JP7081094B2 - 波長変換素子、光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

例えば、下記特許文献１には、励起光を放射する励起光源と、励起光を集光する光学系と、集光された励起光により励起されて蛍光を放射する蛍光体（波長変換層）と、蛍光体が形成されたガラス基板とを備えた光源装置が開示されている。この光源装置では、蛍光体で発生した熱を放出して冷却するために、ガラス基板の一面側に蛍光体が形成され、ガラス基板の一面（励起光入射）側に、ヒートシンクからなる冷却機構が設けられている。

特開２０１２－１６９０４９号公報

ところで、上記光源装置において、蛍光体の励起光入射側に熱伝導性および放熱性に優れた透光性部材を設けることで、蛍光体をより効率良く冷却することも考えられる。蛍光体の励起光入射側に透光性部材を設ける場合、波長変換層の光入射面と透光性部材とを接合するための接着材が必要となる。このような接着材としては、界面反射を抑えるべく、１．７６（透光性部材の屈折率）～１．８３（波長変換層の屈折率）の間の屈折率を有し、且つ、高い透明性および耐熱性が要求される。しかしながら、このような条件を満たす接着材は存在しない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、波長変換層の冷却性能に優れた、波長変換素子を提供することを目的の一つとする。また、前記波長変換素子を備える光源装置を提供することを目的の一つとする。また、前記光源装置を備えるプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

本発明の第１態様に従えば、励起光源からの励起光が入射する光入射面と、前記光入射面に対向する光射出面とを有し、セラミック蛍光体からなる波長変換層と、前記波長変換層を支持する支持部材と、前記波長変換層の前記光入射面に一体成形され、前記励起光が入射する第１平坦面を有する透光層と、前記第１平坦面と対向する第２平坦面を有し、前記透光層の前記励起光の入射側に設けられる透光性部材と、を備え、前記波長変換層および前記透光層は、前記支持部材を貫通する孔に配置され、前記透光層の前記第１平坦面と前記透光性部材の前記第２平坦面とは、前記第１平坦面の分子と前記第２平坦面の分子との分子間力を利用するオプティカルコンタクトにより接合され、前記透光性部材は、前記支持部材と熱的に接触している波長変換素子が提供される。

第１態様に係る波長変換素子によれば、波長変換層の透光層と透光性部材とは、オプティカルコンタクトにより接合されているため、透光層と透光性部材との間に接着材を用いることなく、透光層と透光性部材とを接合できる。
さらに、波長変換層と透光層とは、一体成形されるため、波長変換層と透光層との間に接着材を用いることなく、波長変換層と透光層とを接合できる。
よって、接着材を用いることなく、波長変換層の透光層（光入射面側）に放熱部材として機能する透光性部材を配置できるので、波長変換層の冷却性能を向上させることができる。

上記第１態様において、前記透光層は、透明アルミナからなり、前記波長変換層と前記透光層の前記透明アルミナとは、焼結により一体成形されてなるのが望ましい。

このようにすれば、波長変換層と透光層としての透明アルミナとは、一体成形できるので、波長変換層と透光層としての透明アルミナとの間に接着材が存在しないため、波長変換層と透光層としての透明アルミナとの間において界面反射が生じない。したがって、励起光は、透光層としての透明アルミナを透過して波長変換層の光入射面（波長変換層と透光層との間の界面）に効率良く入射することができる。
よって、波長変換層における励起光の入射効率を高めるとともに、波長変換効率の低下を抑制することができる。さらに、透光層および透光性部材を介して波長変換層で生じた熱を放熱できるため、波長変換層における冷却性能を向上できるとともに、波長変換層における波長変換効率の低下を抑制した波長変換素子を提供できる。

上記第１態様において、前記透光性部材はサファイアからなるのが好ましい。

この構成によれば、透光層が透明アルミナからなり、透光性部材がサファイアからなるため、透光層と透光性部材とは、分子式が同じＡｌ_２Ｏ_３である物質からそれぞれ構成される。そのため、より良好なオプティカルコンタクトによって接合できる。

上記第１態様において、前記透光性部材は、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面を有し、前記曲面には、前記励起光を透過し、前記波長変換層から射出される蛍光を反射するダイクロイック膜が設けられていることが好ましい。

この構成において、透光層と透光性部材との間はオプティカルコンタクトによって接合されるため、透光層と透光性部材との間には、励起光を透過させ蛍光を反射するダイクロイック膜を設けることができない。また、波長変換層と透光層とは、一体成形されるため、波長変換層と透光層との間には、当該ダイクロイック膜を設けることができない。
よって、透光性部材の曲面に当該ダイクロイック膜を設けることが、波長変換層内で生成された蛍光が曲面から外部に射出されるのを防止するために好適である。当該ダイクロイック膜により、波長変換層で生成した蛍光を光射出面から効率良く取り出すことができる。
さらに、透光性部材が励起光の入射側に曲面を有しているため、例えば、励起光を曲面に対して法線方向から入射させるようにすることで光入射面上に励起光を集光させることができる。すなわち、透光性部材が、励起光に対して光学的な影響を与えることなく、放熱部材としての機能を担うようにすることができる。

本発明の第２態様に従えば、前記励起光を射出する励起光源と、上記第１態様の波長変換素子と、を備える光源装置が提供される。

第２態様に係る光源装置によれば、波長変換層が効率良く冷却されるため、波長変換効率を改善した光源装置、信頼性を向上させた光源装置を提供することができる。

本発明の第２態様において、前記励起光を射出する励起光源と、上記第１態様の波長変換素子と、を備え、前記励起光源から射出された前記励起光を前記波長変換層の前記光入射面上に集光させる集光光学系と、を備え、前記曲面の曲率半径の中心が前記光入射面上に位置しており、前記集光光学系による前記励起光の集光位置は、前記曲面の曲率半径の中心に一致しているのが好ましい。

この構成によれば、集光光学系によって励起光を光入射面上に集光させることができる。よって、波長変換層の蛍光変換効率を向上させることができる。また、集光光学系によって励起光は透光性部材の曲面に対して法線方向から入射するようになる。そのため、曲面は励起光に対して屈折力を持たないため、透光性部材による励起光の屈折を考慮する必要がなくなるので、集光光学系の設計が容易になる。
よって、透光性部材が、励起光に対して光学的な影響を与えることなく、放熱部材としての機能を担うようにすることができる。

本発明の第３態様に従えば、上記第２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して画像光を生成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えるプロジェクターが提供される。

第３態様に係るプロジェクターによれば、波長変換効率を改善した光源装置、信頼性を向上させた光源装置を備えるので、高輝度な映像を表示できるとともに、信頼性を向上させたプロジェクターを提供できる。

第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。 光源装置の概略構成を示す図。 波長変換素子の断面構成を示す図。 第２実施形態に係る光源装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。図２は光源装置の概略構成を示す図である。
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射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、均一照明光学系８０と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６とを備えている。

本実施形態において、図２に示す光源装置２は、半導体レーザーから射出された青色の励起光Ｂのうち、波長変換されずに射出される青色の励起光Ｂの一部と、波長変換素子２０による励起光の波長変換によって生じる黄色の蛍光Ｙと、が合成された白色の照明光ＷＬを射出する。照明光ＷＬは均一照明光学系８０を介して色分離光学系３に入射する。

図１に戻って、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とを含む。

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、偏光分離膜と位相差板と（ともに図示略）を備えている。

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する。

色分離光学系３は、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のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを備えている。

第１の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、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過することによって、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１の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の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２の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の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のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ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機能を有している。

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，光変調装置４Ｂ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及び射出側各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。

また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，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１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。

合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学装置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。

投射光学装置６は、投射レンズ群からなり、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。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。

（光源装置）
続いて、光源装置２の構成について説明する。
図２に示すように、光源装置２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２０と、ピックアップ光学系３０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Ｂを射出する複数の半導体レーザー（励起光源）１０ａと、複数のコリメーターレンズ１０ｂとから構成される。励起光Ｂ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１０ａは、照明光軸１００ａｘ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１０ａ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ものを用いることもできる。

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と直交する一つの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、対応する半導体レーザー１０ａから射出された励起光Ｂを平行光に変換する。

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、を備えている。アフォーカル光学系１１は、励起光源ユニット１０から射出された複数のレーザー光からなる平行光束の径を縮小する。

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、を備えている。ホモジナイザー光学系１２は、励起光の光強度分布を後述する波長変換層上で均一な状態、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２０上で互いに重畳させる。これにより、波長変換素子２０上に照射する励起光Ｂ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、を備えている。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２０までの光路中に配置され、励起光Ｂを集光させて波長変換素子２０に入射させる。波長変換素子２０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、を備えている。ピックアップ光学系３０は、波長変換素子２０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。

（波長変換素子）
次に、波長変換素子の構成について説明する。
図３は、波長変換素子２０の断面構成を示す図である。なお、図３は、図２の照明光軸１００ａｘを含む平面で波長変換素子２０を切断した断面に相当する。

図３に示すように、波長変換素子２０は、透明アルミナ層（透光層）２３と、波長変換層２４と、冷却手段２５と、ダイクロイック膜２６と、反射膜２７とを備えている。

波長変換層２４は、励起光源ユニット１０から射出された励起光Ｂが入射する光入射面２４ａと、光入射面２４ａに対向する光射出面２４ｂと、光入射面２４ａと光射出面２４ｂと交差する交差面２４ｃとを有する。なお、交差面２４ｃは、波長変換層２４の側面に相当する面である。また、交差面２４ｃは、波長変換層２４の光入射面２４ａおよび光射出面２４ｂ以外の外周面に相当する面である。交差面２４ｃは、光入射面２４ａの端部と光射出面２４ｂの端部とを接続することにより形成される面である。

波長変換層２４は、光入射面２４ａから入射した励起光Ｂにより生成された蛍光Ｙを光入射面２４ａに対向する光射出面２４ｂから射出させる、透過型の波長変換層である。なお、光射出面２４ｂは平面からなる。

本実施形態において、波長変換層２４は、青色の励起光Ｂを黄色の蛍光Ｙに変換する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子として、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体が用いられる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよいし、２種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものが用いられてもよい。波長変換層２４には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。本実施形態においては、波長変換層２４として、蛍光体粒子を焼結して形成したセラミック蛍光体を用いた。

透明アルミナ層２３は、波長変換層２４の光入射面２４ａに一体成形されている。具体的に、透明アルミナ層２３は、波長変換層２４を構成する蛍光体粒子とともにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を焼結することで波長変換層２４と一体成形されている。そのため、透明アルミナ層２３および波長変換層２４は、粒子レベルにおいて結合した状態とされており、透明アルミナ層２３および波長変換層２４の光入射面２４ａの間には接着材等の接合材料が介在していない。透明アルミナ層２３の厚みは、波長変換層２４の厚みの１／５以下に設定するのが望ましい。例えば、波長変換層２４の厚みが５００μｍ～１０００μｍ程度の場合には、透明アルミナ層２３の厚みは、１００μｍ～２００μｍ程度に設定するのが望ましい。

よって、励起光Ｂは、透明アルミナ層２３を透過して波長変換層２４の光入射面２４ａに入射する際、両者の間に接合部材が存在しないため、界面反射が生じない。したがって、励起光Ｂは、透明アルミナ層２３を透過して光入射面２４ａ上に効率良く入射する。なお、透明アルミナ層２３および波長変換層２４が一体成形された後において、透明アルミナ層２３と波長変換層２４との間の界面が、波長変換層２４の光入射面２４ａに相当する。

また、本実施形態において、「一体成形」とは、透明アルミナ層２３と波長変換層２４の光入射面２４ａとの間に接着材等の接合材料が介在していない状態で、透明アルミナ層２３および波長変換層２４が形成されることを意味する。よって、本実施形態における「一体成形」には、焼結による形成だけでなく、波長変換層２４にスパッタリング等で透明アルミナ層２３を形成する態様も含まれる。

本実施形態において、冷却手段２５は、支持部材２１及び透光性部材２２を有する。支持部材２１は、例えば、矩形の板材で構成され、板厚方向で互いに対向する第１の面２１ａと第２の面２１ｂとを有している。第１の面２１ａは集光光学系１３に対向する面であり、第２の面２１ｂはピックアップ光学系３０に対向する面である。

支持部材２１は、第１の面２１ａと第２の面２１ｂとの間を厚さ方向に貫通する孔２１ｈを有する。支持部材２１は、ガラス、石英等の透光性を有する材料で構成されていてもよいし、金属等の透光性を有しない材料で構成されていてもよい。金属材料の場合、アルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属が用いられることが望ましい。

波長変換層２４は、支持部材２１の孔２１ｈに配置されている。波長変換層２４は、孔２１ｈの内周面２１ｃに交差面２４ｃを対向させるように配置される。同様に、透明アルミナ層２３の透光性部材２２側の面および波長変換層２４側の面以外の面は、孔２１ｈの内周面２１ｃに対向させるように配置される。よって、波長変換層２４と一体成形された透明アルミナ層２３は、支持部材２１の孔２１ｈに配置されている。

本実施形態において、孔２１ｈの内周面２１ｃに反射膜２７が設けられている。反射膜２７は、支持部材２１と波長変換層２４および透明アルミナ層２３との間に設けられている。

反射膜２７は、波長変換層２４で生成された蛍光Ｙを反射する。また、反射膜２７は、波長変換層２４に入射し、蛍光に変換されない励起光Ｂを反射する。なお、反射膜２７には、アルミニウム、銀等の光反射率の高い金属材料が用いられることが望ましい。

このような構成に基づき、波長変換層２４は、内部で生成した蛍光Ｙ、および蛍光Ｙの生成に利用されなかった励起光Ｂを光射出面２４ｂから効率良く外部に射出するようになっている。したがって、波長変換層２４は、黄色の蛍光Ｙと青色の励起光Ｂとを合成した白色光を照明光ＷＬとして射出する。

透光性部材２２は波長変換層２４の光入射面２４ａの放熱を行うためのものである。そのため、本実施形態において、透光性部材２２の材料としては、熱伝導性及び耐熱性に優れたサファイアを用いた。透光性部材２２は、励起光Ｂの光路のうち光入射面２４ａの前段に配置されるが、サファイアは光透過性に優れるため、透光性部材２２を透過することによる励起光Ｂの損失を低減できる。

本実施形態において、透光性部材２２は、一方向に突出する曲面２２ａと、他方向に設けられる平坦面２２ｂとを有した略半球体からなる。曲面２２ａは、励起光源ユニット１０からの励起光Ｂの進行方向（図３においては上方向）と反対方向（図３においては下方向）に突出する。

透光性部材２２は、透明アルミナ層（透光層）２３における励起光Ｂの入射側に設けられる。透光性部材２２は、透明アルミナ層２３における波長変換層２４と反対側に設けられる。透光性部材２２は、透明アルミナ層２３における透明アルミナ層２３と波長変換層２４との界面（光入射面２４ａ）の反対側に設けられる。すなわち、透光性部材２２の平坦面２２ｂは、波長変換層２４の光入射面２４ａに対向するように配置されている。

本実施形態において、透明アルミナ層２３と透光性部材２２とは、オプティカルコンタクトにより接合されている。オプティカルコンタクトは、高精度に研磨された２つ以上の部材の表面同士を分子同士の分子間力を利用することで接着材等の接合材料を使用せずに接合する技術である。オプティカルコンタクトにより接合された部材同士は互いに一体化した状態となる。

なお、上述のように透明アルミナ層２３は波長変換層２４と一体成形されている。そのため、本実施形態の波長変換素子２０は、透光性部材２２、透明アルミナ層２３および波長変換層２４が一体化した構造となっている。

このようなオプティカルコンタクトを実現するには透明アルミナ層２３および透光性部材２２の接合面に高い平坦性が要求される。例えば、透明アルミナ層２３における接合前の面（波長変換層２４と反対側に位置し、励起光Ｂが入射する光入射面に相当する面）および透光性部材２２における接合前の面（平坦面２２ｂの一部）としては、励起光Ｂの波長の１／１０以下の平坦性が求められる。このような平坦性を持つ透明アルミナ層２３および透光性部材２２を用いることでオプティカルコンタクトによる接合が可能となる。

本実施形態の透明アルミナ層２３は、高純度（例えば、９９％以上）のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）から構成されている。そのため、サファイアからなる透光性部材２２と透明アルミナ層２３とがオプティカルコンタクトにより良好に接合されたものとなる。

オプティカルコンタクトにより接合された透明アルミナ層２３および透光性部材２２の間には接合界面が存在しない。そのため、透明アルミナ層２３および透光性部材２２の間には接合部材（接着材）が存在せず、透明アルミナ層２３および透光性部材２２は一体構造からなる。

よって、励起光Ｂは、透光性部材２２を透過して透明アルミナ層２３に入射する際、両者の間に接合部材が存在しないため、界面反射が生じない。したがって、励起光Ｂは、透光性部材２２を透過して透明アルミナ層２３内に効率良く取り込まれるようになる。

このように本実施形態の波長変換素子２０によれば、接着材を用いることなく、波長変換層２４の光入射面２４ａ側に放熱部材として機能する透光性部材２２を配置することができる。よって、波長変換層２４の冷却性能に優れた波長変換素子２０を提供できる。

本実施形態において、集光光学系１３による励起光源ユニット１０から射出された励起光Ｂの集光位置ＳＰが透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃに一致している。すなわち、集光光学系１３は、透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心に向かわせるように励起光Ｂを集光させる。そのため、集光光学系１３を経由した励起光Ｂは、透光性部材２２の曲面２２ａに対して法線方向から入射する。したがって、曲面２２ａは励起光Ｂに対して屈折力を持たない。このように本実施形態の透光性部材２２は、励起光Ｂに対するレンズとしての機能を有していない。よって、透光性部材２２は、励起光Ｂに対して光学的な影響を与えることなく、放熱部材としての機能のみを担う。
なお、集光位置ＳＰが曲率半径の中心Ｃに一致している場合と同様の作用および効果を奏することができる場合には、集光位置ＳＰと曲率半径の中心Ｃとは、一致していなくともよい。すなわち、集光位置ＳＰと曲率半径の中心Ｃとが僅かにずれていてもよい。
さらに、本実施形態において、透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃは波長変換層２４の光入射面２４ａ上に位置している。

本実施形態の波長変換素子２０によれば、集光光学系１３を経由した励起光Ｂが透光性部材２２を透過する際、屈折によって集光状態が変化することはない。そのため、透光性部材２２による励起光Ｂの屈折を考慮する必要がなくなるので、集光光学系１３の設計が容易になる。

よって、励起光Ｂは、集光光学系１３により波長変換層２４の光入射面２４ａ上にトップハット形状をなす均一性の高い光強度分布を形成する。これにより、光入射面２４ａにおける光密度が低下するので、波長変換層２４の蛍光変換効率を向上させることができる。

なお、上記説明では、透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃが光入射面２４ａ上に位置する場合を例に挙げたが、透明アルミナ層２３が波長変換層２４に対して相対的に薄い場合、透明アルミナ層２３内に曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃが位置していても良い。この場合、励起光Ｂの集光位置が光入射面２４ａ上から僅かにずれるものの、ずれによる影響は無視できるためである。
また同様に、透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃが光入射面２４ａ上に位置する場合と同様の作用および効果を奏することができる場合には、曲率半径の中心Ｃは、光入射面２４ａ上に位置しなくてもよい。

透光性部材２２の平坦面２２ｂは、支持部材２１の第１の面２１ａと熱的に接触している。ここで、平坦面２２ｂと第１の面２１ａとが熱的に接触しているとは、平坦面２２ｂおよび第１の面２１ａが互いに熱伝導可能な状態に接続された状態を意味する。そのため、平坦面２２ｂおよび第１の面２１ａは直接接触していても良いし、接合部材を介して間接的に接触していても良い。なお、接合部材としては、高い熱伝導率を有するものが好ましい。例えば、半田、熱伝導シート等が挙げられる。

透光性部材２２の曲面２２ａには、ダイクロイック膜２６が設けられている。ダイクロイック膜２６は、励起光Ｂを透過し、波長変換層２４から射出される蛍光Ｙを反射する特性を有する。このようなダイクロイック膜２６を設けることで、波長変換層２４内で生成された蛍光Ｙが曲面２２ａから外部に射出されるのを防止できる。よって、波長変換層２４で生成した蛍光Ｙを光射出面２４ｂ側から効率良く取り出すことができる。

波長変換層２４は、蛍光Ｙの生成に伴って、発熱する。波長変換層２４の熱は、交差面２４ｃから反射膜２７を介して支持部材２１に伝わることで放出される。

波長変換層２４において、光入射面２４ａにおける発熱量が大きくなる。本実施形態の波長変換素子２０においては、波長変換層２４の光入射面２４ａに透明アルミナ層２３を一体成形し、該透明アルミナ層２３に透光性部材２２がオプティカルコンタクトにより接合されている。そのため、光入射面２４ａの熱は、放熱性及び熱伝導性に優れた透明アルミナ層２３および透光性部材２２に伝わることで放出される。

透光性部材２２は支持部材２１に熱的に接続されるため、支持部材２１及び透光性部材２２を有する冷却手段２５による波長変換層２４の冷却性能が向上する。よって、波長変換層２４の放熱性が向上し、波長変換素子２０の波長変換効率が低下することを抑制することができる。よって、本実施形態の光源装置２によれば、明るい蛍光Ｙを含む明るい照明光ＷＬを生成することができる。したがって、本実施形態のプロジェクター１によれば、明るい照明光ＷＬを用いることで明るい映像をスクリーンＳＣＲに表示できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光源装置について説明する。
以下に示す本実施形態の光源装置は、波長変換素子において生成した黄色の蛍光と、波長変換素子とは別の系統で生成した青色光とを合成することで白色の照明光を生成する点において上記第１実施形態の構成と異なる。よって、以下の説明では、光源装置の構成について詳しく説明し、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、第１実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

図４は、第２実施形態における光源装置の構成を示す図である。
光源装置２Ａは、図４に示すように、励起光源ユニット１０と、位相差板４３と、偏光分離素子４４と、第１ホモジナイザー光学系４５と、第１の集光光学系４６と、波長変換素子１２０と、第１ピックアップレンズ４８と、ダイクロイックミラー４９と、全反射ミラー５０と、第２ホモジナイザー光学系５２と、第２の集光光学系５３と、反射型回転拡散素子５４と、第２ピックアップレンズ５５と、を備えている。

光源装置２Ａのうち、励起光源ユニット１１０、位相差板４３、偏光分離素子４４、第１ホモジナイザー光学系４５、第１の集光光学系４６、波長変換素子１２０、第１ピックアップレンズ４８及びダイクロイックミラー４９は、照明光軸１００ａｘ上に順次並んで配置されている。

本実施形態において、励起光源ユニット１１０は、レーザー光からなる青色光Ｂ１を射出する複数の半導体レーザー１１０ａと、複数のコリメーターレンズ１１０ｂとから構成される。青色光Ｂ１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１１０ａは、照明光軸１００ａｘ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１１０ａ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ものを用いることもできる。

コリメーターレンズ１１０ｂは、各半導体レーザー１１０ａに対応するように、照明光軸１００ａｘ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。コリメーターレンズ１１０ｂは、対応する半導体レーザー１１０ａから射出された青色光Ｂ１を平行光に変換する。

位相差板４３は、回転機構を有した１／２波長板で構成されている。位相差板４３は、励起光源ユニット１１０から射出された複数の青色光Ｂ１を含む光線束Ｋに含まれるＰ偏光およびＳ偏光の割合を任意に変化させる。

偏光分離素子４４は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）であり、照明光軸１００ａｘに対して４５°の角度をなすように配置されている。偏光分離素子４４は、入射光（光線束Ｋ）のうちのＰ偏光成分を通過させ、Ｓ偏光成分を反射させる。Ｐ偏光成分は、偏光分離素子４４を透過して励起光Ｂ２として第１ホモジナイザー光学系４５へ向かって進む。Ｓ偏光成分は、偏光分離素子４４で反射して、青色光Ｂ３として全反射ミラー５０に向かって進む。

第１ホモジナイザー光学系４５は、例えば、第１マルチレンズアレイ４５ａと、第２マルチレンズアレイ４５ｂと、を備えている。第１ホモジナイザー光学系４５は、励起光Ｂ２（Ｐ偏光成分）の光強度分布を後述する波長変換素子１２０上で均一な状態、いわゆるトップハット分布にする。第１ホモジナイザー光学系４５は、第１マルチレンズアレイ４５ａの複数のレンズから射出された複数の小光束を、第１の集光光学系４６とともに、波長変換素子１２０上で互いに重畳させる。これにより、波長変換素子１２０上に照射される励起光Ｂ２の光強度分布を均一な状態とする。

第１の集光光学系４６は、第１ホモジナイザー光学系４５から波長変換素子１２０までの光路中に配置され、励起光Ｂ２を集光させて波長変換素子１２０に入射させる。本実施形態において、第１の集光光学系４６は凸レンズから構成されている。第１の集光光学系４６は特許請求の範囲に記載の「集光光学系」に相当する。

本実施形態の波長変換素子１２０は、波長変換層２４に入射した励起光Ｂが全て蛍光Ｙに変換される点以外、第１実施形態の波長変換素子２０と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態の波長変換素子１２０は、励起光Ｂ２の入射により生成した蛍光Ｙのみを射出するようになっている。よって、波長変換素子１２０の光射出面２４ｂ（図３参照）には、励起光Ｂを反射し、蛍光Ｙを透過する特性を有するダイクロイック膜が設けられている。このようなダイクロイック膜を設けることで、波長変換層２４内で波長変換されなかった励起光Ｂが光射出面２４ｂの外部に射出されることを防止できる。
また、本実施形態においても、第１の集光光学系４６による励起光Ｂ２の集光位置が透光性部材２２の曲面２２ａの曲率半径の中心Ｃに一致している（図３参照）。

第１ピックアップレンズ４８は、例えば、凸レンズからなり、波長変換素子２０から射出された蛍光Ｙを略平行化する。

全反射ミラー５０は、青色光Ｂ３の光路中に配置されて、偏光分離素子４４において分離された青色光Ｂ３（Ｓ偏光成分）を第２ホモジナイザー光学系５２に向けて全反射する。

第２ホモジナイザー光学系５２は、例えば、例えば第１マルチレンズアレイ５２ａと、第２マルチレンズアレイ５２ｂと、を備えている。第２ホモジナイザー光学系５２は、第１マルチレンズアレイ５２ａの複数のレンズから射出された複数の小光束を、第２の集光光学系５３とともに、反射型回転拡散素子５４上で互いに重畳させる。これにより、反射型回転拡散素子５４上に照射される青色光Ｂ３の光強度分布を均一な状態とする。

第２の集光光学系５３は、第２ホモジナイザー光学系５２から反射型回転拡散素子５４までの光路中に配置され、青色光Ｂ３を集光させて、反射型回転拡散素子５４に入射させる。本実施形態において、第２の集光光学系５３は凸レンズから構成されている。

反射型回転拡散素子５４は、第２の集光光学系５３から射出された青色光Ｂ３を、第２ピックアップレンズ５５に向けて拡散反射させるものである。その中でも、反射型回転拡散素子５４としては、反射型回転拡散素子５４に入射した光線をランバート反射またはランバート反射に近い特性で拡散反射させるものを用いることが好ましい。

第２ピックアップレンズ５５は、例えば、凸レンズからなり、反射型回転拡散素子５４から射出された青色光Ｂ３を略平行化する。平行化された青色光Ｂ３は、ダイクロイックミラー４９に入射する。ダイクロイックミラー４９は、波長変換素子１２０から射出された黄色の蛍光Ｙを通過させるとともに、蛍光Ｙに対して直交する方向から入射してくる青色光Ｂ３を、蛍光Ｙと同じ光軸方向へ反射させることで合成し、白色の照明光ＷＬを生成する。

このように、反射型回転拡散素子５４から射出された拡散光（青色光Ｂ３）は、ダイクロイックミラー４９を透過した蛍光Ｙと合成されて、白色の照明光ＷＬが得られる。白色の照明光ＷＬは、図１に示した均一照明光学系８０を介して色分離光学系３に入射する。

以上述べたように、本実施形態の構成においても、波長変換素子１２０を効率良く冷却することにより、波長変換効率の低下を抑制できる光源装置２Ａが得られる。また、信頼性を向上させた光源装置２Ａが得られる。さらに、光源装置２Ａにより生成された蛍光Ｙを含む照明光ＷＬにより、高輝度な映像を表示できるとともに、信頼性を向上させたプロジェクター１が得られる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、透光性部材２２として略半球体からなるものを例に挙げたが、透光性部材２２の形状はこれに限定されない。透光性部材２２は波長変換層２４の光入射面２４ａの放熱を行うことができるものであれば、板状部材であってもよい。この場合、透光性部材の光入射面で励起光Ｂの屈折が生じるが、集光光学系１３の集光位置を調整することで波長変換層２４の光入射面２４ａ上に励起光Ｂを集光させることができる。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１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適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

また、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。

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、１０ａ…半導体レーザー（励起光源）、１３…集光光学系、２０，１２０…波長変換素子、２２…透光性部材、２２ａ…曲面、２３…透明アルミナ層（透光層）、２４…波長変換層、２４ａ…光入射面、２４ｂ…光射出面、２６…ダイクロイック膜、４６…第１の集光光学系（集光光学系）、Ｂ，Ｂ２…励起光、Ｃ…中心、ＳＰ…集光位置、Ｙ…蛍光。

Claims (7)

1. 励起光源からの励起光が入射する光入射面と、前記光入射面に対向する光射出面とを有し、セラミック蛍光体からなる波長変換層と、
   前記波長変換層を支持する支持部材と、
   前記波長変換層の前記光入射面に一体成形され、前記励起光が入射する第１平坦面を有する透光層と、
   前記第１平坦面と対向する第２平坦面を有し、前記透光層の前記励起光の入射側に設けられる透光性部材と、を備え、
   前記波長変換層および前記透光層は、前記支持部材を貫通する孔に配置され、
   前記透光層の前記第１平坦面と前記透光性部材の前記第２平坦面とは、前記第１平坦面の分子と前記第２平坦面の分子との分子間力を利用するオプティカルコンタクトにより接合され、
   前記透光性部材は、前記支持部材と熱的に接触している
   波長変換素子。
2. 前記透光層は、透明アルミナからなり、
   前記波長変換層と前記透光層の前記透明アルミナとは、焼結により一体成形され、前記波長変換層と前記透光層の前記透明アルミナは粒子レベルにおいて結合してなる
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記透光性部材は、サファイアからなる
   請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記透光性部材は、前記励起光の進行方向と反対方向に突出する曲面を有し、
   前記曲面には、前記励起光を透過し、前記波長変換層から射出される蛍光を反射するダイクロイック膜が設けられている
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記励起光を射出する励起光源と、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子と、を備える
   光源装置。
6. 前記励起光を射出する励起光源と、
   請求項４に記載の波長変換素子と、
   前記励起光源から射出された前記励起光を前記波長変換層の前記光入射面上に集光させる集光光学系と、
   を備え、
   前記曲面の曲率半径の中心が前記光入射面上に位置しており、
   前記集光光学系による前記励起光の集光位置は、前記曲面の曲率半径の中心に一致している
   光源装置。
7. 請求項５又は６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して画像光を生成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学装置と、を備える
   プロジェクター。

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