WO2018154873A1 - 波長変換部材及び画像形成装置 - Google Patents

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WO2018154873A1
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wavelength conversion
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昌宏 今田
三森　満
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コニカミノルタ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion member and an image forming apparatus, and more particularly to a wavelength conversion member suitably used for an image forming apparatus such as a small image projection apparatus and an image forming apparatus using the same.
  • a projection image is formed using a liquid crystal, a mirror deflection type digital micromirror device (DMD) or the like, but as a light source for projecting such an image, a conventional technique is used.
  • Discharge lamps are widely used. However, the discharge lamp has a short life and low reliability.
  • solid light sources having a long life such as semiconductor lasers and light emitting diodes has progressed, and these have come to be used as light sources for image projection apparatuses.
  • high intensity light of three colors of red, green, and blue is required as the three primary colors of light.
  • a semiconductor laser a laser emitting blue light and blue light are used. While lasers that emit high-intensity lasers have been put into practical use, lasers that emit green light with high brightness comparable to these lasers have not been put into practical use due to problems such as cost. There is a real situation. Therefore, there is an attempt to create green high-intensity light by converting the wavelength of blue laser light. Further, if the wavelength of blue laser light can be converted to create red high-intensity light, it is only necessary to provide one semiconductor laser, so that restrictions such as cost and space are reduced.
  • Patent Document 1 provides a light deflecting unit including a plurality of prisms between a phosphor layer having a predetermined thickness and a light source, and causes each prism to emit light emitted from the phosphor layer. A technique for improving light utilization efficiency by refraction is disclosed.
  • Patent Document 1 Although light utilization efficiency can be improved by refracting and emitting scattered light from the phosphor layer with a prism, there is a demand for forming a projected image with light having higher intensity. On the other hand, if the output of the laser light source is increased, light with higher intensity can be emitted, but this is contrary to energy saving and heat generation is accelerated when high-intensity light is incident on the phosphor, leading to early deterioration of the phosphor and conversion. There is a problem that efficiency decreases.
  • Patent Document 2 discloses a technique in which scattered light emitted from a phosphor layer is captured by a large-diameter field lens and a collimator lens and converted into parallel light having different traveling directions.
  • the diameters of the field lens and the collimator lens must be increased, which is not preferable because the apparatus is increased in size and weight.
  • Patent Document 3 discloses a technique in which fluorescence excited by a phosphor layer provided in a truncated conical concave reflecting portion is reflected by a reflecting portion and emitted, thereby improving light utilization efficiency.
  • the fluorescence emitted from the reflecting portion is captured by a single pickup lens and is advanced to the collimating optical system, and the light utilization efficiency is improved.
  • a large-diameter pickup lens is required.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an image forming apparatus capable of improving light utilization efficiency and capable of forming a high-quality image, and a wavelength conversion member used therefor. To do.
  • the wavelength conversion member of the present invention is a wavelength conversion member having a substrate on which a plurality of concave portions each containing a phosphor are formed, and a plurality of light deflection portions arranged so as to correspond to the concave portions,
  • the deflecting unit is made of a light transmissive material, has a refractive surface, When light having a first wavelength is incident on the phosphor in the recess via the light deflecting unit, the light having the first wavelength incident on the phosphor is the first wavelength. The light is converted into light having a different second wavelength, is refracted by the light deflection unit, and is emitted to the outside.
  • an image forming apparatus capable of improving light utilization efficiency and forming a high quality image, and a wavelength conversion member used therefor.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image projection apparatus 100 as an image forming apparatus according to an embodiment.
  • 2 is an exploded perspective view showing a phosphor wheel 106.
  • FIG. It is a perspective view which decomposes
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of Examples 1 to 6 according to the phosphor wheel used in the simulation.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of Comparative Examples 1A to 6A.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of Comparative Examples 1B to 6B. It is a graph which compares and shows Example 1 and Comparative Examples 1A and 1B.
  • 6 is a graph showing a comparison between Example 2 and Comparative Examples 2A and 2B.
  • 6 is a graph showing a comparison between Example 3 and Comparative Examples 3A and 3B. It is a graph which compares and shows Example 4 and Comparative example 4A, 4B.
  • 6 is a graph showing a comparison between Example 5 and Comparative Examples 5A and 5B. It is a graph which compares and shows Example 6 and Comparative Example 6A, 6B.
  • FIG. It is the graph which plotted the simulation result at the time of changing the diameter of a recessed part into (phi) 50micrometer, (phi) 75micrometer, (phi) 100micrometer, and (phi) 150micrometer in Example 2.
  • FIG. It is a graph which shows the result of having plotted the light intensity of the angle of 30 degree
  • 6 is a graph showing the results of plotting the light intensity at an angle of 30 degrees against the diameter of the recesses in Examples 1 to 6 in which the diameter and period of the recesses were respectively changed.
  • Example 6 is a graph showing a calculation result when positional deviation occurs in Example 1 in which the lens period a is 102 ⁇ m and the diameter of the concave portion is changed to ⁇ 50 ⁇ m (depth 25 ⁇ m) and ⁇ 75 ⁇ m (depth 37.5 ⁇ m). is there.
  • Example 3 where the lens period a is 216 ⁇ m, the diameter of the concave portion was changed to ⁇ 75 ⁇ m (depth 37.5 ⁇ m), ⁇ 100 ⁇ m (depth 50 ⁇ m), ⁇ 150 ⁇ m (depth 75 ⁇ m)), and ⁇ 200 ⁇ m (depth 100 ⁇ m). It is a graph which shows the calculation result when position shift arises by composition.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an image projection apparatus 100 as an image forming apparatus according to the present embodiment.
  • a configuration example of an image projection apparatus using a reflective LCD light modulation element (LCOS: Liquid crystal on silicon) as a light modulation element is shown, but the present invention is not limited to this, and a mirror array (DMD: Digital Mirror Device) is shown.
  • LCOS Liquid crystal on silicon
  • DMD Digital Mirror Device
  • a light modulation element using transmissive liquid crystal may be employed.
  • a plurality of light modulation elements may be used in combination.
  • the image projection apparatus 100 includes an illumination unit IL from the light source 101 to the front of the LCD light modulation element 113, and an optical engine unit OE from the LCD light modulation element 113 to the projection lens 114.
  • the optical engine unit OE has a function of optically processing the light emitted from the illumination unit IL to generate image light and enlarging and projecting the image light on an external object plane.
  • the object plane is a wall, a screen, a whiteboard, a three-dimensional object, or the like.
  • the optical engine unit OE includes an LCD light modulation element 113, a polarization beam splitter 112 serving as a branching element for illumination light and projection light, and a projection lens 114 for enlarging and projecting an image generated by the LCD light modulation element 113. .
  • the polarization beam splitter 112 is also used in the illumination unit IL described later.
  • the configuration of the optical engine unit OE may be any configuration that includes the above-described three elements as a minimum configuration and that includes a branching element in the optical path between the LCD light modulation element 113 and the projection lens 114. If necessary, other optical elements may be added on the optical path. Examples of such an optical element include a wave plate that changes the polarization state, a polarizing filter, and a filter that corrects the color.
  • the LCD light modulation element 113 changes the arrangement of LCOS liquid crystal cells and changes the polarization state of incident light in response to the signal decomposed into R component, G component, and B component corresponding to the image from the control unit CONT.
  • the modulated light is combined with the polarizing film of the polarizing beam splitter to generate a modulated image.
  • the LCD light modulation element 113 can generate an image by a so-called color field sequential method in which the R component, the G component, and the B component are respectively divided in time, and can project a full-color image.
  • the arrangement (field) of the liquid crystal cells changed to form the R component, G component, and B component images of the LCD light modulation element 113, and R (infrared light) and G (green light) of the illumination unit IL. ), B (blue light) emission timing is synchronized.
  • the illumination unit IL includes a first light source 101, a beam reduction optical system 102 including a positive lens and a negative lens, a bandpass polarization filter 103, a quarter wavelength plate 104, and at least one positive lens (or A condensing lens 105 which is a condensing optical system including a mirror), a phosphor wheel 106 which is a wavelength conversion member, a motor 107 as a rotation driving unit, a first relay optical system 108, a light pipe 109, The second relay optical system 110 and the polarization beam splitter 112 are included.
  • the first light source 101 is driven to emit light in synchronization with the rotation of the motor 107 by the laser driver DR.
  • the band-pass polarization filter 103 is inclined at an angle of 45 degrees with respect to the optical axis, transmits P-polarized light of ⁇ 20 nm with respect to the first wavelength of 450 nm, and has S-polarized light and a long wavelength of 500 nm or more. It has the characteristic of reflecting the light.
  • the condensing lens 105 may be set so as to be condensed on the phosphor wheel 106 with a light beam diameter of a predetermined size.
  • FIG. 2A is an exploded perspective view of the phosphor wheel 106
  • FIG. 3 is a diagram of the phosphor wheel viewed in the axial direction
  • FIG. 4A is an enlarged view of the micro lens array in the optical axis direction
  • 4B is a side view of the microlens array
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the phosphor wheel 106 taken along the line VV in FIG. 2A and viewed in the direction of the arrow.
  • the number of lenses and recesses is smaller than the actual number.
  • the phosphor wheel 106 is formed by joining a disc-shaped substrate 106a and an annular microlens array (optical element) 106b.
  • a first light conversion unit 106c and a second light conversion unit 106d are formed in a strip shape along the circumferential direction.
  • the light conversion portions 106c and 106d are formed only for 2/3 of the substrate 106a, and the reflection portion 106e is formed in the remaining portion. That is, the 1st light conversion part 106c is formed in 1/3 circumference of the board
  • a hole 106p for connecting to the rotating shaft of the motor 107 is formed in the center of the substrate 106a.
  • a structure that scatters light such as a scattering structure or a concavo-convex structure, is formed on the surface to reduce speckles or reflect light. This is preferable because the light distribution of the light having the first wavelength spreads and becomes close to the light distribution of the second wavelength generated in the light conversion units 106c and 106d.
  • a plurality of concave portions 106f are formed on the surface (here, the upper surface) facing the microlens array 106b so as to be spaced apart from each other at an equal pitch.
  • the inner surfaces of the recesses 106f each having the same shape function as a reflecting surface.
  • recesses 106 f are arranged between adjacent ones so that the center thereof is an apex of an equilateral triangle.
  • the shape of the concave portion 106f is preferably a hemispherical surface or an aspherical surface that is rotationally symmetric, but other shapes such as a cone and a pyramid may be used.
  • the phosphors 106g are accommodated in the recesses 106f, respectively.
  • the surface of the phosphor 106g may be a flat surface or a convex or concave curved surface. Further, the surface of the phosphor 106g may be an uneven surface instead of a smooth surface. Further, the thickness of the phosphor 106g may be smaller than the depth of the recess 106f, or conversely, it may be larger than the depth of the recess 106f and partly protrude from the recess 106f, or the thickness of each phosphor 106g varies. May be.
  • cerium activated yttrium aluminum garnet (a typical chemical structure of the crystal matrix of this phosphor is Y 3 ( Al, Ga) 5 O 12 ), Ce or cerium activated lutetium aluminum garnet (LuAG: Ce), or ⁇ sialon phosphor can be used, but when light of the first wavelength is incident Any phosphor capable of emitting fluorescence having a peak wavelength from 500 nm to 560 nm as the second wavelength light may be used.
  • Sr sialon phosphor (Sr 2 Si 7 Al 3 ON 13 : Eu) or the like can be used as the phosphor 106g accommodated in the recess 106f of the second light conversion unit 106d.
  • the substrate 106a using the two light conversion units 106c and 106d is used.
  • the period of the lens and the recess can be arbitrarily changed in each.
  • a microlens array 106b is integrally formed from a silicone resin, and a lens (light deflection) having a spherical surface, an aspherical surface, or an elliptical spherical surface (that is, a refractive surface) having the same shape on the base layer 106h.
  • Part) 106i are arranged in the same period a.
  • the base layer 106h may be formed from glass or the like.
  • the adjacent lenses 106i are in contact with each other and form a so-called hexagonal close-packed structure.
  • the diameter of the lens 106i can be the diameter of an inscribed circle inscribed in the hexagonal lattice.
  • the optical axis of the lens 106i substantially coincides with the center of the corresponding recess 106f.
  • the microlens array 106b may have a periodic structure (such as a square lattice) other than the hexagonal close-packed lattice, or may have a quasi-periodic structure, a structure with a varying period, or a random structure. Therefore, it is preferable that the lenses are spread without gaps.
  • the lens 106i may not be formed only in the portion corresponding to the reflecting portion 106e, but a microlens array 106b having a parallel plate may be used.
  • a configuration in which a microlens array or a parallel plate does not exist in the portion corresponding to the reflecting portion 106e may be used.
  • the first light source 101 includes a solid-state light emitting element 101a that emits light of a first wavelength and a collimating lens array 101b.
  • the solid-state light emitting device 101a uses a blue semiconductor laser array that can emit a plurality of blue lights having a wavelength of 450 nm simultaneously in order to obtain a predetermined output by multiplexing. From the solid-state light emitting device 101a, a plurality of linearly polarized blue lights having the same polarization state are emitted.
  • the first wavelength may be any wavelength that is shorter than the wavelength of the fluorescent light emitted from the phosphor layer (second wavelength) and can be recognized as blue, but is preferably 480 nm or less. .
  • the phosphor wheel 106 is controlled to rotate in synchronism with the field of the LCD light modulation element 113, that is, the color field and the segment are controlled to synchronize. Specifically, blue light is incident on the light modulation element 113 in the blue color field of the LCD light modulation element 113, green light is incident on the edge color field, and red light is incident on the red color field. It has become.
  • blue light of linearly polarized light (P-polarized light with respect to the bandpass polarization filter 103) emitted from the solid state light emitting device 101a of the first light source 101 passes through the collimating lens array 101b and becomes a plurality of parallel light beams.
  • a plurality of parallel light fluxes are narrowed by a beam reduction optical system 102, pass through a bandpass polarization filter 103, enter a quarter-wave plate 104, and are converted into a circular polarization state.
  • the light is condensed and condensed as spot light on the surface side of the substrate 106 a of the phosphor wheel 106 (the side where the light conversion units 106 c and 106 d are formed).
  • the phosphor wheel 106 connected to the rotation shaft of the motor 107 is driven to rotate at a predetermined speed.
  • Such spot light (referred to as excitation light) is divided and collected by the lens 106i of the microlens array 106b, and in accordance with the rotational position of the phosphor wheel 106, the concave portion 106f of the first light conversion unit 106c, the second light The light is incident on either the concave portion 106f or the reflecting portion 106e of the light converting portion 106d.
  • the excitation light incident on the recess 106f is condensed by the lens 106i on the phosphor 106g in the recess 106f.
  • the condensed light is absorbed by the phosphor 106g, and fluorescent light having a wavelength different from that of the excitation light (longer wavelength than the excitation light) is emitted.
  • the phosphor 106g usually uses YAG phosphor particles dispersed in a binder, the phosphor layer becomes a scattering portion having scattering characteristics, and the excitation light and the fluorescent light are scattered, resulting in the scattering.
  • the light emitting area is expanded by several tens of microns or more.
  • the phosphor 106g is disposed in the recess 106f, it is possible to suppress the expansion of the light emitting region.
  • the light emitting region is limited to a region close to the condensing position of the lens, and the emitted fluorescent light can be condensed in a narrow angle range as shown by a one-dot chain line in FIG.
  • green fluorescent light is generated by exciting the fluorescent substance 106g in the inside thereof by the spot light incident on the concave part 106f of the first light conversion part 106c. Although this fluorescence is scattered light, it is reflected by the reflection surface of the inner surface of the recess 106f or directly enters the corresponding lens 106i of the microlens array 106b, and green light is emitted by the light collecting action. At this time, it is preferable to use a lens with a high NA as the lens, because light emitted in more directions among the light emitted from the phosphor 106g in all directions can be collected.
  • the substrate 106a when the substrate 106a is not provided with the recess 106f, light is emitted from a position greatly deviated from the condensing position of the lens 106i due to the enlargement of the light emitting area. Since the light is not collected, it can be said that the light distribution characteristic is deteriorated, which is not preferable. This point will be specifically described later with reference to a comparative example.
  • red fluorescent light is generated by exciting the fluorescent substance 106g inside by the spot light incident on the recess 106f of the second light conversion part 106d.
  • This fluorescence is also reflected by the reflecting surface of the inner surface of the concave portion 106f, enters the corresponding lens 106i of the microlens array 106b, and red light is emitted by the condensing action.
  • the spot light (blue light) incident on the reflecting portion 106e is directly reflected on the surface, passes through the lens 106i again, and emits blue light.
  • blue light passes through the quarter-wave plate 104 and becomes S-polarized, and green light and red light are reflected by the bandpass polarization filter 103 regardless of polarization.
  • the Illumination light in which blue light, green light, and red light sequentially reflected by the bandpass polarization filter 103 is incident on the light pipe 109 via the first relay optical system 108, and is then reflected by the second light.
  • the light passes through the relay optical system 110, is reflected by the polarization beam splitter 112, and enters the LCD light modulation element 113.
  • the illumination light is guided to the LCD light modulation element 113 in a state in which the luminance unevenness due to the light source and the phosphor layer is alleviated. Yes.
  • a so-called polarization conversion element that uniformly aligns the polarization state is inserted from the bandpass polarization filter 103 into the optical path in the polarization beam splitter 112. May be.
  • the LCD light modulation element 113 becomes a blue color field when blue light is incident, a green color field when green light is incident, and a red color field when red light is incident.
  • Divided images can be formed and projected through the projection lens 114 of the optical engine unit OE. A person who observes each projected image can visually recognize a full-color image obtained by adding the components by the afterimage effect of the eyes.
  • the example in which the two light conversion units 106c and 106d and the reflection unit 106e are formed on the substrate 106a of the phosphor wheel 106 has been shown.
  • the light conversion unit 106c is provided, and a red semiconductor light source is provided separately, and the red light emitted therefrom is guided to the optical path by bypassing the phosphor wheel 106 using a dichroic filter or the like.
  • a color filter wheel or the like may be arranged on the front panel so as to obtain time-divided blue, green, and red light. Further alternatively, as shown in FIG.
  • the entire circumference of the wheel is used as a light conversion unit 106c to apply one type of phosphor, that is, a yellow phosphor, and a blue light source is provided separately, and blue light emitted therefrom is applied to a dichroic filter or the like. It is also possible to adopt a configuration in which a color filter wheel or the like is arranged at the tip of the optical path.
  • one type of conversion unit 106c is formed on the entire circumference of the wheel, and the light emitted from the conversion unit 106c is combined with light from another light source by a dichroic filter or the like, and the light is then separated into a color separation optical system. May be separated into RGB, modulated by LCD or DMD, and synthesized and projected to form an image. For example, a yellow fluorescent material is applied to the light conversion unit 106c in FIG.
  • Patent Document 2 International Publication No. 2016/080295
  • the image may be formed by modulating each with DMD, recombining and projecting.
  • the substrate 106a may be a metal plate, a ceramic plate, or a transparent plate such as glass formed with a reflective film. From the viewpoint of radiating heat generated in the phosphor, a material having high thermal conductivity is preferable.
  • a commonly used YAG phosphor, other phosphor materials, organic phosphors, and the like can be used.
  • a transparent phosphor material or a combination of a transparent phosphor material and scattering particles may be used.
  • the surface of the phosphor layer may be uneven.
  • the phosphor layer can be formed by methods such as screen printing, application with a dispenser, and spray application.
  • the microlens array 106b may be any material that is optically transparent at a desired wavelength. Silicone resin, fluorine resin, acrylic resin, glass, and other materials used for optical lenses can be used. Further, although the lower surface of the lens 106i is a flat surface, a curved surface having a lens function may be formed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the sample according to Comparative Example B
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the sample according to Comparative Example A, which will be considered in comparison with the example of FIG. First, in Comparative Example B of FIG. 7, a uniform phosphor layer BD is formed on a flat sample TP.
  • the excitation light EL When the excitation light EL is incident on the phosphor layer BD, it is scattered by the phosphor while being hit by the YAG phosphor particles to generate fluorescent light, and the generated fluorescent light is scattered by the phosphor particles to generate scattered light SL. So-called Lambertian light emission occurs and light is emitted in all directions.
  • the microlens array MA is provided with respect to the comparative example B, and the fluorescent light SL emitted by the Lambertian emission is condensed by the microlens array MA.
  • the use efficiency of light can be increased.
  • the excitation light EL hits the YAG phosphor particles
  • the light propagating through the phosphor layer BD is emitted from a position away from the condensing spot of the microlens array, so that the microlens array MA collects light well. There is a possibility that sufficient light utilization efficiency cannot be realized.
  • the position of the light emitted from the phosphor 106g is limited to the vicinity of the condensing position of the microlens.
  • the light condensing function of 106i can be exhibited.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of Examples 1 to 6 used in the simulation
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of Comparative Examples 1A to 6A
  • FIG. 9C is a cross-sectional view of Comparative Examples 1B to 6B
  • FIGS. 10 to 15 are graphs showing the comparison between Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1A to 6A and 1B to 6B.
  • the horizontal axis is an angle ( ⁇ in FIG. 5) with respect to the sample vertical direction
  • the vertical axis is the amount of fluorescent light (with the VP in FIG. 5) included in the angle observed on the observation surface (VP in FIG. 5). (Standardized by the maximum value of Comparative Example B in each example).
  • the amount of light was obtained using the ray tracing method.
  • the material of the substrate was aluminum, the reflectivity was 90%, and the reflectivity inside the recess was also 90%.
  • the recesses were filled with phosphor, and in Comparative Examples 1A to 6A and 1B to 6B, a flat phosphor layer was formed on the aluminum plate.
  • the thickness t1 of the phosphor layer in the example, comparative example A, and comparative example B was set to a value equal to the recess depth d of the example (the same applies to the following examples).
  • Table 1 shows the thickness h of the microlens array, the distance c between the microlens array and the substrate, the diameter ⁇ of the recess, and the like.
  • the lower surface of the microlens array is a flat surface
  • the upper surface is a lens having an NA of about 0.85
  • the axis around the optical axis is defined by a formula obtained by substituting the coefficient shown in Table 1 into the formula shown in Equation 1.
  • the shape in the plane perpendicular to the optical axis of the lens (in the xy plane) is a perfect circle, but it may have an elliptical shape with different sizes in the x and y directions. good.
  • the shape of the recess may be not only a perfect circle but also an ellipse, but it is preferable to change the size of the recess according to the size of the lens.
  • the corresponding concave portion has a vertically long and small rectangular shape that has the same vertical and horizontal size relationship as that of the microlens.
  • z Optical axis direction (excitation light traveling direction is positive)
  • k Conic coefficient
  • Ai Aspheric coefficient
  • h Distance from the optical axis
  • r Paraxial radius of curvature
  • the comparative example 1B In the range of 55 degrees to 90 degrees, the comparative example 1B emits a higher intensity of emitted light than the first example. However, since this emitted light is too angled, It is difficult to collect and use. Therefore, the light distribution characteristic of Comparative Example 1B is essentially inferior in light utilization efficiency.
  • Example 3 has good light distribution characteristics.
  • FIG. 16 shows the examination results when the size of the concave portion is changed in the second embodiment.
  • the horizontal axis represents the angle ( ⁇ in FIG. 5) with respect to the vertical direction of the sample, and the vertical axis represents the amount of fluorescent light included in the angle (however, normalized by the maximum value in FIG. 16).
  • the simulation results are plotted with the diameter of the recesses changed to ⁇ 50 ⁇ m, ⁇ 75 ⁇ m, ⁇ 100 ⁇ m, and ⁇ 150 ⁇ m.
  • a hemispherical recess having a predetermined size was formed on the surface of an aluminum substrate, and a phosphor was disposed therein.
  • a microlens array was arranged with a 10 ⁇ m gap therebetween, and light distribution on the observation surface (VP in FIG. 5) immediately above the microlens array was evaluated.
  • the strength is better than when the diameter of the recess is ⁇ 50 ⁇ m, but the rise at a narrow angle becomes gentle compared with the case where the diameter of the recess is ⁇ 75 ⁇ m.
  • the light characteristics are deteriorating. This is presumably because the range of the phosphor that emits light increases as the diameter of the concave portion increases, and the effect of forming the concave portion decreases and approaches the light propagation state in Comparative Example A of FIG. From the above results, it can be seen that the best light distribution characteristics can be obtained when the diameter of the recess is in the vicinity of ⁇ 75 ⁇ m.
  • FIG. 17 shows the result of plotting the light intensity at an angle of 30 degrees against the diameter of the recess in the above simulation results.
  • the reason for using the angle of 30 degrees as a reference is that if the light distribution is gathered at a narrow angle, for example, the light intensity is increased within an angle of 30 degrees. Therefore, an angle of 30 degrees is a guideline indicating good light distribution characteristics. It becomes.
  • the vertical axis is normalized by the maximum value of the calculation result when the diameter of the concave portion is changed. According to FIG.
  • the maximum intensity is obtained when the diameter of the recess is in the vicinity of ⁇ 70 to ⁇ 80 ⁇ m, and if it is in the range of ⁇ 62 to ⁇ 100 ⁇ m, a light intensity of 90% or more with respect to the maximum value can be obtained. If it is in the range of ⁇ 57 to ⁇ 120 ⁇ m, a light intensity of 80% or more is obtained. Therefore, it is understood that this range is preferable as the diameter of the recess.
  • the concave portion diameter is larger than the lens diameter (maximum dimension). Since it becomes close to the propagation state of the light beam in Example A, it is assumed that the diameter is smaller than that of the lens. Specifically, it is preferable that the diameter of the recess is smaller than the period a of the lens.
  • FIG. 18 is a graph showing the result of plotting the light intensity at an angle of 30 degrees against the diameter of the recess in Examples 1 to 6 in which the diameter and period of the recess were respectively changed.
  • the vertical axis is normalized by the maximum value of the calculation result when the diameter of the recess is changed in each cycle.
  • the diameters at which the strengths of 80% and 90% were obtained with respect to the maximum were obtained in each Example, and the results were as shown in Table 2. That is, it can be seen that it is desirable that the diameter of the concave portion is approximately 35 to 75%, preferably 38 to 61% with respect to the lens diameter (maximum dimension), that is, the lens period a.
  • the diameter of the concave portion was set such that the light intensity at an angle of 30 degrees was the largest for each period.
  • the vertical axis is normalized by the maximum value when the period is changed.
  • a light intensity of approximately 75% or more of the maximum value is obtained in any of the examined periods of 102 ⁇ m to 489 ⁇ m, and that any period can be suitably used.
  • the period is as small as 102 ⁇ m, the light intensity is reduced by more than 20% compared with the period around 250 ⁇ m, and in this respect, the period is preferably larger to some extent, specifically 150 ⁇ m or more. Is considered preferable.
  • the period is larger than 150 ⁇ m, the light intensity of 90% or more of the maximum value is obtained in any case within the examined range, and there is almost no change. .
  • the number of lenses and recesses present in the region irradiated with the excitation light decreases.
  • the irradiated power is distributed to a smaller number of lenses or phosphors in the recess, and the greater the period, the greater the power of the excitation light irradiated to each lens or phosphor. become. For this reason, considering the durability of the lens and the phosphor with respect to the irradiated laser light, it can be said that the shorter the period, the better.
  • the lens period a is not less than 150 ⁇ m and is not too large. From the above, the period a is preferably 150 ⁇ m to 500 ⁇ m, more preferably 200 ⁇ m to 500 ⁇ m, and even more preferably 200 ⁇ m to 330 ⁇ m.
  • Comparative Example 2B is not affected by the divergence angle of the excitation light, whereas Example 2 and Comparative Example 2A using a microlens array have a narrow divergence angle (ideally, parallel light is incident.
  • the divergence angle of the excitation light is preferably at least 35 degrees or less, desirably 30 degrees or less, more desirably 25 degrees or less, and even 20 degrees or less.
  • FIGS. 20A and 20B are diagrams showing the shape of the upper surface and the cross section of the concave portion filled with the phosphor used in the study, FIG. 20A shows the case where the concave portion 106f is a hemisphere, and FIG. 20B shows the concave portion 106f having a cylindrical shape.
  • FIG. 20C shows a case where the recess 106f is a cone.
  • FIG. 21 is a graph showing the result of calculating the fluorescence light intensity by changing the shape of the recess, and shows a comparison with Comparative Example 2B (having a uniform phosphor layer), and the vertical axis is Comparative Example 2B. It is standardized with the maximum strength of. According to FIG. 21, it can also be seen that, compared with Comparative Example 2B, the effect of narrowing the light distribution is obtained when the concave portion has any of a cylindrical shape, an elliptical spherical shape (including a hemispherical shape), and a conical shape. In addition, it can be seen that the light intensity is generally higher in the hemispherical shape than in the case where the concave portion is cylindrical, and further, the light intensity is generally stronger in the conical shape. The reason is considered as follows.
  • the inner surface of the recess is not 100% reflective, and there is always some absorption loss when the light is incident. Therefore, the light generated by the phosphor inside the recess is recessed with as few reflections as possible to suppress the loss. It is preferable to emit from From this point of view, it is advantageous that the inner surface of the concave portion has a smaller surface area, and the hemispherical shape or further the conical shape has a smaller surface area than the cylindrical shape. Furthermore, the reflected light may be emitted more directly to the outside of the recess when the reflecting surface is slightly facing the emitting surface side, such as a hemispherical shape or a conical shape, than a cylindrical shape whose side is vertical. From these points, it is considered that the hemispherical shape or the conical shape is better than the cylindrical shape.
  • the conical shape is half of the hemispherical shape.
  • the cone shape has insufficient volume due to insufficient phosphor volume.
  • the depth is equal to half of the diameter in any of the cylinder, hemisphere, and cone.
  • the depth may be shallower or deeper than that.
  • it may be a pyramid, a pyramid, a truncated pyramid shape obtained by cutting a part of a cone or a hemisphere, a truncated cone shape, or a rotationally symmetric curved surface shape obtained by cutting the tip.
  • the present inventors examined the presence / absence of an increased reflection film on the substrate and the presence / absence of an antireflection film (AR coating) on the microlens array.
  • the calculation result of the fluorescence light intensity at an angle of 30 degrees is shown in Table 3.
  • it is standardized on the basis of a case where a substrate without an increasing reflection film is combined with a microlens array having a reflectance of 90% and without an antireflection film.
  • the case where the reflectance was increased to 95% by providing a general reflective film on the substrate and the case where the reflectance was increased to 100% by providing an ideal reflective film were examined.
  • the effect of providing an increased reflection film on the substrate will be examined.
  • Table 3 when the reflectance of the substrate surface is 90%, 95%, and 100%, it can be seen that the intensity of the emitted light increases as the reflectance increases. This is because the absorption loss on the substrate surface is reduced. Therefore, it can be said that it is preferable to provide a reflective film on the substrate surface including the inside of the recess (or use a highly reflective material as the substrate).
  • the reflection-increasing film is provided only in the inside of the recess, and the flat portion on the surface other than the recess does not have to be provided with the reflection-increasing film.
  • the structure described in International Publication No. 2016-121720 can be used as the enhanced reflection film.
  • the light intensity is more when the antireflection film is provided. Tend to increase. This is because loss due to reflection of both excitation light and fluorescent light by the lens surface is reduced. From this, it can be said that it is desirable to form an antireflection film (or to form an antireflection structure) on at least one surface of the microlens array surface (the lower surface is preferable in view of the ease of forming the antireflection film).
  • the antireflection film can be realized by a method using a widely known single layer film or multilayer film.
  • the bottom surface of the microlens array is flat, it is possible to install an antireflection film.
  • the top surface is curved, it is generally difficult to install the antireflection film.
  • the upper surface side can be realized by using an antireflection structure that realizes antireflection by forming fine irregularities of a wavelength or less on the surface, generally an antireflection structure known as a moth-eye structure.
  • the substrate is made of aluminum, and concave portions are formed on the surface thereof.
  • the period, diameter, and depth of the concave parts are changed, and the lens period is also changed in accordance with the period of the concave parts.
  • the observation surface (VP in FIG. 22) of the upper part of the sample was observed, and it was evaluated how the characteristics changed when it shifted.
  • FIG. 23 is a graph showing a simulation result when the positions of the lens and the recess are misaligned.
  • the lens period a 163 ⁇ m
  • the diameter of the recess is 75 ⁇ m
  • the depth of the recess is 37.5 ⁇ m
  • the deviation ⁇ between the centers of the lens 106i and the recess 106f is ⁇ as shown in FIG.
  • the angle and the vertical axis indicate the amount of light included in the angle. However, the amount of light is standardized with an intensity of 90 degrees without deviation (that is, corresponding to the total amount of light).
  • the horizontal axis indicates the amount of deviation ⁇ with respect to the diameter of the recess. For example, when ⁇ 50 ⁇ m and the amount of deviation is 10%, the absolute value of the deviation is 5 ⁇ m, but when ⁇ 100 ⁇ m and the amount of deviation is 10%, the absolute value of the deviation is 10 ⁇ m.
  • the vertical axis normalizes the maximum intensity with deviation in the diameter of each recess with the maximum intensity without deviation (that is, the light intensity of 90 degrees).
  • the amount of deviation is about 80% as compared with the case of no deviation. It can be seen that when the amount of deviation is 15 to 25% or less, a light intensity of 90% or more can be obtained. In this example, it can be seen that the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 25% or less, preferably ⁇ 15% or less, relative to the diameter of the recess.
  • the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 25% or less, preferably ⁇ 15% or less, relative to the diameter of the recess.
  • the amount of deviation is 70% or more at ⁇ 75 ⁇ m
  • the light intensity once decreased is increased again because the absolute amount of deviation is 52 ⁇ m or more than half of the lens period of 102 ⁇ m, and considering the positional relationship with the adjacent lens. This is because the amount becomes small.
  • the amount is 20% or less, a strength of 90% or more can be obtained.
  • the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 25% or less, preferably ⁇ 20% or less with respect to the diameter of the recess.
  • the reason why the light intensity once decreased when the deviation amount is 55% or more at ⁇ 200 ⁇ m is increasing again is the same as the example shown in FIG. 25 because the absolute amount of deviation is more than half of the lens period.
  • FIG. 27 shows a fourth embodiment in which the lens period a is 245 ⁇ m, and the diameters of the recesses are ⁇ 75 ⁇ m (depth 37.5 ⁇ m), ⁇ 100 ⁇ m (depth 50 ⁇ m), ⁇ 150 ⁇ m (depth 75 ⁇ m), and ⁇ 200 ⁇ m (depth 100 ⁇ m). It is a graph which shows the calculation result when position shift arises with the changed composition. However, the depth of the recess was half the diameter. From the results shown in FIG. 27, even when the lens period is increased to 245 ⁇ m, if the amount of deviation is kept to 20 to 30% or less with respect to the diameter of the concave portion, the strength is about 80% compared to the case without deviation.
  • the amount of deviation is approximately 15 to 25% or less.
  • the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 20% or less, preferably ⁇ 15% or less, relative to the diameter of the recess.
  • the light intensity is about 80% as compared with the case where there is no deviation if the deviation amount is kept to 25 to 30% or less with respect to the diameter of the recess. It can be seen that a strength of 90% or more can be obtained if the amount of deviation is 15 to 25% or less. In this example, it can be seen that the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 25% or less, preferably ⁇ 15% or less, relative to the diameter of the recess.
  • the diameters of the recesses are ⁇ 100 ⁇ m (depth 50 ⁇ m), ⁇ 150 ⁇ m (depth 75 ⁇ m), ⁇ 200 ⁇ m (depth 100 ⁇ m), ⁇ 250 ⁇ m (depth 125 ⁇ m), ⁇ 300 ⁇ m ( It is a graph which shows the calculation result when position shift arises with the structure changed with depth 150micrometer and (phi) 350micrometer (depth 175micrometer). However, the depth of the recess was half the diameter. From the results shown in FIG.
  • the light intensity is about 80% as compared with the case where there is no deviation if the amount of deviation is approximately 20 to 25% or less of the diameter of the recess. It can be seen that a strength of 90% or more can be obtained if the amount of deviation is 15 to 20% or less. In this example, it can be seen that the amount of deviation should be suppressed to ⁇ 20% or less, preferably ⁇ 15% or less, relative to the diameter of the recess.
  • the present inventors examined the effect of disposing a low refractive index layer having a lower refractive index than the microlens array material between the microlens array and the substrate.
  • Table 4 shows the results of simulations performed when the microlens array was formed directly on the substrate having a recess without an air layer, and when the air layer having a thickness of 1 ⁇ m was interposed therebetween. The period and the diameter of the concave portion are variously changed, and the result of comparing the strength ratio without air layer / with air layer at an angle of 30 degrees is shown.
  • the lower surface of the lens may not be a flat surface but may be a curved surface having a lens effect.
  • the present inventors examined the thickness of the low refractive index layer interposed between the microlens array and the substrate.
  • air was assumed as the low refractive index layer, and the fluorescence light intensity at an angle of 30 degrees when the thickness of the low refractive index layer was changed was simulated by changing the lens period and the diameter of the recess.
  • the light intensity was standardized by the maximum value under the conditions (lens period / concave diameter).
  • the thickness of the air layer was changed in the range of 1 to 50 ⁇ m.
  • the distance between the microlens array and the substrate at which the maximum value can be obtained (that is, the thickness of the low refractive index layer) varies somewhat depending on the lens period, concave diameter, etc. It can be seen that if it is smaller than 15 ⁇ m (Examples 2 and 3) to 30 ⁇ m (Example 5), 80% or more of the maximum value is obtained. Further, if it is 10 ⁇ m (Examples 2 and 3) to 15 ⁇ m (Example 5) or less, 90% or more of the maximum value is obtained, which is more preferable.
  • a microsphere having a uniform size that is used as a spacer of a liquid crystal panel is sandwiched between the microlens array and the substrate at an appropriate interval, whereby a gap of several microns can be formed therebetween.
  • protrusions may be formed on the lower surface of the microlens array to maintain a distance, or the surface of the substrate is not flattened, but is uneven, and the unevenness is used to provide a gap with the microlens array. May be.
  • one lens and one concave portion correspond to each other, but as shown in FIG. (Or more) recesses 106f may be provided correspondingly, and the light emitted from the two recesses 106f may be captured by one lens 106i and refracted. In this case, the number of the recesses 106f corresponding to each lens 106i may be varied.
  • three (or more) recesses 106f may be provided for each of the plurality of lenses 106i, and the periods a1 and a2 between the recesses 106f may be different from each other.
  • a structure in which the periods and diameters of the recesses vary such as a self-organized structure that can be obtained by anodizing an aluminum substrate under appropriate conditions, may be used.
  • the maximum dimension of the concave portion overlapping therewith is smaller than the maximum dimension of the lens.
  • the period of the recesses is not constant and may be random, and the shape of the recesses may not be the same.
  • the period and the size of the concave portion and the lens are not limited to a uniform one, but may be varied or a plurality of periods and sizes may be combined.
  • the phosphor 106g may be formed in a thin layer as a whole not only inside the recess 106f but also including the surface of the substrate 106a around the recess 106f.
  • the thickness of the phosphor 106g formed in a layer shape is too thick, the effect of providing the concave portion 106f is reduced. Therefore, it is preferable to reduce the thickness of the layer portion as much as possible.
  • the present invention can be used for a wavelength conversion member and an image forming apparatus.

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Abstract

光利用効率を向上させることができ、高画質な画像を形成できる画像形成装置、及びそれに用いる波長変換部材を提供する。それぞれ蛍光体を収容した複数の凹部を形成した基板と、前記凹部に対応するようにして配置され複数の光偏向部とを有する波長変換部材であって、前記光偏向部は光透過性の素材からなり、屈折面を備えていて、第１の波長の光を、前記光偏向部を介して前記凹部内の前記蛍光体に入射させたとき、前記蛍光体に入射した前記第１の波長の光は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換され、前記光偏向部により屈折されて外部へと出射するようになっている。

Description

波長変換部材及び画像形成装置
　本発明は、波長変換部材及び画像形成装置に関し、特に小型の画像投影装置のような画像形成装置に好適に用いられる波長変換部材及びそれを用いた画像形成装置に関する。
　画像形成装置の一種である画像投影装置においては、液晶やミラー偏向型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いて投影画像を形成しているが、かかる画像を投影するための光源として、従来から放電ランプが広く利用されている。しかしながら、放電ランプは寿命が短く信頼性が低いという問題点がある。これに対し、近年では半導体レーザや発光ダイオード等のような長寿命を持つ固体光源の開発が進み、これらが画像投影装置の光源として用いられるようになってきた。
　ここで、投影画像を形成する際には、光の三原色として、赤色、緑色、青色の三色の高強度光が必要になるが、例えば半導体レーザとしては、赤色光を出射するレーザと青色光を出射するレーザは高輝度のものが実用化されているのに対し、これらに比肩する程度に高輝度の緑色光を出射するレーザは、コスト等の課題があるためまだ実用化されていないという実情がある。そこで、青色レーザ光を波長変換して、緑色の高強度光を創成しようとする試みがある。又、青色レーザ光を波長変換して赤色の高強度光を創成できれば、半導体レーザを１つ設けるだけで足りるので、コスト及びスペース等の制約が削減される。
　一方、画像投影装置の小型化や省エネを推進する上では、光源自体をなるべく小さくしつつ、光の利用効率を高めたいという要請もある。一般に、画像投影装置の光利用効率を高くする手法として、光源の発光面積と光源から出射する光束の立体角との積であるエタンデユを小さくすることが挙げられる。このような課題に対して、特許文献１には、所定厚さの蛍光体層と光源との間に複数のプリズムからなる光偏向部を設けて、蛍光体層から出射した光を各プリズムで屈折させることにより、光利用効率を高める技術が開示されている。
国際公開第２０１６／０９８５６０号 国際公開第２０１６／０８０２９５号 特開２０１３－５７８５０号公報
　特許文献１によれば、蛍光体層の散乱光をプリズムで屈折させて出射することで光利用効率を高めることができるが、より強度の高い光により投影画像を形成したいという要請がある。これに対しレーザ光源の出力を高めれば，より強度の高い光を出射できるが、省エネに反すると共に、高強度光が蛍光体に入射することで発熱が促進され、蛍光体の早期劣化を招き変換効率が低下するという問題がある。
　一方、特許文献２には、蛍光体層から発した散乱光を大径のフィールドレンズ及びコリメーターレンズで捕捉し、進行方位の異なる平行光に変換する技術が開示されている。しかしながら、特許文献２の技術では、光利用効率を向上させるには、フィールドレンズ及びコリメーターレンズの径をより大きくしなければならず、装置の大型化や大重量化を招き好ましくない。
　特許文献３には、円錐台形状の凹状反射部内に設けた蛍光体層で励起された蛍光が、反射部で反射されて出射され、それにより光利用効率を高める技術が開示されている。しかしながら、特許文献３に開示された技術によれば、反射部から出射した蛍光は、単一のピックアップレンズにより捕捉されてコリメート光学系へと進行させられており、光利用効率を向上させるには、特許文献２と同様に大径のピックアップレンズが必要となる。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光利用効率を向上させることができ、高画質な画像を形成できる画像形成装置、及びそれに用いる波長変換部材を提供することを目的とする。
　本発明の波長変換部材は、それぞれ蛍光体を収容した複数の凹部を形成した基板と、前記凹部に対応するようにして配置され複数の光偏向部とを有する波長変換部材であって、　前記光偏向部は光透過性の素材からなり、屈折面を備えていて、
　第１の波長の光を、前記光偏向部を介して前記凹部内の前記蛍光体に入射させたとき、前記蛍光体に入射した前記第１の波長の光は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換され、前記光偏向部により屈折されて外部へと出射するようになっているものである。
　本発明によれば、光利用効率を向上させることができ、高画質な画像を形成できる画像形成装置、及びそれに用いる波長変換部材を提供することができる。
本実施の形態にかかる画像形成装置としての画像投影装置１００の概略構成図である。 蛍光体ホイール１０６を分解して示す斜視図である。 変形例にかかる蛍光体ホイール１０６を分解して示す斜視図である。 変形例にかかる蛍光体ホイール１０６を分解して示す斜視図である。 蛍光体ホイール１０６の基板を軸線方向に見た図である。 蛍光体ホイール１０６の基板を軸線方向に見た図である。 蛍光体ホイール１０６の基板を軸線方向に見た図である。 マイクロレンズアレイを拡大して光軸方向に見た図である。 マイクロレンズアレイを側面から見た図である。 図２ＡのV-V線で切断して矢印方向に見た蛍光体ホイール１０６の概略断面図である。 上部より入射した励起光と蛍光体から出射された蛍光光の光線と共に示す蛍光体ホイール１０６の概略断面図である。 比較例Ｂにかかる蛍光体ホイールの概略断面図である。 比較例Ａにかかる蛍光体ホイールの概略断面図である。 シミュレーションに用いた蛍光体ホイールにかかる実施例１～６の断面図である。 比較例１Ａ～６Ａの断面図である。 比較例１Ｂ～６Ｂの断面図である。 実施例１と、比較例１Ａ，１Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例２と、比較例２Ａ，２Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例３と、比較例３Ａ，３Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例４と、比較例４Ａ，４Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例５と、比較例５Ａ，５Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例６と、比較例６Ａ，６Ｂとを比較して示すグラフである。 実施例２において凹部の直径をφ５０μｍ、φ７５μｍ、φ１００μｍ、φ１５０μｍと変えた場合のシミュレーション結果をプロットしたグラフである。 実施例２において角度３０度の光強度を凹部の直径に対してプロットした結果を示すグラフである。 凹部の直径と周期をそれぞれ変えた実施例１～６において、角度３０度の光強度を凹部の直径に対してプロットした結果を示すグラフである。 実施例１～６において周期をさまざまに変えた場合に、角度３０度の光強度を、レンズ周期ａ（＝凹部周期）に対してプロットした結果を示すグラフである。 実施例２（周期ａ＝１６３μｍ、凹部直径７５μｍ）において試料上部より入射する波長４４０ｎｍの励起光の拡がり角を変えた時の検討結果を示す図である。 種々の凹部の上面および断面の形状を示す図である。 種々の凹部の上面および断面の形状を示す図である。 種々の凹部の上面および断面の形状を示す図である。 凹部の形状を変えて光強度を計算した結果を示すグラフである。 レンズと凹部とに相対位置ずれが生じた蛍光体ホイールの概略断面図である。 レンズと凹部の位置が位置ズレした場合におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝１６３μｍである実施例２で、凹部の直径をφ５０μｍ（深さ２５μｍ）、φ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝１０２μｍである実施例１で、凹部の直径をφ５０μｍ（深さ２５μｍ）、φ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝２１６μｍである実施例３で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ））、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝２４５μｍである実施例４で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝３２６μｍの実施例５で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）、φ２５０μｍ（深さ１２５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 レンズ周期ａ＝４８９μｍの実施例６で、凹部の直径をφ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）、φ２５０μｍ（深さ１２５μｍ）、φ３００μｍ（深さ１５０μｍ）、φ３５０μｍ（深さ１７５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。 実施例２において低屈折率層の厚さを変えた時の角度３０度での光強度を、凹部の直径を変えて計算した結果を示すグラフである。 実施例３において低屈折率層の厚さを変えた時の角度３０度での光強度を、凹部の直径を変えて計算した結果を示すグラフである。 実施例５において低屈折率層の厚さを変えた時の角度３０度での光強度を、凹部の直径を変えて計算した結果を示すグラフである。 変形例にかかる蛍光体ホイールの一部概略断面図である。 変形例にかかる蛍光体ホイールの一部概略断面図である。
　以下、本実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる画像形成装置としての画像投影装置１００の概略構成図である。ここでは、光変調素子として、反射型のＬＣＤ光変調素子(ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon)を用いた画像投影装置の構成例を示すが、これに限定されずミラーアレイ(ＤＭＤ：Digital Mirror Device)や透過型液晶を用いた光変調素子を採用しても良い。又、複数の光変調素子を組合せて用いても良い。
　画像投影装置１００は、光源１０１からＬＣＤ光変調素子１１３の手前までの照明部ＩＬと、ＬＣＤ光変調素子１１３から投影レンズ１１４までの光学エンジン部ＯＥとを備える。光学エンジン部ＯＥは、照明部ＩＬから射出された光を光学的に処理して画像光を生成し、その画像光を外部の物体面に拡大投影する機能を有する。物体面とは、壁、スクリーン、ホワイトボードや、立体物などである。光学エンジン部ＯＥは、ＬＣＤ光変調素子１１３と、照明光と投影光の分岐素子となる偏光ビームスプリッタ１１２と、ＬＣＤ光変調素子１１３で生成された像を拡大投影する投影レンズ１１４で構成される。偏光ビームスプリッタ１１２は、後に述べる照明部ＩＬでも共用される。
　光学エンジン部ＯＥの構成は、最小構成として上述の３要素を備え、ＬＣＤ光変調素子１１３と投影レンズ１１４の光路中に分岐素子が入る構成であれば良い。また、必要に応じて、光路上にその他の光学素子を加えても良い。そのような光学素子としては、例えば、偏光状態を変化させる波長板や、偏光フィルタ、色味を補正するフィルタ等がある。
　ＬＣＤ光変調素子１１３は、制御部ＣＯＮＴからの画像に対応してＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分解された信号に対し、ＬＣＯＳの液晶セルの配列を変化させ、入射光の偏光状態を変えた光を偏光ビームスプリッタの偏光膜と組み合わせることで、変調された画像を生成する。
　また、その際に、ＬＣＤ光変調素子１１３を、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分についてそれぞれ時間的に分割されたいわゆるカラーフィールドシーケンシャル方式で画像を生成し、フルカラーの映像を投影することができる。このとき、ＬＣＤ光変調素子１１３のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の画像を形成するために変化した液晶セルの配列（フィールド）と、照明部ＩＬのＲ（赤外光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の発光タイミングとを同期させている。
　一方、照明部ＩＬは、第１光源１０１と、正レンズ及び負レンズを含むビーム縮小光学系１０２と、バンドパス偏光フィルタ１０３と、１／４波長板１０４と、少なくとも１枚の正レンズ（又はミラーでも良い）を含む集光光学系である集光レンズ１０５と、波長変換部材である蛍光体ホイール１０６と、回転駆動部としてのモータ１０７と、第１リレー光学系１０８と、ライトパイプ１０９と、第２リレー光学系１１０と、偏光ビームスプリッタ１１２とを有する。第１光源１０１は、レーザドライバＤＲによりモータ１０７の回転に同期して発光駆動される。バンドパス偏光フィルタ１０３は、光軸に対して４５度の角度で傾いており、第１の波長である４５０ｎｍに対して±２０ｎｍのＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光と５００ｎｍ以上の長波長の光を反射する特性を有する。この際、集光レンズ１０５は蛍光体ホイール１０６に所定のサイズの光束径で集光されるように設定されていれば良い。
　図２Ａは、蛍光体ホイール１０６を分解して示す斜視図であり、図３は、蛍光体ホイールを軸線方向に見た図であり、図４Ａは、マイクロレンズアレイを拡大して光軸方向に見た図であり、図４Ｂはマイクロレンズアレイを側面から見た図であり、図５は、図２ＡのV-V線で切断して矢印方向に見た蛍光体ホイール１０６の概略断面図であるが、実際よりも少ない数でレンズ、凹部を示している。図２Ａにおいて、蛍光体ホイール１０６は、円盤状の基板１０６ａと、環状のマイクロレンズアレイ（光学素子）１０６ｂとを接合してなる。
　基板１０６ａの上面外周近傍において、周方向に沿って帯状に第１の光変換部１０６ｃと、これに続けて第２の光変換部１０６ｄとを形成している。但し、光変換部１０６ｃ、１０６ｄは、基板１０６ａの２／３周分しか形成されておらず、その残りに反射部１０６ｅを形成している。つまり、基板１０６ａの１／３周に第１の光変換部１０６ｃが形成され、別の１／３周に第２の光変換部１０６ｄが形成され、更に別の１／３周は反射部１０６ｅのみを形成した非変換部となっている。尚、基板１０６ａの中央には、モータ１０７の回転軸と連結するための孔１０６ｐが形成されている。
　また、反射部１０６ｅの表面には、後述する微細なレンズ１０６ｉの有無にかかわらず、表面に散乱構造や凹凸構造など、光を散乱する構造を形成したほうが、スペックルの低減や反射された第１の波長の光の配光が拡がり、光変換部１０６ｃや１０６ｄで生じる第２の波長の配光に近くなるので、好ましい。
　図５を参照して、光変換部１０６ｃ、１０６ｄは、マイクロレンズアレイ１０６ｂに対向する面（ここでは上面）に、複数個の凹部１０６ｆを互いに等ピッチで離間して形成している。各々同一形状である凹部１０６ｆの内面は、反射面として機能する。図４を参照して、凹部１０６ｆは隣接するもの同士の間で、その中心が正三角形の頂点となるように配置されている。凹部１０６ｆの形状は、回転対称である半球面もしくは非球面であると好ましいが、円錐、角錐など、それ以外の形状でも構わない。
　凹部１０６ｆ内には、それぞれ蛍光体１０６ｇが収容されている。蛍光体１０６ｇの表面は平面であっても良いし、凸又は凹の曲面でも良い。また蛍光体１０６ｇの表面が滑らかな面でなく凸凹した面でも良い。さらに、蛍光体１０６ｇの厚さは凹部１０６ｆの深さより小さくてもよいし、逆に凹部１０６ｆの深さより大きく一部が凹部１０６ｆからはみ出していても良いし、各蛍光体１０６ｇの厚さがばらついていても良い。ここで、第１の光変換部１０６ｃの凹部１０６ｆに収容される蛍光体１０６ｇとしては、セリウム賦活イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）（この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織はＹ3（Ａｌ,Ｇａ）5Ｏ12である）、Ｃｅ又はセリウム賦活ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）、またはβサイアロン蛍光体等を用いることができるが、第１の波長の光を入射したときに、第２の波長の光として５００ｎｍから５６０ｎｍにピーク波長がある蛍光発光を行える蛍光体であれば良い。
　一方、第２の光変換部１０６ｄの凹部１０６ｆに収容される蛍光体１０６ｇとしては、Ｓｒサイアロン蛍光体（Ｓｒ2Ｓｉ7Ａｌ3ＯＮ13：Ｅｕ）等を用いることができるが、第１の波長の光を入射したときに、第２の波長の光として６００ｎｍから６５０ｎｍにピーク波長がある蛍光発光を行える蛍光体であれば良い。
　尚、本実施例においては、図３Ａに示すように、２つの光変換部１０６ｃ、１０６ｄを用いた基板１０６ａを用いているが、変形例である図３Ｂに示すように、単一の光変換部２０６ｃを１８０度にわたって設けた基板１０６ａ’を用いたり、別の図３Ｃに示すように、単一の光変換部２０６ｃを３６０度全周にわたって設けた基板１０６ａ"を用いたりすることもできる。光変換部を複数設ける場合、各々においてレンズや凹部の周期を任意に変更できる。
　図４、５において、マイクロレンズアレイ１０６ｂは、シリコーン樹脂から一体的に形成され、ベース層１０６ｈ上に、各々同一形状である球面もしくは非球面又は楕円球面（すなわち屈折面）からなるレンズ（光偏向部）１０６ｉを複数個，互いに等しい周期ａで並べている。ベース層１０６ｈをガラス等から形成しても良い。図４に示すように、隣接するレンズ１０６ｉは互いに接しており、いわゆる六方最密構造を形成してなる。この場合、レンズ１０６ｉの直径は六方格子に内接する内接円の直径とすることができる。使用状態では、レンズ１０６ｉの光軸は、それに対応する凹部１０６ｆの中心と略一致していると好ましい。但し、マイクロレンズアレイ１０６ｂは六方最密格子以外の周期構造(正方格子など)でも良いし、あるいは準周期構造や周期がばらついた構造、ランダム構造でも良いが、レンズの無い部分は配光制御効果がないため、隙間なくレンズが敷き詰められていることが好ましい。なお、図２Ｂに示す変形例にかかる蛍光体ホイール１０６のように、反射部１０６ｅに対応する部分のみレンズ１０６ｉを形成せず、平行平板としたマイクロレンズアレイ１０６ｂとしても良い。さらには、図２Ｃに示す変形例のように反射部１０６ｅに対応する部分には、マイクロレンズアレイや平行平板が存在しない構成でも良い。
　図１において、第１光源１０１は、第１の波長の光を出射する固体発光素子１０１ａと、コリメートレンズアレイ１０１ｂとで構成されている。固体発光素子１０１ａは、合波によって所定出力を得るために、ここでは波長４５０ｎｍの青色光を複数本同時に出射できる青色半導体レーザアレイを用いる。固体発光素子１０１ａからは、偏光状態のそろった直線偏光の青色光を複数本射出する。なお、第１の波長としては、上述する蛍光体層で蛍光発光する光の波長（第２の波長）より短く、青色と認識できる波長帯域のものであれば良いが、好ましくは４８０ｎｍ以下である。
　本実施の形態にかかる画像投影装置１００の動作について説明する。ここで、蛍光体ホイール１０６は、ＬＣＤ光変調素子１１３のフィールドに同期して回転し、すなわち各カラーフィールドとセグメントが同期するよう制御されている。具体的には、ＬＣＤ光変調素子１１３における青のカラーフィールドでは青色光が光変調素子１１３に入射し、縁のカラーフィールドでは、緑色光が入射し、赤のカラーフィールドでは赤色光が入射するようになっている。
　まず、第１光源１０１の固体発光素子１０１ａから出射された直線偏光（バンドパス偏光フィルタ１０３に対してＰ偏光）の青色光は、コリメートレンズアレイ１０１ｂを通過して複数の平行光束とされ、その複数の平行光束は、ビーム縮小光学系１０２で光束径を絞り込まれ、バンドパス偏光フィルタ１０３を通過し、１／４波長板１０４に入射して円偏光状態に変換され、更に集光レンズ１０５により集光されて、蛍光体ホイール１０６の基板１０６ａの表面側（光変換部１０６ｃ、１０６ｄが形成された側）にスポット光として集光する。なお、後述するとおり第１の光は、片側の拡がり角度が２０度（ＮＡ＝０．３４）以下の状態で蛍光体ホイール１０６に入射することが好ましい。尚、モータ１０７の回転軸に連結された蛍光体ホイール１０６は、所定の速度で回転駆動されている。
　かかるスポット光（励起光という)は、マイクロレンズアレイ１０６ｂのレンズ１０６ｉにより分割されて集光され、蛍光体ホイール１０６の回転位置に応じて、第１の光変換部１０６ｃの凹部１０６ｆ、第２の光変換部１０６ｄの凹部１０６ｆ、反射部１０６ｅのいずれかに入射する。
　図６に実線で示すように、凹部１０６ｆに入射した励起光は、レンズ１０６ｉによってそれぞれ凹部１０６ｆの中の蛍光体１０６ｇに集光される。その集光光を蛍光体１０６ｇが吸収し、励起光とは異なる波長(励起光より長波長)の蛍光光を放出する。この時、蛍光体１０６ｇとして、通常はバインダー内にYAG蛍光体粒子を分散させたものを用いるため、蛍光体層が散乱特性を有する散乱部となり、励起光や蛍光光は散乱を受け、結果として発光領域が数十ミクロン以上拡がってしまう。しかし、本実施の形態では凹部１０６ｆ内に蛍光体１０６ｇを配置しているため、発光領域の拡大を抑制することが可能となる。その結果、発光領域がレンズの集光位置に近い領域に限定され、図６に一点鎖線で示すように、出てきた蛍光光を狭い角度範囲に集光することができる。
　より具体的には、第１の光変換部１０６ｃの凹部１０６ｆに入射したスポット光により、その内部の蛍光体１０６ｇが励起されることで緑色の蛍光が発生する。この蛍光は散乱光であるが、凹部１０６ｆ内面の反射面で反射されて、又は直接マイクロレンズアレイ１０６ｂの対応するレンズ１０６ｉに入射し、その集光作用によって緑色光が出射されることとなる。この時、レンズとして高ＮＡのレンズを用いると、蛍光体１０６ｇから全方向に放射された光のうち、より多くの方向に放出された光を集光することができるので好ましい。例えば基板１０６ａに凹部１０６ｆをしていない場合には、発光領域が拡大したことによってレンズ１０６ｉの集光位置から大きくずれた位置からも光が放出されることになるが、この光は正面方向に集光されないため、配光特性の悪化につながり好ましくないといえる。この点については、比較例を参照して具体的に後述する。
　同様に、第２の光変換部１０６ｄの凹部１０６ｆに入射したスポット光により、その内部の蛍光体１０６ｇが励起されることで赤色の蛍光が発生する。この蛍光も凹部１０６ｆ内面の反射面で反射されて、マイクロレンズアレイ１０６ｂの対応するレンズ１０６ｉに入射し、その集光作用によって赤色光が出射されることとなる。これに対し、反射部１０６ｅに入射したスポット光（青色光）は、その面で直接反射されて再度レンズ１０６ｉを通過し、青色光が出射されることとなる。
　集光レンズ１０５を通過した平行光束のうち、青色光は１／４波長板１０４を通過することでＳ偏光状態となり、緑色光、赤色光においては偏光に関係なくバンドパス偏光フィルタ１０３で反射される。バンドパス偏光フィルタ１０３で反射された青色光、緑色光、赤色光が順次入れ替わる照明光は、第１リレー光学系１０８を介してライトパイプ１０９内に入射し、ここで多重反射した後、第２リレー光学系１１０を通過して、偏光ビームスプリッタ１１２で反射して、ＬＣＤ光変調素子１１３に入射する。ライトパイプ１０９と第２リレー光学系１１０を通ることにより、照明光は光源や蛍光体層による輝度ムラが緩和された状態でＬＣＤ光変調素子１１３に導かれるので、輝度ムラの小さな照明となっている。尚、図示してはいないが、偏光による光のロスを低減するために、偏光状態を一様に揃える、所謂偏光変換素子をバンドパス偏光フィルタ１０３から偏光ビームスプリッタ１１２内の光路中に挿入しても良い。
　更に、ＬＣＤ光変調素子１１３は、青色光を入射するときは青のカラーフィールドとなり、緑色光を入射するときは緑のカラーフィールドとなり、赤色光を入射するときは赤のカラーフィールドとなり、それぞれ時間的に分割された画像を形成し、光学エンジン部ＯＥの投影レンズ１１４を介して投影することができる。投影された各画像を観察する者は、目の残像効果によって各成分を足し合わせたフルカラーの画像を視認することができる。
　又、以上の実施の形態では、蛍光体ホイール１０６の基板１０６ａに２つの光変換部１０６ｃ、１０６ｄと反射部１０６ｅを形成した例を示したが、その代わりに蛍光体ホイール１０６には図３Ｂのように光変換部１０６ｃのみを設け、また赤色の半導体光源を別途設けて、それから出射させた赤色光をダイクロイックフィルタなどを用いて、蛍光体ホイール１０６をバイパスさせて光路内へと導き、その先にカラーフィルターホイールなどを配置し、時分割した青色・緑色・赤色光が得られるようにしても良い。さらにあるいは、図３Ｃのようにホイール全周を光変換部１０６ｃとして１種類の蛍光体、すなわち黄色の蛍光体を塗布し、別途青色光源を設けてそこから出射させた青色光をダイクロイックフィルタなどを用いて光路内に導き、その先にカラーフィルターホイールなどを配置する構成でも良い。
　以上、光源から出た光を１つの光変調素子（ＬＣＤやＤＭＤ）で変調して画像を形成する構成について述べてきたが、それ以外の構成として、複数の光変調素子を用いる構成でも良い。例えば図３Ｃに示すようにホイール全周に１種類の変換部１０６ｃを形成し、そこから出た光を別の光源の光とダイクロイックフィルタなどで合波した上で、その光を色分離光学系でＲＧＢに分離し、それぞれをＬＣＤやＤＭＤで変調し、それを合成・投影することで画像を形成しても良い。例えば、図３Ｃの光変換部１０６ｃに黄色蛍光体を塗布し、そこに励起光を入射させて得られた黄色の蛍光光に、別途青色光を合波して白色光を形成し、それを先に引用した特許文献２（国際公開第２０１６／０８０２９５号）に示されているような光学系で青色光・緑色光・赤色光に分けた上で、各色光それぞれを透過型もしくは反射型ＬＣＤや、ＤＭＤでそれぞれ変調し、再度合波して投影することで画像を形成しても良い。
　基板１０６ａは金属板、セラミックス板の他、ガラスなどの透明板上に反射膜を形成したものでも良い。蛍光体で生じた熱の放熱の観点から、熱伝導性の高い材料が好ましい。蛍光体１０６ｇとしては一般的に用いられているＹＡＧ蛍光体やその他の蛍光体材料、有機蛍光体などを用いることができる。透明な蛍光体材料でも良いし、透明な蛍光体材料と散乱粒子を組み合わせたものでも良い。なお蛍光体層の表面は凹凸があっても構わない。蛍光体層の形成は、スクリーン印刷、ディスペンサーによる塗布、スプレー塗布などの方法により形成できる。マイクロレンズアレイ１０６ｂは使用したい波長において光学的に透明な材料であればよく、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ガラス、その他光学レンズなどに用いられる材料を用いることができる。また、レンズ１０６ｉの下面は平坦な面としたが、レンズ機能を有する曲面を形成しても良い。
　本発明者らが行った比較検討の結果について説明する。以下、基板やマイクロレンズアレイを試料ともいう。また、蛍光体としてはバインダー中にＹＡＧ蛍光体粒子を分散させた構造を想定する。図７は、比較例Ｂにかかる試料の断面図であり、図８は、比較例Ａにかかる試料の断面図であり、図５の実施例と比較して考察する。まず、図７の比較例Ｂにおいては、平板状の試料ＴＰ上に均一な蛍光体層ＢＤが形成されている。励起光ＥＬが蛍光体層ＢＤに入射すると、ＹＡＧ蛍光体粒子に当たって散乱されつつ蛍光体に吸収され蛍光光が発生し、発生した蛍光光が蛍光体粒子に散乱されて散乱光ＳＬが生じるが、いわゆるランバーシャン発光になり全方向に光が出射してしまう。
　これに対し、図８の比較例Ａにおいては、比較例Ｂに対してマイクロレンズアレイＭＡを設けており、ランバーシャン発光した蛍光光ＳＬをマイクロレンズアレイＭＡで集光することで、比較例Ｂよりも光の利用効率を高めることができる。しかしながら、励起光ＥＬがＹＡＧ蛍光体粒子に当たった後に、蛍光体層ＢＤ内部を伝播する光がマイクロレンズアレイの集光スポットから離れた位置より出射することで、マイクロレンズアレイＭＡでうまく集光できず、十分な光利用効率を実現できない恐れがある。これに対し、図５の実施例によれば、凹部１０６ｆ内にのみ蛍光体１０６ｇを設けているので、蛍光体１０６ｇから出射する光の位置がマイクロレンズの集光位置付近に限定され、各レンズ１０６ｉの集光機能を発揮できることとなる。
　更に、本発明者らは上記考察の妥当性について、具体的な構成に基づいてシミュレーションによる検討を行った。図９Ａはシミュレーションに用いた実施例１～６の断面図であり、図９Ｂは比較例１Ａ～６Ａの断面図であり、図９Ｃは比較例１Ｂ～６Ｂの断面図である。又、図１０～１５は、実施例１～６と、比較例１Ａ～６Ａ，１Ｂ～６Ｂとを比較して示すグラフである。図１０～１５において、横軸は試料垂直方向に対する角度（図５のθ）であり、縦軸は観測面（図５のＶＰ）で観測した、その角度内に含まれる蛍光光の量(ただしそれぞれの実施例における比較例Ｂの最大値で規格化)を示している。
　シミュレーションの条件として、光線追跡法を使用して光量を求めた。基板の素材はアルミニウムとし、その反射率を９０％とし、凹部内部の反射率も９０％とした。蛍光体としてはＹＡＧ蛍光体（屈折率ｎ＝１．８４）を用い、蛍光体粒子径はφ２０μｍとし、バインダー屈折率ｎ＝１．４０とした。実施例１～６では凹部内部に蛍光体を充填し、比較例１Ａ～６Ａ，１Ｂ～６Ｂではアルミニウム板上に平坦な蛍光体層を形成した。基本的に以下で述べる検討では、実施例、比較例Ａ、比較例Ｂにおける蛍光体層の厚さｔ１は実施例の凹部深さｄと等しい値とした（以下の実施例において同じ）。マイクロレンズアレイの素材に、エポキシ樹脂（屈折率ｎ＝１．５５）を用いた。マイクロレンズアレイの厚さｈ、マイクロレンズアレイと基板の距離ｃ、凹部の直径φなどは表１に示す通りである。マイクロレンズアレイ下面は平坦面とし、上面はＮＡ＝０．８５程度のレンズであって、数１に示す式に、表１に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面を用いた。以上の実施例及び比較例に対して、波長４４０ｎｍで片側２０度（ＮＡ＝０．３４）の収束光の励起光をマイクロレンズアレイ上部より垂直に入射させ、その時に生じた蛍光光が出射される様子をプリズム上部の観測面（図５のＶＰ）で評価した。なおレンズの形状は回転対称な非球面形状を仮定したが、それに限定されるものではなく、球面形状であっても良いし、ＮＡ＝０．８５程度など高いレンズであればよい。またシミュレーションに用いた構成では、レンズの光軸に対して垂直な面内（ｘｙ面内）の形状は真円としているが、ｘ方向とｙ方向で大きさの異なる楕円形状をしていても良い。又、凹部の形状も真円だけでなく楕円でも良いが、レンズの大きさの大小に合わせて凹部の大きさも変化させるのが良い。例えば光軸方向から見てレンズが縦長楕円なら、それに対応する凹部も縦長楕円や、縦長長方形など、おおよそ縦横の大小関係がマイクロレンズと同じ関係になる形状が良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 但し、
z：光軸方向の軸(励起光の進行方向を正とする)
k：コーニック係数
Ai：非球面係数
h：光軸からの距離
r：近軸曲率半径
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図１０のグラフにおいて、比較例１Ａと比較例１Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例１Ｂよりも比較例１Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例１Ａと実施例１のグラフを比較すると、角度４５度以下において比較例１Ａよりも実施例１の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例１Ａに比較しても実施例１の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例１は良好な配光特性を有していることがわかる。尚、５５度～９０度の範囲では、実施例１よりも比較例１Ｂの方が高い強度の出射光を発していることになるが、この出射光は角度がつきすぎているので、レンズで集光して利用することが困難なものである。よって、比較例１Ｂの配光特性は本質的に光利用効率が悪いということになる。
　図１１のグラフにおいて、比較例２Ａと比較例２Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例２Ｂよりも比較例２Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例２Ａと実施例２のグラフを比較すると、角度５５度以下において比較例２Ａよりも実施例２の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例２Ａに比較しても実施例２の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例２は良好な配光特性を有していることがわかる。
　図１２のグラフにおいて、比較例３Ａと比較例３Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例３Ｂよりも比較例３Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例３Ａと実施例３のグラフを比較すると、５５度以内で比較例３Ａよりも実施例３の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例３Ａに比較しても実施例３の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例３は良好な配光特性を有していることがわかる。
　図１３のグラフにおいて、比較例４Ａと比較例４Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例４Ｂよりも比較例４Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例４Ａと実施例４のグラフを比較すると、５５度以内で比較例４Ａよりも実施例４の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例４Ａに比較しても実施例４の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例４は良好な配光特性を有していることがわかる。
　図１４のグラフにおいて、比較例５Ａと比較例５Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例５Ｂよりも比較例５Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例５Ａと実施例５のグラフを比較すると、５５度以内で比較例５Ａよりも実施例５の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例５Ａに比較しても実施例５の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例５は良好な配光特性を有していることがわかる。
　図１５のグラフにおいて、比較例６Ａと比較例６Ｂのグラフを比較すると、角度５５度以内では、比較例６Ｂよりも比較例６Ａの方が高い強度の出射光を得られることが分かる。更に、比較例６Ａと実施例６のグラフを比較すると、５５度以内で比較例６Ａよりも実施例６の方が明確に高い強度の出射光を得られることが分かる。しかも、２５度以内の角度では比較例６Ａに比較しても実施例６の立ち上がりが特に鋭く、それ以上の角度ではグラフがなだらかとなることから、比較的狭い角度に集中して高い強度の光を出射していることが分かり、実施例６は良好な配光特性を有していることがわかる。
　更に、本発明者らは基板に設ける凹部の大きさについて検討を行った。図１６は、実施例２において凹部の大きさを変えた時の検討結果である。横軸は試料垂直方向に対する角度（図５のθ）であり、縦軸はその角度内に含まれる蛍光光の量(ただし図１６の中の最大値で規格化)を示したものであり、凹部の直径をφ５０μｍ、φ７５μｍ、φ１００μｍ、φ１５０μｍと変えたシミュレーション結果をプロットしている。
　シミュレーションの条件として、実施例２と同様凹部の周期（＝レンズ周期ａ）を１６３μｍとし、光線追跡法を使用して光量を求めた。アルミニウム製の基板の表面に、所定の大きさの半球状凹部を形成し、その内部に蛍光体を配置した。その上に１０μｍの隙間をあけてマイクロレンズアレイを配置して、マイクロレンズアレイ直上の観測面（図５のＶＰ）における配光を評価した。励起光は波長４４０ｎｍの青色光としＮＡ＝０．３４の収束光で入射させ、蛍光体としてはＹＡＧ蛍光体を想定した。凹部の深さｄは直径の半分（つまりφ５０μｍであれば深さｄ＝２５μｍ）とし、蛍光体は凹部内部のみに配置、蛍光体の厚さｔ１＝凹部の深さｄとした。
　図１６に示す結果によれば、凹部の直径がφ５０μｍと比較的小さい場合は、狭い角度（２０度）で立ち上がりが早いが、それ以上の角度で飽和が認められ、またトータルでの光強度が低くなっている。これは蛍光体の体積が小さいため、絶対的な光量が得られていないためと考えられる。一方、凹部の直径をφ７５μｍにすると、同様に立ち上がりは早く配光は狭いままで光量が増加しており、より好ましいといえる。さらに凹部の直径をφ１００μｍ、φ１５０μｍと大きくすると、凹部の直径がφ５０μｍの場合に比べると強度は良好であるが、凹部の直径をφ７５μｍとした場合に比べれば狭い角度での立ち上がりがなだらかになり配光特性が悪化している。これは、凹部の直径が大きくなるにつれて発光する蛍光体の範囲が広がり、凹部を形成した効果が低下して図８の比較例Ａにおける光線の伝播状態に近づくためと考えられる。以上の結果より、凹部の直径がφ７５μｍ付近で最も良好な配光特性を得られることが分かる。
　更に理解を深めるため、上述のシミュレーション結果において、角度３０度の光強度を凹部の直径に対してプロットした結果を図１７に示す。角度３０度を基準としたことについては、配光が狭い角度に集まっていると例えば角度３０度以内での光強度が大きくなるからであり、よって角度３０度は良好な配光特性を示す目安となる。ただし図１７では、縦軸は凹部の直径を変化させたときの計算結果の最大値で規格化している。図１７によれば、凹部の直径がφ７０～φ８０μｍ付近で最大の強度が得られており、更にφ６２～φ１００μｍの範囲であれば、最大値に対して９０％以上の光強度を得られ、またφ５７～φ１２０μｍの範囲であれば８０％以上の光強度が得られており、よって凹部の直径としてはこの範囲が好ましいことが分かる。なお、発光領域の面積を制限するという目的より、凹部とレンズとを重なる方向（レンズの光軸方向）に見たときに、凹部の直径がレンズ径（最大寸法）より大きいと図８の実施例Ａにおける光線の伝播状態に近くなってしまうため、レンズよりも小さい直径であることが前提となる。具体的には、レンズの周期ａに比べて凹部の直径が小さいことが好ましい。
　図１８は、凹部の直径と周期をそれぞれ変えた実施例１～６において、角度３０度の光強度を凹部の直径に対してプロットした結果を示すグラフである。ただし縦軸は、それぞれの周期において凹部の直径を変えた時の計算結果の最大値で規格化している。図１８よりそれぞれの実施例で、最大に対して８０％、９０％の強度が得られる直径を求めたところ、表２に示す通りになった。つまり、レンズ径（最大寸法）すなわちレンズ周期ａに対して凹部の直径は、おおよそ３５～７５％、望ましくは３８～６１％の大きさにするのが望ましいことが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、本発明者らはレンズ周期ａの最適値について検討した。図１９Ａは、実施例１～６において周期をさまざまに変えた場合に、角度３０度の光強度を、レンズ周期ａ（＝凹部周期）に対してプロットした結果を示すグラフである。ただし凹部の直径は、それぞれの周期に対して角度３０度での光強度がもっとも大きくなる大きさとした。また縦軸は、周期を変えた時の最大値で規格化している。
　図１９Ａによれば、検討した周期１０２μｍ～４８９μｍの範囲のいずれでも、おおよそ最大値の７５％以上の光強度が得られており、どの周期でも好適に利用できることが分かる。ただ、周期が１０２μｍと小さい場合は、周期２５０μｍ前後と比べて２０％強，光強度が減少しており、この点で、周期はある程度より大きいことが好ましく、具体的には１５０μｍ以上であることが好ましいと考えられる。
　一方、周期が１５０μｍより大きければ、検討した範囲内におけるいずれの場合も光強度としては最大値の９０％以上が得られておりほとんど変化がなく、この点ではどの周期の値でも問題ないといえる。但し、周期が大きくなるにつれ、励起光が照射された領域内に存在するレンズ及び凹部の数が減少することになる。つまり照射されたパワーがより少ない個数のレンズ、あるいは凹部内の蛍光体に配分されることとなり、周期が大きいほど、１個当たりのレンズや蛍光体に照射される励起光のパワーが大きくなることになる。このため、照射されるレーザ光に対するレンズ及び蛍光体の耐久性を考慮すると、周期は短いほど好ましいといえる。このことから、レンズ周期ａとしては１５０μｍ以上であって、あまり大きすぎない範囲がより好ましいと考えられる。以上より、周期ａは１５０μｍ～５００μｍであれば好ましく、更には２００μｍ～５００μｍであるとより好ましく、２００μｍ～３３０μｍであると更に好ましい。
　更に、本発明者らはマイクロレンズアレイに入射する励起光の拡がり角が特性に与える影響について検討を行った。図１９Ｂは、実施例２（周期ａ＝１６３μｍ、凹部直径７５μｍ）において試料上部より入射する波長４４０ｎｍの励起光の拡がり角を変えた時の検討結果であり、横軸は励起光の片側の拡がり角であり、縦軸は角度３０度での蛍光光の光強度を示している。ただし縦軸は実施例２の最大強度で規格化（拡がり角０度の時の角度３０度の光強度）している。この結果より、比較例２Ｂは励起光の拡がり角に影響を受けないのに対して、マイクロレンズアレイを用いる実施例２や比較例２Ａは拡がり角が狭い（理想的には平行光を入射した場合）の方が光の利用効率が高くなる一方、拡がり角が大きくなるほど光の利用効率が低下することが分かる。この結果より、励起光の拡がり角が３５度（ＮＡ＝０．５７）以下であれば比較例２Ｂよりも高い光強度が得られており、３０度（ＮＡ＝０．５）以下であれば比較例２Ａよりも高い光強度が得られていることが分かる。さらに２５度（ＮＡ＝０．４２）以下であれば、７０％以上の光強度が得られており、さらに２０度（ＮＡ＝０．３４）以下であれば、９０％以上の光強度が得られていることが分かる。以上の結果より、励起光の拡がり角としては、少なくとも３５度以下、望ましくは３０度以下、さらに望ましくは２５度以下、さらには２０度以下が好ましいことが分かる。
　次に、本発明者らは凹部の好ましい形状について検討した。図２０は、検討において用いた、蛍光体を充填した凹部の上面および断面の形状を示す図であり、図２０Ａは凹部１０６ｆが半球である場合を示し、図２０Ｂは凹部１０６ｆが円筒形である場合を示し、図２０Ｃは凹部１０６ｆが円錐である場合を示している。尚、基本的構成は実施例２を用いているが、凹部の直径をφ７５μｍ、凹部の深さｄを３７．５μｍとし、レンズ周期ａ＝１６３μｍとしている。
　図２１は、凹部の形状を変えて蛍光光強度を計算した結果を示すグラフであり、比較例２Ｂ（均一な蛍光体層を有する）と比較して示しており、その縦軸は比較例２Ｂの最大強度で規格化している。図２１によれば、まず比較例２Ｂと比べ、凹部が円筒形状、楕円球形状（半球形状を含む）、円錐形状のいずれの場合も配光を狭くする効果は得られていることも分かる。その上で、凹部が円筒形状である場合よりも、半球形状である方が全体的に光強度が高く、さらには円錐形状である方が全体的に光強度が強いことが分かる。その理由としては、以下のように考えられる。
　凹部の内面は反射率１００％ではなく、光が入射した際に一部吸収損失（ロス）が必ずあるため、凹部内部の蛍光体で発生した光は、ロスを抑えるべく極力少ない反射回数で凹部から出射することが好ましい。その点から考えると、凹部内面の表面積が少ない方が有利であり、円筒形状に比べると半球形状やさらには円錐形状の方が表面積が小さくなる。更に、側面が垂直である円筒形状よりも半球形状や円錐形状のように反射面がやや出射面側を向いている方が、反射された光がより直接的に凹部外部に放出されることが期待され、これらの点から円筒形状よりも半球形状さらには円錐形状の方が、出射性能が良くなると考えられる。
　一方で、幾何学的に凹部の容積（＝内部にある蛍光体の体積）を考えると、円錐形状では半球形状の半分になってしまう。このため、より励起光を強くして強い蛍光光を得る場合に、円錐形状では蛍光体の体積が不足して強度が得られないことが懸念される。これらを総合的に考えると、半球形状あるいはそれに近い楕円球などの形状を採用することが好ましい。尚、ここでは円筒、半球、円錐、いずれの場合も深さを直径の半分と等しいとしたが、それよりも浅い、あるいは深いなど異なっていても良い。また、角錐、さらには角錐、円錐や半球の一部をカットした角錐台形状、円錐台形状、先端をカットした回転対称曲面形状でも良い。
　次に本発明者らは、基板における増反射膜の設置の有無と、マイクロレンズアレイにおける反射防止膜（ＡＲコート）の設置の有無について検討した。ここでは、実施例２（但し凹部の直径はφ７５μｍ）を基本として、角度３０度の際の蛍光光強度を計算した結果を表３に示す。ただし増反射膜なしの基板における、反射率が９０％で反射防止膜なしのマイクロレンズアレイと組み合わせた場合を基準として、規格化している。又、基板に一般的な反射膜を設けることで反射率が９５％に増加した場合と、理想的な増反射膜を設けることで反射率が１００％に増加した場合について検討を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　まず、基板へ増反射膜を設ける効果について検討する。表３の結果によれば、基板表面の反射率が９０％、９５％、１００％の場合を比較すると、反射率が高いほど出射光の強度が増加していることが分かる。これは、基板表面での吸収損失が低減されているためであり、従って凹部内部を含む基板表面に増反射膜を設ける（もしくは基板として高反射材料を使用する）ことが好ましいといえる。なお、光は主に凹部内部から発生することから考えると、増反射膜を設けるのは凹部内部のみとし、凹部以外の表面の平坦な部分は増反射膜を設けなくても良い。増反射膜としては、例えば国際公開第２０１６－１２１７２０号に記載されている構成を用いることができる。
　一方、マイクロレンズアレイの光透過面に反射防止膜を設ける効果については、表３の結果によれば、同じ反射率同士で比較した場合、反射防止膜を設けた場合の方が、より光強度が増加する傾向がある。これは、励起光・蛍光光の両方がレンズ表面で反射されることによる損失が減少するためである。このことより、マイクロレンズアレイ表面の少なくとも片面(反射防止膜形成の容易さを考えると下面が好ましい)には反射防止膜を成膜（あるいは反射防止構造を形成）することが望ましいといえる。
　反射防止膜としては、広く知られている単層膜、あるいは多層膜を用いる方法によって実現できる。ただしマイクロレンズアレイの下面は平坦であるため、反射防止膜の設置が可能であるが、上面側は曲面になっているため、一般的には反射防止膜の設置が困難である。かかる場合、上面側については、波長以下の微細な凹凸を表面に形成することで反射防止を実現する反射防止構造、一般的にはモスアイ構造として知られる反射防止構造などを用いることで実現できる。
　更に本発明者らは、レンズと凹部の相対位置ずれの影響について検討した。基板はアルミニウム製とし、その表面に凹部を形成し、凹部の周期・直径・深さを変化させ、レンズの周期も凹部の周期に対応して変化させた上で、同様なシミュレーションで蛍光光強度を求めた。シミュレーションには光線追跡法を用い、ＮＡ＝０．３４の拡がりをもつ励起レーザ光（波長４４０ｎｍの青色光）を試料上部から照射し、その時に蛍光体で生じた蛍光光の強度と伝搬方向を、試料上部の観測面（図２２のＶＰ）で観測し、ずれた際に特性がどのように変化するのかを評価した。
　図２３はレンズと凹部の位置が位置ズレした場合におけるシミュレーション結果を示すグラフである。図２３においては、レンズ周期ａ＝１６３μｍである実施例２を用いて、凹部の直径φ７５μｍ、凹部の深さ３７．５μｍで、図２２に示すようにレンズ１０６ｉと凹部１０６ｆの中心のズレ量Δを凹部の直径φに対して、ズレ無し、２０％（すなわちズレの絶対量は１５μｍ）、４０％（ズレの絶対量は３０μｍ）で計算した結果を示しており、横軸は試料垂直方向に対する角度、縦軸はその角度内に含まれる光の量を示している。ただし光の量は、ズレ無しの９０度（つまり全光量に対応）の強度で規格化している。
　図２３から明らかであるが、ズレ量４０％の場合では、ズレ無しの場合に対して光強度が６０％強低下しており、ズレ量Δが大きくなるに従って光強度が減少し、出射性能が悪化することが分かる。
　図２４は、レンズ周期ａ＝１６３μｍである実施例２で、凹部の直径をφ５０μｍ（深さ２５μｍ）、φ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。ここで、凹部の深さは直径の半分とした。図２４で横軸は凹部の直径に対するズレ量Δを示しており、例えばφ５０μｍでズレ量１０％の場合、ズレの絶対値は５μｍとなるが、φ１００μｍでズレ量１０％ではズレの絶対値は１０μｍとなる。一方、図２４で縦軸は、それぞれの凹部の直径におけるズレ有りの最大強度をズレ無しの最大強度（つまり９０度の光強度）で規格化している。
　図２４に示す結果より、凹部の直径が変わってもおおよそズレ量を直径に対して２５～３０％以下にとどめれば、光強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度の光強度が得られ、またズレ量が１５～２５％以下であれば光強度９０％以上が得られることが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２５％以下、望ましくは±１５％以下に抑えると良いことが分かる。
　図２５は、レンズ周期ａ＝１０２μｍである実施例１で、凹部の直径をφ５０μｍ（深さ２５μｍ）、φ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。凹部の深さは、直径の半分とした。図２５に示す結果より、凹部の直径が変わってもおおよそズレ量を直径に対して２５～３０％以下にとどめれば、光強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度が得られ、ズレ量が１５～２５％以下であれば強度９０％以上が得られることが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２５％以下、望ましくは±１５％以下に抑えると良いことが分かる。またφ７５μｍにおいてズレ量が７０％以上で一度低下した光強度が再び増加しているのは、ズレの絶対量が５２μｍとレンズ周期１０２μｍの半分以上となり、隣のレンズとの位置関係で考えるとズレ量が小さくなるためである。
　図２６は、レンズ周期ａ＝２１６μｍである実施例３で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。但し凹部の深さは、直径の半分とした。図２６に示す結果より、凹部の直径が変わってもおおよそズレ量を直径φに対して２５％以下にとどめれば、光強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度が得られ、ズレ量が２０％以下であれば強度９０％以上が得られることが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２５％以下、望ましくは±２０％以下に抑えると良いことが分かる。また、φ２００μｍにおいてズレ量が５５％以上で一度低下した光強度が再び増加しているのは、図２５に示す例と同様、ズレの絶対量がレンズの周期の半分以上となったためである。
　図２７は、レンズ周期ａ＝２４５μｍである実施例４で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。但し凹部の深さは、直径の半分とした。図２７に示す結果より、レンズ周期を２４５μｍと大きくした場合でも、おおよそズレ量を凹部の直径に対して２０～３０％以下にとどめれば、強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度が得られ、ズレ量がおおよそ１５～２５％以下であれば強度９０％以上が得られることが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２０％以下、望ましくは±１５％以下に抑えると良いことが分かる。φ２００μｍにおいてズレ量が大きくなると、一度低下した光強度が再び増加しているのは、図２５に示す例と同じ理由である。
　図２８は、レンズ周期ａ＝３２６μｍである実施例５で、凹部の直径をφ７５μｍ（深さ３７．５μｍ）、φ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）、φ２５０μｍ（深さ１２５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。但し凹部の深さは、直径の半分とした。図２８に示す結果より、周期を３２６μｍと大きくした場合でも、おおよそズレ量を凹部の直径に対して２５～３０％以下にとどめれば、光強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度が得られ、ズレ量が１５～２５％以下であれば強度９０％以上が得られることが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２５％以下、望ましくは±１５％以下に抑えると良いことが分かる。
　図２９は、レンズ周期ａ＝４８９μｍである実施例６で、凹部の直径をφ１００μｍ（深さ５０μｍ）、φ１５０μｍ（深さ７５μｍ）、φ２００μｍ（深さ１００μｍ）、φ２５０μｍ（深さ１２５μｍ）、φ３００μｍ（深さ１５０μｍ）、φ３５０μｍ（深さ１７５μｍ）と変化させた構成で位置ズレが生じた場合の計算結果を示すグラフである。但し凹部の深さは、直径の半分とした。図２９に示す結果より、周期を４８９μｍと大きくした場合でも、おおよそズレ量を凹部の直径に対して２０～２５％以下にとどめれば、光強度としてはズレ無しの場合に対して８０％程度が得られ、ズレ量が１５～２０％以下であれば強度９０％以上が得られことが分かる。この例では、ズレ量は凹部の直径に対して±２０％以下、望ましくは±１５％以下に抑えると良いことが分かる。
　更に本発明者らは、マイクロレンズアレイと基板との間に、マイクロレンズアレイの素材よりも屈折率が低い低屈折率層を配置する効果について検討した。表４に、凹部を有する基板上に直接空気層を介さずにマイクロレンズアレイを形成した場合と、両者間に厚さ１μｍの空気層を介した場合とで行ったシミュレーションの結果を示す。周期、凹部直径はさまざまに変化させ、角度３０度における空気層なし／空気層ありの強度比を比較した結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表４の結果によれば、すべての場合において、空気層を介したほうが蛍光光強度が強く、よって空気層があることが好ましいことが分かった。その理由は、現在のマイクロレンズアレイの設計では、レンズ裏面側（基板側）の屈折が無いと、十分なレンズ効果が得られないためである。原理的には、空気層を介さず直接プリズムを形成した場合でも十分な効果を得られるレンズ形状の設計は可能だが、その場合、レンズ下部に設けたベース部の厚さをほとんどゼロにするとともに、レンズ裾部分の角度を垂直に近い形状にする必要があり、実際のレンズ作製やレンズとホイール基板を組み立てる際のハンドリングが困難になる。そのため、レンズと蛍光体の間に空気層、もしくはレンズを形成する材料よりも低屈折率な層を介在させた構成が好ましいといえる。但し、レンズの下面は平坦面とせず、レンズ効果を有する曲面としても良い。
　更に本発明者らは、マイクロレンズアレイと基板との間に介在する低屈折率層の厚さについて検討した。ここでは、低屈折率層として空気を想定し、低屈折率層の厚さを変えた時の角度３０度での蛍光光強度を、レンズ周期や凹部の直径を変えてシミュレーションを実施した。その結果を図３０～３２に示す。ここで図３０は、レンズ周期ａ＝１６３μｍの実施例２に相当し、図３１は、レンズ周期ａ＝２１６μｍの実施例３に相当し、図３２は、レンズ周期ａ＝３２６μｍの実施例５に相当する。ただし、光強度はその条件（レンズ周期・凹部の直径）における最大値で規格化した。空気層の厚さは１～５０μｍの範囲で変化させた。
　図３０～３２に示す結果より、最大値が得られるマイクロレンズアレイと基板との距離（すなわち低屈折率層の厚さ）については、レンズ周期・凹部直径などに応じて多少変化するが、おおよそ１５μｍ（実施例２・３）～３０μｍ（実施例５）より小さければ、最大値に対して８０％以上が得られていることが分かる。さらに１０μｍ（実施例２・３）～１５μｍ（実施例５）以下であれば最大値に対して９０％以上が得られており、より好ましい。例えば液晶パネルのスペーサとして用いられるようなサイズがそろった微小球などをマイクロレンズアレイと基板との間に適切な間隔で挟むことで、両者間に数ミクロンの隙間を形成することができる。あるいはマイクロレンズアレイの下面に、間隔を保つための突起（柱）を形成しても良いし、基板の表面を平たんでなく凹凸形状とし、その凹凸を使ってマイクロレンズアレイとの間隔を設けても良い。
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は以上の実施の形態に限られず、種々の変形例に適用できる。例えば、以上述べた実施の形態では１つのレンズ１個と１つの凹部とがそれぞれ対応した構成となっているが、図３３Ａに示すように、複数のレンズ１０６ｉの各々に対して２つ（又はそれ以上）の凹部１０６ｆを対応して設け、２つの凹部１０６ｆからの出射光を１つのレンズ１０６ｉで捕捉して屈折させるようにしても良い。この場合、個々のレンズ１０６ｉごとに対応する凹部１０６ｆの数を異ならせても良い。
　また図３３Ｂに示すように、複数のレンズ１０６ｉの各々に対して３つ（又はそれ以上）の凹部１０６ｆを対応して設け、凹部１０６ｆ間の周期ａ１，ａ２を互いに異ならせても良い。或いは、例えばアルミ基板を適切な条件で陽極酸化することでできる自己組織化構造のような、凹部の周期や直径がばらついた構造でも良い。ただし、レンズの光軸方向に見たときに、それに重なる凹部の最大寸法はレンズの最大寸法より小さいことが望ましい。更に、凹部の周期は一定ではなくランダムなものとしても良いし、凹部の形状は同一でなくて良い。更に、凹部及びレンズの周期や大きさは一様に限られず、ばらつきを持たせたり、あるいは複数の周期や大きさを組み合わせても良い。
　更に、図３４に示すように，蛍光体１０６ｇは凹部１０６ｆ内部だけでなく、凹部１０６ｆの周囲の基板１０６ａの表面を含めて全体に薄く層状に形成されていても良い。ただし層状に形成された蛍光体１０６ｇの厚さが厚すぎると凹部１０６ｆを設ける効果が小さくなるので、層状部分の厚さは極力薄くすることが好ましい
　本発明は、波長変換部材及び画像形成装置に利用することができる。
１００　　　　　　画像投影装置
１０１　　　　　　光源
１０１ａ　　　　　固体発光素子
１０１ｂ　　　　　コリメートレンズアレイ
１０２　　　　　　ビーム縮小光学系
１０３　　　　　　バンドパス偏光フィルタ
１０４　　　　　　１／４波長板
１０５　　　　　　集光レンズ
１０６　　　　　　蛍光体ホイール
１０６ａ　　　　　，１０６ａ’、１０６ａ”　　　　基板
１０６ｂ　　　　　　　マイクロレンズアレイ
１０６ｃ　　　　　　　第１の光変換部
１０６ｄ　　　　　　　第２の光変換部
１０６ｅ　　　　　　　反射部
１０６ｆ　　　　　　　凹部
１０６ｇ　　　　　　　蛍光体
１０６ｈ　　　　　　　ベース層
１０６ｉ　　　　　　　レンズ
１０６ｐ　　　　　　　孔
１０７　　　　　　モータ
１０８　　　　　　リレー光学系
１０９　　　　　　ライトパイプ
１１０　　　　　　リレー光学系
１１２　　　　　　偏光ビームスプリッタ
１１３　　　　　　光変調素子
１１４　　　　　　投影レンズ
ＢＤ　　　　　　蛍光体層
ＣＯＮＴ　　　　　　　制御部
ＤＲ　　　　　　レーザドライバ
ＩＬ　　　　　　照明部
ＭＡ　　　　　　マイクロレンズアレイ
ＯＥ　　　　　　光学エンジン部

Claims (15)

  1. 　それぞれ蛍光体を収容した複数の凹部を形成した基板と、前記凹部に対応するようにして配置され複数の光偏向部を備えた光学素子とを有する波長変換部材であって、
    　前記光学素子は光透過性の素材からなり、屈折面を備えていて、
    　第１の波長の光を、前記光偏向部を介して前記凹部内の前記蛍光体に入射させたとき、前記蛍光体に入射した前記第１の波長の光は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換され、前記光偏向部により屈折されて外部へと出射するようになっている波長変換部材。
  2. 　前記凹部と前記光偏向部とを重なる方向に見たときに、前記凹部の最大寸法は前記光偏向部の最大寸法より小さい請求項１に記載の波長変換部材。
  3. 　前記凹部の最大寸法は、前記光偏向部の最大寸法の３５％～７５％である請求項２に記載の波長変換部材。
  4. 　前記第１の波長の光を入射させた状態で、前記凹部の中心と前記光偏向部の中心とのズレ量は、前記凹部の最大寸法φとしたときに±０．２５φ以内である請求項２又は３に記載の波長変換部材。
  5. 　前記凹部と前記光偏向部との間に、前記光偏向部の素材よりも屈折率が低い低屈折率層を設けている請求項１～４のいずれかに記載の波長変換部材。
  6. 　前記低屈折率層の厚さは３０μｍ以下である請求項５に記載の波長変換部材。
  7. 　入射する前記第１の波長の光の拡がり角が３５度（ＮＡ＝０．５７）以下である請求項１～６のいずれかに記載の波長変換部材
  8. 　前記基板と前記光偏向部との間に、前記第２の波長の光を散乱する散乱部を設けている請求項１～７のいずれかに記載の波長変換部材。
  9. 　少なくとも前記凹部の内面は、前記第２の波長の光を反射する請求項１～８のいずれかに記載の波長変換部材。
  10. 　少なくとも前記凹部の内面に増反射膜又は高反射材料が設けられている請求項９に記載の波長変換部材。
  11. 　前記凹部は半球形状、楕円球、円錐形状、又は角錐形状を有する請求項１～１０のいずれかに記載の波長変換部材。
  12. 　前記光偏向部の屈折面は球面もしくは回転対称の非球面、又は楕円球面である請求項１～１１のいずれかに記載の波長変換部材。
  13. 　前記光偏向部の光透過面の少なくとも一部に、反射防止膜又は反射防止構造を形成している請求項１～１２のいずれかに記載の波長変換部材。
  14. 　前記光偏向部は、１５０μｍ～５００μｍの間隔で配置されている請求項１～１３のいずれかに記載の波長変換部材。
  15. 　前記第１の波長の光を出射する光源と、請求項１～１４のいずれかに記載の波長変換部材と、を有する画像形成装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7483948B2 (ja) 2020-12-23 2024-05-15 京セラ株式会社 拡散板、発光デバイス及びセンサモジュール

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012128297A (ja) * 2010-12-17 2012-07-05 Hitachi Consumer Electronics Co Ltd 光源装置
WO2014073136A1 (ja) * 2012-11-07 2014-05-15 パナソニック株式会社 光源および画像投写装置
WO2014103093A1 (ja) * 2012-12-26 2014-07-03 パナソニック株式会社 画像表示装置とこれに用いられる光変換パネル
JP2014186916A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Stanley Electric Co Ltd 発光モジュール及び光源装置
WO2016098560A1 (ja) * 2014-12-15 2016-06-23 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置
WO2016121720A1 (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置
WO2016121721A1 (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012128297A (ja) * 2010-12-17 2012-07-05 Hitachi Consumer Electronics Co Ltd 光源装置
WO2014073136A1 (ja) * 2012-11-07 2014-05-15 パナソニック株式会社 光源および画像投写装置
WO2014103093A1 (ja) * 2012-12-26 2014-07-03 パナソニック株式会社 画像表示装置とこれに用いられる光変換パネル
JP2014186916A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Stanley Electric Co Ltd 発光モジュール及び光源装置
WO2016098560A1 (ja) * 2014-12-15 2016-06-23 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置
WO2016121720A1 (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置
WO2016121721A1 (ja) * 2015-01-28 2016-08-04 コニカミノルタ株式会社 波長変換部材及び画像形成装置

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