JP7571539B2 - 波長変換素子、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いる光源装置として、エテンデューを小さくすることで、液晶パネル等の被照明物を高輝度で照明する光源装置がある（例えば、下記特許文献１、２参照）。近年、プロジェクターに用いる光源装置として、蛍光体を励起することで生成した蛍光を照明光として用いる光源装置もある。

特開２００８－０２６８５３号公報 特開２００８－１１２１１４号公報

一般的に蛍光体上における励起光の入射面積を小さくすることで、蛍光のエテンデューを小さくできる。しかしながら、励起光の入射面積を小さくすると励起光の光密度が高くなることで、蛍光変換効率が低下してしまうという問題があった。
このように従来において、励起光の光密度の増加を抑制しつつ、エテンデューを小さくすることは難しかった。

上記の課題を解決するために、本発明の１つの態様によれば、光入射面を有し、前記光入射面に入射した第１波長帯の光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光を生成する波長変換層と、前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、前記第１波長帯の光を透過し、前記第２波長帯の光を反射する第１光学層を有し、前記第１光学層が前記支持面に対向するように配置される第１光学部材と、少なくとも前記第２波長帯の光を反射させる第２光学層を有し、前記第２光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、少なくとも前記第２波長帯の光を反射させる第３光学層を有し、前記第３光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差し、前記第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、前記基板、前記第１光学部材、前記第２光学部材および前記第３光学部材により形成される開口部と、を備え、前記波長変換層の前記光入射面の面積は、前記光入射面において前記第１波長帯の光が入射される光入射領域の面積よりも大きく、前記光入射領域の面積は、前記開口部の面積より大きく、前記第２波長帯の光は、前記開口部から射出される。

本発明の第２態様によれば、光源と、本発明の第１態様の波長変換素子と、を備える光源装置が提供される。

本発明の第３態様によれば、本発明の第２態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えるプロジェクターが提供される。

実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。 第１光源装置の概略構成図である。 波長変換素子の概略構成を示す斜視図である。 波長変換素子を＋Ｙ側から視た正面図である。 波長変換素子の断面図である。 第１変形例に係る波長変換素子の構成を示す断面図である。 第２変形例に係る波長変換素子の構成を示す側面図である。 第２変形例に係る波長変換素子の作用を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、第１光源装置（光源装置）２０と、第２光源装置２１と、を備えている。なお、第１光源装置２０は本発明の光源装置の一実施形態に相当する。

色分離光学系３は、黄色の照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧに分離する。色分離光学系３は、色分離ミラー７と、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、を備えている。

色分離ミラー７は、第１光源装置２０からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとに分離するダイクロイックミラーで構成される。色分離ミラー７は、照明光ＷＬのうち、赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧを反射する。第２反射ミラー８ｂは緑色光ＬＧを光変調装置４Ｂに向けて反射する。第１反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、色分離ミラー７を透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。

一方、第２光源装置２１からの青色光ＬＢは反射ミラー９で光変調装置４Ｂに向けて反射される。

ここで、第２光源装置２１の構成について説明する。
第２光源装置２１は、第２光源８１と、集光レンズ８２と、拡散板８３と、ロッドレンズ８４と、リレーレンズ８５と、を有する。第２光源８１は、少なくとも一つの半導体レーザーで構成され、レーザー光からなる青色光ＬＢを射出する。なお、第２光源８１は、半導体レーザーに限らず、青色光を発光するＬＥＤでもよい。

集光レンズ８２は凸レンズからなり、青色光ＬＢを略集光した状態で拡散板８３に入射させる。拡散板８３は、第２光源８１からの青色光ＬＢを所定の拡散度で拡散させて、第１光源装置２０から射出される蛍光ＹＬからなる照明光ＷＬに近い均一な配光分布を有する青色光ＬＢを生成する。拡散板８３としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。

拡散板８３で拡散された青色光ＬＢはロッドレンズ８４に入射する。ロッドレンズ８４は第２光源装置２１の照明光軸ａｘ２方向に沿って延びる角柱状であり、一端に設けられた入射端面８４ａと、他端に設けられた射出端面８４ｂと、を有する。拡散板８３は、ロッドレンズ８４の入射端面８４ａに図示しない光学接着剤を介して固定されている。拡散板８３の屈折率とロッドレンズ８４の屈折率とはできるだけ一致させることが望ましい。

青色光ＬＢはロッドレンズ８４内を全反射で伝播することで照度分布の均一性が向上した状態で射出端面８４ｂから射出される。ロッドレンズ８４から射出された青色光ＬＢはリレーレンズ８５に入射する。リレーレンズ８５はロッドレンズ８４によって照度分布の均一性が向上した青色光ＬＢを反射ミラー９に入射させる。

ロッドレンズ８４の射出端面８４ｂの形状は光変調装置４Ｂの画像形成領域の形状と略相似形の矩形状である。これにより、ロッドレンズ８４から射出された青色光ＬＢは光変調装置４Ｂの画像形成領域に効率良く入射する。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側には、図示しない偏光板がそれぞれ配置され、特定の方向の直線偏光のみを通過させる構成となっている。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ、フィールドレンズ１０Ｇ、フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ、フィールドレンズ１０Ｇ、及びフィールドレンズ１０Ｂは、それぞれの光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの主光線を平行化する。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置４Ｂから射出された画像光が入射することにより、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学装置６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。

投射光学装置６は、複数のレンズから構成されている。投射光学装置６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上に画像が表示される。

（第１光源装置）
図２は、第１光源装置２０の概略構成図である。
図２を含む以下の図面内において、必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて第１光源装置２０の各構成について説明する。Ｘ軸は光源２２の光軸ａｘと平行な軸であり、Ｙ軸は光軸ａｘと直交する照明光軸ａｘ１と平行な軸であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸にそれぞれ直交する軸である。つまり、光軸ａｘと照明光軸ａｘ１とは、同一面内にあり、光軸ａｘは照明光軸ａｘ１と直交する。

図２に示すように、第１光源装置２０は、光源２２と、ホモジナイザー光学系２３と、集光光学系２４と、波長変換素子２５と、ピックアップ光学系２６と、インテグレーター光学系３５と、偏光変換素子３６と、重畳レンズ３７と、を備えている。

光源２２は、発光部２０１とコリメートレンズ２０２とを含む。発光部２０１は半導体レーザーから構成される。発光部２０１は、例えば４４５ｎｍのピーク波長を有する光ビームからなる光線Ｅを射出する。なお、発光部２０１としては、４４５ｎｍ以外の波長の光線Ｅを射出する半導体レーザーを用いることもできる。例えば、発光部２０１は、４６０ｎｍのピーク波長を有する光ビームからなる光線Ｅを射出してもよい。

コリメートレンズ２０２は発光部２０１に対応して配置されている。コリメートレンズ２０２は発光部２０１から射出された光線Ｅを平行光に変換する。なお、発光部２０１およびコリメートレンズ２０２の個数は、特に限定されない。
このようにして光源２２は青色波長帯（第１波長帯）を有する平行光束として励起光（第１波長帯の光）ＥＬを射出する。

本実施形態の第１光源装置２０において、光源２２の光軸ａｘ上に、光源２２と、ホモジナイザー光学系２３と、集光光学系２４と、波長変換素子２５とが配置されている。

光源２２から射出された励起光ＥＬはホモジナイザー光学系２３に入射する。ホモジナイザー光学系２３は、例えばレンズアレイ２３ａとレンズアレイ２３ｂとから構成されている。レンズアレイ２３ａは複数の小レンズ２３ａｍを含み、レンズアレイ２３ｂは複数の小レンズ２３ｂｍを含む。

レンズアレイ２３ａは励起光ＥＬを複数の小光線束に分離する。レンズアレイ２３ａの小レンズ２３ａｍは、小光線束を対応するレンズアレイ２３ｂの小レンズ２３ｂｍに結像させる。レンズアレイ２３ｂは、後述する集光光学系２４とともに、レンズアレイ２３ａの各小レンズ２３ａｍの像を波長変換素子２５の蛍光体層２５１上に重畳させる。集光光学系２４はホモジナイザー光学系２３と協働して、波長変換素子２５の蛍光体層２５１上に入射する励起光ＥＬの照度分布を均一化する。なお、集光光学系２４は単数あるいは複数のレンズで構成される。

波長変換素子２５は、光源２２から＋Ｘ側に向けて入射する励起光ＥＬで励起されることで蛍光ＹＬを生成する蛍光体層２５１と、蛍光体層２５１を支持する基板２５２と、を有する。波長変換素子２５は、生成した蛍光ＹＬを＋Ｙ側に向けて開口部２６０から射出させる。なお、波長変換素子２５の構成の詳細については後述する。

ピックアップ光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，２６ｂから構成されている。ピックアップ光学系２６は蛍光体層２５１から射出される蛍光ＹＬをピックアップして平行化する機能を有する。

蛍光ＹＬは、インテグレーター光学系３５に入射する。インテグレーター光学系３５は、例えば第１のレンズアレイ３５ａと第２のレンズアレイ３５ｂとから構成されている。第１のレンズアレイ３５ａは複数の第１小レンズ３５ａｍを含み、第２のレンズアレイ３５ｂは複数の第２小レンズ３５ｂｍを含む。

第１のレンズアレイ３５ａは蛍光ＹＬを複数の小光線束に分離する。第１小レンズ３５ａｍは、小光線束を対応する第２小レンズ３５ｂｍに結像させる。インテグレーター光学系３５は、後述する重畳レンズ３７と協働することで被照明領域である図１に示した光変調装置４Ｒ，４Ｇの画像形成領域の照度分布を均一化させる。

インテグレーター光学系３５を通過した蛍光ＹＬは、偏光変換素子３６に入射する。偏光変換素子３６は、例えば、偏光分離膜と位相差板（１／２波長板）とから構成される。偏光変換素子３６は、蛍光ＹＬにおける偏光方向を一方の偏光成分に変換する。

偏光変換素子３６を通過した蛍光ＹＬは、重畳レンズ３７に入射する。重畳レンズ３７から射出された蛍光ＹＬは色分離光学系３へ入射する。重畳レンズ３７は、蛍光ＹＬを構成している上記複数の小光線束を光変調装置４Ｒ，４Ｇの被照明領域、すなわち画像形成領域で互いに重畳させることで均一に照明する。

続いて、波長変換素子２５の構成について説明する。図３は波長変換素子２５の概略構成を示す斜視図である。図４は波長変換素子２５を＋Ｙ側から視た正面図である。図５は波長変換素子２５の断面図である。なお、図５はＸＹ平面に沿う面による断面である。
図３～図５に示されるように、本実施形態の波長変換素子２５は、蛍光体層（波長変換層）２５１と、基板２５２と、第４光学層２５３と、第１光学部材２５４と、第２光学部材２５５と、第３光学部材２５６と、を備える。波長変換素子２５は、蛍光体層２５１で生成した蛍光ＹＬを射出する開口部２６０を備えている。開口部２６０は、波長変換素子２５の＋Ｙ側に設けられている。
本実施形態の開口部２６０は、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６の＋Ｙ側における各端面で形成された開口である。

蛍光体層２５１は、励起光ＥＬによって励起され、黄色波長帯（第２波長帯）の蛍光（第２波長帯の光）ＹＬを発光する蛍光体粒子を含む。蛍光体層２５１は、励起光ＥＬを波長変換することによって、蛍光ＹＬを生成する。
蛍光体層２５１は、表面（光入射面）２５１１と、側面２５１２と、裏面２５１３と、を含む板状の蛍光体である。表面２５１１は、励起光ＥＬが入射される面である。側面２５１２は、表面２５１１に交差する面である。側面２５１２は、表面２５１１に直交していてもよい。裏面２５１３は、表面２５１１の反対の面である。

蛍光体粒子としては、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよく、２種以上の材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いてもよい。蛍光体層２５１としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを用いてもよい。本実施形態の蛍光体層２５１は複数の気孔（散乱体）Ｋを含んでいる。

蛍光体層２５１は基板２５２に支持される。基板２５２は、蛍光体層２５１を支持する支持面２５２１を含む。支持面２５２１は、ＹＺ面と平行な面である。基板２５２は、蛍光体層２５１と熱的に接続されている。基板２５２は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属板である。基板２５２は蛍光体層２５１と熱的に接続されるため、蛍光体層２５１の熱を放出させることで蛍光体層２５１を冷却する。

波長変換素子２５において、蛍光体層２５１は収容空間Ｓに収容されている。収容空間Ｓは、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６で囲まれた空間である。収容空間Ｓは、開口部２６０の内側に設けられている。本実施形態の場合、収容空間Ｓは大気中に開放されている。すなわち、収容空間Ｓには空気層ＡＲが設けられている。

第４光学層２５３は、基板２５２と蛍光体層２５１との間に設けられる。第４光学層２５３の面積は、蛍光体層２５１の裏面２５１３の面積よりも大きい。本実施形態の場合、第４光学層２５３は、収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１上に設けられている。すなわち、第４光学層２５３は、基板２５２の支持面２５２１における蛍光体層２５１の周囲に設けられている。蛍光体層２５１は第４光学層２５３を介して基板２５２の支持面２５２１に接合されている。第４光学層２５３は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。なお、第４光学層２５３は、支持面２５２１の全域、すなわち、収容空間Ｓよりも外側まで設けられていてもよい。また、第４光学層２５３の一部が蛍光体層２５１の裏面２５１３に直接形成されていてもよい。

第１光学部材２５４は、基板２５２の支持面２５２１に対向するように配置されている。すなわち、第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１の表面２５１１に対向するように配置されている。第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１と接触しないように配置される。

第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１の表面２５１１に対して傾けられた状態で配置される。第１光学部材２５４における蛍光体層２５１の表面２５１１に対してなす角度は鋭角に設定される。

第１光学部材２５４は、透光性基板２５４１と、第１光学層２５４２と、を含む。透光性基板２５４１は、例えば、ガラスで構成されている。第１光学層２５４２は、透光性基板２５４１の内面、すなわち、蛍光体層２５１に対向する面に設けられている。第１光学層２５４２は、励起光ＥＬを透過し、蛍光ＹＬを反射する特性を有する。第１光学層２５４２は、基板２５２の支持面２５２１に対向している。
これにより、第１光学部材２５４は、光源２２から射出された励起光ＥＬを透過させつつ、蛍光体層２５１で生成された蛍光ＹＬを反射することができる。

第２光学部材２５５は、基材２５５１と、第２光学層２５５２と、を含む。基材２５５１の形成材料としては、例えばガラスが用いられる。第２光学層２５５２は、基材２５５１の内面に形成される。第２光学層２５５２は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。

第２光学部材２５５は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに交差するように配置されている。第２光学部材２５５は、第２光学層２５５２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差するように配置されている。第２光学部材２５５は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに直交していてもよい。第２光学層２５５２は、支持面２５２１と第１光学層２５４２とに直交していてもよい。第２光学部材２５５は、その厚さ方向をＺ軸方向に一致させるように配置されている。第２光学部材２５５は、蛍光体層２５１の＋Ｚ側の近傍に配置されている。そのため、蛍光体層２５１から＋Ｚ側に向かって射出された蛍光ＹＬの一部は第２光学部材２５５により反射される。
なお、例えば、何等かの理由によって励起光ＥＬが第２光学部材２５５に入射した場合でも、第２光学部材２５５は励起光ＥＬを反射して蛍光体層２５１に入射させる。

第２光学部材２５５は台形板状である。
図３に示したように、第２光学部材２５５は、台形状の上底部をなす第１端面５５ａと、台形状の下底部をなす第２端面５５ｂと、第１端面５５ａおよび第２端面５５ｂを＋Ｘ側で接続する第３端面５５ｃと、第１端面５５ａおよび第２端面５５ｂを－Ｘ側で接続する第４端面５５ｄと、を含む。なお、第１端面５５ａ、第２端面５５ｂ、第３端面５５ｃおよび第４端面５５ｄはいずれも平坦面である。第３端面５５ｃは、基板２５２に対向する面である。第４端面５５ｄは、基材２５５１において第３端面５５ｃと反対側の面である。第１光学部材２５４は、第４端面５５ｄに当接している。第１光学部材２５４は、第４端面５５ｄに載置されている。第１光学層２５４２は、第４端面５５ｄに当接している。透光性基板２５４１は、第１光学層２５４２を介して第４端面５５ｄに載置されている。

ここで、基材２５５１の材料としてガラスを用いる場合、先鋭部分を除去することで欠けを防止する面取り加工が必要となる。本実施形態では、第２光学部材２５５を台形板状とすることで面取り加工を不要とすることで、基材２５５１の加工性を向上させている。

本実施形態の場合、第２光学部材２５５の一部が基板２５２に埋め込まれている。よって、第２光学部材２５５は基板２５２に強固に支持される。
第２光学部材２５５における＋Ｘ側の端部の一部は基板２５２の支持面２５２１に形成された溝２５２４に嵌め込まれている。なお、第２光学部材２５５と溝２５２４との隙間に接着剤を充填してもよい。

具体的に第２光学部材２５５は、第１端面５５ａおよび第３端面５５ｃの全体と第２端面５５ｂの一部とが溝２５２４に嵌め込まれている。第４端面５５ｄのうち最も－Ｙ側に位置し、Ｚ方向に沿う端辺５５ｄ１は、基板２５２の支持面２５２１と面一とされている。これにより、第４端面５５ｄと基板２５２の支持面２５２１とが滑らかに接続されている。また、＋Ｙ側において、第２端面５５ｂは基板２５２の端面５２と面一となっている。

第３光学部材２５６は、第２光学部材２５５と同様の構成を有する。
すなわち、第３光学部材２５６は、基材２５６１と、第３光学層２５６２と、を含む。第３光学層２５６２は、基材２５６１の内面に形成される。第３光学層２５６２は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。

第３光学部材２５６は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに交差し、第２光学部材２５５と対向するように配置されている。第３光学部材２５６は、第３光学層２５６２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差し、第２光学層２５５２に対向するように配置されている。第３光学部材２５６は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに直交していてもよい。第３光学層２５６２は、支持面２５２１と第１光学層２５４２とに直交していてもよい。第３光学部材２５６は、その厚さ方向をＺ軸方向に一致させるように配置されている。第３光学部材２５６は、蛍光体層２５１の－Ｚ側の近傍に配置されている。そのため、蛍光体層２５１から－Ｚ側に向かって射出され、第３光学部材２５６に入射した蛍光ＹＬは第３光学部材２５６により反射される。なお、例えば、何等かの理由によって励起光ＥＬが第３光学部材２５６に入射した場合でも、第３光学部材２５６は励起光ＥＬを反射して蛍光体層２５１に入射させる。

第３光学部材２５６は第２光学部材２５５と同様の台形板状である。
第３光学部材２５６は、台形形状の上底部をなす第１端面５６ａと、台形形状の下底部をなす第２端面５６ｂと、第１端面５６ａおよび第２端面５６ｂを＋Ｘ側で接続する第３端面５６ｃと、第１端面５６ａおよび第２端面５６ｂを－Ｘ側で接続する第４端面５６ｄと、を含む。なお、第１端面５６ａ、第２端面５６ｂ、第３端面５６ｃおよび第４端面５６ｄはいずれも平坦面である。第３端面５６ｃは、基板２５２に対向する面である。第４端面５６ｄは、基材２５６１において第３端面５６ｃと反対側の面である。第１光学部材２５４は、第４端面５６ｄに当接している。第１光学部材２５４は、第４端面５６ｄに載置されている。第１光学層２５４２は、第４端面５６ｄに当接している。透光性基板２５４１は、第１光学層２５４２を介して第４端面５６ｄに載置されている。

本実施形態の場合、第３光学部材２５６の一部が基板２５２に埋め込まれることで、第３光学部材２５６は基板２５２に強固に支持される。
第３光学部材２５６における＋Ｘ側の端部の一部は基板２５２の支持面２５２１に形成された溝２５２４に嵌め込まれている。第３光学部材２５６と溝２５２４との隙間に接着剤を充填してもよい。

具体的に第３光学部材２５６は、第１端面５６ａおよび第３端面５６ｃの全体と第２端面５６ｂの一部とが溝２５２４に嵌め込まれている。第４端面５６ｄのうち最も－Ｙ側に位置し、Ｚ方向に沿う端辺５６ｄ１は、基板２５２の支持面２５２１と面一とされている。これにより、第４端面５６ｄと基板２５２の支持面２５２１とが滑らかに接続されている。また、＋Ｙ側において、第２端面５６ｂは基板２５２の端面５２と面一となっている。

本実施形態において、第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に支持される。第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に接着固定されている。
具体的に、第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５の第４端面５５ｄと第３光学部材２５６の第４端面５６ｄとの間に掛け渡されるように設けられている。－Ｙ側において、第１光学部材２５４の内側の端辺５４ａは基板２５２の支持面２５２１に接触している。

このような構成に基づいて、本実施形態の波長変換素子２５では、開口部２６０と反対である－Ｙ側を、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６によって閉塞している。よって、波長変換素子２５は、蛍光ＹＬにおける開口部２６０と反対側からの漏れを防止し、開口部２６０から蛍光ＹＬを効率良く射出可能となっている。

図４および図５に示したように、励起光ＥＬは第１光学部材２５４を透過して蛍光体層２５１に入射する。励起光ＥＬは集光光学系２４によって表面２５１１上で集光されるように蛍光体層２５１に入射する。蛍光体層２５１の表面２５１１には、励起光入射領域ＬＳが形成される。励起光入射領域ＬＳとは励起光ＥＬが表面２５１１上に形成する照射スポットに相当する。

蛍光体層２５１は、励起光入射領域ＬＳに入射された励起光ＥＬで励起され、蛍光ＹＬをランバート発光で放射する。なお、蛍光ＹＬが発光される領域の面積は、励起光入射領域ＬＳの面積よりも大きい。

蛍光ＹＬは蛍光体層２５１からランバート発光される。例えば、表面２５１１からランバート発光された蛍光ＹＬの一部は、表面２５１１に対向配置された第１光学部材２５４に入射する。第１光学部材２５４に入射した蛍光ＹＬは、第１光学層２５４２によって反射される。第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は、開口部２６０から直接射出される。
また、第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は基板２５２の支持面２５２１に入射し、支持面２５２１に形成された第４光学層２５３で反射される。第４光学層２５３で反射された蛍光ＹＬは開口部２６０から射出される、あるいは、再び第１光学部材２５４に入射して反射される。

なお、第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は蛍光体層２５１内に戻される。本実施形態の蛍光体層２５１は複数の気孔Ｋを含む。そのため、蛍光体層２５１内に戻された蛍光ＹＬは気孔Ｋで散乱されることで、再び蛍光体層２５１からランバート発光される。

また、蛍光体層２５１の側面２５１２からランバート発光された蛍光ＹＬの一部は、第４光学層２５３を経由して第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に入射、あるいは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に直接入射する。蛍光ＹＬは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６で反射されることで、再び第１光学部材２５４に入射して反射される。

なお、蛍光体層２５１で生成された蛍光ＹＬの一部は開口部２６０と反対方向（－Ｙ側）に伝播するが、反射を繰り返すことでやがて開口部２６０から射出される。
このようにして本実施形態の波長変換素子２５では、蛍光体層２５１で生成した蛍光ＹＬを開口部２６０から＋Ｙ側に射出することができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１では、蛍光ＹＬを射出する開口部２６０側に比べて、開口部２６０と反対側である－Ｙ側ほど熱がこもりやすく温度が高くなり易い。これに対して、本実施形態の波長変換素子２５では、図３および図５に示すように、蛍光体層２５１を支持する基板２５２を開口部２６０と反対側に長くした形状を採用している。そのため、本実施形態の波長変換素子２５によれば、蛍光体層２５１において熱がこもりやすい開口部２６０と反対側の側を効率良く冷却することができる。よって、蛍光体層２５１を効率良く冷却することができる。

本実施形態の波長変換素子２５では、蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１を励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも大きくしている。また、本実施形態の波長変換素子２５では、第１光学部材２５４の第１光学層２５４２に沿う平面と表面２５１１に沿う平面とのなす角度を１０°以上４０°以下に設定することで、開口部２６０の面積Ａ３を励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも小さくしている。

すなわち、本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１は励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも大きく、励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２は開口部２６０の面積Ａ３より大きくなっている。本実施形態の波長変換素子２５において、開口部２６０は蛍光ＹＬの見かけ上の発光面とみなせることから、開口部２６０の面積Ａ３は蛍光ＹＬの見かけ上の発光面積とみなせる。

（第１実施形態の効果）
以上説明した本実施形態に係る波長変換素子２５によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の波長変換素子２５は、光入射面を有し、光入射面に入射した第１波長帯の励起光ＥＬを波長変換して第１波長帯とは異なる第２波長帯の蛍光ＹＬを生成する蛍光体層２５１と、蛍光体層２５１を支持する支持面２５２１を有する基板２５２と、励起光ＥＬを透過し、蛍光ＹＬを反射する第１光学層２５４２を有し、第１光学層２５４２が支持面２５２１に対向するように配置される第１光学部材２５４と、少なくとも蛍光ＹＬを反射させる第２光学層２５５２を有し、第２光学層２５５２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差するように配置される第２光学部材２５５と、少なくとも蛍光ＹＬを反射させる第３光学層２５６２を有し、第３光学層２５６２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差し、第２光学層２５５２に対向するように配置される第３光学部材２５６と、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６により形成される開口部２６０と、を備える。蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１は、表面２５１１において励起光ＥＬが入射される励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも大きく、励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２は、開口部２６０の面積Ａ３より大きく、蛍光ＹＬは、開口部２６０から射出される。

本実施形態の波長変換素子２５によれば、励起光ＥＬを入射させる励起光入射領域ＬＳよりも面積の小さい開口部２６０から蛍光ＹＬを射出するため、励起光入射領域ＬＳから蛍光ＹＬをそのまま取り出す構成に比べて、蛍光ＹＬの見かけ上の発光面積が小さくなる。これにより、蛍光ＹＬにおけるエテンデューを小さくできる。また、本実施形態の波長変換素子２５では、蛍光体層２５１上における励起光ＥＬの入射面積を小さくすることなくエテンデューを小さくできるため、蛍光体層２５１の表面２５１１において励起光ＥＬの光密度が高くならない。よって、光密度が高くなることによる蛍光変換効率の低下を抑制することができる。
したがって、本実施形態の波長変換素子２５によれば、励起光ＥＬの光密度の増加を抑制しつつ、エテンデューを小さくすることができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１は、光を散乱させる気孔Ｋを含む。

この構成によれば、蛍光体層２５１に再入射した蛍光ＹＬが内部で拡散させるので、再入射した蛍光ＹＬをランバート放射することができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第１光学部材２５４における蛍光体層２５１の表面２５１１に対してなす角度は、１０°以上４０°以下である。

この構成によれば、第１光学部材２５４を蛍光体層２５１の表面２５１１に近づけることで、開口部２６０の面積Ａ３を励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも小さくする構成を実現できる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第２光学部材２５５は、励起光ＥＬおよび蛍光ＹＬを反射する第２光学層２５５２を含み、第３光学部材２５６は、励起光ＥＬおよび蛍光ＹＬを反射する第３光学層２５６２を含む。

この構成によれば、蛍光体層２５１の側面２５１２から射出された蛍光ＹＬを反射して蛍光体層２５１に戻すことができる。また、励起光ＥＬを反射して蛍光体層２５１に入射させることができる。これにより、励起光ＥＬおよび蛍光ＹＬの利用効率を向上させることができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、基板２５２と蛍光体層２５１との間に設けられる第４光学層２５３をさらに備える。

この構成によれば、蛍光体層２５１内において基板２５２側に向かう蛍光ＹＬを反射することで表面２５１１から射出させることができる。これにより、蛍光ＹＬの光利用効率を向上させることができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第４光学層２５３は、基板２５２の支持面２５２１における蛍光体層２５１の周囲の少なくとも一部に設けられている。

この構成によれば、蛍光体層２５１の側面２５１２から射出された蛍光ＹＬを反射して蛍光体層２５１に戻すことができる。また、蛍光体層２５１の側面２５１２から射出された蛍光ＹＬを反射して開口部２６０から射出させる。よって、蛍光ＹＬの光利用効率を向上させることができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１と接触しないように配置される。

この構成によれば、第１光学部材２５４が蛍光体層２５１に接触しないため、蛍光体層２５１の熱による第１光学部材２５４の変形や破損を抑制することができる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第１光学部材２５４は、励起光ＥＬを透過するとともに蛍光ＹＬを反射させる第１光学層２５４２を含む。

この構成によれば、収容空間Ｓ内に収容された蛍光体層２５１を効率良く励起し、生成した蛍光ＹＬを反射して開口部２６０から取り出す構成を実現できる。

本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１は、開口部２６０の内側に設けられた収容空間Ｓに収容され、収容空間Ｓに空気層ＡＲが設けられている。

ここで、収容空間Ｓにガラス等のプリズム部材が充填されている場合、プリズム射出面で全反射されることで光が収容空間Ｓ内から開口部２６０外に効率良く射出されなくなってしまう。これに対して、本実施形態の構成によれば、収容空間Ｓ内に空気層ＡＲが充填されるため、開口部２６０から蛍光ＹＬを良好に射出できる。

本実施形態の波長変換素子２５において、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６の一部は、基板２５２に埋め込まれている。

この構成によれば、基板２５２によって第２光学部材２５５および第３光学部材２５６を安定的に支持できる。

以上説明した本実施形態に係る第１光源装置２０によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の第１光源装置２０は、励起光ＥＬを射出する光源２２と、波長変換素子２５とを備える。
このことによって、本実施形態の第１光源装置２０によれば、励起光ＥＬの光密度の増加による蛍光変換効率の低下を抑えつつエテンデューを小さくした波長変換素子２５を備えるので、高輝度な蛍光ＹＬを生成することができる。

以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態のプロジェクター１は、第１光源装置２０と、第２光源装置２１と、第１光源装置２０または第２光源装置２１からの青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒと、前述の画像光を投射する投射光学装置６と、を備える。
このことによって、本実施形態のプロジェクター１によれば、高輝度な蛍光ＹＬを生成する第１光源装置２０を備えるので、高輝度な画像を形成して投射することができる。

なお、本発明の一実施形態を例示して説明したが、本発明は上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

（第１変形例）
図６は波長変換素子の第１変形例に係る構成を示す断面図である。図６は図５に対応する断面図である。
なお、本変形例において、上記実施形態と共通の構成あるいは部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図６に示すように、本変形例の波長変換素子１２５は、蛍光体層２５１と、基板２５２と、第４光学層２５３と、第１光学部材３５４と、図示しない第２光学部材と、第３光学部材２５６と、を備える。

本変形例の場合、第１光学部材３５４の開口部２６０側（＋Ｙ側）に位置する端面５４は、開口部２６０の－Ｘ側に位置する開口端２６０１と面一となるように形成されている。すなわち、端面５４は、第１光学部材３５４の板厚方向に対して斜めにカットした面で構成されている。本実施形態において、端面５４は、第１光学部材３５４の－Ｘ側の表面３５４ｂに垂直な方向に対して交差する方向に沿った面である。

ここで、第１光学部材３５４の端面５４はカット面（加工面）であるため、すりガラス状となっており、光散乱性を有することから、励起光ＥＬの入射面として端面５４を利用することは難しい。

本変形例の構成によれば、第１光学部材３５４の端面５４を開口部２６０の開口端２６０１と面一に形成することで、２点鎖線で示される上記実施形態の第１光学部材の端面位置に比べて、第１光学部材３５４の表面３５４ｂのうち励起光ＥＬの入射面として有効に機能する領域を＋Ｙ側に拡げることができる。すなわち、蛍光体層２５１に対して入射可能となる励起光ＥＬの有効径を拡げることができる。よって、励起光ＥＬの利用効率が向上することで、蛍光体層２５１で生成する蛍光ＹＬの輝度を向上できる。

（第２変形例）
図７Ａは波長変換素子の第２変形例に係る構成を示す側面図である。図７Ｂは本変形例の作用を説明するための図である。なお、本変形例において、上記実施形態と共通の構成あるいは部材については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

図７Ａに示すように、本変形例の波長変換素子２２５は、蛍光体層２５１と、基板２５２と、第１光学部材４５４と、第２光学部材２５５と、第３光学部材２５６と、を備える。

本変形例の第１光学部材４５４は、第１変形例の第１光学部材３５４をさらに変形した構成を有する。具体的に本変形例の第１光学部材４５４は、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に当接する第１当接面４５４１と、基板２５２の支持面２５２１に当接する第２当接面４５４２と、を有する。第１当接面４５４１は、第１光学部材４５４の内側に位置する内面である。第１当接面４５４１は、収容空間Ｓに対向し、蛍光体層２５１に対向する面である。第２当接面４５４２は、第１光学部材４５４における－Ｙ側に位置する端面である。第２当接面４５４２は、第１光学部材４５４の板厚方向に対して斜めにカットした面で構成されている。本実施形態において、第２当接面４５４２は、第１光学部材４５４の第１当接面４５４１に垂直な方向に対して交差する方向に沿った面である。

第１当接面４５４１と第２当接面４５４２とが互いになす角度θ１は、基板２５２の支持面２５２１と第２光学部材２５５および第３光学部材２５６の第１光学部材２５４に対する当接面（第４端面５５ｄあるいは第４端面５６ｄ）とがなす角度θ２と等しい。

この構成によれば、図７Ｂに示すように、第２当接面４５４２を支持面２５２１に接触させた状態で第１当接面４５４１を第４端面５５ｄおよび第４端面５６ｄに接触するまで第１光学部材４５４を＋Ｙ側に移動することで、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に対する第１光学部材４５４の位置合わせを容易かつ高精度に行うことができる。よって、本変形例の波長変換素子２２５によれば組み立て性を向上させることで製造コストの低減することができる。

また、上記実施形態では、蛍光体層２５１の裏面２５１３の面積が収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１の面積よりも小さい場合を例に挙げたが、蛍光体層２５１の裏面２５１３の面積と収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１の面積とが同じでもよい。この場合、蛍光体層２５１の側面２５１２は第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に当接した状態となるので、側面２５１２から射出された蛍光ＹＬは第２光学部材２５５および第３光学部材２５６で反射されて蛍光体層２５１内に戻される。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

また、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに応用する例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を自動車用ヘッドライトなどの照明器具にも適用することができる。

本発明の態様の波長変換素子は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の波長変換素子は、光入射面を有し、光入射面に入射した第１波長帯の光を波長変換して第１波長帯とは異なる第２波長帯の光を生成する波長変換層と、波長変換層を支持する支持面を有する基板と、第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１光学層を有し、第１光学層が支持面に対向するように配置される第１光学部材と、少なくとも第２波長帯の光を反射させる第２光学層を有し、第２光学層が支持面と第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、少なくとも第２波長帯の光を反射させる第３光学層を有し、第３光学層が支持面と第１光学層とに交差し、第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、基板、第１光学部材、第２光学部材および第３光学部材により形成される開口部と、を備え、波長変換層の光入射面の面積は、光入射面において第１波長帯の光が入射される光入射領域の面積よりも大きく、光入射領域の面積は、開口部の面積より大きく、第２波長帯の光は、開口部から射出される。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、波長変換層は、光を散乱させる散乱体を含む構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、第１光学層に沿う平面と波長変換層の光入射面に沿う平面とのなす角度は、１０°以上４０°以下である構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、第２光学層は、第１波長帯の光および第２波長帯の光を反射し、第３光学層は、第１波長帯の光および第２波長帯の光を反射する構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、基板は、支持面と波長変換層との間に設けられる第４光学層を有する構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、第４光学層は、支持面における波長変換層の周囲の少なくとも一部に設けられている構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、第１光学部材は、波長変換層と接触しないように配置される構成としてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、波長変換層は、開口部の内側に設けられた収容空間に収容され、収容空間に空気層が設けられている構成としてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、光源と、本発明の上記態様の波長変換素子と、を備える。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の上記態様の光源装置と、光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

１…プロジェクター、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、２０…第１光源装置（光源装置）、２２…光源、２５，１２５，２２５…波長変換素子、５４…端面（第１光学部材の端面）、２５１…蛍光体層（波長変換層）、２５２…基板、２５３…第４光学層、２５４，３５４，４５４…第１光学部材、２５５…第２光学部材、２５６…第３光学部材、２６０…開口部、２５１１…表面（光入射面）、２５２１…支持面、２５４２…第１光学層、２５５２…第２光学層、２５６２…第３光学層、２６０１…開口端、４５４１…第１当接面、４５４２…第２当接面、Ａ１…面積（蛍光体層の表面の面積）、Ａ２…面積（励起光入射領域の面積）、Ａ３…面積（開口部の面積）、ＡＲ…空気層、ＥＬ…励起光（第１波長帯の光）、Ｋ…気孔（散乱体）、ＬＳ…励起光入射領域（光入射領域）、Ｓ…収容空間、ＹＬ…蛍光（第２波長帯の光）。

Claims (10)

1. 光入射面を有し、前記光入射面に入射した第１波長帯の光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光を生成する波長変換層と、
   前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、
   前記第１波長帯の光を透過し、前記第２波長帯の光を反射する第１光学層を有し、前記第１光学層が前記支持面に対向するように配置される第１光学部材と、
   少なくとも前記第２波長帯の光を反射させる第２光学層を有し、前記第２光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、
   少なくとも前記第２波長帯の光を反射させる第３光学層を有し、前記第３光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差し、前記第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、
   前記基板、前記第１光学部材、前記第２光学部材および前記第３光学部材により形成される開口部と、を備え、
   前記支持面と直交する方向を第１方向、前記第１方向と直交する方向を第２方向としたとき、
   前記波長変換層の前記光入射面の第１面積は、前記光入射面において前記第１波長帯の光が入射される光入射領域の第２面積よりも大きく、
   前記光入射領域の第１面積は、前記開口部の第３面積より大きく、
   前記第１波長帯の光は、前記第１方向に沿って前記第１光学部材の外側から前記第１光学部材に対して入射し、
   前記第２波長帯の光は、前記開口部から前記第２方向に射出される
   波長変換素子。
2. 前記波長変換層は、光を散乱させる散乱体を含む
   請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記第１光学層に沿う平面と前記波長変換層の前記光入射面に沿う平面とのなす角度は、１０°以上４０°以下である
   請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記第２光学層は、前記第１波長帯の光および前記第２波長帯の光を反射し、
   前記第３光学層は、前記第１波長帯の光および前記第２波長帯の光を反射する
   請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記基板は、前記支持面と前記波長変換層との間に設けられる第４光学層を有する
   請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 前記第４光学層は、前記支持面における前記波長変換層の周囲の少なくとも一部に設けられている
   請求項５に記載の波長変換素子。
7. 前記第１光学部材は、前記波長変換層と接触しないように配置される
   請求項１から請求項６のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。
8. 前記波長変換層は、前記開口部の内側に設けられた収容空間に収容され、
   前記収容空間に空気層が設けられている
   請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子。
9. 前記第１波長帯の光を射出する光源と、
   請求項１から請求項８のうちのいずれか一項に記載の波長変換素子と、を備える
   光源装置。
10. 請求項９に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
    前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える
    プロジェクター。

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