JPWO2020085204A1 - 光学素子および光学装置 - Google Patents

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Abstract

基板（下位層）との密着性を有しつつ、耐久性の向上を実現する。光学素子は、下位層に面して配置された蛍光体層と、蛍光体層を下位層に密着させる密着層と、を備え、蛍光体層は、無機バインダと、無機バインダ内に分散した蛍光体粒子とを含み、密着層は、有機バインダを含み、蛍光体層は、下位層に面する第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、第１の面と第２の面とを接続する側面と、を有し、密着層は、第２の面と、側面と、下位層の表面とを接続して蛍光体層を下位層に密着させる。

Description

本発明はおよび光学装置に関する。
本願は、２０１８年１０月２２日に日本に出願された特願２０１８−１９８６８６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
青色レーザなどの励起光を蛍光体に照射した際に、蛍光体が蛍光を発光させることが従来技術として知られている。例えば、特許文献１には、基材と、基材上に形成された蛍光体層と、を備える蛍光体ホイールが記載されている。蛍光体層は、蛍光体粒子と、蛍光体粒子を保持するバインダ材料と、を有し、前記蛍光体粒子よりも屈折率の低い透光性材料から構成された低屈折率層により被覆されている。
特開２０１６−１７０３５７号公報
しかしながら、高エネルギー密度励起光により高輝度に発光する蛍光体は、高温になり易く、蛍光体の量子効率の低下が懸念される。この点を解決するための光学素子として、熱伝導率の高い無機バインダによって蛍光体を封入した光学素子が知られているものの、無機バインダは基板との密着性が悪く、靱性が小さいという問題がある。
本発明の一態様は、基板との密着性を有しつつ、耐久性の向上を実現することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学素子は、下位層に面して配置された蛍光体層と、前記蛍光体層を前記下位層に密着させる密着層と、を備え、前記蛍光体層は、無機バインダと、前記無機バインダ内に分散した蛍光体粒子とを含み、前記密着層は、有機バインダを含み、前記蛍光体層は、前記下位層に面する第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側面と、を有し、前記密着層は、前記第２の面と、前記側面と、前記下位層の表面とを接続して前記蛍光体層を前記下位層に密着させる。
本発明の一態様によれば、基板との密着性を有しつつ、耐久性の向上に資することができる。
光学素子の構成を示す断面図である。 ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光効率を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る光学素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る光学素子の構成を示すＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の構成を示すＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係る光学素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態３に係る変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態４に係る光学素子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態４に係る光学素子の構成を示すＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の実施形態５に係る蛍光ホイールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態５に係る蛍光ホイールの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態６に係る蛍光ホイールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態６に係る蛍光ホイールの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態７に係る蛍光ホイールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態７に係る蛍光ホイールの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態７に係る蛍光ホイールを構成する基板にかかる応力を説明するための基板および蛍光体層の側面図である。 本発明の実施形態８に係る蛍光ホイールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態８に係る蛍光ホイールの構成を示すＤ−Ｄ’断面図である。 本発明の実施形態８に係る変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの別の構成を示す側面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態９に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態１０に係る光源装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態１１に係る光源装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態１２に係る投影装置の構成を示す概略図である。
図１に一般的な光学素子１０の構成を示す。基板１１に面して蛍光体層１２が配置された構成が一般的である。反射型の光学系では、蛍光体層１２に光源１３から発した励起光１４が照射し、蛍光体層１２は蛍光発光する。蛍光体層１２は、一般的に蛍光体粒子と有機バインダとから構成される。有機バインダは、密着性が高いものの、熱伝導率が低いため、青色レーザなどにより蛍光体を発光させた場合、熱による焼損が起こり、所望の蛍光発光強度を得ることができないという問題がある。つまり蛍光体の発光効率の温度依存性を検討する必要がある。
〔発光効率の温度依存性〕
蛍光体の発光効率の温度依存性について、ＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）蛍光体の外部量子効率に基づいて説明する。図２に示す通り、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）にドーパントとしてＣｅ（セリウム）をドープした蛍光体材料について、Ｃｅのドープ濃度の違いにより発光効率の温度依存性が相違する様子が確認できる。本発明の一態様におけるＣｅドープ濃度（ｍｏｌ％）とは、ガーネット系蛍光体の一般式（Ｍ１−ｘＲＥｘ）３Ａｌ５Ｏ１２で示される物質において、ｘ×１００（ｍｏｌ％）で表される。上記一般式において、Ｍ、ＲＥは希土類元素群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むものが用いられる。一般的に、Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、ＲＥは、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｔｂのうち、少なくとも一種の元素が用いられる。
蛍光体に励起光を照射した場合、蛍光発光が得られると同時に、励起光の一部は熱エネルギーに変換されるため、蛍光体の照射スポット部は高温になる。熱放射については、一般的に下記の式で説明することができる。
Ｑ＝Ａ・ε・σ・（ＴＡ＾４−ＴＢ＾４）
ここで、Ｑは放射熱量、Ａは放射部面積、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、ＴＡは放射部の温度、ＴＢは周囲の温度を示す。
蛍光体の発光効率は蛍光体の温度による影響を受け、図２に示すように、温度が増加するに従って発光効率が低下することが知られている。より強い（明るい）蛍光発光を得るためには励起光１４の照射強度を強める必要があり、この場合、冷却状況によっては蛍光体層１２の温度上昇抑制が十分に行えなくなる場合がある。
また、蛍光体の温度特性は発光中心元素（本実施形態ではＣｅ）の濃度により変化することが知られている。一般的に市販されているＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のＣｅ濃度は、常温使用時の発光効率が高い濃度（例えば１．４〜１．５ｍｏｌ％程度）が用いられることが多い。これはＣｅの濃度が低いＹＡＧ蛍光体では、内部量子効率は高くなるが、励起光の吸収率が低いため、波長変換素子として重要な外部量子効率は、Ｃｅ濃度１．５ｍｏｌ％付近が最適値となるためである。高エネルギー密度、高強度の励起光照射によって照射スポットの蛍光体温度が２５０℃を超える領域になるような場合、一般的なＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（Ｃｅ濃度１．４ｍｏｌ％）では発光効率が低下する（図２参照）。しかし、Ｃｅ濃度が低いＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（例えば０．３〜１．０ｍｏｌ％程度）は発光効率の温度依存性が小さく、低温時と比較して高濃度の発光体と発光効率が逆転する場合もある。例えば、図２のグラフにおいて低温領域（５０℃〜１００℃）と高温領域（２５０℃〜３５０℃）とを比較する。低温領域では、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のＣｅ濃度が高い方が高発光効率となるが、高温領域ではＣｅ濃度が低い方が高発光効率となる傾向がある。かかる傾向に鑑みて本願発明を実施形態ごとに説明する。
レーザ光による励起では励起エネルギー密度が高くなり高温となるため、耐熱性の高い酸窒化物系や窒化物系の蛍光体を用いることが望ましい。蛍光体として発光効率の温度依存性が優れている方がより望ましい。また、光源装置として利用するため、蛍光を青色、緑色、赤色等の白色光以外としてもよい。
近紫外光を赤色光に変換する蛍光体として、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋を用いることができる。近紫外光を黄色光に変換する蛍光体として、例えばＣａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋を用いることができる。近紫外光を緑色光に変換する蛍光体として、例えばβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋やＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）を用いることができる。近紫外光を青色光に変換する蛍光体として、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１２：ＥｕやＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋を用いることができる。
また、近紫外光の励起光を黄色光及び青色光に変換する２種類の蛍光体を含むように蛍光部材を形成してもよい。これにより、蛍光部材から出射される黄色光及び青色光の蛍光を混色して擬似白色光が得られる。
以下では、好ましい実施形態としてＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の一例について、本願発明を実施形態ごとに説明する。
まず、本発明の実施形態による光学素子につき、基板上に設けられた光学素子および蛍光ホイールを例に、実施形態１〜８として説明する。
〔実施形態１〕
〔光学素子１０１ａの構成〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図３Ａは、本発明の実施形態１に係る光学素子１０１ａの構成を示す斜視図である。本実施形態では、基板１１の主面をｘｙ平面として座標軸を定義した。図３Ｂは、本発明の実施形態１に係る光学素子１０１ａの構成を示すＡ−Ａ’断面図（ｘｚ平面）である。本実施形態に係る光学素子１０１ａは、図１に示した一般的な光学素子１０の構成と異なり、密着層をさらに備えている。
本実施形態に係る光学素子１０１ａは、図３Ａ，図３Ｂに示すように、基板１１に面して配置された蛍光体層３１ａと、蛍光体層３１ａを基板１１に密着させる密着層３２ａと、を含む波長変換部３０ａを備えている。本実施形態において、蛍光体層３１ａは、下位層である基板１１に面して配置されている。
（基板（下位層））
基板１１はアルミニウム基板を用いることができる。蛍光発光強度を高める為に、アルミニウム基板上には銀などの高反射膜がコーティングされているのが好ましい。他の実施形態では、高反射のアルミナ基板、白色散乱反射基板などを用いてもよい。基板１１の材質は金属など蛍光体層３１ａおよび密着層３２ａよりも熱伝導率の高いものが好ましく、特に上述した材料に限定されない。
下位層は、基板を含む１以上の層から構成されることが好ましい。下位層の基板以外の層としては、例えば、散乱層等が挙げられる。散乱層は、酸化チタンを主成分とするのが好ましい。また、下位層は、板状のものに限られず、その上に蛍光体層３１ａを配置することが可能な形状の基材であればよい。
（蛍光体層）
蛍光体層３１ａは、無機化合物を含む第１のバインダ（無機バインダ）と、前記第１のバインダ内に分散した蛍光体粒子とを含む。蛍光体層３１ａは、基板１１に面する第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、第１の面と第２の面とを接続する側面と、を有している。
蛍光体層３１ａに、例えば、レーザやＬＥＤからなる光源１３から発した励起光１４が照射されると、蛍光体粒子は、蛍光を発光すると共に、熱を放出する。
第１のバインダが熱伝導率の高い無機化合物を含んでいることにより、蛍光体層３１ａの熱伝導率が高くなる。蛍光体層３１ａの熱伝導率が高いことにより、蛍光体粒子から放出された熱を基板１１へ伝導する効率を高めることができるため、蛍光体層３１ａの熱による焼損を防止することができる。
無機バインダ（第１のバインダ）は、無機化合物を主材とするバインダである。無機バインダは、骨格が無機材料により構成されていることが好ましい。無機バインダは、例えば、無機粒子の焼結体により構成することができる。無機バインダは、例えば、アルミナ、シリカ等からなる透光性無機材の焼結体により構成されていることが好ましい。
第１のバインダは、空隙を包んでいてもよいし、空隙を含んでいなくてもよい。
蛍光体層３１ａに占める蛍光体粒子の割合は、蛍光体層３１ａに対して５０体積％〜７５体積％程度であるのが好ましい。
蛍光体粒子の平均粒径Ｄ５０は、１０μｍ〜３０μｍ程度であるのが好ましい。蛍光体粒子は、ＣｅがドープされたＹＡＧ蛍光体であることが好ましい。
蛍光体層３１ａの厚さは、２０μｍ〜１００μｍであるのが好ましい。
（密着層）
前記密着層３２ａは、有機化合物を含む第２のバインダからなる。密着層３２ａは、蛍光体層３１ａの第２の面と、と、基板１１の表面とを接続して蛍光体層３１ａを下位層である基板１１に密着させる。より基板１１への密着性を高める観点から、密着層３２ａが、第２の面の全領域および側面の全領域と面するように蛍光体層３１ａを被覆していることが好ましい。
有機バインダ（第２のバインダ）は、有機化合物を主材とするバインダである。有機バインダは、骨格が有機材料により構成されていることが好ましい。有機バインダは、例えば、骨格を形成する樹脂を含んでいることが好ましい。第２のバインダ（有機バインダ）に含まれる有機化合物は、例えば、シリコーン樹脂等の透明な有機化合物であることが好ましい。
蛍光体層３１ａの第２の面から密着層３２ａの最上部の厚さ方向の距離は、１μｍ〜１０μｍであるのが好ましい。また、蛍光体層３１ａの側面と基板１１との接触点から密着層の３２ａの最側端部までの距離は、１０μｍ〜２０μｍであるのが好ましい。これにより、蛍光体層３１ａを基板１１に十分に密着させることができる。
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光学素子１０１ｂ〜１０１ｆの構成〕
図４Ａは、本発明の実施形態２に係る光学素子１０１ｂの構成を示す斜視図である。図４Ｂは、本発明の実施形態２に係る光学素子１０１ｂの構成を示すＢ−Ｂ’断面図（ｘｚ平面）である。図４Ｃ〜図４Ｅは、本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例による光学素子１０１ｃ〜１０１ｅの構成を示す断面図である（ｘｚ平面）。図４Ｆは、本発明の実施形態２に係る光学素子の変形例による光学素子１０１ｆの構成を示す斜視図である。本実施形態に係る光学素子１０１ｂの波長変換部３０ｂは、本発明の実施形態１に係る光学素子１０１ａの波長変換部３０ａの密着層３２ａと比べて、密着層３２ｂの基板１１（下位層）および蛍光体層３１ａと密着していない外面の形状が異なり、当該外面が、凸状の曲面形状である。当該構成であることにより、密着層３２ｂの外面から入射した励起光が蛍光体層３１ａに集光されるため、励起光の幅が同一であるとき、密着層３２ｂの外面が平坦状である場合に比べて、照射スポットを小さくすることができる。これにより、密着層３２ｂの外面が平坦状である場合に比べて、発光輝度を向上させることができる。また、密着層３２ｂの外面が平坦状である場合に比べて、密着層３２ｂの外面において全反射する光を低減することができる。これにより、光学素子１０１ｂの外へ出射する蛍光を増加させることができる。また、蛍光体層３１ａが発した蛍光が波長変換部３０ｂの密着層３２ｂから出射する際に、蛍光は、ｚ軸方向に対する角度がより小さくなる方向に屈折するため、ｚ軸方向から見た際の発光輝度が向上する。
凸状の曲面形状としては、断面（ｘｚ平面）が図４Ｂに示す波長変換部３０ｂの密着層３２ｂのような半楕円の弧、図４Ｃに示す波長変換部３０ｃの密着層３２ｃのような半円の弧、図４Ｄに示す波長変換部３０ｄの密着層３２ｄのような半楕円の弧の一部、図４Ｅに示す波長変換部３０ｅの密着層３２ｅのような半楕円の弧の一部等の、凸状の曲線になるような形状が挙げられる。また、図４Ｆに示す波長変換部３０ｆの密着層３２ｆのような面内異方性を有する凸状の曲面形状であってもよい。
密着層３２ｂの原料は、密着層３２ｂの外面を凸状の曲面形状にすることができる粘性を有することが好ましい。具体的には、密着層３２ｂの原料の粘度は、２３℃において、１０００ｍＰａ・ｓ〜１００００Ｐａ・ｓであることが好ましい。当該粘性を有する原料を定量吐出装置を用いて蛍光体層を覆うように塗布することにより、外面が凸状の曲面形状である密着層３２ｂを形成することができる。
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔高出力光学素子１０１ｇ〜１０１ｊの構成〕
図５Ａは、本発明の実施形態３に係る光学素子の構成を示す平面図である。図５Ｂ〜図５Ｄは、本発明の実施形態３に係る変形例の構成を示す平面図である。本実施形態に係る高出力光学素子１０１ｇ〜１０１ｊの波長変換部４０ａ〜４０ｄは、本発明の実施形態２に係る光学素子１０１ｂの波長変換部３０ｂと比べて、蛍光体層３１ａ及び密着層３２ｂに加えて、低屈折率体３３ａ〜３３ｄをさらに備えている。
波長変換部４０ａ〜４０ｄは、密着層３２ｂよりも屈折率が低い低屈折率体３３ａ〜３３ｄを備えている。当該構成であることにより、高出力光学素子１０１ｇ〜１０１ｊの励起光照射領域外に導光する蛍光が低屈折率体３３ａ〜３３ｄによって反射されるため、励起光照射スポットの近傍でのみ蛍光を取り出すことができる。結果的に多くの光が同一の領域で出射されるため、ｚ軸方向において、より高輝度の光学素子を得ることができる。
ここで、「励起光照射スポット」とは、密着層３２ｂの外面における励起光１４が照射される面を意図する。また、「励起光照射領域」とは、励起光１４が照射される、密着層３２ｂにおける領域を意図する。つまり、「励起光照射領域」とは、励起光照射スポットから、密着層３２ｂと蛍光体層３１ａとの接触面における励起光１４が照射される面までの領域を意図する。
波長変換部は、厚さ方向の少なくとも一部に蛍光体層および密着層に代えて配置された低屈折率体を備えていることが好ましい。また、蛍光体層および密着層に代えて配置された前記低屈折率体の高さが、代替された蛍光体層および密着層との積層の高さよりも低い高さを有することがより好ましい。当該構成であることにより、密着性を有しつつ、上述した効果を奏することができる。
光学素子をｚ軸方向から見たときの低屈折率体の形状としては、例えば、図５Ａに示すドット状、図５Ｂに示すスリット状、図５Ｃに示す蛍光体層３１ａの外周を取り囲んだ形状、図５Ｄに示す密着層３２ｂの外周を取り囲んだ形状等が挙げられる。
低屈折率体３３ａ〜３３ｄは、空気からなることが好ましい。当該構成であることにより、より安価に高出力光学素子を製造することができる。
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光学素子１０１ｋの構成〕
図６Ａは、本発明の実施形態４に係る光学素子１０１ｋの構成を示す斜視図である。本実施形態では、基板１１の主面をｘｙ平面として座標軸を定義した。図６Ｂは、本発明の実施形態４に係る光学素子１０１ｋの構成を示すＣ−Ｃ’断面図（ｘｚ平面）である。本実施形態に係る光学素子１０１ｋは、図３に示した光学素子１０１ａに対し、密着層の構成が異なっている。
本実施形態に係る光学素子１０１ｋは、図６Ａ，図６Ｂに示すように、基板１１に面して配置された蛍光体層３１ａと、蛍光体層３１ａを基板１１に密着させる密着層３２ｇと、を含む波長変換部５０ａを備えている。密着層３２ｇは、蛍光体層３１ａの第２の面と、蛍光体層３１ａの側面と、基板１１の表面とを接続して蛍光体層３１ａを基板１１に密着させている。そして、本実施形態では、第２の面の一部が密着層３２ｇから露出している。
本実施形態によれば、蛍光体層３１ａの第２の面の一部が露出していることから、励起光１４が照射される領域に有機バインダが存在しない、すなわち蛍光体層３１ａの発熱部と有機バインダとが分離されているため、例えばレーザやＬＥＤからなる光源１３から特に高エネルギー密度、高強度の励起光１４を波長変換部５０ａに照射した場合でも、蛍光体層３１ａの熱による焼損をより確実に防止することが可能となる。
また、蛍光体層３１ａからの発光が有機バインダを介さずに出射し、有機バインダ内を導光することが無いため、発光スポットサイズの拡大による輝度低下を抑制できるという効果も得られる。
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔蛍光ホイール１０２ａの構成〕
図７Ａは、本発明の実施形態５に係る光学素子としての蛍光ホイール１０２ａの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図７Ｂは、本発明の実施形態５に係る蛍光ホイール１０２ａの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ａは、波長変換部１４８ａの下位層がホイール１４１ａである。波長変換部１４８ａは、蛍光体層３１ｂと密着層３２ｈとを含んで構成されている。蛍光ホイール１０２ａは、ホイール固定具１４６によって、図示せぬ駆動装置の回転軸１４７に固定されている。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ａは、実施形態２に係る光学素子１０１ｂ（図４Ａ、図４Ｂ参照）における密着層３２ｂ〜３０ｆのように、蛍光ホイール１０２ａの半径方向の断面における外面がｚ軸方向に凸状の曲面形状である密着層３２ｈを備えているが、密着層３２ｈの代わりに実施形態１に係る光学素子１０１ａ（図３Ａ、図３Ｂ参照）のにおける密着層３２ａのように外面が曲面形状でない密着層を備えていてもよい。また、外面が曲面形状でない密着層と外面が凸状の曲面形状である密着層とを両方備えていてもよい。なお、後述の実施形態７〜１２に関しても同様である。
蛍光ホイール１０２ａは、光源から出射された励起光が通過するホイール１４１ａの表面の周方向の少なくとも一部に、波長変換部１４８ａが配置されていればよく、図７Ａに示すように、波長変換部１４８ａは、同心円状にホイール１４１ａ上に配置されていることが好ましい。
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔蛍光ホイール１０２ｂの構成〕
図８Ａは、本発明の実施形態６に係る光学素子としての蛍光ホイール１０２ｂの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図８Ｂは、本発明の実施形態６に係る蛍光ホイール１０２ｂの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ｂにおいては、波長変換部１４８ｂが蛍光体層３１ｃと密着層３２ｉとを含んで構成されている。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ｂは、実施形態４に係る光学素子１０１ｋ（図６Ａ、図６Ｂ参照）における密着層３２ｇと同様に、蛍光ホイール１０２ｂの半径方向の断面において、蛍光体層３１ｃの第２の面の一部が密着層３２ｉから露出している。
〔実施形態７〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔蛍光ホイール１０２ｃの構成〕
図９Ａは、本発明の実施形態７に係る光学素子としての蛍光ホイール１０２ｃの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図９Ｂは、本発明の実施形態７に係る蛍光ホイール１０２ｃの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。図９Ｃは、本発明の実施形態７に係る蛍光ホイール１０２ｃのホイール１４１ａを構成する基板（金属基板）１４１にかかる応力を説明するための基板１４１および蛍光体層３１ｄの側面図である。
図９Ｃに示すように、蛍光体層３１ｄは、基板１４１に塗布された後、焼成されることにより任意の形状に形成される。焼成時に蛍光体層３１ｄの体積が矢印Ｃの方向に収縮して固化するため、基板１４１には、蛍光体層３１ｄが形成された面側が凹型となる矢印Ｓの方向に応力が生じる。蛍光体層３１ｄは、略円形に形成されているため、上記応力によって、その内側（基板１４１の中心側）から剥離しやすくなる。
そこで、本実施形態では、図９Ａ、図９Ｂに示すように、波長変換部１４８ｃを、略円形の蛍光体層３１ｄと、蛍光体層３１ｄの内側（ホイール１４１ａの中心側）の側面および第２の面の端部のみを被覆するように設けられた密着層３２ｊとにより構成している。
本実施形態によれば、密着層３２ｊの重量が減るため、蛍光ホイール１０２ｃの回転時のバランス偏移を小さくでき、また、ホイール固定具１４６、回転軸１４７、駆動装置等からなる回転機構への負担を小さくできる。
〔実施形態８〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔蛍光ホイール１０２ｄ，１０２ｅの構成〕
図１０Ａは、本発明の実施形態８に係る光学素子としての蛍光ホイール１０２ｄの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図１０Ｂは、本発明の実施形態８に係る蛍光ホイールの構成を示すＤ−Ｄ’断面図（ｙｚ平面）である。図１０Ｃは、本発明の実施形態８に係る変形例による蛍光ホイール１０２ｅの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。
低屈折率体３３ｅは、密着層３２ｋよりも屈折率が低い部材であり、蛍光を反射することができる。具体的には、蛍光ホイール１０２ｄにおいて、ホイール１４１ａの表面の周方向に波長変換部１４８ｄが配置された領域の一部に、波長変換部１４８ｄを構成する蛍光体層３１ｅおよび密着層３２ｋに代えて低屈折率体３３ｅが配置されている。蛍光ホイール１０２ｄは、ホイール１４１ａの表面の全周に亘って一定間隔隔て波長変換部１４８ｄが存している。好ましい実施形態では、蛍光ホイール１０２ｄは、ホイール１４１ａの表面の周方向に波長変換部１４８ｄが配置された領域において、ホイール１４１ａの半径方向にわたって少なくとも一部に波長変換部１４８ｄが存している。また、図１０Ｃに示す蛍光ホイール１０２ｅにおいては、ホイール１４１ａの表面の周方向に蛍光体層３１ｆおよび密着層３２ｌを含む波長変換部１４８ｅが配置されており、波長変換部１４８ｅが配置された領域の一部に、蛍光体層３１ｆおよび密着層３２ｌに代えてドット状の低屈折率体３３ｆが配置されている。
極座標を用いて換言すると、以下の通りである。ホイール１４１ａの中心を原点（０）とし、当該原点から半径方向の距離をｒとし、偏角をθとすることにより、ホイール１４１ａの表面の周方向に波長変換部１４８ｄ、１４８ｅが配置された領域を（ｒ，θ）という極座標により特定する。このとき、任意の偏角θにおいて波長変換部１４８ｄ、１４８ｅが配置された最近位点（ｒｍｉｎ，θ）から最遠位点（ｒｍａｘ，θ）の間の一部に少なくとも波長変換部１４８ｄ、１４８ｅが存している。当該構成を満たしていれば、低屈折率体は、図１０Ａに示す低屈折率体３３ｅのようなスリット状であっても、図１０Ｃに示す低屈折率体３３ｆのようなドット状であってもよい。
当該構成であることにより、ホイール１４１ａの励起光照射領域外に導光する蛍光が低屈折率体３３ｅ、３３ｆによって反射されるため、励起光照射スポットの近傍でのみ蛍光を取り出すことができる。結果的に多くの光が同一の領域で出射されるため、照射スポット近傍で高輝度の蛍光ホイールを得ることができる。
蛍光ホイール１０２ｄにおいては、図１０Ｂに示すように、蛍光体層３１ｅおよび密着層３２ｋに代えて配置された低屈折率体３３ｅが、代替された蛍光体層３１ｅと密着層３２ｋとの積層の高さと同じ高さを有することが好ましい。当該構成であることにより、上述した効果をより高めることができる。
蛍光ホイール１０２ｄは、θの変化に伴い最近位点（ｒｍｉｎ，θ１）から最遠位点（ｒｍａｘ，θ２）にわたって連続的に波長変換部１４８ｄが低屈折率体３３ｅに代替され、θがθ１からθ２に連続的に変化する（θ１≠θ２）ことが好ましい。当該構成であることにより、上述した効果をより高めることができる。
低屈折率体３３ｅは、空気からなることが好ましい。当該構成であることにより、より安価に蛍光ホイールを製造することができる。
なお、本実施形態の蛍光体層および密着層が配置された領域の一部に代えて低屈折率体を配置する構成は、実施形態６の蛍光ホイール１０２ｂ（図８Ａ、図８Ｂ参照）や実施形態７の蛍光ホイール１０２ｃ（図９Ａ、図９Ｂ参照）にも適用可能である。
次に、本発明の実施形態による光学装置につき、光源装置、車両用前照灯具および投影装置を例に、実施形態９〜１２として説明する。
〔実施形態９〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光源装置１４０の構成〕
図１１Ａは、本発明の実施形態９に係る光学装置としての光源装置の構成を示す概略図である。図１Ｂは、本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。図１１Ｃは、本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの別の構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。
光源装置１４０は、蛍光ホイール１０２ａ（図７Ａ、図７Ｂ参照）と、蛍光ホイール１０２ａを回転させる駆動装置１４２と、波長変換部１４８ａに励起光１４を照射する光源１３とを備えている。光源装置１４０は、蛍光ホイール１０２ａの回転に伴い、少なくとも蛍光ホイール１０２ａの表面の周方向に配置された波長変換部１４８ａの蛍光体層３１ｂに励起光１４が入射した際に、蛍光１１７を出射する。
光源装置１４０は、好ましくはプロジェクターなどに用いられる。光源装置１４０では、光源１３は、波長変換部１４８ａの蛍光体層３１を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。好ましい実施形態では、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の蛍光体を励起する青色レーザダイオードが用いられる。波長変換部１４８ａの蛍光体層３１を照射する励起光１４は、光路上にてレンズ１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃを通過することができる。励起光１４の光路上にミラー１４５が配置されてもよい。ミラー１４５はダイクロイックミラーであるのが好ましい。
図１１Ｂに示すように、蛍光ホイール１０２ａはホイール固定具１４６によって、駆動装置１４２の回転軸１４７に固定される。駆動装置１４２は好ましくはモータであり、モータの回転シャフトである回転軸１４７にホイール固定具１４６によって固定された蛍光ホイール１０２ａがモータの回転に伴い回転する。
蛍光ホイール１０２ａの表面上の周辺部に配置された波長変換部１４８ａが、励起光を受けて蛍光１１７を出射し、ミラー１４５を透過して蛍光を出射する。波長変換部１４８ａは、蛍光ホイール１０２ａの回転に伴い回転するため随時回転しながら、蛍光１１７を出射する。
光源モジュールは、図１１Ｂに示す光源モジュールにおける蛍光ホイール１０２ａの代わりに、図１１Ｃに示すように、蛍光ホイール１０２ｂ（図８Ａ、図８Ｂ参照）を用いて構成することも可能である。
図１２Ａ〜図１２Ｄは、本発明の実施形態９に係る光源装置１４０の蛍光ホイールの変形例１０２ｆ〜１０２ｉの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図１２Ａ，図１２Ｃ，図１２Ｄに示すように、ホイールは、セグメントの一部を励起光１４が透過する透過部１４３を備えたホイール１４１ｂとすることができる。好ましい実施形態では、透過部１４３はガラスからなることが好ましい。かかるセグメント構成とすることにより、励起光１４を１つの蛍光ホイールで複数の波長に変換させることが可能となる。図１２Ａに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ａを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇと密着層３２ｍとを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｆとしてもよい。また、図１２Ｂに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと密着層３２ｍとを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ｂを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｇとしてもよい。また、図１２Ｃに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇとに分割し、蛍光体層３１ｇ及び蛍光体層３１ｈを密着させる密着層３２ｎを備える蛍光ホイール１０２ｈとしてもよい。また、図１２Ｄに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇと、赤色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｉとに分割し、蛍光体層３１ｇ、蛍光体層３１ｈ、および蛍光体層３１ｉを密着させる密着層３２ｏを備える蛍光ホイール１０２ｉとしてもよい。蛍光ホイールを周方向に複数のセグメントに分割し、蛍光体をセグメント毎に塗り分けることにより、外部量子収率を高い水準に維持することが可能となる。これにより、明るさを維持しつつ様々な色を作り出すことができる。
図１２Ａ〜図１２Ｄに示す蛍光ホイール１０２ｅｆ〜１０２ｉそれぞれにおける蛍光体層および密着層の構成は、図１１Ｂに示す蛍光体層および密着層の構成としても、図１１Ｃに示す蛍光体層および密着層の構成としてもよい。
〔実施形態１０〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光源装置８０の構成〕
図１３は、本発明の実施形態１０に係る光学装置としての光源装置８０の構成を示す概略図である。光源装置８０は、蛍光体層と密着層とを含む光学素子８１と、光学素子８１に励起光１４を照射する光源１３と、光学素子８１から出射した蛍光１１７を反射させる反射面を有するリフレクタ１１１とを備えている。リフレクタ１１１の反射面は、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有している。
光源装置８０は好ましくは反射型車両用前照灯具（レーザヘッドライト）である。光源１３は、光学素子８１の蛍光体層を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。リフレクタ１１１は、半放物面ミラーから構成されるのが好ましい。放物面をｘｙ平面に平行に上下に２分割して半放物面とし、その内面はミラーになっているのが好ましい。リフレクタ１１１には励起光１４が通過する透孔がある。光学素子８１は、青色の励起光１４によって励起され、可視光の長波長域（黄色波長）の蛍光１１７を発する。また、励起光１４は、光学素子８１の表面にて反射され、拡散反射光１１８ともなる。光学素子８１は、放物面の焦点の位置に配置される。光学素子８１が、放物面ミラーの焦点の位置にあるので、光学素子８１から出射された蛍光１１７、拡散反射光１１８はリフレクタ１１１へ向い、その表面にて反射すると、一様に出射面１１２に直進する。蛍光１１７と拡散反射光１１８とが混ざり合った白色光が平行光として出射面１１２から出射する。
実施形態１０では、光学素子８１として、上記実施形態１〜４の光学素子１０１ａ〜１０１ｋを採用することができる。
〔実施形態１１〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光源装置９０の構成〕
図１４は、本発明の実施形態１１に係る光学装置としての光源装置９０の構成を示す概略図である。光源装置９０は、光学素子９２と、光学素子９２に励起光１４を照射する光源１３とを備えている。光源１３は、透過性基板９１を介して第１の面に励起光１４を照射する。蛍光体層は、第２の面から蛍光を出射する。リフレクタ１１１で反射された光は平行光線として出射面１１２から出射する。
本発明の実施形態１１では、透過性基板９１をヒートシンク構造とすることが好ましい。別の好ましい実施形態では、透過性基板９１を透過性ヒートシンク（図示せず）と固定接触させることで冷却することもできる。
かかる光源装置９０は、透過型レーザヘッドライト（車両用前照灯）への実装が好ましい（特許文献２（国際公開第２０１４／２０３４８４号））。特許文献３（特開２０１２−１１９１９３号公報）に開示されているように、透過性のヒートシンク基板に蛍光膜が堆積している場合、ヒートシンク側から励起光が入射すると、ヒートシンク側は放熱性が高いとことが知られている。
実施形態１１では、光学素子９２として、上記実施形態１〜４の光学素子１０１ａ〜１０１ｋを採用することができる。
〔実施形態１０〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔投影装置の構成〕
図１５は、本発明の実施形態１２に係る光学装置としての投影装置の構成を示す概略図である。投影装置１００は、光源装置と、蛍光ホイールの回転位置を取得する回転位置センサ１０３と、回転位置センサ１０３からの出力情報に基づいて光源１３を制御する光源制御部１０４と、表示素子１０７と、光源装置からの光を表示素子１０７まで導光する光源側光学系１０６と、表示素子１０７からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系１０８とを備えている。投影装置１００は、回転位置センサ１０３により取得された蛍光ホイールの回転位置の情報により光源１３の出力を制御する。光源装置は、光源１３から出射された励起光が通過する周方向の少なくとも一部に、光学素子が周方向に複数セグメントに分割されて配置された蛍光ホイールを備えていればよく、上述した光源装置１４０であってもよい。
例えば、図１２Ｄのように蛍光ホイール１０２ｉのセグメントの一部に透過部１４３を設けた場合、青色発光の励起光１４は透過部１４３を介して蛍光ホイール１０２ｉを透過する。波長変換部１４８ｉに照射した励起光１４は、光路上にてミラー１０９ａ〜１０９ｃおよび光源側光学系１０６を経由することができる。光源側光学系１０６はダイクロイックミラーであるのが好ましい。好ましいダイクロイックミラーは、４５度で入射した青色の光は反射させ、赤色および緑色の光は透過させることができる。
より詳細に検討すると、上記光学特性を備えたダイクロイックミラーを光源側光学系１０６に採用することにより、ダイクロイックミラーに入射する励起光１４による青色の光は反射されて蛍光ホイール１０２ｉに向けられる。蛍光ホイール１０２ｉの回転のタイミングにより、青色の光は透過部１４３を介して蛍光ホイール１０２ｉを透過する。蛍光ホイール１０２ｉの回転のタイミングにより、透過部１４３以外のセグメントに照射された励起光１４は、波長変換部１４８ｉを照射し、蛍光体層３１ｇ〜３１ｉを蛍光発光させる。セグメント毎に蛍光体層３１ｈでは緑色波長帯域の蛍光が発光され、蛍光体層３１ｇでは黄色波長帯域の蛍光が発光され、蛍光体層３１ｉでは赤色波長帯域の蛍光が発光される。蛍光発光された緑色、黄色および赤色の光は、ダイクロイックミラーを透過して表示素子１０７に入射する。透過部１４３を透過した青色の光は、ミラー１０９ａ〜１０９ｃを介して再度ダイクロイックミラーに入射し、ダイクロイックミラーで再度反射されて表示素子１０７に入射する。
好ましい実施形態では、プロジェクタ（投影装置１００）は、光源モジュール１０１と、表示素子１０７と、光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）と、投影側光学系１０８と、を備えることができる。ここで、光学モジュール１０１としては、例えば、図１０Ｂに示した蛍光ホイール１０２ａと駆動装置１４２とを含む光源モジュールや、図１０Ｃに示した蛍光ホイール１０２ｂと駆動装置１４２とを含む光源モジュールを用いることができる。光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）は、光源モジュール１０１からの光を上記表示素子１０７まで導光し、投影側光学系１０８は、上記表示素子１０７からの投影光をスクリーン等に投影することができる。好ましい実施形態では、表示素子１０７はＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）であるのが好ましい。投影側光学系１０８は投影部レンズの組み合わせからなるのが好ましい。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学素子は、下位層（１１）に面して配置された蛍光体層（３１ａ〜３１ｋ）と、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）を前記下位層（１１）に密着させる密着層（３２ａ〜３２ｏ）と、を備え、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）は、無機バインダと、前記無機バインダ内に分散した蛍光体粒子とを含み、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）は、有機バインダを含み、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｋ）は、前記下位層（１１）に面する第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側面と、を有し、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）は、前記第２の面と、前記側面と、前記下位層の表面とを接続して前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）を前記下位層（１１）に密着させる構成である。
本発明の態様２に係る光学素子は、上記の態様１において、前記下位層（１１）が、基板を含む１以上の層から構成される構成としてもよい。
本発明の態様３に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が、前記第２の面の全領域を被覆している構成としてもよい。
本発明の態様４に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が、前記第２の面の全領域および前記側面の全領域と面するように前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）を被覆している構成としてもよい。
本発明の態様５に係る光学素子は、上記の態様１〜４の何れかにおいて、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が、前記下位層（１１）および前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）と密着していない外面を有し、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）の外面が、凸状の曲面形状である構成としてもよい。
本発明の態様６に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記第２の面の一部が前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）から露出している構成としてもよい。
本発明の態様７に係る光学素子は、上記の態様１〜６の何れかにおいて、前記下位層（１１）がホイール（１４１ａ、１４１ｂ）であり、光源から出射された励起光が通過する前記ホイールの表面の周方向の少なくとも一部に、前記蛍光体層および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が配置されている構成としてもよい。
本発明の態様８に係る光学素子は、上記の態様７において、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）の内側の側面および前記第２の面の端部のみを被覆している構成としてもよい。
本発明の態様９に係る光学素子は、上記の態様７において、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の表面の周方向に前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が配置された領域の一部に、前記密着層よりも屈折率が低い低屈折率体（３３ａ〜３３ｆ）が配置され、前記ホイールの表面の周方向に前記蛍光体層および前記密着層が配置された領域において、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の半径方向にわたって少なくとも一部に前記蛍光体層および前記密着層が存する構成としてもよい。
本発明の態様１０に係る光学素子は、上記の態様９において、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）に代えて配置された前記低屈折率体（３３ａ〜３３ｆ）が、代替された蛍光体層と前記密着層との積層の高さと同じ高さを有する構成としてもよい。
本発明の態様１１に係る光学素子は、上記の態様９または１０において、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の中心を原点（０）とし、当該原点から半径方向の距離をｒとし、偏角をθとすることにより、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の表面の周方向に前記光学素子が配置された領域を（ｒ，θ）という極座標により特定し、θの変化に伴い最近位点（ｒｍｉｎ，θ１）から最遠位点（ｒｍａｘ，θ２）にわたって連続的に前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が前記低屈折率体（３３ａ〜３３ｆ）に代替され、θがθ１からθ２に連続的に変化する（θ１≠θ２）構成としてもよい。
本発明の態様１２に係る光学素子は、上記の態様９〜１１の何れかにおいて、前記低屈折率体（３３ａ〜３３ｆ）が空気からなる構成としてもよい。
本発明の態様１３に係る光学装置は、上記の態様１〜１２の何れかに記載の光学素子と、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）に励起光を照射するレーザまたはＬＥＤを備える構成としてもよい。
本発明の態様１４に係る光学装置は、上記の態様７〜１２の何れかに記載の光学素子と、前記ホイールを回転させる駆動装置（１４２）と、前記光学素子に励起光を照射する光源（１３）と、を備え、前記ホイールの回転に伴い、少なくとも前記ホイールの表面の周方向に配置された前記光学素子の前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）に励起光が入射した際に、蛍光を出射する構成としてもよい。
本発明の態様１５に係る光学装置は、上記の態様１〜６の何れかに記載の光学素子と、前記光学素子に励起光を照射する光源（１３）と、前記光学素子から出射した蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタ（１１１）と、を備えた構成としてもよい。
本発明の態様１６に係る光学装置は、前記下位層（１１）が透過性基板（９１）である上記の態様１〜６の何れかに記載の光学素子と、前記光学素子に励起光を照射する光源（１３）と、を備え、前記光源（１３）が、前記透過性基板（９１）を介して前記第１の面に励起光を照射し、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）が、前記第２の面から蛍光を出射する構成としてもよい。
本発明の態様１７に係る光学装置は、上記の態様１４に記載の光源装置と、表示素子（１０７）と、前記蛍光体層からの前記蛍光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系と、を備える構成としてもよい。
本発明の態様１８に係る光学装置は、上記の態様１４において、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が、光源（１３）から出射された励起光が通過する前記ホイールの表面の周方向の少なくとも一部に、周方向に複数セグメントに分割されて配置され、前記ホイールの回転位置を取得する回転位置センサ（１０３）と、前記回転位置センサ（１０３）からの出力情報に基づいて光源（１３）を制御する光源制御部（１０４）と、表示素子（１０７）と、前記光源装置からの光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系（１０８）と、をさらに備え、前記回転位置センサ（１０３）により取得された前記ホイールの回転位置の情報により光源（１３）の出力を制御する構成としてもよい。
本発明の態様１９に係る光学素子は、上記の態様１〜６の何れかにおいて、前記密着層よりも屈折率が低い低屈折率体をさらに備える構成としてもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
本発明は光学素子および光学装置に関する。
本願は、２０１８年１０月２２日に日本に出願された特願２０１８−１９８６８６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
〔光源装置１４０の構成〕
図１１Ａは、本発明の実施形態９に係る光学装置としての光源装置の構成を示す概略図である。図１１Ｂは、本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。図１１Ｃは、本発明の実施形態９に係る光源装置の光源モジュールの別の構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。
図１２Ａ〜図１２Ｄは、本発明の実施形態９に係る光源装置１４０の蛍光ホイールの変形例１０２ｆ〜１０２ｉの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図１２Ａ，図１２Ｃ，図１２Ｄに示すように、ホイールは、セグメントの一部を励起光１４が透過する透過部１４３を備えたホイール１４１ｂとすることができる。好ましい実施形態では、透過部１４３はガラスからなることが好ましい。かかるセグメント構成とすることにより、励起光１４を１つの蛍光ホイールで複数の波長に変換させることが可能となる。図１２Ａに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ａを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇと密着層３２ｍとを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｆとしてもよい。また、図１２Ｂに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと密着層３２ｍとを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ｂを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｇとしてもよい。また、図１２Ｃに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇとに分割し、蛍光体層３１ｇ及び蛍光体層３１ｈを密着させる密着層３２ｎを備える蛍光ホイール１０ｈｇとしてもよい。また、図１２Ｄに示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｈと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｇと、赤色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層３１ｉとに分割し、蛍光体層３１ｇ、蛍光体層３１ｈ、および蛍光体層３１ｉを密着させる密着層３２ｏを備える蛍光ホイール１０２ｉとしてもよい。蛍光ホイールを周方向に複数のセグメントに分割し、蛍光体をセグメント毎に塗り分けることにより、外部量子収率を高い水準に維持することが可能となる。これにより、明るさを維持しつつ様々な色を作り出すことができる。
図１２Ａ〜図１２Ｄに示す蛍光ホイール１０２ｆ〜１０２ｉそれぞれにおける蛍光体層および密着層の構成は、図１１Ｂに示す蛍光体層および密着層の構成としても、図１１Ｃに示す蛍光体層および密着層の構成としてもよい。
〔実施形態１２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
好ましい実施形態では、プロジェクタ（投影装置１００）は、光源モジュール１０１と、表示素子１０７と、光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）と、投影側光学系１０８と、を備えることができる。ここで、光源モジュール１０１としては、例えば、図１１Ｂに示した蛍光ホイール１０２ａと駆動装置１４２とを含む光源モジュールや、図１１Ｃに示した蛍光ホイール１０２ｂと駆動装置１４２とを含む光源モジュールを用いることができる。光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）は、光源モジュール１０１からの光を上記表示素子１０７まで導光し、投影側光学系１０８は、上記表示素子１０７からの投影光をスクリーン等に投影することができる。好ましい実施形態では、表示素子１０７はＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）であるのが好ましい。投影側光学系１０８は投影部レンズの組み合わせからなるのが好ましい。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学素子は、下位層（１１）に面して配置された蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）と、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）を前記下位層（１１）に密着させる密着層（３２ａ〜３２ｏ）と、を備え、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）は、無機バインダと、前記無機バインダ内に分散した蛍光体粒子とを含み、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）は、有機バインダを含み、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）は、前記下位層（１１）に面する第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側面と、を有し、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）は、前記第２の面と、前記側面と、前記下位層の表面とを接続して前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）を前記下位層（１１）に密着させる構成である。
本発明の態様７に係る光学素子は、上記の態様１〜６の何れかにおいて、前記下位層（１１）がホイール（１４１ａ、１４１ｂ）であり、光源から出射された励起光が通過する前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の表面の周方向の少なくとも一部に、前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が配置されている構成としてもよい。
本発明の態様９に係る光学素子は、上記の態様７において、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の表面の周方向に前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が配置された領域の一部に、前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）よりも屈折率が低い低屈折率体（３３ａ〜３３ｆ）が配置され、前記ホイールの表面の周方向に前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が配置された領域において、前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の半径方向にわたって少なくとも一部に前記蛍光体層（３１ａ〜３１ｉ）および前記密着層（３２ａ〜３２ｏ）が存する構成としてもよい。
本発明の態様１７に係る光学装置は、上記の態様１４において、表示素子（１０７）と、前記蛍光体層からの前記蛍光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系（１０８）と、を備える構成としてもよい。

Claims (18)

  1. 下位層に面して配置された蛍光体層と、前記蛍光体層を前記下位層に密着させる密着層と、を備え、
    前記蛍光体層は、無機バインダと、前記無機バインダ内に分散した蛍光体粒子とを含み、
    前記密着層は、有機バインダを含み、
    前記蛍光体層は、前記下位層に面する第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側面と、を有し、
    前記密着層は、前記第２の面と、前記側面と、前記下位層の表面とを接続して前記蛍光体層を前記下位層に密着させることを特徴とする光学素子。
  2. 前記下位層が、基板を含む１以上の層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記密着層が、前記第２の面の全領域を被覆していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 前記密着層が、前記第２の面の全領域および前記側面の全領域と面するように前記蛍光体層を被覆していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  5. 前記密着層が、前記下位層および前記蛍光体層と密着していない外面を有し、
    前記密着層の外面が、凸状の曲面形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光学素子。
  6. 前記第２の面の一部が前記密着層から露出していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  7. 前記下位層がホイールであり、
    光源から出射された励起光が通過する前記ホイールの表面の周方向の少なくとも一部に、前記蛍光体層および前記密着層が配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子。
  8. 前記密着層が、前記蛍光体層の内側の側面および前記第２の面の端部のみを被覆していることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
  9. 前記ホイールの表面の周方向に前記蛍光体層および前記密着層が配置された領域の一部に、前記密着層よりも屈折率が低い低屈折率体が配置され、
    前記ホイールの表面の周方向に前記蛍光体層および前記密着層が配置された領域において、前記ホイールの半径方向にわたって少なくとも一部に前記蛍光体層および前記密着層が存することを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
  10. 前記蛍光体層および前記密着層に代えて配置された前記低屈折率体が、代替された蛍光体層と前記密着層との積層の高さと同じ高さを有することを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
  11. 前記ホイールの中心を原点（０）とし、当該原点から半径方向の距離をｒとし、偏角をθとすることにより、前記ホイールの表面の周方向に前記光学素子が配置された領域を（ｒ，θ）という極座標により特定し、
    θの変化に伴い最近位点（ｒｍｉｎ，θ１）から最遠位点（ｒｍａｘ，θ２）にわたって連続的に前記蛍光体層および前記密着層が前記低屈折率体に代替され、θがθ１からθ２に連続的に変化する（θ１≠θ２）ことを特徴とする請求項９または１０に記載の光学素子。
  12. 前記低屈折率体が空気からなることを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の光学素子。
  13. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記蛍光体層に励起光を照射するレーザまたはＬＥＤを備えることを特徴とする光学装置。
  14. 請求項７〜１２の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記ホイールを回転させる駆動装置と、
    前記光学素子に励起光を照射する光源と、
    を備え、
    前記ホイールの回転に伴い、少なくとも前記ホイールの表面の周方向に配置された前記光学素子の前記蛍光体層に励起光が入射した際に、蛍光を出射することを特徴とする光学装置。
  15. 請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記光学素子に励起光を照射する光源と、
    前記光学素子から出射した蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタと、
    を備え、
    前記リフレクタの反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有することを特徴とする光学装置。
  16. 前記下位層が透過性基板である請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記光学素子に励起光を照射する光源と、
    を備え、
    前記光源が、前記透過性基板を介して前記第１の面に励起光を照射し、
    前記蛍光体層が、前記第２の面から蛍光を出射することを特徴とする光学装置。
  17. 表示素子と、
    前記蛍光体層からの前記蛍光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
    前記表示素子からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
    を備えることを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
  18. 前記蛍光体層および前記密着層が、光源から出射された励起光が通過する前記ホイールの表面の周方向の少なくとも一部に、周方向に複数セグメントに分割されて配置され、
    前記ホイールの回転位置を取得する回転位置センサと、
    前記回転位置センサからの出力情報に基づいて光源を制御する光源制御部と、
    表示素子と、
    前記光源装置からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
    前記表示素子からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
    をさらに備え、
    前記回転位置センサにより取得された前記ホイールの回転位置の情報により光源の出力を制御することを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
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