JP7088218B2 - 波長変換素子、波長変換素子の製造方法、光源装置およびプロジェクター - Google Patents
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Description
下記特許文献1の照明装置では、蛍光体と蛍光体を支持する支持部材とを化学結合させて、蛍光体から支持部材への熱伝導性を向上させることで蛍光体の温度上昇を抑制した波長変換素子を用いている。下記特許文献2の照明装置では、蛍光体と支持基板との間に反射部材を設け、蛍光体で生成した蛍光を反射部材によって反射して外部に射出させる反射型の波長変換素子を用いている。
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。
図1は、本実施形態に係るプロジェクターの構成を示す模式図である。
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1は、照明装置100、色分離導光光学系200、光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500および投写光学系600を備える。
色分離導光光学系200と、光変調装置400R,400G,400Bとの間には、フィールドレンズ300R,300G,300Bが配置されている。
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240,250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で反射された緑色光LG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210で反射された青色光LBは、ダイクロイックミラー220を透過し、リレーレンズ260、反射ミラー240、リレーレンズ270、反射ミラー250、フィールドレンズ300Bを経て青色光用の光変調装置400Bの画像形成領域に入射する。
照明装置100は、前述したように照明光WLを色分離導光光学系200に向けて射出する。図2に示すように、照明装置100は、光源装置100A、インテグレーター光学系17、偏光変換素子18および重畳レンズ19を備える。光源装置100Aは、光源部(光源)31、アフォーカル光学系32、ホモジナイザー光学系33、光分離合成装置14、位相差板15、ピックアップ光学系16および波長変換素子4を備える。また、光源部31は、アレイ光源31Aおよびコリメーター光学系31Bを備える。
具体的に、アレイ光源31Aは、当該アレイ光源31Aから射出される光束の照明光軸Ax1と直交する一平面内に複数の半導体レーザー111がアレイ状に配列されることにより形成される。なお、詳しくは後述するが、波長変換素子4にて反射された光束の照明光軸をAx2としたとき、照明光軸Ax1と照明光軸Ax2とは互いに直交している。照明光軸Ax1上においては、光源部31と、アフォーカル光学系32と、ホモジナイザー光学系33と、光分離合成装置14とが、この順に並んで配置されている。
一方、照明光軸Ax2上においては、波長変換素子4と、ピックアップ光学系16と、位相差板15と、光分離合成装置14と、インテグレーター光学系17と、偏光変換素子18と、重畳レンズ19とが、後述する蛍光YLの進行方向にこの順に並んで配置されている。
重畳レンズ19は、照明光WLを被照明領域である各光変調装置400R、400G、400Bの画素形成領域上に重畳させることにより、被照明領域の照度分布を均一化する。
波長変換素子4は、図2に示すように、基材(支持基板)10と、波長変換層11と、反射部材12と、固定部材13と、接合部材23と、放熱部材26とを備えている。
図3は、波長変換素子4の要部構成を示す断面図である。具体的に、図3は反射部材12の断面を示す図である。
図3に示すように、波長変換層11は、光射出面11Aと底面(第1面)11Bとを有している。光射出面11Aは、図2において青色光BLcを入射させるとともに蛍光YLを射出する面である。底面11Bは基材10に対向する面である。
第2密着層49は、後述する接合部材23とNb2O5層から構成される増反射層50aとの間に設けられる。なお、SiO2層から構成される第2密着層49とNb2O5層から構成される増反射層50aとは、酸素原子を共有するため、強い密着力を得ることができる。
図4に示すように、本実施形態において、波長変換層11は、内部に設けられた複数の気孔21を有している。これにより、波長変換層11は、複数の気孔21により光散乱特性を有したものとなっている。複数の気孔21は、例えば、平均径が60μm程度の気孔で構成される。
まず、波長変換層11を準備する(準備工程)。
はじめに、波長変換層11を構成する蛍光体粒子等を含有する混合物を調整し、当該混合物を所定の温度にて焼成する。焼成によって、図5Aに示すように、複数の気孔21を含み、蛍光体からなる蛍光体基材9が形成される。なお、気孔21の大きさ或いは数は、焼成温度や混合物に添加する物質の材質等で調整可能である。
本実施形態において、波長変換層11より屈折率の低い材料を用いて第1接合層23aを形成する。具体的に、プラズマ重合法を用いて、シロキサン結合を含み、Si骨格と、Si骨格に結合する有機基からなる脱離基とを有する材料、例えば、ポリオルガノシロキサンを成膜することで第1接合層23aを形成する。プラズマ重合法で形成された第1接合層23aは凹部21a内に一部が入り込んだ状態に成膜される。
具体的に、転写用基板40としてはサファイア基板を用いた。転写用基板40の表面40aは鏡面とされている。
具体的に、プラズマ照射によるエネルギーを付与することで第1接合層23aおよび第2接合層23bの表面23a1,23b1をそれぞれ活性化させる(第4工程)。
第5工程では、第1接合層23aおよび第2接合層23bを加圧することで各表面23a1,23b1を密着させる。第1接合層23aおよび第2接合層23bの表面23a1,23b1は活性化される過程でシロキサン結合のメチル基が切断されて接着性を発現しているため、第1接合層23aおよび第2接合層23bは化学的に接合される。このようにして、第1接合層23aおよび第2接合層23b間に接合界面23cを有する接合部材23が形成される(図7A参照)。なお、第1接合層23aおよび第2接合層23bは活性化の過程でシロキサン結合のメチル基が切断されるため、第1接合層23aおよび第2接合層23bの接合部分には相対的にメチル基の少ない接合界面23cが形成される。
本実施形態において、転写用基板40の表面40aは鏡面となっている。転写用基板40の表面40aおよび反射部材12の接合補助層55との密着力は、反射部材12の各層間における密着力および接合部材23の接合界面23cの密着力と比べて最も小さくなる。すなわち、Ag層から構成される接合補助層55とサファイアから構成される転写用基板40との密着力は、反射部材12の各層間における密着力および接合部材23の接合界面23cの密着力と比べて最も小さくなる。したがって、転写用基板40の剥離時、最も密着力の小さい反射部材12の接合補助層55と転写用基板40との界面で剥離が生じ、反射部材12を波長変換層11側に転写することができる。転写用基板40を剥離することで、第1接合層23aおよび第2接合層23bにより接合された波長変換層11および反射部材12を含む接合体44が形成される。
本実施形態の波長変換素子4によれば以下の効果を奏する。
本実施形態の波長変換素子4は、複数の気孔21を有し、青色光BLcに励起されて蛍光YLを生成する波長変換層11と、波長変換層11の底面11Bに形成される第1接合層23aと、第1接合層23aに接合される第2接合層23bと、第2接合層23bに形成され、青色光BLcおよび蛍光YLを反射する反射部材12と、備え、波長変換層11の底面11Bは、凹部21aを有し、第1接合層23aの一部は、凹部21aに形成され、第2接合層23bは、凹部21aを覆うように形成され、第1接合層23aおよび第2接合層23bは、プラズマ重合膜である。
この構成によれば、固定部材13を介して反射部材12から熱を基材10に放出することができる。よって、反射部材12と基材10との間の熱伝導性が向上するので、反射部材12を介して波長変換層11から放熱させることができる。よって、波長変換層11の熱劣化を防ぐことができる。
この構成によれば、波長変換層11と第1接合層23aとの界面で全反射を利用することができる。よって、光の利用効率を向上させることができる。
この構成によれば、固定部材13を介して反射部材12から熱を基材10に放出する構造を得ることができる。よって、反射部材12と基材10との間の熱伝導性が向上するので、反射部材12を介して波長変換層11の熱を放出できる。よって、波長変換層11の熱劣化を抑制することで信頼性の高い波長変換素子4を提供できる。
この構成によれば、波長変換層11と第1接合層23aとの界面で全反射を利用する波長変換素子4を製造できる。よって、光の利用効率の高い波長変換素子4が提供される。
例えば、上記実施形態では、波長変換素子4として固定型のものを例に挙げたが、本発明の波長変換素子は回転ホイール型にも適用可能である。回転ホイール型に適用することで、波長変換層の放熱性が向上し、蛍光発光効率が向上することで波長変換素子4から出射される光量を向上できる。
Claims (8)
- 複数の気孔を有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯の光とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層と、
前記波長変換層の第1面に形成される第1接合層と、
前記第1接合層に接合される第2接合層と、
前記第2接合層に形成され、前記第1の波長帯の光または前記第2の波長帯の光を反射する反射部材と、備え、
前記波長変換層の第1面は、凹部を有し、
前記第1接合層の一部は、前記凹部の一部を露出させるように前記凹部に入り込んで形成され、
前記第2接合層は、前記第1接合層から露出する前記凹部を覆うように形成され、
前記第1接合層および前記第2接合層は、プラズマ重合膜である
ことを特徴とする波長変換素子。 - 支持基板と、
前記支持基板と前記反射部材とを接合する第3接合層と、を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。 - 前記第1接合層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率よりも低い
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。 - 複数の気孔と第1面と第1面に設けられた凹部とを有し、第1の波長帯の光に励起されて前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の光を生成する波長変換層を用意する準備工程と、
前記波長変換層の前記第1面に第1接合層を形成する第1工程と、
基板の第2面に反射部材を形成する第2工程と、
前記反射部材に第2接合層を形成する第3工程と、
前記第1接合層および第2接合層にそれぞれエネルギーを付与する第4工程と、
前記第1接合層と前記第2接合層とを加圧し、前記凹部が前記第2接合層によって覆われるように前記第1接合層および前記第2接合層を接合する第5工程と、
前記反射部材と前記基板とを分離する第6工程と、を備え、
前記第1工程において、前記第1接合層の一部は、前記凹部の一部を露出させるように前記凹部に入り込んで形成され、
前記第5工程において、前記第1接合層から露出する前記凹部は前記第2接合層で覆われる
ことを特徴とする波長変換素子の製造方法。 - 前記第6工程の後、前記第1接合層および前記第2接合層により波長変換層および反射部材を接合した接合体と支持基板とを第3接合層を介して接合する第7工程を備える
ことを特徴とする請求項4に記載の波長変換素子の製造方法。 - 前記第1工程では、前記波長変換層より屈折率の低い材料を用いて前記第1接合層を形成する
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の波長変換素子の製造方法。 - 請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に向けて前記第1の波長帯の光を射出する光源と、を備える
ことを特徴とする光源装置。 - 請求項7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、を備える
ことを特徴とするプロジェクター。
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