JPWO2014024218A1 - 蛍光体光学素子、その製造方法及び光源装置 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る蛍光体光学素子（１）は、励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子が含有された蛍光体層（２０）と、蛍光体層（２０）を保持する放熱基板（３０）とを備え、蛍光体層（２０）の励起光の入射面は、凹凸形状である。

Description

本発明は、プロジェクタや、リアプロジェクションテレビなどの薄型テレビに用いられる光源装置と、その光源装置に用いられる蛍光体光学素子とに関する。
近年、プロジェクタや薄型テレビなどの画像表示装置に用いられる光源装置に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの半導体発光素子が用いられるようになってきた。半導体発光素子は、従来の冷陰極管ランプや超高圧水銀ランプと異なり、特定の波長を効率よく発光させることができる。しかしながら、上述の画像表示装置の光源装置は、発光スペクトルとして波長４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色光と、波長４９０ｎｍ〜５７０ｎｍの緑色光と波長５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの赤色光の、いわゆるＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の３原色の光を含む必要がある。そこで、例えば特許文献１及び特許文献２には、半導体発光素子を用いた光源装置として、波長３８０ｎｍ〜４７０ｎｍの青紫色から青色の光を発光する半導体発光素子とこれらの半導体発光素子の光を吸収し、波長４３０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光を出射する蛍光体を組み合わせたものが提案されている。
以下、図１４および図１５を用いて、従来の光源装置の構成について説明する。
図１４は、従来の光源装置１０６３の平面模式図である。図１５は、従来の光源装置１０６３にかかる蛍光体ホイール１０７１についての平面図である。光源装置１０６３は、導光装置１０７５の中心軸と光軸が平行となるように配置された複数の青色レーザ発光器１０７２と、青色レーザ発光器１０７２の前方に配置された複数のコリメートレンズ１１４９と、コリメートレンズ１１４９を透過した光線束の光軸方向を９０度変換する反射ミラー群１１５０とが備えられている。
また、光源装置１０６３は、反射ミラー群１１５０で反射した励起光の光軸と回転軸が平行となるように励起光の光軸上に配置された蛍光体ホイール１０７１と、蛍光体ホイール１０７１を回転駆動するホイールモータ１０７３とを備えている。さらに、光源装置１０６３には、赤色波長領域光を射出する発光素子１０７４が備えられる。
蛍光体ホイール１０７１は、円形の発光板であって、ホイールモータ１０７３によって回転を制御される。この蛍光体ホイール１０７１は、青色レーザ発光器１０７２からの射出光を拡散する拡散領域１００１としてのセグメントと蛍光発光領域１００２としてのセグメントとが周方向に並設されてなる。この拡散領域１００１は、ガラス等の部材の表面に微細な凹凸が施されることで構成される。
蛍光発光領域１００２は、金属材料等の表面に緑色蛍光体層１００４が敷設されることでなる。この緑色蛍光体層１００４は、緑色蛍光体とバインダとにより形成されている。
このような従来の光源装置１０６３において、青色レーザ発光器１０７２から射出された光は、反射ミラー群１１５０により反射されたあと、レンズ１１５３ａ及びミラー１１５１ａを通り、集光レンズ群１１５５により蛍光体ホイール１０７１の所定の一面に集光される。
蛍光体ホイール１０７１の所定の一面に集光された青色光は、所定の時間帯においては、拡散領域１００１に集光されて拡散された光となる。拡散領域１００１で拡散された青色光は、ミラー１１５１ｂ、レンズ１１５３ｂ、ミラー１１５１ｄを伝搬し、レンズ１１５４にて導光装置１０７５に入射される。一方、上記拡散領域１００１において拡散されない時間帯においては、青色光は蛍光発光領域１００２に集光されて、蛍光発光領域１００２の緑色蛍光体において、緑色光の反射光となり、集光レンズ群１１５５、ミラー１１５１ａ、レンズ１１５３ｃ、ミラー１１５１ｃ、レンズ１１５３ｄ及びミラー１１５１ｄを伝搬し、レンズ１１５４により導光装置１０７５に入射される。つまり、所定の時間帯以外において、蛍光体ホイール１０７１の所定の一面に集光された青色光は、蛍光発光領域１００２で反射されて緑色光の反射光となり、導光装置１０７５に入射される。さらに発光素子１０７４から射出された赤色光はミラー１１５１ａを通り、緑色光と同じ光軸を通り導光装置１０７５に入射される。
このような構成で、青色光、緑色光及び赤色光が導光装置１０７５に入射される。導光装置１０７５を通過し光分布が整形された青色光、緑色光及び赤色光は、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device：デジタル・マイクロミラー・デバイス）である画像表示素子（図示なし）に透過もしくは反射することで所定の画像となり、投影される。
上記、従来技術において、緑色蛍光体層に含まれる蛍光体材料として、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体が用いられている。また、特許文献３には、波長３８０ｎｍ〜４７０ｎｍの光で励起できる他の緑色蛍光体材料として、β―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体が、特許文献４には、赤色光を発光できる赤色蛍光体として、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体が提案されている。
特開２００４−３４１１０５号公報 特開２０１１−５３３２０号公報 特開２００５−２５５８９５号公報 特開２００５−２３５９３４号公報
しかしながら従来の光源装置においては、以下のような課題が挙げられる。
まず、プロジェクタなどの画像表示装置においては画面の輝度としては一般的に３０００ルーメン程度が必要とされる。この場合、従来の光源装置においては、励起光源から放射された数１０ワットのエネルギーを有するレーザ光を蛍光体ホイールの緑色蛍光体に集光させ、緑色光として利用される。このため、集光領域の蛍光体に照射される光密度が非常に大きくなり、蛍光体における変換効率が飽和する、いわゆる光飽和が発生する。具体的に、蛍光体においては、励起光により、賦活された希土類イオンにおける電子が励起され、基底準位に緩和されることにより蛍光が発せられるが、従来の光源装置の蛍光体においては、光密度が非常に大きいため、励起される電子が枯渇する。このような励起準位が枯渇した蛍光体においては、励起光が蛍光に変換されずにそのまま蛍光体粒子の表面で反射されるため蛍光体における光の変換効率が低下する。このような光飽和を抑制するため、集光領域の面積を拡大し、光密度を低減させることが考えられるが、この場合、蛍光の発光面積が拡大し、発光面積と放射角の積である、所謂、エテンデュが大きくなり、その結果、後段の光学系でのロスが大きくなり画像表示装置の輝度が低下する。また、従来の光源装置は、偏光であるレーザ光を、無偏光である蛍光に変換する構成のため、画像表示素子として入射光の偏光が不要なＤＭＤを画像表示素子として用いる必要があり、液晶パネル等を用いて画像表示装置を簡単な構成にできないという課題もある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、画像表示装置の輝度を、簡便な方法で効率よく向上させることができる蛍光体光学素子及び光源装置を提供するものである。
上記の課題に対して、本発明に係る蛍光体光学素子は、励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子が含有された蛍光体含有層と、前記蛍光体含有層を保持する基板とを備え、前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面は、凹凸形状である。
この構成により、エテンデュを大きくすることなしに、蛍光体含有層の実効的な表面積を増加させ、蛍光体の光飽和を抑制することができる。また、励起光を蛍光体含有層の表面付近で乱反射させることができ、その結果、励起光を蛍光へ効率良く変換することができる。つまり、簡便な方法で、効率よく輝度を向上させることができる。
また、前記凹凸形状は、凹部と凸部とが周期的に変化する形状であり、当該凹凸形状のピッチは、前記蛍光体粒子の粒径より大きくてもよい。
この構成により、蛍光体含有層の実効的な表面積を容易に増加させ、蛍光体含有層の光飽和を抑制すると同時に、励起光が蛍光体含有層の表面付近で乱反射させることで効率良く、励起光を蛍光へ変換することができる。
また、さらに、前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面側に、前記励起光の波長に対して透明な透明基材を備えてもよい。
この構成により、蛍光体含有層の表面形状を容易に変形させることができる。
また、前記透明基材の前記蛍光体含有層側の面は、前記凹凸形状に応じた凹凸形状に形成されてもよい。
この構成により、蛍光体含有層の表面に凹凸形状を容易に形成することができる。
また、前記蛍光体含有層に含まれる前記蛍光体粒子の密度は、前記凹凸形状に向かって高くなってもよい。
この構成により、入射した励起光を、凹凸界面付近の蛍光体含有層で吸収しやすくすることができる。
また、前記基板は金属で構成されていてもよい。
この構成により、蛍光体含有層で発生した蛍光を効率良く入射側へ反射させることができるとともに蛍光体含有層で発生した熱を効率良く排熱させることができる。
また、前記蛍光体含有層を積層方向から見た外形は、円形であってもよい。
この構成により、蛍光体光学素子を、容易に回転させることが可能となり、特定の蛍光体領域に連続して光が入射することを防止することができる。
また、前記凹凸形状は、前記蛍光体含有層を積層方向から見た外形に対して同心円状に形成された複数の溝、もしくは外形に対して法線方向に形成された複数の溝により構成されてもよい。
この構成により、蛍光体光学素子から発せられる蛍光が一定の偏光性を有することができる。このような蛍光体光学素子は、偏光光学系の画像表示装置に適した光源装置を実現できる。
また、前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面に形成された凹凸形状の凸部の幅は、前記蛍光体粒子の粒径よりも大きく、かつ、前記蛍光体粒子から発せられる蛍光の波長よりも小さくてもよい。
この構成により、蛍光体光学素子から発せられる蛍光の偏光性をより高くすることができる。
また、前記蛍光体粒子は量子ドット蛍光体であってもよい。
また、本発明に係る蛍光体光学素子の製造方法は、励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子と熱もしくは光によって硬化する溶媒とが混合された蛍光体含有樹脂溶液を、上面が凹凸形状に形成された透明光学素子の上面に塗布する工程と、前記蛍光体含有樹脂溶液を熱もしくは光により硬化することにより、下面に凹凸形状を有する蛍光体含有層を形成する工程とを含む。
これにより、蛍光体含有層に含まれる蛍光体粒子の密度を凹凸形状に向かって高くすることができ、その結果、入射した励起光を、凹凸界面付近の蛍光体含有層で吸収しやすくすることができる。
また、本発明に係る光源装置は、上記蛍光体光学素子と、励起光源と、ダイクロイックミラーと、集光レンズとを備える。
この構成により、画像表示装置に適した光源装置を、簡単な構成で実現することができる。
本発明によれば、画像表示装置の輝度を、簡便な方法で効率よく向上させることができる蛍光体光学素子及び光源装置を提供することができる。
図１Ａは、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子の構造を示す正面図である。 図１Ｂは、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子の構造を示す断面図である。 図２Ａは、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子の正面の一部を拡大した部分拡大図である。 図２Ｂは、図２ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。 図２Ｃは、図２Ｂの蛍光体層付近を拡大した断面図である。 図３は、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子の製造方法を示す断面図である。 図４Ａは、比較例における蛍光体光学素子の機能を説明するための図である。 図４Ｂは、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子の機能を説明するための図である。 図５Ａは、シミュレーションに用いたパラメータを示す表である。 図５Ｂは、シミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子を用いた光源装置の構成と動作を説明するための図である。 図７Ａは、光源装置から出射される出射光のスペクトルを示すグラフである。 図７Ｂは、光源装置から出射される出射光の色度図である。 図８Ａは、第２の実施の形態に係る蛍光体光学素子の構造を示す正面図である。 図８Ｂは、図８ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。 図９Ａは、第２の実施の形態に係る光源装置の動作の一例を説明するための図である。 図９Ｂは、第２の実施の形態に係る光源装置の動作の他の一例を説明するための図である。 図９Ｃは、第２の実施の形態に係る光源装置の機能を説明するための図である。 図１０は、第２の実施の形態に係る光源装置の構成および動作を説明するための図である。 図１１Ａは、第３の実施の形態に係る蛍光体光学素子の構造を示す正面図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。 図１２Ａは、ダイクロイックミラーの機能を説明するための図である。 図１２Ｂは、ダイクロイックミラーの透過特性を示すグラフである。 図１３Ａは、光源装置から出射される出射光のスペクトルを示すグラフである。 図１３Ｂは、光源装置から出射される出射光の色度図である。 図１４は、従来の光源装置の構造を示す平面模式図である。 図１５は、従来の光源装置に係る蛍光ホイールの構造を示す平面図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。また、各図において、同じ構成要素には同じ符号を付している場合がある。
（第１の実施の形態）
図１Ａから図７Ｂを用いて本発明の第１の実施の形態にかかる蛍光体光学素子１及び光源装置１００について説明する。
図１Ａおよび図１Ｂは、本実施の形態の蛍光体光学素子１の構造を示す図であり、図１Ａは、蛍光体光学素子１を正面から見た図であり、図１Ｂは図１ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。図２Ａは蛍光体光学素子１の正面の一部を拡大した部分拡大図であり、図２Ｂは図２ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図であり、図２Ｃは図２Ｂの蛍光体層付近を拡大した断面図である。図３は本実施の形態に係る蛍光体光学素子の製造方法を示す断面図である。図４Ａは、比較例における蛍光体光学素子の機能を説明するための図であり、図４Ｂは本実施の形態に係る蛍光体光学素子１の機能を説明するための図である。図５Ａはシミュレーションに用いたパラメータを示す表であり、図５Ｂはシミュレーション結果を示すグラフである。図６は本実施の形態に係る蛍光体光学素子１を用いた光源装置１００の構成と動作を説明するための図である。図７Ａは、図６に示した光源装置１００から出射される出射光のスペクトルを示すグラフであり、図７Ｂは出射光の色度図である。
以下、蛍光体光学素子１及び光源装置１００について具体的に説明する。まず図１Ａ〜図２Ｃに示すように、蛍光体光学素子１は例えば、厚み０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのアルミ合金やマグネシウム合金などの放熱基板３０に、透明材料であるバインダ（溶媒）に蛍光体粒子が含有された、厚み０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの蛍光体層２０と、例えばＢ２７０やＢＫ７などのガラスである厚み０．１ｍｍ〜１ｍｍの透明基板１０が順に積層され、透明基板１０の蛍光体層２０側の表面には凹凸形状を有する凹凸部１５が形成される。
透明基板１０に形成された凹凸部１５は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように例えば、ピッチｐが０．２μｍ、深さｄが０．２μｍであり、蛍光体光学素子１の積層方向に垂直な平面方向にドット形状で形成される。凹凸部１５は、詳細には、第１平面１５ａ、傾斜面１５ｂ、及び、第２平面１５ｃにより構成される。
蛍光体層２０は、図１Ａに示すように、青色蛍光体粒子が含まれる青色蛍光体層２０Ｂと、緑色蛍光体粒子が含まれる緑色蛍光体層２０Ｇと、赤色蛍光体粒子が含まれる赤色蛍光体層２０Ｒとが、異なる領域に蛍光体光学素子１を３分割するように形成される。バインダを構成する透明材料は、例えば、ジメチルシリコーンなどの有機透明材料である。
なお、透明基板１０は本発明の透明基材の一例であり、蛍光体層２０は本発明の蛍光体含有層の一例であり、放熱基板３０は本発明の基板の一例である。
ここで蛍光体層２０の詳細構成を、図２Ｃの赤色蛍光体層２０Ｒ付近の一部を拡大した図で説明する。赤色蛍光体層２０Ｒは、赤色の蛍光体である赤色蛍光体粒子２１Ｒがバインダ２２に混合された構成であり、赤色蛍光体層２０Ｒに含まれる赤色蛍光体粒子２１Ｒの密度は、凹凸面に向かって高くなる。同様に、青色蛍光体層２０Ｂは、青色の蛍光体である青色蛍光体粒子２１Ｂがバインダ２２に混合された構成であり、緑色蛍光体層２０Ｇは、緑色の蛍光体である緑色蛍光体粒子２１Ｇがバインダ２２に混合された構成である。また、同様に、青色蛍光体粒子２１Ｂの密度、及び、緑色蛍光体粒子２１Ｇの密度は、凹凸面に向かって高くなる。
そして、蛍光体光学素子１の透明基板１０の、凹凸部１５の反対側の表面には、所定の波長の光を反射する、波長カットフィルタ膜４０が形成される。ここで波長カットフィルタ膜４０は、例えばＺｒＯ、ＴｉＯ２、ＣａＦ等の誘電膜が多層に積層された誘電体多層膜で構成される。
また、蛍光体光学素子１の外形は、図１Ａに示すように円形の形状であり、回転させて用いるために、中央部に軸穴５０が形成されている。
上記において、青色蛍光体層２０Ｂを構成する蛍光体は、例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ蛍光体であり、波長４０５ｎｍの励起光を例えばピーク波長４４０〜５００ｎｍの蛍光に変換する。緑色蛍光体層２０Ｇを構成する蛍光体は、例えば、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体、（Ｓｒ、Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ蛍光体、もしくは、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｍｎ蛍光体であり、波長４０５ｎｍの励起光を例えばピーク波長５００ｎｍ〜６００の蛍光に変換する。赤色蛍光体層２０Ｒの蛍光体は、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体、（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体、もしくは、（Ｓｒ、Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ蛍光体であり、波長４０５ｎｍの励起光を例えばピーク波長６００ｎｍ〜６６０ｎｍの蛍光に変換する。
なお、ここで蛍光体の名称または組成においてコロン（：）は、いわゆる「賦活された」という意味であり、例えばＹ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：ＣｅとはＣｅによって賦活された、という意味である。
本実施の形態において用いられる蛍光体の種類を、以下の表１に示す。
Figure 2014024218
なお、蛍光体の組成や材料は、上記表１に限られず、他の材料や組成のものも使用可能である。
続いて図３を用いて本実施の形態に係る蛍光体光学素子１の製造方法について説明する。
まず図３の（ａ）に示すように厚みが０．８ｍｍの例えば円形状のガラスである透明基板１０に、半導体リソグラフィーを用いて凹凸部１５に適応したレジストパターン形状を形成し（図示せず）、図３の（ｂ）に示すように、例えばドライエッチングにより凹凸部１５を形成した後、機械加工により軸穴５０を形成する。
続いて図３の（ｃ）に示すように、透明基板１０上に、３種類の蛍光体層である赤色蛍光体層２０Ｒ、緑色蛍光体層２０Ｇ、青色蛍光体層２０Ｂを形成するため、上記に示した蛍光体のうち青色用、緑色用、赤色用に対応した３種類の蛍光体のそれぞれを含有する蛍光体含有樹脂溶液（青色用、緑色用、赤色用）を作製する。
具体的には、緑色用には、例えばβ―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体を液状のジメチルシリコーン樹脂溶液に混合させた蛍光体含有樹脂溶液２３Ｇを、透明基板１０の所定の領域の凹凸部１５表面に滴下する。続いて、赤色用に、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕを混合させた蛍光体含有樹脂溶液２３Ｒを所定の領域の凹凸部１５表面に滴下する。続いて、青色用に関しても同様の作業を行う。
続いて図３の（ｄ）に示すように、蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒを滴下された透明基板１０を真空中に１時間程度、放置することにより、透明基板１０の凹凸部１５と蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒとの間にある空隙２１を除去するとともに、蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒに含まれる蛍光体粒子を凹凸部１５側に沈殿させる。このとき図２Ｃに示した赤色蛍光体粒子２１Ｒの濃度が凹凸部に向かって高くなる構成を形成することが出来る。この結果、入射光を、凹凸界面付近の蛍光体層２０で吸収しやすくすることができる。
続いて図３の（ｅ）に示すように、透明基板１０の外形および軸穴５０に対応した形状の、厚み０．５ｍｍのアルミ基板である放熱基板３０を、透明基板１０の蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒ側から接着し、加圧する。このとき、蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒの放熱基板３０側には蛍光体粒子の濃度が低いため、容易に接着させることができる。つづいて、例えば１６０℃の高温炉中に放置することにより、所定の厚みの蛍光体層２０を形成する。
続いて図３の（ｆ）に示すように、真空蒸着装置中で、透明基板１０の蛍光体層２０と反対の面に誘電体多層膜である波長カットフィルタ膜４０を形成する。
上記の製造方法により、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１を簡単に製造することができる。
続いて、図４Ａ及び図４Ｂを用いて蛍光体光学素子１の機能について説明する。
図４Ａは、比較例の蛍光体光学素子の機能を説明するための図であり、この蛍光体光学素子は、具体的には透明基板１０と蛍光体層２０との界面に凹凸面が形成されていない構成を有する。図４Ｂは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１の機能を説明するための図であり、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１は、具体的には、透明基板１０と蛍光体層２０との界面に凹凸面が形成されている構成を有する。
図４Ａ及び図４Ｂにおいて、透明基板１０側から蛍光体層２０に向けて、励起光である入射光６０が蛍光体層２０へ入射する。このとき蛍光体層２０へ入射した光の一部は蛍光体層２０の光変換領域７０の蛍光体で吸収され、一部は蛍光体で吸収されずに、蛍光体層２０における蛍光体とバインダ（例えば、シリコーン樹脂）との屈折率の差などにより、そのまま反射されて反射光６１となり、入射側に反射される。
蛍光体層２０の光変換領域７０の蛍光体で吸収された入射光６０の一部は蛍光体で蛍光８０に変換され、残りは蛍光に変換されずに熱となり、蛍光体層２０を伝熱する。蛍光体で変換された蛍光８０は、蛍光体とシリコーン樹脂との屈折率の差により多重反射され、もしくは放熱基板３０で反射され、ランバーシアンの拡がり角分布をもって、入射光６０の入射側から取り出される。
上記図４Ａに示す比較例の構成において、蛍光８０の実効的な発光面積である実効発光面積Ｓを小さくするために、入射光６０の照射面積を固定して入射光量を増加させた場合、蛍光体層２０の蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）に賦活された希土類イオンの量に対する励起光量の比率が急激に増加する。この結果、蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）に賦活される希土類イオンにおける励起電子が枯渇し、蛍光体に吸収される入射光６０の比率が低下して反射光６１の比率が増加する。その結果、蛍光体光学素子における励起光の蛍光への変換効率が低下する。
一方、図４Ｂに示す本実施の形態の蛍光体光学素子１においては、蛍光体層２０と透明基板１０との界面に凹凸が形成されている。このため、比較例と比較して、実効発光面積Ｓを大きくすることなく、蛍光体層２０の実効的な表面積Ｓ’を増加させることができる。また、蛍光体層２０の表面に傾斜面１５ｂをつけることで、反射光６１の一部は、反射される際に、そのまま入射光６０の入射側へ向かわずに、角度を変えて、再び蛍光体層２０へと入射することができる。ここで、蛍光体層２０の凹凸界面近傍には蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）の密度の高い領域が形成されているため、効率的に入射光を蛍光へ変換することが出来る。
つまり、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１における実効発光面積Ｓと比較例における実効発光面積Ｓとが同じ場合、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１は、比較例と比較して、蛍光体層２０の透明基板１０側の面に形成された凹凸面により実効的な表面積Ｓ’を増加させることができる。さらに、蛍光体層２０に形成された凹凸面により、反射光の一部をさらに蛍光体層２０に入射させて蛍光へ変換することができる。
よって、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１は、比較例と比較して、入射した励起光を蛍光へ効率良く変換することができる。なお、実効発光面積Ｓとは、蛍光体層２０を積層方向から見た場合の発光面積であり、実効的な表面積Ｓ’とは、蛍光体層２０において発光している領域の表面積である。
続いて具体的に、蛍光体層２０の凹凸の効果を、下記理論式と図５Ａ及び図５Ｂとに示す計算結果を用いて説明する。まず、入射光密度の増加による蛍光体における変換効率の低下（光飽和）は、実験的に次の式で表すことができる。蛍光体の外部領域効率をηｅｘｔ、蛍光体の内部量子効率をηｉｎｉ、励起光密度をｘとすると、外部領域効率ηｅｘｔと吸収係数α（ｘ）とはそれぞれ、式１及び式２で表すことができる。
Figure 2014024218
Figure 2014024218
 ここで、α（０）は光励起密度が非常に低いときの蛍光体の吸収係数であり、βは光飽和係数、Ｓ’は上述の蛍光体層２０の実効的な表面積、ｄは入射光の侵入長である。このとき、蛍光体層２０の表面に凹凸を形成することで得られる２つの効果、すなわち、実効的な表面積Ｓを増加させる効果と、反射光６１の蛍光体層２０への再入射の効果とは、それぞれ以下のように表される。
まず、実効的な表面積Ｓ’を増加させる効果に関しては式２のＳ’を大きくすることで計算できる。一方、反射光６１の蛍光体層２０への再入射の効果を考慮した吸収係数α’（ｘ）は、
Figure 2014024218
 となる。上記において、反射光６１が蛍光体層２０へ再入射した場合、蛍光体表面における光密度も増加するため、上記の２つの効果が相殺される可能性がある。したがって、これらの効果を数値的に求めた結果が図５Ａおよび図５Ｂとなる。図５Ａはシミュレーションに用いたパラメータを示す表であり、図５Ｂは変換効率の励起光密度依存性を、シミュレーション条件ごとに計算したものである。なお、励起光密度とは入射光量Ｐ／実効発光面積Ｓである。
図５Ｂにおいて、比較例は式１及び式２で計算された結果を示し、検討１は実効的な表面積を２倍にした結果を示し、検討２は検討１の計算結果に対して再入射の効果を光密度の増加を考慮しないで２次まで計算した結果を示す。さらに本実施の形態は、検討２の計算結果に対して再入射における光密度の増加を考慮した場合の計算結果を示す。
図５Ｂの結果から、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１は、検討２と比較して、再入射における光密度の増加により変換効率が若干低下する。しかしながら、上記２つの効果、すなわち、蛍光体層２０の実効的な表面積の増加、及び、反射光６１の蛍光体層２０への再入射により、蛍光体層２０の透明基板１０側の面が平面である比較例と比較して、十分に良好な変換効率を有することがわかる。
以上のように、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１は、励起光源から放射される励起光である入射光６０の波長の光を吸収する蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）が含有された蛍光体層２０と、蛍光体層２０を保持する放熱基板３０とを備え、蛍光体層２０の励起光の入射面は、凹凸形状である。これにより、エテンデュを大きくすることなしに、蛍光体層２０の実効的な表面積Ｓ’を増加させ、蛍光体の光飽和を抑制することができる。また、励起光を蛍光体層２０の凹凸面付近で乱反射させることができ、その結果、励起光を蛍光へ効率良く変換することができる。つまり、簡便な方法で、効率よく輝度を向上させることができる。
また、蛍光体層２０の透明基板１０側の面に形成された凹凸形状は、凹部と凸部とが周期的に変化する形状であり、当該凹凸形状のピッチ（周期）は、蛍光体粒子の粒径よりも大きい。これにより、蛍光体層２０の実効的な表面積Ｓ’を容易に増加させ、蛍光体層２０の光飽和を抑制すると同時に、励起光を蛍光体層２０の凹凸面付近で乱反射させることで、励起光を蛍光へ効率良く変換することができる。
また、蛍光体層２０の励起光の入射面側には、励起光の波長に対して透明な透明基板１０が設けられている。これにより、蛍光体層２０の透明基板１０側の面を、容易に変形させることができる。
この透明基板１０の蛍光体層２０側の面は、蛍光体層２０の透明基板１０側の面に形成されている凹凸形状に応じた凹凸形状に形成されている。つまり、蛍光体層２０の透明基板１０側の面に形成されている凹凸形状は、透明基板１０の凹凸部１５と嵌合する。これにより、蛍光体層２０の透明基板１０側の面に凹凸形状を容易に形成することができる。
また、蛍光体層２０に含まれる蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）の密度は、凹凸形状に向かって高くなる。これにより、入射した励起光を、凹凸界面付近の蛍光体層２０で吸収しやすくすることができる。
また、放熱基板３０は金属で形成されている。これにより、蛍光体層２０で発生した蛍光を効率良く入射側へ反射させることができ、さらに、蛍光体層２０で発生した熱を効率よく排熱することができる。
また、蛍光体光学素子１の製造方法は、励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）と熱もしくは光によって硬化するバインダ２２とが混合された蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒを、上面が凹凸形状に形成された透明基板１０の上面に塗布する工程と、蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒを熱により硬化することにより、下面に凹凸形状を有する蛍光体層２０を形成する工程とを含む。以下、蛍光体含有樹脂溶液２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒを特に区別せず、蛍光体含有樹脂溶液２３と記載する場合がある。
これにより、蛍光体層２０に含まれる蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子２１Ｒ、緑色蛍光体粒子２１Ｇ、青色蛍光体粒子２１Ｂ）の密度を凹凸形状に向かって高くすることができ、その結果、入射した励起光を、凹凸界面付近の蛍光体層２０で吸収しやすくすることができる。
なお、上記において、好ましくは、透明基板１０の屈折率と蛍光体層２０に含まれるシリコーン樹脂の屈折率との差は小さい方がよく、例えば透明基板１０として屈折率１．４６の石英ガラス、シリコーン樹脂として屈折率１．４６のジメチルシリコーンを用いることができる。
また、上記において、蛍光体層２０に含まれる樹脂（バインダ）をジメチルシリコーンなどのシリコーン樹脂としたが、この限りではない、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の他の透明材料を用いてもよい。この結果、製造時の液状の蛍光体含有樹脂溶液２３を硬化させるときに、紫外線照射による硬化を用いることができる。また、上記材料を用いることで、透明基板１０との屈折率差をより自由に調整することができる。また、低融点ガラスなどの無機透明材料を用いることもできる。この場合、透明基板１０に用いられるガラス材料よりもガラス転移温度が低いものを用いる。そして製造方法としては、例えば、透明基板１０の凹凸面に蛍光体粒子を混合させた低融点ガラスを滴下させ、放熱基板３０を接着下のちに冷却する方法を用いる。この構成により、透明基板１０に形成された凹凸の形状が変形することを防止するとともに、バインダが光により劣化することを防止することができる。
続いて図１Ａ、図１Ｂ、図６、図７Ａ及び図７Ｂを用いて本実施の形態に係る蛍光体光学素子１を用いた光源装置１００について説明する。
光源装置１００は、例えば、発光波長４０５ｎｍの複数の半導体レーザである半導体発光素子１２０と、複数のコリメートレンズ１３０、ダイクロイックミラー１３１、集光レンズ１３２、蛍光体光学素子１とで構成される。蛍光体光学素子１はモータ１１０の回転軸１１１に固定されており、所定の回転数で回転する。ここで蛍光体光学素子１の青色蛍光体層２０Ｂの蛍光体には例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ蛍光体を、緑色蛍光体層２０Ｇの蛍光体には例えばβ―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体を、赤色蛍光体層２０Ｒの蛍光体には例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体を用いた場合について説明する。
半導体発光素子１２０から出射された波長４０５ｎｍの出射光１９０は、コリメートレンズ１３０にて平行光に変換され合波されることで出射光１９０となり、ダイクロイックミラー１３１を通過し、集光レンズ１３２により蛍光体光学素子１の所定の位置に集光される。蛍光体光学素子１の所定の位置に集光されるように向かった光は、波長カットフィルタ膜４０を透過し、図４Ｂに示すように効率良く蛍光へ変換される。そして、変換された蛍光は、波長カットフィルタ膜４０の方向に向かい不要な波長の一部の光は反射され、色純度が高くなった蛍光として、蛍光体光学素子１を出射し、再び集光レンズ１３２にて平行光に変換され、その後、ダイクロイックミラー１３１により、出射光１９０と分離され、波長変換光１９２として放射される。
上記の動作により光源装置１００より出射された出射光のスペクトルおよび色度座標を図７Ａおよび図７Ｂに示す。図７Ａに示すスペクトルは、青色蛍光体層２０Ｂの蛍光体にＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ蛍光体を、緑色蛍光体層２０Ｇの蛍光体にβ―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体を、赤色蛍光体層２０Ｒの蛍光体にＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕを用いた場合のスペクトルである。また波長カットフィルタ膜４０に関しては、青色蛍光体層２０Ｂの表面には波長５００ｎｍ以上の光を反射する誘電体多層膜が形成され、緑色蛍光体層２０Ｇの表面には波長５９０ｎｍ以上の光を反射する誘電体多層膜が形成され、赤色蛍光体層２０Ｒの表面には波長５９０ｎｍ以下の光を反射する誘電体多層膜が形成される。
このとき、波長４０５ｎｍの出射光１９０のスペクトルに対して、青色蛍光体層２０Ｂから出射された蛍光８０Ｂを波長カットフィルタ膜４０で色純度を向上させた波長変換光（青色光）１９１Ｂ、緑色蛍光体層２０Ｇから出射された蛍光８０Ｇを波長カットフィルタ膜４０で色純度を向上させた波長変換光（緑色光）１９１Ｇ、及び、赤色蛍光体層２０Ｒから出射された蛍光８０Ｒを波長カットフィルタ膜４０で色純度を向上させた波長変換光（赤色光）１９１Ｒは、図７Ｂの色度図において各色度座標に示されるようにｓＲＧＢ規格を十分にカバーする色再現性のよい光となる。つまり、蛍光体光学素子１を用いた光源装置１００は、ｓＲＧＢ規格を十分にカバーする単色光を放射することができる。
以上のように、本実施の形態に係る光源装置１００は、蛍光体光学素子１と、半導体発光素子１２０と、ダイクロイックミラー１３１と、集光レンズ１３２とを備える。
上記の構成により、簡便な構成で、光源装置１００を実現できる。つまり、蛍光体光学素子１の蛍光体において効率良く半導体発光素子１２０からの光を蛍光に変換でき、さらに色純度の高い青色光、緑色光、赤色光を放射することができるため、輝度の高い光源装置１００を実現させることができる。言い換えると、本実施の形態に係る光源装置１００は、簡単な構成で、画像表示装置に適した構成を実現できる。なお、半導体発光素子１２０は、本発明に係る励起光源の一例である。
また、蛍光体層２０を積層方向から見た外形は円形であるので、蛍光体光学素子１を容易に回転させることが可能となり、特定の蛍光体領域に連続して光が入射することを防止することができる。
（第２の実施の形態）
続いて、図８Ａ〜図１０を用いて本発明の第２の実施の形態に係る蛍光体光学素子および光源装置について説明する。
本実施の形態に係る光源装置は、画像表示素子として液晶パネルのような偏光光学系を用いる画像表示装置に適したものである。
図８Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の構造を示す正面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。図９Ａ及び図９Ｂは、本実施の形態に係る光源装置の動作を説明するための図である。図９Ｃは、本実施の形態に係る光源装置の機能を説明するための図である。図１０は、本実施の形態に係る光源装置の構成及び動作を説明するための図である。
（構成）
以下、本実施の形態に係る蛍光体光学素子について、具体的に説明する。本実施の形態に係る蛍光体光学素子は、第１の実施の形態に係る蛍光体光学素子１と比較して、ほぼ同様の構成を有するが、透明基板と蛍光体層との界面の凹凸形状が、凹部と凸部とが一定周期で繰り返す同心円状に形成されている点が異なる。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
まず図８Ａおよび図８Ｂに示すように、蛍光体光学素子２０１は、例えば、厚み０．３ｍｍ〜０．５ｍｍのアルミ合金やマグネシウム合金などの放熱基板２３０上に、例えば厚み０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの青色蛍光体層２２０Ｂ、緑色蛍光体層２２０Ｇ、赤色蛍光体層２２０Ｒと、例えばＢ２７０やＢＫ７などのガラスである厚み０．１ｍｍ〜１ｍｍの透明基板２１０とが順に積層されることにより形成されている。
ここで、青色蛍光体層２２０Ｂには青色蛍光用として例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ蛍光体が、緑色蛍光体層２２０Ｇには緑色蛍光用として例えばβ―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体が、赤色蛍光体層２２０Ｒには赤色蛍光用として例えば、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体が、例えばシリコーンなどのバインダに含有されてなる。以降、青色蛍光体層２２０Ｂ、緑色蛍光体層２２０Ｇ、赤色蛍光体層２２０Ｒを特に区別せず、蛍光体層２２０と記載する場合がある。
さらに、透明基板２１０と蛍光体層２２０との界面の透明基板２１０側の表面には凹凸形状を有する凹凸部２１５が形成される。また、透明基板２１０に形成されている凹凸部２１５は、図８Ａに示すように中心位置から同心円状に形成された複数の溝により構成され、例えば、ピッチが０．０５ｍｍ、深さが０．１ｍｍの複数の溝で構成される。
蛍光体光学素子２０１の透明基板２１０の凹凸部２１５の反対側の表面には、例えばＺｒＯ、ＴｉＯ２、ＣａＦ等の誘電膜が多層に積層された誘電体多層膜である波長カットフィルタ膜２４０が形成されている。
蛍光体光学素子２０１の外形は、図８Ａに示すように円形の形状であり、回転して用いるために、中央部に軸穴２５０が形成されている。
（動作）
続いて図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃを用いて、本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１の動作を、周辺の光学素子と組み合わせた場合において説明する。本実施の形態において、蛍光体光学素子２０１の凹凸部２１５は、出射光１９０の偏光方向の電界成分と垂直な方向に溝が形成されるように設定される。
図９Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１を用いた光源装置において、半導体発光素子１２０から出射された出射光が、蛍光体光学素子２０１に到達するまでの動作を表す。図９Ｂは、蛍光体光学素子２０１から放射された蛍光が、ダイクロイックミラー１３１にて反射され、光源装置外部に放射されるまでの動作を表す。
波長４０５ｎｍの光を放射する半導体レーザである半導体発光素子１２０から出射された出射光２９０ａは、図中の水平方向に電界成分を有する偏光光である。出射光２９０ａは、偏光方向が維持されたまま、コリメートレンズ１３０で平行光である出射光２９０ｂとなりダイクロイックミラー１３１を透過する。ダイクロイックミラー１３１を透過した出射光２９０ｃは集光レンズ１３２により蛍光体光学素子２０１の蛍光体層２２０に集光される。蛍光体層２２０に集光された出射光２９０ｃは蛍光体層２２０の蛍光体において蛍光に変換されるが、蛍光体光学素子２０１に形成された凹凸により、表面を複数回反射して蛍光体光学素子２０１から出射する。このとき、図９Ｃに示すように、凹凸部２１５が、入射光の偏光方向に垂直な方向に屈折率界面を有する周期構造であるため、蛍光が屈折率界面を複数回反射して蛍光体光学素子２０１から出射される蛍光は、入射光の偏光とは偏光方向が９０°回転した偏光成分が大きい蛍光２９２ａとなり、蛍光体光学素子２０１から集光レンズ１３２の方向へ放射される。この蛍光２９２ａは集光レンズ１３２で再び平行光２９２ｂとなり、ダイクロイックミラー１３１で垂直方向へ反射され光源装置から放射される。このような光源装置から放射される光は入射光の一部と、それぞれ青色、緑色及び赤色が一定時間ごとに出射される。これらの出射された偏光性の高い蛍光を利用して、画像を投影することが容易となる。
上記の構成により簡便な構成で、光源装置を構成することができるとともに、蛍光体光学素子の効率の低下を抑制し、輝度を向上させることができる。さらに、蛍光体光学素子から出射される光は偏光であるため、表示素子に液晶パネルなどの偏光光学系を用いる場合、効率よく蛍光を利用することができる。
（効果）
続いて図１０を用いて、上記の効果を説明するため、上記本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１を用いた光源装置の一例を示す。
図１０の光源装置３００は、図９Ａおよび図９Ｂに示した構成のほかに、モニタ素子３２５、偏光ビームスプリッタ３４０、モニタレンズ３４３、回折格子３４６、制御ＩＣ３５０および偏光を利用する例えばＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉ）素子である反射型表示素子３８０を備える。
同図に示す光源装置３００は、図９Ａおよび図９Ｂで説明した動作を行い、ダイクロイックミラー１３１から青色、緑色及び赤色の波長変換光２９２を放射する。波長変換光２９２は偏光ビームスプリッタ３４０で大部分を透過し、反射型表示素子３８０に照射される。このとき、偏光ビームスプリッタ３４０を透過しなかったごく一部の波長変換光２９４は回折格子３４６で波長ごとに分けられ、分割受光素子を有するモニタ素子３２５に照射される。ここで、モニタ素子３２５における各分割受光素子は、青色、緑色及び赤色それぞれに分けられた波長変換光２９４の輝度変化を読み取り、その結果を制御ＩＣ３５０にフィードバックすることができる。
一方、反射型表示素子３８０に放射された波長変換光２９２は、マトリックス状の画素ごとに形成されている液晶により偏光方向が変えられて反射される。それにより、反射型表示素子３８０で反射された波長変換光２９２は、偏光ビームスプリッタ３４０で画素ごとの映像光３９６となり、光源装置３００から出射され、図示しない投影レンズにより投影される。
以上のように、本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１は、上記の構成により簡便な構成で、光源装置３００を構成することができるとともに、蛍光体光学素子２０１の蛍光体における変換効率の低下を抑制し、光源装置３００の輝度を向上させることができる。さらに、蛍光体光学素子２０１からの波長変換光（出射光）２９２の偏光性を高くすることができ、このような蛍光体光学素子２０１を用いることにより、偏光性の高い光を出射する光源装置３００を構成することができる。
言い換えると、本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１は、透明基板２１０と蛍光体層２２０との界面の凹凸形状が、凹部と凸部とが一定周期で繰り返す同心円状に形成されている。つまり、凹凸部２１５は、蛍光体層２２０を積層方向から見た外形に対して同心円状に形成されている。
これにより、蛍光体光学素子２０１から発せられる蛍光、つまり蛍光体光学素子２０１からの波長変換光が一定の偏光性を有することができる。このような蛍光体光学素子２０１を用いることにより、偏光光学系の画像表示装置に適した光源装置３００を実現できる。
なお、本実施の形態においては、半導体発光素子１２０として、半導体レーザとしたが、半導体レーザと同じ導波路が形成された端面出射型の発光素子であるスーパールミネッセントダイオードでもよい。また半導体レーザの発光波長を４０５ｎｍとしたが、例えば波長３８０ｎｍから４４０ｎｍの波長の光を出射する半導体レーザでもよい。
また、上記構成で、蛍光体光学素子２０１の凹凸（透明基板２１０と蛍光体層２２０との界面の凹凸形状）は、同心円状に形成された複数の溝により構成されるとしたがこの限りではない。例えば、蛍光体層２２０の中心から法線方向に形成された溝が所定の方位に形成された複数の溝により構成されるとしてもよい。つまり、蛍光体層２２０の中心から所定の角度間隔で形成された複数の溝により構成されてもよい。この場合、蛍光２９２ａの偏光方向が９０度変化するため、蛍光体光学素子２０１の位置や、ダイクロイックミラー１３１の構成は、凹凸形状に合わせて最適なものに変更される。
また、上記構成で、凹凸部２１５のピッチ（周期）は蛍光の発光波長よりも十分大きい、例えばピッチが０．０５ｍｍ、深さが０．１ｍｍとしたがこの限りではない。
例えば、凹凸部２１５のピッチを、蛍光体からの蛍光の発光波長よりも同程度からもしくは小さく設定し、例えば、ピッチが０．１μｍ、溝部（透明基板２１０に形成された凹凸部２１５の凹部）の幅がピッチの約半分の０．０６μｍ、深さが０．２μｍとしてもよい。この場合、蛍光体からの出射光は、凹凸部２１５の周期構造の影響を強く受けるためより偏光性を高くすることができる。
ここで、青色蛍光体層２２０Ｂ、緑色蛍光体層２２０Ｇ、赤色蛍光体層２２０Ｒに含有される蛍光体粒子の粒径は、溝部幅よりも小さく設定する必要があり、凹凸のピッチが０．１μｍ、溝部（透明基板２１０に形成された凹凸部２１５の凹部）の幅が０．０６μｍの場合は、蛍光体粒子の粒径は、例えば、粒径１０〜５０ｎｍ程度とする。
つまり、蛍光体層２２０の励起光の入射面に形成された凹凸形状の凸部の幅、すなわち透明基板２１０に形成された凹凸部２１５の凹部の幅は、蛍光体粒子の粒径よりも大きく、かつ、蛍光体粒子から発せられる蛍光、つまり波長変換光２９２（出射光）の波長よりも小さい。これにより、蛍光体光学素子２０１から発せられる波長変換光２９２の偏光性をより高くすることができる。
上記の場合、蛍光体として上記大きさの、例えば、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ蛍光体、β―ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体を用いることができる。
さらに他の蛍光体材料として、例えば、ＣｄＳｅ／ＺｎＳのコア・シェル型量子ドット蛍光体のような、粒径が発光波長と同程度か、もしくはそれ以下である蛍光体を用いることができる。
この場合、青色蛍光体層２２０Ｂ、緑色蛍光体層２２０Ｇ、赤色蛍光体層２２０Ｒにはいずれも量子ドット蛍光体を用い、発光波長に合わせて粒径を変化させることで、本実施の形態に係る蛍光体光学素子２０１を構成することが出来る。
さらに蛍光体粒子をＣｄＳｅ／ＺｎＳコア・シェル型量子ドット蛍光体以外の量子ドット蛍光体を用いることができる。量子ドット蛍光体材料としては、例えばＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂおよびＢＮ、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅ、並びにこれらの混晶結晶よりなる群から選択することができる。また、上記蛍光体は、ノンドープ型量子ドット蛍光体であるが、ドープ型量子ドット蛍光体を用いてもよい。ドープ型量子ドット蛍光体としては、例えば構成する材料を、ＺｎＳ：Ｍｎ２＋、ＣｄＳ：Ｍｎ２＋およびＹＶＯ４：Ｅｕ３＋を用いることができる。
（第３の実施の形態）
続いて、図１１Ａ〜図１３Ｂを用いて本発明の第３の実施の形態に係る蛍光体光学素子および光源装置について説明する。
図１１Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子４０１の構造を示す正面図であり、図１１Ｂは図１１ＡのＩａ−Ｉａ線における断面図である。図１２Ａは、ダイクロイックミラー１３１の機能を説明するための図であり、図１２Ｂは、ダイクロイックミラー１３１の透過特性を示すグラフであり、図１３Ａは、本実施の形態に係る光源装置から出射される出射光のスペクトルを示すグラフであり、図１３Ｂは出射光の色度図である。
本実施の形態は第２の実施の形態とほとんど同じであるが、半導体発光素子から出射される光の波長が異なる。以下、第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。本実施の形態においては、半導体発光素子としては、出射光の波長が４３５ｎｍ〜４８０ｎｍである、所謂、可視の青色である光を放射する半導体レーザ素子を用いる。一方、蛍光体光学素子４０１については、出射光の偏光方向を変えて反射する反射層４２５と、第２の実施の形態に示した偏光を有する蛍光に変換する蛍光体層４２０とに領域が分かれている。なお、透明基板４１０、凹凸部４１５、放熱基板４３０及び軸穴４５０はそれぞれ、第２の実施の形態における透明基板２１０、凹凸部２１５、放熱基板２３０及び軸穴２５０と同様である。
蛍光体層４２０は緑色蛍光体粒子が含有される緑色蛍光体層４２０Ｇと、赤色蛍光体粒子が含有される赤色蛍光体層４２０Ｒとで構成される。本実施の形態では、緑色蛍光体として、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体、赤色蛍光体として、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体を用いる。
一方、反射層４２５については、蛍光体層４２０の蛍光体粒子の代わりに例えば、ＴｉＯ２粒子などの高反射材料に置き換えることで容易に実現できる。
またダイクロイックミラー１３１については、図１２Ａに示すように、半導体発光素子から出射される出射光２９０ｂの波長に対して、例えば紙面に向かって水平方向（紙面左右方向）の出射光２９０ｃのみ透過し、長波長側の蛍光および紙面に向かって垂直方向（紙面上下方向）の出射光の波長の光を反射するように設計することで構成部品点数を変えずに容易に実現することができる。なお、図１２Ｂは、波長４５０ｎｍに対して、ダイクロイックミラー１３１の誘電体多層膜を設計した場合の透過特性を示す。
このような構成を有する光源装置から出射される光は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、色純度が高く、色再現性の優れた青色光２９２Ｂ、緑色光２９２Ｇ、赤色光２９２Ｒの光となる。さらに、青色光２９２Ｂ、緑色光２９２Ｇ、赤色光２９２Ｒは偏光性が高く方向もそろっているため、偏光光学系の表示素子を用いた画像表示装置等で利用することが可能となる。
以上のように、本実施の形態に係る蛍光体光学素子４０１は、上記の構成により簡便な構成で、光源装置を構成することができるとともに、蛍光体光学素子４０１の蛍光体における変換効率の低下を抑制し、光源装置の輝度を向上させることができる。さらに、蛍光体光学素子からの出射光を偏光性の高い光とすることができるので、偏光性の高い光を出射する光源装置を構成することができる。
以上、本発明に係る蛍光体光学素子及び光源装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及に限定されるものではなく、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
本発明に係る蛍光体光学素子および光源装置は液晶テレビや液晶モニタなどのバックライトの光源やプロジェクタなどの投影型ディスプレイの光源として用いることが可能である。
１、２０１、４０１ 蛍光体光学素子
１０、２１０、４１０ 透明基板
１５、２１５、４１５ 凹凸部
１５ａ、１５ｃ 平面
１５ｂ 傾斜面
２０、２２０、４２０ 蛍光体層
２０Ｂ、２２０Ｂ 青色蛍光体層
２０Ｇ、２２０Ｇ、４２０Ｇ、１００４ 緑色蛍光体層
２０Ｒ、２２０Ｒ、４２０Ｒ 赤色蛍光体層
２１ 空隙
２１Ｂ 青色蛍光体粒子
２１Ｇ 緑色蛍光体粒子
２１Ｒ 赤色蛍光体粒子
２２ バインダ
２３、２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒ 蛍光体含有樹脂溶液
３０、２３０、４３０ 放熱基板
４０、２４０、４４０ 波長カットフィルタ膜
５０、２５０、４５０ 軸穴
６０ 入射光
６１ 反射光
７０ 光変換領域
８０、８０Ｂ、８０Ｇ、８０Ｒ、２９２ａ 蛍光
１００、３００、１０６３ 光源装置
１１０ モータ
１１１ 回転軸
１２０ 半導体発光素子
１３０、１１４９ コリメートレンズ
１３１ ダイクロイックミラー
１３２ 集光レンズ
１９０、２９０ａ、２９０ｂ、２９０ｃ 出射光
１９２、２９２、２９４ 波長変換光
３２５ モニタ素子
３４０ 偏光ビームスプリッタ
３４３ モニタレンズ
３４６ 回折格子
３５０ 制御ＩＣ
３８０ 反射型表示素子
３９６ 映像光
１００１ 拡散領域
１００２ 蛍光発光領域
１０７１ 蛍光体ホイール
１０７２ 青色レーザ発光器
１０７３ ホイールモータ
１０７４ 発光素子
１０７５ 導光装置
１１５０ 反射ミラー群
１１５１ａ、１１５１ｂ、１１５１ｃ、１１５１ｄ ミラー
１１５３ａ、１１５３ｂ、１１５３ｃ、１１５３ｄ、１１５４ レンズ
１１５５ 集光レンズ群

Claims (12)

  1. 励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子が含有された蛍光体含有層と、
    前記蛍光体含有層を保持する基板とを備え、
    前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面は、凹凸形状である
    蛍光体光学素子。
  2. 前記凹凸形状は、凹部と凸部とが周期的に変化する形状であり、
    当該凹凸形状のピッチは、前記蛍光体粒子の粒径よりも大きい
    請求項１記載の蛍光体光学素子。
  3. さらに、
    前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面側に、前記励起光の波長に対して透明な透明基材を備える
    請求項１又は２記載の蛍光体光学素子。
  4. 前記透明基材の前記蛍光体含有層側の面は、前記凹凸形状に応じた凹凸形状に形成されている
    請求項３記載の蛍光体光学素子。
  5. 前記蛍光体含有層に含まれる前記蛍光体粒子の密度は、前記凹凸形状に向かって高くなる
    請求項１から４のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
  6. 前記基板は金属で構成されている
    請求項１から５のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
  7. 前記蛍光体含有層を積層方向から見た外形は、円形である
    請求項１から６のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
  8. 前記凹凸形状は、前記蛍光体含有層を積層方向から見た外形に対して同心円状に形成された複数の溝、もしくは外形に対して法線方向に形成された複数の溝により構成される
    請求項７記載の蛍光体光学素子。
  9. 前記蛍光体含有層の前記励起光の入射面に形成された凹凸形状の凸部の幅は、前記蛍光体粒子の粒径よりも大きく、かつ、前記蛍光体粒子から発せられる蛍光の波長よりも小さい
    請求項１から８のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
  10. 前記蛍光体粒子は量子ドット蛍光体である
    請求項１から９のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
  11. 励起光源から放射される励起光の波長の光を吸収する蛍光体粒子と熱もしくは光によって硬化する溶媒とが混合された蛍光体含有樹脂溶液を、上面が凹凸形状に形成された透明光学素子の上面に塗布する工程と、
    前記蛍光体含有樹脂溶液を熱もしくは光により硬化することにより、下面に凹凸形状を有する蛍光体含有層を形成する工程とを含む
    蛍光体光学素子の製造方法。
  12. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子と、励起光源と、ダイクロイックミラーと、集光レンズとを備える
    光源装置。
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