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、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。

１，３…プロジェクター、１０…第１発光装置（励起光源）、２１，４１，６１，８１…波長変換素子、２４，８２…基板、２５，４３…蛍光層（波長変換部）、２５ａ，４３ａ…第１面、４３ｂ…第２面、２６…反射ミラー（反射部）、２６ａ…反射面、２７，６２…接合層（接合部）、６２ａ…第１面、２８，４２…低屈折率層（第１屈折率部）、２９…高屈折率層（第２屈折率部）、３１，４５，６５，８５…屈折率界面、１００，１０５…第１光源装置（光源装置），４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投写光学系。

Claims (11)

1. 励起光が入射するとともに蛍光を射出する第１面を有する波長変換部と、
   前記蛍光を反射する反射面を有する反射部と、
   前記波長変換部と前記反射部とを接合する透光性の接合部と、
   前記第１面と前記反射面との間に設けられ、屈折率が互いに異なる第１の媒質と第２の媒質とが当接し、複数の錐体を含む形状を有する屈折率界面と、を備え、
   前記屈折率界面の前記第１面の側に位置する第１の媒質の屈折率は、前記屈折率界面の前記反射面の側に位置する第２の媒質の屈折率よりも高く、
   前記波長変換部から射出されて前記屈折率界面を透過した前記蛍光は、前記反射部で反射されて前記屈折率界面を透過することで前記波長変換部に戻り、前記波長変換部の前記第１面から前記励起光の入射した向きと逆向きに射出される
   ことを特徴とする波長変換素子。
2. 前記屈折率界面は、前記波長変換部の前記第１面とは反対側の第２面、もしくは前記接合部の前記波長変換部の側に位置する第１面から構成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. 前記波長変換部と前記接合部との間に設けられた第１屈折率部をさらに備え、
   前記波長変換部は前記第１の媒質から構成され、前記第１屈折率部は前記第２の媒質から構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. 前記波長変換部と前記接合部との間に設けられた第２屈折率部をさらに備え、
   前記第２屈折率部は前記第１の媒質で構成され、前記接合部は前記第２の媒質で構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。
5. 前記波長変換部と前記接合部との間において前記接合部に当接して設けられた第１屈折率部と、
   前記波長変換部と前記接合部との間において前記波長変換部に当接して設けられた第２屈折率部と、
   をさらに備え、
   前記第１屈折率部は前記第２の媒質で構成され、前記第２屈折率部は前記第１の媒質で構成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。
6. 前記錐体の底面が多角形状であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
7. 前記反射部は誘電体多層膜で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記反射部に当接して設けられた基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記波長変換部は、散乱反射要素を有し、
   前記屈折率界面に入射する光の一部は、隣接する錐体に反射して前記波長変換部に入射し、前記散乱反射要素で散乱反射した光が前記屈折率界面に再度入射することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
    前記励起光を射出する励起光源と、を備えたことを特徴とする光源装置。
11. 請求項１０に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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