JP7472558B2 - 波長変換素子、光源装置、プロジェクター、および波長変換素子の製造方法 - Google Patents

波長変換素子、光源装置、プロジェクター、および波長変換素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、波長変換素子、光源装置、プロジェクター、および波長変換素子の製造方法に関する。
プロジェクターに用いる光源装置として、発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。下記の特許文献１に、蛍光体層と、透光性放熱層と、放熱部材と、を備える波長変換部材が開示されている。
下記の特許文献２に、蛍光体と、蛍光体の側面を保持する保持部材と、を備える波長変換装置が開示されている。また、特許文献２には、ＹＡＧ原料を結晶化させて蛍光体を合成しつつ、Ａｌ２Ｏ３材料を焼結させて保持部材を作製できるため、蛍光体と保持部材とを互いの界面で共有結合またはイオン結合させて作製することができる、蛍光体と保持部材とを化学結合させることにより、蛍光体と保持部材との間に介在する部材が存在しないため、蛍光体から保持部材への熱伝導が高くなり、蛍光体の温度上昇を抑制できる、と記載されている。
特開２０１６－２７６１３号公報 特開２０１８－１３６５１１号公報
特許文献１の波長変換部材において、励起光が蛍光体層に照射された際に蛍光体層内で熱が発生する。蛍光体層、透光性放熱層および放熱部材の各部材間で線膨張係数が異なる場合、蛍光体層での発熱に起因して各部材間に生じる熱応力によって、各部材間で剥離が生じるおそれがある。また、波長変換部材の製造過程において各部材を加熱する工程が存在する場合、同様の剥離が生じるおそれがある。
また、特許文献２に記載されたように、化学結合を用いて蛍光体と保持部材とを接合した波長変換装置においては、蛍光体の側面に配置された保持部材だけでは放熱が不充分な場合が考えられる。その場合、特許文献１に記載されたような放熱部材を用いると、各部材間の線膨張係数の違いによって各部材間に熱応力が生じ、各部材間が剥離するおそれがある。
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換層と、第１基板と、第２基板と、前記波長変換層と前記第１基板とを接合する第１接合層と、前記波長変換層と前記第１基板のいずれか一方と前記第２基板とを接合する第２接合層と、を備え、前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、前記第１接合層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、前記第１接合層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、前記第１接合層の厚さは、前記第２接合層の厚さよりも小さい。
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、前記第１波長帯の光を前記波長変換素子に射出する発光素子と、を備える。
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装置と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法は、波長変換層に第１接合層を形成する第１工程と、第１基板に第２接合層を形成する第２工程と、前記第１工程および前記第２工程の後であって、前記波長変換層の前記第１接合層が形成された面とは異なる面および前記第１基板の前記第２接合層が形成された面とは異なる面のいずれか一方と第２基板とを第３接合層によって接合する第３工程と、前記第３工程の後であって、前記第１接合層と前記第２接合層とを接合して第４接合層を形成する第４工程と、を備え、前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さい。
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実施形態の照明装置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。 第１実施形態の波長変換素子の製造方法の一工程を示す断面図である。 図４Ａの後の工程を示す断面図である。 図４Ｂの後の工程を示す断面図である。 図４Ｃの後の工程を示す断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の製造方法を示す断面図である。 図６Ａの後の工程を示す断面図である。 図６Ｂの後の工程を示す断面図である。 図６Ｃの後の工程を示す断面図である。 図６Ｄの後の工程を示す断面図である。 第３実施形態の照明装置の概略構成図である。 第３実施形態の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態の波長変換素子の製造方法を示す断面図である。 図９Ａの後の工程を示す断面図である。
［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、および図４Ａ～図４Ｄを用いて説明する。
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。
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクター１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１は、照明装置２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。照明装置２の構成については、後で説明する。
色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３は、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。
フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。
第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー８ａは、赤色光成分を反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、青色光成分を反射させる。
第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。
光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。
合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。合成光学系５は、４つの直角プリズムを貼り合わせた、平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。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。
合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６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。すなわち、投射光学装置６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、複数の投射レンズで構成されている。
本実施形態の照明装置２の一例について説明する。
図２は、照明装置２の概略構成図である。
図２に示すように、照明装置２は、第１光源装置１１と、第２光源装置１２と、ダイクロイックミラー１３と、均一化照明手段１４と、を備えている。本実施形態の第１光源装置１１は、特許請求の範囲の光源装置に相当する。
第１光源装置１１は、励起光Ｅを波長変換素子２３に射出する発光素子２０ａ１を有する第１光源部２０と、拡散部２１と、集光光学系２２と、波長変換素子２３と、ピックアップ光学系２７と、を備えている。
第１光源部２０は、励起光Ｅを波長変換素子２３に向けて射出する。第１光源部２０は、光源ユニット２０ａと、コリメーター光学系２０ｂと、を有する。光源ユニット２０ａは、第１波長帯を有する青色の励起光Ｅを射出する複数の発光素子２０ａ１から構成されている。発光素子２０ａ１は、レーザー光を射出する半導体レーザー素子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。複数の発光素子２０ａ１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。発光素子２０ａ１は、４４５ｎｍ以外のピーク波長、例えば４５５ｎｍまたは４６０ｎｍのピーク波長を有する青色光を射出してもよい。なお、照明光軸１００ａｘは、第１光源部２０から射出される複数の励起光Ｅからなる光線束の主光線に沿う軸と定義する。
コリメーター光学系２０ｂは、複数のコリメーターレンズ２０ｂ１から構成されている。１つのコリメーターレンズ２０ｂ１は、１つの発光素子２０ａ１に対応して設けられている。複数のコリメーターレンズ２０ｂ１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。コリメーターレンズ２０ｂ１は、発光素子２０ａ１から射出された励起光Ｅを平行光に変換する。
拡散部２１は、第１光源部２０から射出される励起光Ｅを拡散させる。本実施形態において、拡散部２１は、例えば光学ガラスからなる磨りガラス板を用いることができる。
集光光学系２２は、拡散部２１によって拡散された励起光Ｅを集光させ、波長変換素子２３に入射させる。本実施形態において、集光光学系２２は、第１レンズ２２ａと、第２レンズ２２ｂと、を備えている。第１レンズ２２ａおよび第２レンズ２２ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。このように、簡便な構成の集光光学系２２を採用することによって、第１光源装置１１のコスト低減が図れる。波長変換素子２３の構成については後述する。
ピックアップ光学系２７は、第１コリメートレンズ２７ａと、第２コリメートレンズ２７ｂと、を備えている。ピックアップ光学系２７は、波長変換素子２３から射出される蛍光Ｙを略平行化する。第１コリメートレンズ２７ａおよび第２コリメートレンズ２７ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。
ピックアップ光学系２７により平行化された蛍光Ｙは、ダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３は、第２光源装置１２の光軸１０１ａｘ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１３は、蛍光Ｙを透過するとともに、第２光源装置１２からの青色光Ｂを反射する特性を有する。なお、光軸１０１ａｘは、第２光源４０から射出される青色光Ｂの主光線に沿う軸と定義する。
第２光源装置１２は、第２光源４０と、第２集光光学系４１と、散乱板４２と、第２ピックアップ光学系４３と、を備えている。
第２光源４０は、第１光源部２０と同様の構成を有している。本実施形態において、第２光源４０は、青色光Ｂを射出する半導体レーザーと、半導体レーザーから射出された青色光Ｂを平行化するコリメーターレンズと、を有している。第２光源４０は、半導体レーザーおよびコリメーターレンズを少なくとも一つずつ有していればよく、第１光源部２０と同様、半導体レーザーおよびコリメーターレンズを複数個ずつ有していてもよい。
第２集光光学系４１は、第１レンズ４１ａと、第２レンズ４１ｂと、を備えている。第２集光光学系４１は、第２光源４０から射出された青色光Ｂを散乱板４２の付近に集光する。第１レンズ４１ａおよび第２レンズ４１ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。
散乱板４２は、第２集光光学系４１から射出された青色光Ｂを散乱し、第１光源装置１１において生成される蛍光Ｙの配光分布に類似した配光分布を有する青色光Ｂに変換する。散乱板４２として、例えば光学ガラスからなる磨りガラスが用いられる。
第２ピックアップ光学系４３は、第１レンズ４３ａと、第２レンズ４３ｂと、を備えている。第２ピックアップ光学系４３は、散乱板４２から射出された光を略平行化する。第１レンズ４３ａおよび第２レンズ４３ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。
本実施形態において、第２光源装置１２からの青色光Ｂは、ダイクロイックミラー１３で反射される。ダイクロイックミラー１３で反射した青色光Ｂは、第１光源装置１１から射出されてダイクロイックミラー１３を透過した黄色の蛍光Ｙと合成され、白色光Ｗとなる。その後、白色光Ｗは、均一化照明手段１４に入射する。
均一化照明手段１４は、第１レンズアレイ３０と、第２レンズアレイ３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３と、を有している。
第１レンズアレイ３０は、ダイクロイックミラー１３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３０ａを有している。複数の第１レンズ３０ａ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３１は、第１レンズアレイ３０の複数の第１レンズ３０ａに対応する複数の第２レンズ３１ａを有している。第２レンズアレイ３１は、重畳レンズ３３とともに、第１レンズアレイ３０の各第１レンズ３０ａの像を光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２レンズ３１ａ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３２は、白色光Ｗを特定の振動方向を有する直線偏光に変換する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と、位相差板と、ミラーと、を有している。偏光変換素子３２は、非偏光である蛍光Ｙの偏光方向と青色光Ｂの偏光方向とを揃えるため、他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する。偏光変換素子３２は、例えばＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換する。
重畳レンズ３３は、偏光変換素子３２からの各部分光束を集光して光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ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３０、第２レンズアレイ３１および重畳レンズ３３は、白色光Ｗ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。
次に、波長変換素子２３の構成について説明する。
図３は、本実施形態の波長変換素子２３の断面図である。
図３に示すように、波長変換素子２３は、波長変換層５１と、第１基板５２と、第１中間層５３と、第２基板５４と、第２中間層５５と、を有する。第２基板５４、第２中間層５５、第１基板５２、第１中間層５３、および波長変換層５１は、励起光Ｅが入射する側からこの順に積層されている。
波長変換層５１は、励起光Ｅを入射させる第１面５１ａと、第１面５１ａとは異なる面であって、蛍光Ｙを射出させる第２面５１ｂと、を有する。すなわち、波長変換層５１においては、第１面５１ａに第１波長帯の励起光Ｅが入射し、第２面５１ｂから第２波長帯の蛍光Ｙが射出される。波長変換層５１は、第１波長帯を有する励起光Ｅを第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する蛍光Ｙに変換するセラミック蛍光体を含んでいる。第２波長帯は、例えば４９０～７５０ｎｍであり、蛍光Ｙは、緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。なお、波長変換層５１は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。
波長変換層５１は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例にとると、波長変換層５１として、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ３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、共沈法やソ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。
波長変換層５１を構成するＹＡＧの線膨張係数は、８×１０－６／℃である。波長変換層を構成するＹＡＧの熱伝導率は、８～１１Ｗ／ｍｍ・Ｋである。波長変換層５１の厚さは、４０～２００μｍであり、好ましくは５０～１００μｍである。本明細書において、各層の厚さは、励起光Ｅまたは光ＢＬの入射方向に沿う方向の大きさと定義する。
第１基板５２は、波長変換層５１の第１面５１ａと対向して設けられている。第１基板５２は、セラミック放熱基板５２１と、第１反射層５２２と、第２反射層５２３と、を有する。セラミック放熱基板５２１は、励起光Ｅが入射する第１面５２１ａと、第１面５２１ａとは異なる第２面５２１ｂと、を有する。セラミック放熱基板５２１は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック材料から構成されている。
第１反射層５２２は、セラミック放熱基板５２１の第１面５２１ａに設けられている。第２反射層５２３は、セラミック放熱基板５２１の第２面５２１ｂに設けられている。第１反射層５２２および第２反射層５２３のそれぞれは、屈折率が互いに異なる２種類の誘電体膜、例えばシリコン酸化膜とチタン酸化膜とが交互に積層された誘電体多層膜から構成されている。
第１反射層５２２および第２反射層５２３のそれぞれは、第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する特性を有する。すなわち、第１反射層５２２および第２反射層５２３のそれぞれは、励起光Ｅを透過させ、蛍光Ｙを反射させる。本実施形態の場合、第２反射層５２３に加えて、第１反射層５２２が設けられているため、波長変換層５１から射出され、第２反射層５２３で反射することなく、第２反射層５２３を透過した蛍光Ｙを第１反射層５２２で反射させ、波長変換層５１に戻すことができる。これにより、波長変換層５１の第２面５１ｂから射出させる蛍光Ｙの量を増やすことができる。
セラミック放熱基板５２１を構成するＳｉＣの線膨張係数は、４～５×１０－６／℃である。セラミック放熱基板５２１を構成するＳｉＣの熱伝導率は、３００～５００Ｗ／ｍｍ・Ｋである。セラミック放熱基板５２１の厚さは、０．２～１ｍｍであり、例えば０．５ｍｍである。セラミック放熱基板５２１の厚さは第１反射層５２２および第２反射層５２３の厚さに比べて十分に厚いため、第１基板５２の物性および厚さはセラミック放熱基板５２１の物性および厚さで近似できると考えられる。したがって、第１基板５２の線膨張係数は、４～５×１０－６／℃である。第１基板５２の熱伝導率は、３００～５００Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第１基板５２の厚さは、０．２～１ｍｍである。
また、波長変換層５１の第１面５１ａの面積は、第１基板５２の第２面５２ｂの面積よりも小さい。そのため、第２面５２ｂの法線方向から見て、第１基板５２の周縁部は、波長変換層５１の外側にはみ出している。
第１中間層５３は、波長変換層５１と第１基板５２との間に設けられている。第１中間層５３は、波長変換層５１の第１面５１ａに設けられた第１接合層５３１と、第１基板５２の第２面５２ｂに設けられた第２接合層５３２と、から構成されている。第１接合層５３１および第２接合層５３２のそれぞれは、光透過率が高いシロキサン化合物から構成されている。本実施形態では、第１接合層５３１および第２接合層５３２のそれぞれは、オクタメチルトリシロキサンから構成されている。第１接合層５３１は波長変換層５１の第１面５１ａに設けられ、第２接合層５３２は第１基板５２の第２面５２ｂに設けられているため、第１接合層５３１の面積は、第２接合層５３２の面積よりも小さい。そのため、第２面５２ｂの法線方向から見て、第２接合層５３２の周縁部は、第１接合層５３１の外側にはみ出している。
第１中間層５３を構成するオクタメチルトリシロキサンの熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第１中間層５３を構成するオクタメチルトリシロキサンのヤング率は、酸化シリコンのヤング率と同等と見なすと、７２ＧＰａである。第１中間層５３の厚さは、０．２～１μｍである。
第２基板５４は、第１基板５２の第１面５２ａと対向して設けられている。第２基板５４は、図２に示す集光光学系２２の第２レンズ２２ｂに対向する第１面５４ａと、第１面５４ａとは異なる第２面５４ｂと、を有する。第２基板５４は、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属材料から構成されている。本実施形態では、第２基板５４は、銅から構成されている。第２基板５４には、第１面５４ａと第２面５４ｂとを貫通する開口部５４ｈが設けられている。第２基板５４に開口部５４ｈが設けられたことにより、波長変換素子２３に照射される励起光Ｅは、開口部５４ｈを通して第１反射層５２２に入射する。
第２基板５４を構成する銅の線膨張係数は、１６．８×１０－６／℃である。第２基板５４を構成する銅の熱伝導率は、４００Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第２基板５４の厚さは、１．０～５．０ｍｍである。
第２中間層５５は、第１基板５２と第２基板５４との間に設けられている。第２中間層５５は、第１基板５２の第１反射層５２２の周縁部に設けられた銀層５５１と、第２基板５４の第２面５４ｂに設けられたナノ銀層５５２と、から構成されている。ナノ銀層５５２は、ナノ銀粒子を含むペーストを２００～３００℃で焼成して形成される。銀層５５１は、第１反射層５２２に設けられ、ナノ銀層５５２は、第２基板５４に設けられている。銀層５５１の面積は、ナノ銀層５５２の面積よりも小さい。そのため、第２面５１ｂの法線方向から見て、ナノ銀層５５２の周縁部は、銀層５５１の外側にはみ出している。また、ナノ銀層５５２の面積は、第２基板５４の第２面５４ｂの面積よりも小さい。そのため、第２面５１ｂの法線方向から見て、第２基板５４の周縁部は、ナノ銀層５５２の外側にはみ出している。
第２中間層５５を構成する銀の熱伝導率は、１５０～２１３Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第２中間層５５を構成する銀のヤング率は、１５～３０ＧＰａである。第２中間層５５の厚さは、３０～６０μｍである。
なお、波長変換層５１の第２面５１ｂには、反射防止層が設けられていてもよい。反射防止層としては、周知の反射防止膜を用いることができる。
各部材の物性および厚さの大小関係は、以下の通りである。
第１基板５２（ＳｉＣ）の線膨張係数は、波長変換層５１（ＹＡＧ）の線膨張係数よりも小さい。波長変換層５１（ＹＡＧ）の線膨張係数は、第２基板５４（Ｃｕ）の線膨張係数よりも小さい。第１基板５２（ＳｉＣ）の線膨張係数は、第２基板５４（Ｃｕ）の線膨張係数よりも小さい。第１基板５２（ＳｉＣ）の熱伝導率は、波長変換層５１（ＹＡＧ）の熱伝導率よりも大きい。第２基板５４（Ｃｕ）の熱伝導率は、波長変換層５１（ＹＡＧ）の熱伝導率よりも大きい。第１中間層５３（オクタメチルトリシロキサン）の厚さは、波長変換層５１（ＹＡＧ）の厚さよりも小さい。第１中間層５３（オクタメチルトリシロキサン）の厚さは、第１基板５２（ＳｉＣ）の厚さよりも小さい。第１中間層５３（オクタメチルトリシロキサン）の厚さは、第２中間層５５（銀）の厚さよりも小さい。第２中間層５５（銀）のヤング率は、第１中間層５３（オクタメチルトリシロキサン）のヤング率よりも小さい。
以下、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法について説明する。
図４Ａ～図４Ｄは、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。
最初に、図４Ａに示すように、波長変換層５１の第１面５１ａに第１接合層５３１を形成する（第１工程）。このとき、プラズマＣＶＤ法を用いて波長変換層５１の第１面５１ａにオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第１接合層５３１を形成する。
次に、図４Ｂに示すように、蒸着法、スパッタ法等によってセラミック放熱基板５２１の第１面５２１ａに誘電体多層膜を形成し、第１反射層５２２を形成する。同様に、蒸着法、スパッタ法等によってセラミック放熱基板５２１の第２面５２１ｂに誘電体多層膜を形成し、第２反射層５２３を形成する。これにより、セラミック放熱基板５２１の第１面５２１ａに第１反射層５２２が形成され、第２面５２１ｂに第２反射層５２３が形成された第１基板５２が作製される。なお、第１反射層５２２と第２反射層５２３とを形成する順番は、いずれが先であってもよい。
次に、第１反射層５２２の第１面５２２ａに銀層５５１を形成する。このとき、マスクを用いた蒸着法、スパッタ法等によって開口部５５１ｈを有する銀層５５１を形成する。または、蒸着法、スパッタ法等によって第１反射層５２２の第１面５２２ａの全域に銀層５５１を形成した後、エッチングによって銀層５５１の中央部に開口部５５１ｈを形成する。
次に、第１基板５２の第２反射層５２３上に第２接合層５３２を形成する（第２工程）。このとき、第１工程と同様、プラズマＣＶＤ法を用いて第２反射層５２３上にオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第２接合層５３２を形成する。なお、第１工程と第２工程とは、いずれが先であってもよい。
次に、図４Ｃに示すように、第２基板５４の第２面５４ｂにナノ銀粒子を含むペーストを塗布し、ナノ銀層５５２を形成する。
次に、銀層５５１が形成された第１基板５２とナノ銀層５５２が形成された第２基板５４とを接合する。このとき、銀層５５１とナノ銀層５５２とが密着するように第１基板５２と第２基板５４とを対向させ、２００～３００℃の温度で焼成することにより、第１基板５２の第１面５２ａと第２基板５４の第２面５４ｂとを第３接合層５５３によって接合する（第３工程）。なお、第３接合層５５３は、第２中間層５５に相当する。
なお、第１基板５２と第２基板５４とを接合する第３接合層５５３として、ナノ銀層５５２に代えて、半田が用いられてもよい。ただし、半田の熱伝導率は２０～７０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対して、ナノ銀の熱伝導率は１５０～３００Ｗ／ｍ・Ｋと高いため、ナノ銀層５５２による接合は放熱性に優れる。したがって、放熱性を高める観点では、ナノ銀層５５２を用いることが望ましい。
次に、図４Ｄに示すように、プラズマ重合法を用いて第１接合層５３１と第２接合層５３２とを接合して第４接合層５３３を形成し、波長変換層５１と第１基板５２とを接合する（第４工程）。この際、波長変換層５１と第１基板５２とを接合する前に、第１接合層５３１にプラズマを照射することによりエネルギーを付与する（第５工程）。これにより、第１接合層５３１の表面の分子が活性化し、第１接合層５３１の表面にメチル基が少ない活性層５３１Ａが形成される。同様に、第２接合層５３２にプラズマを照射することによりエネルギーを付与する（第６工程）。これにより、第２接合層５３２の表面の分子が活性化し、第２接合層５３２の表面にメチル基が少ない活性層５３２Ａが形成される。第５工程は、第１工程の後であって、第４工程の前であれば、他の工程との順番は問わない。また、第６工程は、第２工程の後であって、第４工程の前であれば、他の工程との順番は問わない。なお、第５工程と第６工程とは同時に行われてもよい。
その後、第１接合層５３１と第２接合層５３２とを密着させて、常温で加圧して接合する。ここで、第１接合層５３１の活性層５３１Ａの結合手と第２接合層５３２の活性層５３２Ａの結合手とが結合し、これらの分子結合によって波長変換層５１と第１基板５２とが接合される。よって、波長変換層５１の第１面５１ａと第１基板５２の第２面５２ｂとが第４接合層５３３によって接合される。なお、第４接合層５３３は、第１中間層５３に相当する。
なお、第３工程の接合温度は２００～３００℃の温度であるのに対し、第４工程の接合温度は常温である。すなわち、第３工程の接合温度は、第４工程の接合温度よりも高い。
すなわち、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法は、波長変換層５１に第１接合層５３１を形成する第１工程と、第１基板５２に第２接合層５３２を形成する第２工程と、第１工程および第２工程の後であって、波長変換層５１の第１接合層５３１が形成された面とは異なる面および第１基板５２の第２接合層５３２が形成された面とは異なる面のいずれか一方と第２基板５４とを第３接合層５５３によって接合する第３工程と、第３工程の後であって、第１接合層５３１と第２接合層５３２とを接合して第４接合層５３３を形成する第４工程と、を備え、第１基板５２の線膨張係数は、波長変換層５１の線膨張係数よりも小さく、波長変換層５１の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さく、第１基板５２の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さい。
なお、反射防止層は、波長変換層５１と第１基板５２とを接合する前に波長変換層５１の第２面５１ｂに形成してもよいし、波長変換層５１と第１基板５２とを接合した後に波長変換層５１の第２面５１ｂに形成してもよい。
［第１実施形態の効果］
本実施形態の波長変換素子２３は、第１波長帯の励起光Ｅを第１波長帯とは異なる第２波長帯の蛍光Ｙに変換する波長変換層５１と、第１基板５２と、第２基板５４と、波長変換層５１と第１基板５２との間に設けられる第１中間層５３と、第１基板５２と第２基板５４との間に設けられる第２中間層５５と、を備え、第１基板５２の線膨張係数は、波長変換層５１の線膨張係数よりも小さく、波長変換層５１の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さく、第１基板５２の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さく、第１基板５２の熱伝導率は、波長変換層５１の熱伝導率よりも大きく、第２基板５４の熱伝導率は、波長変換層５１の熱伝導率よりも大きく、第１中間層５３の厚さは、波長変換層５１の厚さよりも小さく、第１中間層５３の厚さは、第１基板５２の厚さよりも小さく、第１中間層５３の厚さは、第２中間層５５の厚さよりも小さい。
この構成によれば、波長変換層５１の熱伝導率は、第１基板５２の熱伝導率および第２基板５４の熱伝導率よりも小さいため、波長変換層５１自体では波長変換層５１で生じた熱を放出しにくい。ところが、波長変換層５１で生じた熱は、第１中間層５３を介して波長変換層５１よりも熱伝導率の高い第１基板５２に伝達されやすく、さらには第２中間層５５を介して波長変換層５１よりも熱伝導率の高い第２基板５４に伝達されやすいため、第１基板５２および第２基板５４から速やかに放出される。そのため、波長変換層５１、第１基板５２および第２基板５４の線膨張係数が上記の大小関係を有していたとしても、波長変換層５１で生じた熱が速やかに放熱されるため、線膨張係数差によって波長変換層５１と第１基板５２とが剥離することを抑制できる。
さらに、第１中間層５３の厚さは、波長変換層５１の厚さ、第１基板５２の厚さ、第２中間層５５の厚さのいずれよりも小さいため、波長変換層５１の熱が第１中間層５３を介して第１基板５２に伝達される際に第１中間層５３に及ぼす影響を最小限に抑制することができる。したがって、波長変換層５１で生じた熱は速やかに放熱され、線膨張係数差によって波長変換層５１と第１基板５２とが剥離することを抑制することができる。
また、本実施形態の波長変換素子２３において、銀からなる第２中間層５５のヤング率は、オクタメチルトリシロキサンからなる第１中間層５３のヤング率よりも小さい。
この構成によれば、第２中間層５５の硬度は第１中間層５３の硬度よりも低いため、波長変換層５１と第２基板５４との線膨張係数差、または第１基板５２と第２基板５４との線膨張係数差によって生じる熱応力を緩和することができる。特に本実施形態の場合、第１基板５２と第２基板５４との線膨張係数差が波長変換層５１と第２基板５４との線膨張係数差よりも大きいため、第２中間層５５の硬度が第１中間層５３の硬度よりも低い場合には第１基板５２と第２基板５４とに生じる熱応力を効果的に緩和することができる。これにより、波長変換素子２３の信頼性の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の波長変換素子２３において、波長変換層５１の面積は、第１基板５２の面積よりも小さい。
この構成によれば、波長変換層５１の第１面５１ａの全域が第１中間層５３を介して第１基板５２と対向するため、伝熱経路を十分に広く確保することができる。これにより、波長変換層５１から第１基板５２への放熱性が高められ、波長変換層５１と第１基板５２との線膨張係数差によって生じる熱応力を緩和することができる。
また、本実施形態の波長変換素子２３において、波長変換層５１は、第１面５１ａと、第１面５１ａとは異なる第２面５１ｂと、を有し、第１面５１ａに第１波長帯の励起光Ｅが入射し、第２面５１ｂから第２波長帯の蛍光Ｙが射出される。
上記の構成は、いわゆる透過型の波長変換素子である。本実施形態の波長変換素子２３によれば、一般的に波長変換層からの放熱が難しい透過型の波長変換素子であっても、波長変換層５１によって生じる熱を効率良く放出することができ、波長変換素子２３の信頼性の低下を抑制することができる。
本実施形態の第１光源装置１１は、上記の波長変換素子２３と、第１波長帯の励起光Ｅを波長変換素子２３に射出する発光素子２０ａ１と、を備える。
この構成によれば、信頼性に優れた第１光源装置１１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、上記の第１光源装置１１と、第１光源装置１１からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒと、光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒにより変調された光を投射する投射光学装置６と、を備える。
この構成によれば、信頼性に優れたプロジェクター１を実現することができる。
本実施形態の波長変換素子２３の製造方法は、波長変換層５１に第１接合層５３１を形成する第１工程と、第１基板５２に第２接合層５３２を形成する第２工程と、第１工程および第２工程の後であって、波長変換層５１の第１接合層５３１が形成された第１面５３１ａとは異なる第２面５３１ｂおよび第１基板５２の第２接合層５３２が形成された第２面５２ｂとは異なる第１面５２ａのいずれか一方と第２基板５４とを第３接合層５５３によって接合する第３工程と、第３工程の後であって、第１接合層５３１と第２接合層５３２とを接合して第４接合層５３３を形成する第４工程と、を備え、第１基板５２の線膨張係数は、波長変換層５１の線膨張係数よりも小さく、波長変換層５１の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さく、第１基板５２の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さい。
第１基板５２の線膨張係数と波長変換層５１の線膨張係数が異なり、第３接合層５５３による接合時、すなわち第３工程に加熱が必要である場合、第３接合層５５３による接合を行う前に、第１接合層５３１と第２接合層５３２によって第１基板５２と波長変換層５１とが接合されていたとすると、第１基板５２と波長変換層５１との線膨張係数差によって第１基板５２と波長変換層５１とが剥離するおそれがあった。これに対し、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法によれば、第３接合層５５３による接合後に第１接合層５３１と第２接合層５３２によって第１基板５２と波長変換層５１とを接合するため、第１基板５２の線膨張係数と波長変換層５１の線膨張係数とが異なる場合であっても、第１基板５２と波長変換層５１とが剥離することを抑制できる。これにより、上記の効果を有する波長変換素子２３が得られる。
また、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法において、第３工程の接合温度は第４工程の接合温度よりも高い。
この構成によれば、相対的に高い接合温度による第３工程の接合を行った後に相対的に低い接合温度による第４工程の接合を行うため、第１接合層５３１と第２接合層５３２とが接合された第４接合層５３３に大きな熱応力が加わらず、第１基板５２と波長変換層５１との剥離を抑制できる、という上記の効果を一層高められる。
また、本実施形態の波長変換素子２３の製造方法は、第１接合層５３１にエネルギーを付与する第５工程と、第２接合層５３２にエネルギーを付与する第６工程と、をさらに備え、第４工程は、第５工程および第６工程の後であって、第１接合層５３１と第２接合層５３２とを加圧して接合する。
この構成によれば、第４工程の接合温度を常温とすることができるため、第４工程の接合時に熱応力が発生することがなく、第１基板５２と波長変換層５１との剥離を確実に抑制できる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５、および図６Ａ～図６Ｅ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照明装置の構成は第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照明装置の全体の説明は省略する。
図５は、第２実施形態の波長変換素子６１の断面図である。
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。
図５に示すように、波長変換素子６１は、波長変換層５１と、第１基板５２と、第１中間層５３と、第２基板５４と、第２中間層５５と、第３基板６３と、第３中間層６４と、を有する。第２基板５４、第２中間層５５、第１基板５２、第１中間層５３、波長変換層５１、第３中間層６４、および第３基板６３は、励起光Ｅが入射する側からこの順に積層されている。
第３基板６３は、波長変換層５１の第２面５１ｂと対向して設けられている。第３基板６３は、第１基板５２と同様、セラミック放熱基板から構成されている。第３基板６３は、蛍光Ｙが入射する第１面６３ａと、第１面ａとは異なる面であって、蛍光Ｙが射出される第２面６３ｂと、を有する。セラミック放熱基板は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミック材料から構成されている。なお、第３基板６３は、第１基板５２とは異なる材料からなる基板から構成されていてもよい。
第３基板６３を構成するＳｉＣの線膨張係数は、４～５×１０－６／℃である。第３基板６３を構成するＳｉＣの熱伝導率は、３００～５００Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第３基板６３の厚さは、０．０５～０．５ｍｍであり、例えば０．１ｍｍである。したがって、第３基板６３の線膨張係数は、波長変換層５１の線膨張係数よりも小さい。第３基板６３の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さい。第３基板６３の熱伝導率は、波長変換層５１の熱伝導率よりも大きい。
第３中間層６４は、第３基板６３と波長変換層５１との間に設けられている。第３中間層６４は、波長変換層５１の第２面５１ｂに設けられた第５接合層６４５と、第３基板６３の第１面６３ａに設けられた第６接合層６４６と、から構成されている。第５接合層６４５および第６接合層６４６のそれぞれは、光透過率が高いシロキサン化合物から構成されている。本実施形態では、第５接合層６４５および第６接合層６４６のそれぞれは、オクタメチルトリシロキサンから構成されている。
第３中間層６４を構成するオクタメチルトリシロキサンの熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍｍ・Ｋである。第３中間層６４を構成するオクタメチルトリシロキサンのヤング率は、酸化シリコンのヤング率と同等と見なすと、７２ＧＰａである。第３中間層６４の厚さは、０．２～１μｍである。したがって、第３中間層６４の厚さは、波長変換層５１の厚さよりも小さい。第３中間層６４の厚さは、第１基板５２の厚さよりも小さい。第３中間層６４の厚さは、第２中間層５５の厚さよりも小さい。また、第２中間層５５のヤング率は、第３中間層６４のヤング率よりも小さい。
なお、第３基板６３の第２面６３ｂに、反射防止層が設けられていてもよい。
波長変換素子６１のその他の構成は、第１実施形態の波長変換素子２３と同様である。
以下、本実施形態の波長変換素子６１の製造方法について説明する。
図６Ａ～図６Ｅは、本実施形態の波長変換素子の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。
図６Ａに示すように、第１実施形態と同様の手順によって、第１基板５２と第２基板５４とを第３接合層５５３によって接合した後、第１基板５２と波長変換層５１とを第４接合層５３３によって接合する。次に、波長変換層５１の第２面５１ｂに第５接合層６４５を形成する。このとき、プラズマＣＶＤ法を用いて波長変換層５１の第２面５１ｂにオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第５接合層６４５を形成する。
次に、図６Ｂに示すように、第３基板６３の第１面６３ａに第６接合層６４６を形成する。このとき、プラズマＣＶＤ法を用いて第３基板６３の第１面６３ａにオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第６接合層６４６を形成する。
次に、図６Ｃに示すように、波長変換層５１の第２面５１ｂに形成した第５接合層６４５に対してプラズマＰを照射して、エネルギーを付与する。これにより、第５接合層６４５にはメチル基が少ない活性層６４５Ａが形成され、第５接合層６４５は、接着性を発現する。
次に、図６Ｄに示すように、第３基板６３の第１面６３ａに形成した第６接合層６４６に対してプラズマＰを照射して、エネルギーを付与する。これにより、第６接合層６４６にはメチル基が少ない活性層６４６Ａが形成され、第６接合層６４６は、接着性を発現する。
次に、図６Ｅに示すように、プラズマ重合法を用いて第５接合層６４５と第６接合層６４６とを接合して第３中間層６４を形成し、波長変換層５１と第３基板６３とを接合する。上記のように、第５接合層６４５および第６接合層６４６にエネルギーが付与されると、第５接合層６４５および第６接合層６４６の表面に活性層６４５Ａ，６４６Ａがそれぞれ形成される。その後、第５接合層６４５と第６接合層６４６とを密着させ、常温で加圧して接合する。このとき、第５接合層６４５の活性層６４５Ａの結合手と第６接合層６４６の活性層６４６Ａの結合手とが結合し、これらの分子結合によって波長変換層５１と第３基板６３とが接合される。
なお、反射防止層は、波長変換層５１と第３基板６３とを接合する前に第３基板６３の第２面６３ｂに予め形成しておいてもよいし、波長変換層５１と第３基板６３とを接合した後に第３基板６３の第２面６３ｂに形成してもよい。
［第２実施形態の効果］
本実施形態においても、波長変換層５１で生じた熱が速やかに放熱され、線膨張係数差に起因する波長変換層５１と第１基板５２との剥離を抑制できる、といった第１実施形態の同様の効果が得られる。
また、本実施形態の波長変換素子６１は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第３基板６３と、波長変換層５１と第３基板６３との間に設けられる第３中間層６４と、をさらに備え、第３基板６３の線膨張係数は、波長変換層５１の線膨張係数よりも小さく、第３基板６３の線膨張係数は、第２基板５４の線膨張係数よりも小さく、第３基板６３の熱伝導率は、波長変換層５１の熱伝導率よりも大きく、第３中間層６４の厚さは、波長変換層５１の厚さよりも小さく、第３中間層６４の厚さは、第１基板５２の厚さよりも小さく、第３中間層６４の厚さは、第２中間層５５の厚さよりも小さい。
本実施形態の構成によれば、波長変換層５１で生じた熱は、第１基板５２に伝達されることに加えて、第３中間層６４を介して波長変換層５１よりも熱伝導率の高い第３基板６３に伝達され、第３基板６３から放出される。これにより、波長変換層５１で生じた熱は、第１面５１ａと第２面５１ｂとの双方から伝達され、速やかに放出される。これにより、線膨張係数差によって波長変換層５１と第１基板５２とが剥離することを抑制できるとともに、波長変換層５１と第３基板６３とが剥離することを抑制できる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図７～図８、および図９Ａ～図９Ｂを用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターの構成は第１実施形態と同様であり、照明装置および波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体の説明は省略する。
図７は、第２実施形態の照明装置の概略構成図である。
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、説明を省略する。
図７に示すように、照明装置１６は、光源装置１７と、均一化照明手段１４と、を備えている。
光源装置１７は、アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系１８と、アフォーカル光学系１９と、第１位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第１集光光学系２６と、波長変換素子６７と、第２位相差板２８ｂと、第２集光光学系２９と、拡散反射素子６８と、を備える。
アレイ光源２１Ａと、コリメーター光学系１８と、アフォーカル光学系１９と、第１位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第２位相差板２８ｂと、第２集光光学系２９と、拡散反射素子６８とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、波長変換素子６７と、第１集光光学系２６と、偏光分離素子２５と、第１レンズアレイ３０と、第２レンズアレイ３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３とは、照明光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。
アレイ光源２１Ａは、複数の発光素子２０ａ１を備える。複数の発光素子２０ａ１は、光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に並んで配置されている。発光素子２０ａ１は、例えばピーク波長が４４５ｎｍの青色の光ＢＬを射出する。アレイ光源２１Ａは、複数の光ＢＬからなる光線束を射出する。
アレイ光源２１Ａから射出された光ＢＬは、コリメーター光学系１８に入射する。コリメーター光学系１８は、アレイ光源２１Ａから射出された光ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系１８は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ１８ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ１８ａは、複数の発光素子２０ａ１に対応して配置されている。
コリメーター光学系１８を通過した光ＢＬは、アフォーカル光学系１９に入射する。
アフォーカル光学系１９は、光ＢＬの光束径を調整する。アフォーカル光学系１９は、例えば凸レンズ１９ａと、凹レンズ１９ｂと、から構成されている。
アフォーカル光学系１９を通過した光ＢＬは、第１位相差板２８ａに入射する。第１位相差板２８ａは、例えば回転可能とされた１／２波長板である。発光素子２０ａ１から射出された光ＢＬは直線偏光である。第１位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１位相差板２８ａを透過する光ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光とすることができる。第１位相差板２８ａを回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。
第１位相差板２８ａを通過することで生成されたＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光ＢＬは、偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、例えば波長選択性を有する偏光ビームスプリッターから構成されている。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１および照明光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなしている。
偏光分離素子２５は、光ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分の光ＢＬｓとＰ偏光成分の光ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子２５は、Ｓ偏光成分の光ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光ＢＬｐを透過させる。さらに、偏光分離素子２５は、光ＢＬとは波長帯が異なる蛍光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。
偏光分離素子２５から射出されたＳ偏光の光ＢＬｓは、第１集光光学系２６に入射する。第１集光光学系２６は、光ＢＬｓを波長変換素子６７に向けて集光させる。
本実施形態において、第１集光光学系２６は、例えば第１レンズ２６ａと、第２レンズ２６ｂと、から構成されている。第１集光光学系２６から射出された光ＢＬｓは、波長変換素子６７に集光した状態で入射する。
波長変換素子６７で生成された蛍光ＹＬは、第１集光光学系２６で平行化された後、偏光分離素子２５に入射する。蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５を透過する。
一方、偏光分離素子２５を透過したＰ偏光の光ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂに入射する。第２位相差板２８ｂは、偏光分離素子２５と拡散反射素子６８との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂによって、例えば右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１に変換された後、第２集光光学系２９に入射する。
第２集光光学系２９は、例えば第１凸レンズ２９ａと、第２凸レンズ２９ｂと、から構成されている。第２集光光学系２９は、青色光ＢＬｃ１を集光させた状態で拡散反射素子６８に入射させる。
拡散反射素子６８は、偏光分離素子２５に対して波長変換素子６７とは異なる側に配置されている。拡散反射素子６８は、第２集光光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ１を偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子６８としては、青色光ＢＬｃ１をランバート拡散に近い分布で反射させ、かつ、偏光状態を乱さないものを用いることが好ましい。
以下、拡散反射素子６８によって拡散反射された光を青色光ＢＬｃ２と称する。本実施形態によれば、青色光ＢＬｃ１を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光ＢＬｃ２が得られる。例えば右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１は、拡散反射素子６８によって反射されることにより、左回り円偏光の青色光ＢＬｃ２となる。
青色光ＢＬｃ２は、第２集光光学系２９によって平行光に変換された後、再び第２位相差板２８ｂに入射する。左回り円偏光の青色光ＢＬｃ２は、第２位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５によって第１レンズアレイ３０に向けて反射される。
これにより、青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５を透過した蛍光ＹＬとともに、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬｓ１および蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５から互いに同一方向に向けて射出されることにより、青色光ＢＬｓ１と黄色の蛍光ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが生成される。
照明装置１６のその他の構成は、第１実施形態の照明装置２と共通である。
図８は、本実施形態の波長変換素子６７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、説明を省略する。
図８に示すように、波長変換素子６７は、波長変換層７１と、第１基板５２と、第１中間層５３と、第２基板５７と、第２中間層５８と、を有する。第１基板５２、第１中間層５３、波長変換層７１、第２中間層５８、および第２基板５７は、光ＢＬｓが入射する側からこの順に積層されている。第１実施形態および第２実施形態の波長変換素子２３，６１が透過型の波長変換素子であったのに対し、本実施形態の波長変換素子６７は反射型の波長変換素子である。
波長変換層７１は、光ＢＬｓが入射する側からこの順に積層された、蛍光体層７１１と、全反射層７１２と、増反射層７１３と、第１劣化防止層７１４と、反射層７１５と、第２劣化防止層７１６と、を有する。蛍光体層７１１は、第１実施形態の波長変換層５１と同一の構成を有する。波長変換層７１は、光ＢＬｓが入射されるとともに、蛍光ＹＬが射出される第１面７１ａと、第１面７１ａとは異なる第２面７１ｂと、を有する。
全反射層７１２は、第１酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）と第２酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）とを有する。増反射層７１３は、酸化ニオブ膜（Ｎｂ２Ｏ５）と酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）と酸化ニオブ膜（Ｎｂ２Ｏ５）と酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）との積層膜で構成されている。第１劣化防止層７１４は、酸化スズ（ＳｎＯ２）で構成される。反射層７１５は、銀膜（Ａｇ）で構成される。第２劣化防止層７１６は、酸化スズ（ＳｎＯ２）で構成される。なお、反射層７１５と第２劣化防止層７１６との間に、例えばニッケル（Ｎｉ）からなる拡散保護層が形成されていてもよい。
第１基板５２は、波長変換層７１の第１面７１ａと対向して配置されている。第１基板５２は、セラミック放熱基板から構成されている。セラミック放熱基板は、例えばＳｉＣから構成されている。第１基板５２と波長変換層７１とは、第１中間層５３を介して接合されている。第１中間層５３は、第１実施形態と同様、第１接合層５３１と、第２接合層５３２と、から構成されている。第１接合層５３１および第２接合層５３２のそれぞれは、例えばオクタメチルトリシロキサン等のシロキサン化合物から構成されている。したがって、第１実施形態と同様、第１中間層５３は、第４接合層５３３に相当する。
第２基板５７は、波長変換層７１の第２面７１ｂと対向して配置されている。第２基板５７は、金属放熱基板から構成されている。金属放熱基板は、例えばＣｕから構成されている。第２基板５７と波長変換層７１とは、第２中間層５８を介して接合されている。第２中間層５８は、第１実施形態と同様、銀層５８１と、ナノ銀層５８２と、から構成されている。したがって、第１実施形態と同様、第２中間層５８は、第３接合層５８３に相当する。
以下、本実施形態の波長変換素子６７の製造方法について説明する。
図９Ａ～図９Ｂは、本実施形態の波長変換素子６７の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。
図９Ａに示すように、第１基板５２の第２面５２ｂに第２接合層５３２を形成する。このとき、プラズマＣＶＤ法を用いて第１基板５２の第２面５２ｂにオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第２接合層５３２を形成する。
次に、図９Ｂに示すように、波長変換層７１を作製した後、波長変換層７１と第２基板５７とを第３接合層５８３によって接合する。波長変換層７１を作製する際には、ポリシラザンを含む原料を用いた液相法によって蛍光体層７１１の第２面７１１ｂに第１酸化シリコン膜を成膜した後、蒸着法により第２酸化シリコン膜を成膜し、全反射層７１２を形成する。次に、蒸着法によって酸化ニオブ膜、酸化シリコン膜、酸化ニオブ膜、酸化アルミニウム膜を順次成膜し、増反射層７１３を形成する。次に、蒸着法によって酸化スズ膜を成膜し、第１劣化防止層７１４を形成する。次に、蒸着法によって銀膜を成膜し、反射層７１５を形成する。次に、蒸着法によって酸化スズ膜を成膜し、第２劣化防止層７１６を形成する。
波長変換層７１と第２基板５７とを接合する際には、第１実施形態と同様、銀層５８１が形成された波長変換層７１とナノ銀層５８２が形成された第２基板５７とを接合する。このとき、銀層５８１とナノ銀層５８２とが密着するように波長変換層７１と第２基板５７とを対向させ、２００～３００℃の温度で焼成することにより、波長変換層７１の第２面７１ｂと第２基板５７とを第３接合層５８３によって接合する。
次に、第１実施形態と同様の方法により、波長変換層７１の第１面７１ａに第１接合層５３１を形成する。具体的には、プラズマＣＶＤ法を用いて波長変換層７１の第１面７１ａにオクタメチルトリシロキサン膜を成膜し、オクタメチルトリシロキサンからなる第１接合層５３１を形成する。
次に、第１実施形態と同様の方法により、波長変換層７１と第１基板５２とを接合する。すなわち、第１接合層５３１および第２接合層５３２のそれぞれにプラズマを照射し、第１接合層５３１および第２接合層５３２の表面を活性化させる。このとき、第１接合層５３１および第２接合層５３２の表面には、メチル基が少ない活性層が形成される。その後、第１接合層５３１と第２接合層５３２とを密着させ、常温で加圧して接合する。このとき、第１接合層５３１の活性層の結合手と第２接合層５３２の活性層の結合手とが結合し、これらの分子結合によって波長変換層７１と第１基板５２とが接合される。
［第３実施形態の効果］
本実施形態においても、波長変換層７１で生じた熱が第１基板５２および第２基板５７によって速やかに放熱され、線膨張係数差に起因する波長変換層７１と第１基板５２との剥離を抑制できる、といった第１実施形態の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。
例えば上記第１実施形態においては、第１基板５２として、セラミック放熱基板５２１の第１面５２１ａに第１反射層５２２が設けられ、セラミック放熱基板５２１の第２面５２１ｂに第２反射層５２３が設けられ、第１反射層５２２および第２反射層５２３は、励起光Ｅを透過させ、蛍光Ｙを反射させる特性を有していた。この構成において、第２反射層５２３に代えて、第１波長帯の励起光Ｅの反射を抑制する反射防止膜が設けられていてもよい。
また、第１接合層５３１と第２接合層５３２との接合法については、上記実施形態で用いたプラズマ重合法の他に、原子拡散接合法を用いることができる。
上記第３実施形態では、回転可能とされていない固定型の波長変換素子６７の例を挙げたが、本発明は、モーターによって回転可能とされた波長変換素子を有する光源装置にも適用が可能である。
その他、光源装置、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、本発明による光源装置を、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。本発明による光源装置を、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。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、１つの光変調装置のみを有していてもよい。
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。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換層と、第１基板と、第２基板と、前記波長変換層と前記第１基板との間に設けられる第１中間層と、前記波長変換層と前記第１基板のいずれか一方と前記第２基板との間に設けられる第２中間層と、を備え、前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、前記第１中間層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、前記第１中間層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、前記第１中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さよりも小さい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２中間層のヤング率は、前記第１中間層のヤング率よりも小さくてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第３基板と、前記波長変換層と前記第３基板との間に設けられる第３中間層と、をさらに備え、前記第３基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、前記第３基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、前記第３中間層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、前記第３中間層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、前記第３中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さよりも小さくてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第２中間層のヤング率は、前記第３中間層のヤング率よりも小さくてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換層の面積は、前記第１基板の面積よりも小さくてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換層は、第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有し、前記第１面に前記第１波長帯の光が入射し、前記第２面から前記第２波長帯の光が射出されてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、以下の構成を有していてもよい。
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、前記第１波長帯の光を前記波長変換素子に射出する発光素子と、を備える。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
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装置と、を備える。
本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法は、波長変換層に第１接合層を形成する第１工程と、第１基板に第２接合層を形成する第２工程と、前記第１工程および前記第２工程の後であって、前記波長変換層の前記第１接合層が形成された面とは異なる面および前記第１基板の前記第２接合層が形成された面とは異なる面のいずれか一方と第２基板とを第３接合層によって接合する第３工程と、前記第３工程の後であって、前記第１接合層と前記第２接合層とを接合して第４接合層を形成する第４工程と、を備え、前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さい。
本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法において、前記第３工程の接合温度は、前記第４工程の接合温度よりも高くてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子の製造方法は、前記第１接合層にエネルギーを付与する第５工程と、前記第２接合層にエネルギーを付与する第６工程と、をさらに備え、前記第４工程は、前記第５工程および前記第６工程の後であって、前記第１接合層と前記第２接合層とを加圧して接合してもよい。
１…プロジェクター、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、１１…第１光源装置（光源装置）、１７…光源装置、２３，６１，６７…波長変換素子、５１，７１…波長変換層、５１ａ，７１ａ…第１面、５１ｂ，７１ｂ…第２面、５２…第１基板、５３…第１中間層、５４，５７…第２基板、５５，５８…第２中間層、６３…第３基板、６４…第３中間層、２０ａ１…発光素子、５３１…第１接合層、５３２…第２接合層、５３３…第４接合層、５５３，５８３…第３接合層、ＢＬ…光（第１波長帯の光）、Ｅ…励起光（第１波長帯の光）、Ｙ，ＹＬ…蛍光（第２波長帯の光）。

Claims (10)

  1. 第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換層と、
    第１基板と、
    第２基板と、
    前記波長変換層と前記第１基板との間に設けられる第１中間層と、
    前記波長変換層と前記第１基板のいずれか一方と前記第２基板との間に設けられる第２中間層と、
    前記第２基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する第３基板と、
    前記波長変換層と前記第３基板との間に設けられる第３中間層と、を備え、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、
    前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、
    前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
    前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
    前記第１中間層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、
    前記第１中間層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、
    前記第１中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さよりも小さく、
    前記第３基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、
    前記第３基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
    前記第３中間層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、
    前記第３中間層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、
    前記第３中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さよりも小さい、波長変換素子。
  2. 前記第２中間層のヤング率は、前記第１中間層のヤング率よりも小さい、請求項１に記載の波長変換素子。
  3. 前記第２中間層のヤング率は、前記第３中間層のヤング率よりも小さい、請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
  4. 第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換層と、
    第１基板と、
    第２基板と、
    前記波長変換層と前記第１基板との間に設けられる第１中間層と、
    前記波長変換層と前記第１基板のいずれか一方と前記第２基板との間に設けられる第２中間層と、を備え、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、
    前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、
    前記第１基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
    前記第２基板の熱伝導率は、前記波長変換層の熱伝導率よりも大きく、
    前記第１中間層の厚さは、前記波長変換層の厚さよりも小さく、
    前記第１中間層の厚さは、前記第１基板の厚さよりも小さく、
    前記第１中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さよりも小さく、
    前記波長変換層は、第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有し、
    前記第１面に前記第１波長帯の光が入射し、前記第２面から前記第２波長帯の光が射出される、波長変換素子。
  5. 前記波長変換層の面積は、前記第１基板の面積よりも小さい、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
  6. 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と、
    前記第１波長帯の光を前記波長変換素子に射出する発光素子と、
    を備える、光源装置。
  7. 請求項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装置と、
    を備える、プロジェクター。
  8. 波長変換層に第１接合層を形成する第１工程と、
    第１基板に第２接合層を形成する第２工程と、
    前記第１工程および前記第２工程の後であって、前記波長変換層の前記第１接合層が形成された面とは異なる面および前記第１基板の前記第２接合層が形成された面とは異なる面のいずれか一方と第２基板とを第３接合層によって接合する第３工程と、
    前記第３工程の後であって、前記第１接合層と前記第２接合層とを接合して第４接合層を形成する第４工程と、
    を備え、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記波長変換層の線膨張係数よりも小さく、
    前記波長変換層の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さく、
    前記第１基板の線膨張係数は、前記第２基板の線膨張係数よりも小さい、波長変換素子の製造方法。
  9. 前記第３工程の接合温度は、前記第４工程の接合温度よりも高い、請求項８に記載の波長変換素子の製造方法。
  10. 前記第１接合層にエネルギーを付与する第５工程と、
    前記第２接合層にエネルギーを付与する第６工程と、
    をさらに備え、
    前記第４工程は、前記第５工程および前記第６工程の後であって、前記第１接合層と前記第２接合層とを加圧して接合する、請求項８または請求項９に記載の波長変換素子の製造方法。
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