(57)【要約】【課題】光の損失を抑制できる波長変換素子、光源装置、プロジェクター、及び波長変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】第１層を有する基板と、第１層側に設けられる第１蛍光体層と、第１蛍光体層に対して基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を有し、第１層と第１蛍光体層との間には、空隙が設けられ、第１層は、第１蛍光体層又は第２蛍光体層が出射する蛍光を反射し、第２蛍光体層は、複数の蛍光体粒子と、複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有し、バインダーは、ガラスを含有し、バインダーは、一方の蛍光体粒子の表面の一部と他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合する。【選択図】図４
2020154031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１層を有する基板と、
前記第１層側に設けられる第１蛍光体層と、
前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を有し、
前記第１層と前記第１蛍光体層との間には、空隙が設けられ、
前記第１層は、前記第１蛍光体層又は前記第２蛍光体層が出射する蛍光を反射し、
前記第２蛍光体層は、複数の蛍光体粒子と、前記複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有し、
前記バインダーは、ガラスを含有し、
前記バインダーは、前記一方の蛍光体粒子の表面の一部と前記他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換素子において、
前記第２蛍光体層における前記複数の蛍光体粒子の体積の合計と前記バインダーの体積の合計とを合計した体積に対する前記バインダーの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子において、
前記第２蛍光体層は、前記基板と接合されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
請求項３に記載の波長変換素子において、
前記第２蛍光体層は、前記バインダーによって前記基板と接合されていることを特徴とする波長変換素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項６】
基板と、前記基板に対向して設けられる第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を備える波長変換素子の製造方法であって、
蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合し、前記第２蛍光体層を構成する混合物を調製する調製工程と、
前記基板に設けられた前記第１蛍光体層に対する前記基板とは反対側に、前記混合物を塗布する塗布工程と、
前記混合物が塗布された前記基板を焼成する焼成工程と、を含み、
前記焼成工程における焼成温度は、前記ガラスの軟化点より１００℃以上高いことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項７】
基板と、前記基板に対向して設けられる第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を備える波長変換素子の製造方法であって、
蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合し、前記第２蛍光体層を構成する混合物を調製する調製工程と、
前記基板に設けられた前記第１蛍光体層に対する前記基板とは反対側に、前記混合物を塗布する塗布工程と、
前記混合物が塗布された前記基板を焼成する焼成工程と、を含み、
前記焼成工程における前記ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下であることを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の波長変換素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項９】
請求項８に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
請求項５又は請求項９に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された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って変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とするプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子、光源装置、プロジェクター、及び波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射される励起光によって励起され、励起光の波長より長い波長を有する蛍光を出射する波長変換素子が知られている。このような波長変換素子として、基材と、基材の表面に形成された反射層と、反射層上に形成された蛍光体層と、を備えた発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の発光素子では、蛍光体層は、複数の蛍光体粒子と、複数の蛍光体粒子を結合させるバインダーと、を有する。
バインダーは、例えば水ガラス等の無機材料の架橋体を含むものである。バインダーは、互いに隣り合う一の蛍光体粒子と他の一の蛍光体粒子とを結合するとともに、蛍光体粒子と反射層の表面とを結合する。蛍光体粒子は、外部から照射される励起光を吸収して蛍光を発する粒子状の蛍光体である。蛍光体粒子には、例えばＹＡＧ系材料の蛍光物質が含まれている。そして、特許文献１では、上記発光素子を有する光源装置が、プロジェクターに適用された例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９７４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の蛍光体層では、複数の蛍光体粒子は、バインダー内に封入されている。換言すると、バインダーは、蛍光体粒子の表面全体を覆うように、蛍光体粒子の周囲に存在する。このため、蛍光体粒子から出射された蛍光は、バインダー内に入射され、バインダー内を伝播して、蛍光体層から出射される。蛍光体層から出射された蛍光は、光源装置から出射され、光学系を構成する反射型液晶パネルに入射される。
しかしながら、蛍光体層においてバインダー内を蛍光が伝播すると、蛍光体層の表面における蛍光の出射領域は、励起光の入射領域より大きくなる。そして、蛍光の出射領域が大きいと、光学系において液晶パネルに対する蛍光の入射効率が低下するおそれがある。すなわち、蛍光体粒子の表面全体がバインダーによって覆われていると、蛍光体層から蛍光が入射される光学系での蛍光の利用効率が低下するおそれがある。
【０００６】
一方、特許文献１には、励起光の入射方向に沿って、励起光を波長変換した蛍光を出射する透過型の波長変換素子が挙げられている。このような透過型の波長変換素子において、基材と蛍光体層との間に、青色光を透過し、蛍光を蛍光体層側に反射させる誘電体多層膜であるダイクロイック膜を設けることによって、励起光の入射側に戻る蛍光の光量を低減することが考えられる。
しかしながら、ダイクロイック膜に対してブリュースター角で蛍光体層から入射した光は、ダイクロイック膜を透過する。このため、ダイクロイック膜を透過した蛍光は、励起光の入射側に進行して失われてしまう。すなわち、蛍光の損失が生じる。反射型の波長変換素子でも同様のことが言える。
これに対し、基材において励起光の入射側の面にダイクロイック膜を設けることによって、ブリュースター角での蛍光の入射を抑制することが考えられる。しかしながら、この場合には、基材の厚み分の距離を往復することによる光の損失が生じる。
このように、蛍光体層から入射された光の一部が、反射層又はダイクロイック膜に入射されて失われることによって、蛍光体層、ひいては、波長変換素子から出射される光の損失が生じるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様に係る波長変換素子は、第１層を有する基板と、前記第１層側に設けられる第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を有し、前記第１層と前記第１蛍光体層との間には、空隙が設けられ、前記第１層は、前記第１蛍光体層又は前記第２蛍光体層が出射する蛍光を反射し、前記第２蛍光体層は、複数の蛍光体粒子と、前記複数の蛍光体粒子のうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子と他方の蛍光体粒子とを結合するバインダーと、を有し、前記バインダーは、ガラスを含有し、前記バインダーは、前記一方の蛍光体粒子の表面の一部と前記他方の蛍光体粒子の表面の一部とを結合することを特徴とする。
【０００８】
上記第１態様では、前記第２蛍光体層における前記複数の蛍光体粒子の体積の合計と前記バインダーの体積の合計とを合計した体積に対する前記バインダーの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。
【０００９】
上記第１態様では、前記第２蛍光体層は、前記基板と接合されていることが好ましい。
【００１０】
上記第１態様では、前記第２蛍光体層は、前記バインダーによって前記基板と接合されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の第２態様に係る光源装置は、上記波長変換素子と、前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３態様に係る波長変換素子の製造方法は、基板と、前記基板に対向して設けられる第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を備える波長変換素子の製造方法であって、蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合し、前記第２蛍光体層を構成する混合物を調製する調製工程と、前記基板に設けられた前記第１蛍光体層に対する前記基板とは反対側に、前記混合物を塗布する塗布工程と、前記混合物が塗布された前記基板を焼成する焼成工程と、を含み、前記焼成工程における焼成温度は、前記ガラスの軟化点より１００℃以上高いことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第４態様に係る波長変換素子の製造方法は、基板と、前記基板に対向して設けられる第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層に対して前記基板とは反対側に設けられる第２蛍光体層と、を備える波長変換素子の製造方法であって、蛍光体粒子とガラスを含有するバインダーとを混合し、前記第２蛍光体層を構成する混合物を調製する調製工程と、前記基板に設けられた前記第１蛍光体層に対する前記基板とは反対側に、前記混合物を塗布する塗布工程と、前記混合物が塗布された前記基板を焼成する焼成工程と、を含み、前記焼成工程における前記ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第５態様に係る波長変換素子は、上記波長変換素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第６態様に係る光源装置は、上記波長変換素子と、前記波長変換素子に励起光を出射する光源と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第７態様に係るプロジェクターは、上記光源装置と、前記光源装置から出射された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って変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態におけるプロジェクターの構成を示す模式図。
【図２】第１実施形態における光源装置の構成を示すブロック図。
【図３】第１実施形態における第１光源装置の構成を示す模式図。
【図４】第１実施形態における波長変換素子の断面を示す模式図。
【図５】第１実施形態における波長変換素子を蛍光の出射側から見た平面図。
【図６】第１実施形態における第１蛍光体層を拡大して示す模式図。
【図７】第１実施形態における第２蛍光体層でのバインダーによる蛍光体粒子の結合状態を示す模式図。
【図８】第１実施形態における結合部の面積に対する光学系での明るさ及び光の広がりを示すグラフ。
【図９】第１実施形態におけるガラス含有率と光学系効率との関係を示すグラフ。
【図１０】第１実施形態におけるガラス含有率が３０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１１】第１実施形態におけるガラス含有率が２０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１２】第１実施形態におけるガラス含有率が１０ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１３】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１４】第１実施形態におけるガラス含有率が３ｖｏｌ％であり、焼成温度が１０００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１５】第１実施形態における波長変換素子の製造方法を示すフローチャート。
【図１６】第１実施形態における焼成温度とガラスの粘度との関係を示すグラフ。
【図１７】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が７５０℃である蛍光体層を示す画像。
【図１８】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が８００℃である蛍光体層を示す画像。
【図１９】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が８５０℃である蛍光体層を示す画像。
【図２０】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が９００℃である蛍光体層を示す画像。
【図２１】第１実施形態におけるガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、焼成温度が９５０℃である蛍光体層を示す画像。
【図２２】第２実施形態におけるプロジェクターが備える光源装置の構成を示す模式図。
【図２３】第２実施形態における波長変換素子の断面を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面に基づいて説明する。
［プロジェクターの概略構成］
図１は、本実施形態に係るプロジェクター１の構成を示す模式図である。
本実施形態に係るプロジェクター１は、後述する光源装置４から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成する画像光を、スクリーン等の被投射面上に拡大投射する。プロジェクター１は、図１に示すように、外装を構成する外装筐体２と、外装筐体２内に配置される光源装置４および光学装置３０と、を備える。なお、光源装置４及び光学装置３０の構成については、後に詳述する。この他、図示を省略するが、プロジェクター１は、プロジェクター１の動作を制御する制御装置、電子部品に電力を供給する電源装置、及び、冷却対象を冷却する冷却装置を備える。
【００１９】
［外装筐体の構成］
外装筐体２は、それぞれ図示しない天面部及び底面部と、正面部２１、背面部２２、左側面部２３及び右側面部２４とを有し、略直方体形状に形成されている。
正面部２１は、後述する投射光学装置３６の一部を露出させる開口部２１１を有しており、投射光学装置３６によって投射される画像光は、開口部２１１を通過する。また、正面部２１は、プロジェクター１内の冷却対象を冷却した冷却気体が外装筐体２の外部に排出される排気口２１２を有する。更に、右側面部２４は、外装筐体２外の気体を冷却気体として内部に導入する導入口２４１を有する。
【００２０】
［光学装置の構成］
光学装置３０は、均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３、画像形成装置３４、光学部品用筐体３５及び投射光学装置３６を備える。
均一化装置３１は、光源装置４から出射された光を均一化する。均一化装置３１によって均一化された光は、色分離装置３２及びリレー装置３３を経て、画像形成装置３４の後述する光変調装置３４３の変調領域を照明する。均一化装置３１は、２つのレンズアレイ３１１，３１２、偏光変換素子３１３及び重畳レンズ３１４を備える。
色分離装置３２は、均一化装置３１から入射される光を赤、緑及び青の各色光に分離する。色分離装置３２は、２つのダイクロイックミラー３２１，３２２と、ダイクロイックミラー３２１によって分離された青色光を反射させる反射ミラー３２３と、を備える。
【００２１】
リレー装置３３は、青色光の光路及び緑色光の光路より長い赤色光の光路に設けられ、赤色光の損失を抑制する。リレー装置３３は、入射側レンズ３３１、リレーレンズ３３３、反射ミラー３３２，３３４を備える。
なお、本実施形態では、赤色光の光路にリレー装置３３を設けているが、これに限らず、例えば他の色光より光路が長い色光を青色光とし、青色光の光路上にリレー装置３３を設ける構成としてもよい。
【００２２】
画像形成装置３４は、入射される赤、緑及び青の各色光を変調し、変調された各色光を合成して、投射光学装置３６によって投射される画像光を形成する。画像形成装置３４は、入射される各色光に応じて設けられる３つのフィールドレンズ３４１、３つの入射側偏光板３４２、３つの光変調装置３４３、３つの出射側偏光板３４４と、１つの色合成装置３４５と、を備える。
光変調装置３４３は、光源装置４から出射された光を画像情報に応じて変調する。光変調装置３４３は、赤色光を変調する光変調装置３４３Ｒ、緑色光を変調する光変調装置３４３Ｇ、及び、青色光を変調する光変調装置３４３Ｂを含む。本実施形態では、光変調装置３４３は、透過型の液晶パネルによって構成されており、入射側偏光板３４２、光変調装置３４３及び出射側偏光板３４４によって液晶ライトバルブが構成される。
色合成装置３４５は、光変調装置３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒによって変調された各色光を合成して上記画像光を形成する。本実施形態では、色合成装置３４５は、クロスダイクロイックプリズムによって構成されているが、これに限らず、例えば複数のダイクロイックミラーによって構成することも可能である。
【００２３】
光学部品用筐体３５は、それぞれ上記した均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３及び画像形成装置３４を内部に収容する。なお、光学装置３０には、設計上の光軸である照明光軸Ａｘが設定されており、光学部品用筐体３５は、照明光軸Ａｘにおける所定位置に均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３及び画像形成装置３４を保持する。光源装置４及び投射光学装置３６は、照明光軸Ａｘにおける所定位置に配置される。
【００２４】
投射光学装置３６は、画像形成装置３４から入射される画像光を被投射面上に拡大投射する。すなわち、投射光学装置３６は、光変調装置３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒによって変調された光を投射する。投射光学装置３６は、例えば筒状の鏡筒内に複数のレンズが収納された組レンズとして構成される。
【００２５】
［光源装置の構成］
図２は、光源装置４の構成を示すブロック図である。
光源装置４は、光変調装置３４３を照明する照明光ＬＴを均一化装置３１に出射する。光源装置４は、図２に示すように、例えばピーク波長が５００〜７００ｎｍの光である蛍光を出射する第１光源装置４１と、青色光を出射する第２光源装置４７と、光合成装置４８と、を有する。
これらのうち、光合成装置４８は、第１光源装置４１から出射された蛍光と、第２光源装置４７から出射された青色光とを合成した照明光を均一化装置３１に出射する。
【００２６】
［第１光源装置の構成］
図３は、第１光源装置４１の構成を示す模式図である。
第１光源装置４１は、図３に示すように、光源４２、アフォーカル光学素子４３、ホモジナイザー光学素子４４、第１集光素子４５、波長変換装置５及び第２集光素子４６を備える。
【００２７】
光源４２は、励起光を出射する発光素子である複数の固体光源４２１を備える。固体光源４２１は、半導体レーザーであり、例えばピーク波長が４４０ｎｍ又は４６０ｎｍである青色のレーザー光を、波長変換装置５に入射される励起光として出射する。
アフォーカル光学素子４３は、光源４２から出射された励起光を縮径する。アフォーカル光学素子４３は、入射される光を集光するレンズ４３１と、レンズ４３１によって集光された光束を平行化するレンズ４３２とにより構成されている。
ホモジナイザー光学素子４４は、アフォーカル光学素子４３によって縮径された励起光の照度分布を均一化する。ホモジナイザー光学素子４４は、一対のマルチレンズアレイ４４１，４４２により構成されている。
第１集光素子４５は、ホモジナイザー光学素子４４を通過した励起光を、波長変換装置５の波長変換素子５１に集光する。
【００２８】
波長変換装置５は、励起光の波長より長い波長を有する光である蛍光を第２集光素子４６に出射する。波長変換装置５は、励起光を蛍光に波長変換する波長変換素子５１と、波長変換素子５１に対する励起光の入射方向に沿う回転軸Ｒｘを中心として波長変換素子５１を回転させる回転部ＲＴと、を備える。
波長変換素子５１は、励起光の入射方向に沿って蛍光を出射する透過型の波長変換素子である。波長変換素子５１の構成については、後に詳述する。
第２集光素子４６は、波長変換装置５から出射された蛍光を集光するとともに平行化して、光合成装置４８に出射する。
【００２９】
［波長変換素子の構成］
図４は、波長変換素子５１の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子５１は、図４に示すように、基板５２及び蛍光体層５３を有する。なお、波長変換素子５１は、後述する製造方法によって製造される。
以下の説明では、波長変換素子５１に対する励起光ＥＬの入射方向であり、波長変換素子５１から出射される蛍光ＹＬの主光線の進行方向である方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向とは反対方向を−Ｚ方向とする。
【００３０】
［基板の構成］
基板５２は、蛍光体層５３を保持する保持部材であり、図３に示す回転部ＲＴによって回転される。基板５２は、基板本体５２１と、基板本体５２１に設けられる第１層５２２及び放熱板５２３と、を有する。また、基板５２は、＋Ｚ方向の面である第１面５２Ａと、−Ｚ方向の面であり、第１面５２Ａとは反対側の面である第２面５２Ｂと、を有する。
これらのうち、第２面５２Ｂは、波長変換素子５１に照射された励起光ＥＬが入射される入射面である。
【００３１】
基板本体５２１は、励起光ＥＬが通過可能な透光性材料によって円板状に形成されている。本実施形態では、基板本体５２１は、サファイア基板によって構成されている。基板本体５２１は、＋Ｚ方向の面である第１面５２１Ａと、−Ｚ方向の面であり、第１面５２１Ａとは反対側の面である第２面５２１Ｂと、を有する。なお、基板本体５２１は、ガラスによって構成されていてもよい。
【００３２】
第１層５２２は、第１面５２１Ａの略全面に設けられた誘電体多層膜である。第１層５２２は、青色光である励起光ＥＬを通過させる一方で、青色光より長い波長を有する蛍光ＹＬを反射させる反射特性を有する。すなわち、第１層５２２によって構成される第１面５２Ａの一部は、基板５２内に入射された励起光ＥＬを通過させるとともに、蛍光体層５３から入射される蛍光ＹＬを励起光ＥＬの入射方向である＋Ｚ方向に反射させる。
すなわち、基板５２は、蛍光ＹＬを蛍光体層５３側に反射させる反射面ＦＳを有する。反射面ＦＳは、基板５２の＋Ｚ方向の面である第１面５２Ａ側に設けられる。反射面ＦＳは、第１層５２２における蛍光体層５３側の面である。すなわち、反射面ＦＳは、第１層５２２における基板本体５２１の第１面５２１Ａに対向する面とは反対側の面に設けられる。
第１層５２２を形成する誘電体多層膜としては、例えばＳｉＯ２層とＴａ２Ｏ５層とが交互に積層された誘電体多層膜が挙げられる。
【００３３】
放熱板５２３は、蛍光体層５３から基板本体５２１及び第１層５２２を介して伝達される熱を放熱する。放熱板５２３は、第１層５２２に設けられる第１放熱板５２３１と、第２面５２１Ｂに設けられる第２放熱板５２３２と、を含む。
第１放熱板５２３１は、第１層５２２において蛍光体層５３が配置されない中央部に設けられている。また、第１放熱板５２３１は、第１層５２２において蛍光体層５３が配置されない中央部に設けられている。第１放熱板５２３１は、回転軸Ｒｘの周囲であって、Ｚ方向において回転部ＲＴに対向する部分に設けられている。
第２放熱板５２３２は、第２面５２１Ｂの略全面に設けられている。なお、第２放熱板５２３２は、−Ｚ方向から見て回転軸Ｒｘを中心とする環状の開口である通過部５２３３を有する。通過部５２３３は、第２面５２１Ｂの一部を露出させて、励起光ＥＬを通過させる部位であり、通過部５２３３を介して、基板本体５２１に励起光ＥＬが入射される。
すなわち、基板５２における第１面５２Ａは、第１層５２２及び第１放熱板５２３１によって構成される。基板５２における第２面５２Ｂは、第２放熱板５２３２及び基板本体５２１によって構成される。
【００３４】
［蛍光体層の構成］
図５は、蛍光ＹＬの出射側、すなわち、＋Ｚ方向から波長変換素子５１を見た平面図である。
蛍光体層５３は、基板５２に対して励起光ＥＬの入射側とは反対側、すなわち、＋Ｚ方向に設けられている。蛍光体層５３は、基板５２を通過して入射される励起光ＥＬによって励起されて、励起光ＥＬの波長より長い波長を有する光である蛍光ＹＬを出射する。換言すると、蛍光体層５３は、入射される励起光ＥＬを波長変換した蛍光ＹＬを出射する。蛍光体層５３は、図５に示すように、＋Ｚ方向から見て、回転軸Ｒｘを中心とする波長変換素子５１の回転時における励起光ＥＬの入射領域に対応した円環状に形成されている。
このような蛍光体層５３は、第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５を有する。
【００３５】
［第１蛍光体層の構成］
第１蛍光体層５４は、図４に示すように、励起光ＥＬを蛍光ＹＬに波長変換する複数の蛍光体粒子ＰＲと空隙ＳＰとを含む層であり、基板５２の第１面５２Ａに設けられる。
蛍光体粒子ＰＲは、蛍光体材料と、発光中心となる賦活剤とを含有する粒子である。賦活剤としては、例えばＣｅ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｇｄ及びＧａが挙げられる。蛍光体材料としては、ＹＡＧ蛍光体材料を採用できる。しかしながら、これに限らず、蛍光体材料は、ＹＡＧ蛍光体材料に代えて、ＹＡＧ蛍光体におけるＹがＬｕ、Ｇｄ又はＧａで置換された蛍光体材料を採用してもよく、ＫＳＦ蛍光体材料、又は、ＳＣＡＳＮ蛍光体材料等を採用してもよい。更に、蛍光体材料は、複数の蛍光体材料の混合物であってもよい。
なお、本実施形態では、第１蛍光体層５４は、バインダーを含んでいない。詳しくは後述するが、第１蛍光体層５４は、蛍光体粒子ＰＲ及び分散剤を溶剤に溶かした混合物を焼成することによって形成されるが、分散剤及び溶剤は、焼成時に揮発される。
【００３６】
［第２蛍光体層の構成］
第２蛍光体層５５は、第１蛍光体層５４と同様に、励起光ＥＬを波長変換した蛍光ＹＬを出射する機能を有する。第２蛍光体層５５は、図４に示すように、第１蛍光体層５４を＋Ｚ方向にて覆うように、基板５２の第１面５２Ａに設けられる。すなわち、第２蛍光体層５５は、第１蛍光体層５４に対して基板５２とは反対側に設けられ、基板５２の第１面５２Ａに接合されている。
第２蛍光体層５５は、複数の蛍光体粒子ＰＲ及び空隙ＳＰを含む他、複数の蛍光体粒子ＰＲを結合させるバインダーＢＮを含む。換言すると、第２蛍光体層５５は、バインダーＢＮによって複数の蛍光体粒子ＰＲが互いに結合され、内部に空隙ＳＰが設けられた構成を有する。バインダーＢＮは、蛍光体粒子ＰＲ同士を結合する他、蛍光体粒子ＰＲを第１面５２Ａに結合させ、これにより、第２蛍光体層５５を第１面５２Ａに固定する。すなわち、第２蛍光体層５５は、バインダーＢＮによって基板５２の第１面５２Ａと接合されている。
本実施形態では、バインダーＢＮとして、ホウケイ酸ガラスが用いられているが、リン酸塩系ガラスであってもよい。また、ＳｉＯ２を主成分とするポリシラザンが用いられてもよい。
【００３７】
［基板と第１蛍光体層との間の空隙による効果］
蛍光体層５３にて生じた非偏光の蛍光は、様々な角度で第１層５２２に入射される。本実施形態における第１層５２２は、ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５が積層された誘電体多層膜であるので、第１層５２２のブリュースター角はＳｉＯ２で略５６°である。空中からＳｉＯ２に入射する光のＳｉＯ２内部での最大入射角度、つまり全反射角度は、４１．８°で、ＳｉＯ２のブリュースター角５６°よりも小さい。このため、第１層５２２と第１蛍光体層５４との間に設けられる空隙ＡＬから第１層５２２に入射する光は、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の多層膜による干渉のみ受ける。これにより、蛍光ＹＬは、原理的には第１層５２２の設計にしたがって、ほとんどが反射され、空隙ＡＬ側へと進行する。第１層５２２に対してブリュースター角５６°に近い入射角度で入射される光のうち、ｐ偏光成分は、第１層５２２にて反射されずに、第１層５２２を透過してしまう。
発明者が行った実験では、蛍光体層にて生じた全発光量のうち、１０％以上の光量の光が、損失することが分かった。ブリュースター角−５°からブリュースター角＋５％の範囲の蛍光のｐ偏光成分が損失したとして計算すると、７％となる。さらに、ガラスの屈折率が１．５の場合の空気に対する全反射は４２°なので、第１層５２２から反射された蛍光のブリュースター角５６°を含む多くはガラスと空気の界面で反射され、再び第１層５２２で反射され、それが繰り返され、一定量が第１層５２２に吸収される。また、ブリュースター角以上の光も同じく、多くは第１層５２２で反射されるが、ガラスと空気界面と第１層５２２との間で反射を繰り返し、誘電体多層膜等に吸収される。このように、基板５２と第１蛍光体層５４との間にガラスの接着層があることによる損失が大きく、空隙ＡＬがあることの効果は大きいことがわかった。
【００３８】
図６は、基板５２の第１面５２Ａ上に配置された第１蛍光体層５４を拡大して示す模式図である。
第１蛍光体層５４は、第１面５２Ａと結合する第２蛍光体層５５によって覆われることにより、第１面５２Ａと第２蛍光体層５５との間に配置される。
ここで、第１蛍光体層５４は、内部に空隙ＳＰを含むことから、第１蛍光体層５４と第１面５２Ａとの間には、図６に示すように、第１蛍光体層５４において基板５２側に露出する空隙ＳＰによって、第１蛍光体層５４と第１面５２Ａとの間には、空隙ＡＬが形成される。換言すると、波長変換素子５１は、第１層５２２と第１蛍光体層５４との間に空隙ＡＬが設けられている。
【００３９】
このような空隙ＡＬが設けられることにより、第１蛍光体層５４から空隙ＡＬを介して第１層５２２に入射される光の入射角を、第１層５２２にて全反射可能な４２°以下にすることができる。すなわち、空隙ＡＬを介することにより、第１層５２２に入射される光の入射角を、第１層５２２のブリュースター角よりも小さい角度に変更できる。これにより、蛍光体層５３にて生じた蛍光を、第１層５２２にて効率よく反射させることができる。従って、蛍光体層５３にて生じた蛍光の損失を抑制でき、波長変換素子５１から出射される蛍光の光量を高めることができる。
【００４０】
［蛍光体粒子における結合部の面積と光学系での明るさとの関係］
図７は、第２蛍光体層５５においてバインダーＢＮによって結合された蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ１，ＰＲ２）の結合状態を示す模式図である。
プロジェクター１に採用される光源装置４は、光源装置４から出射された照明光が入射される光学系である光学装置３０を透過する光の明るさが高くなる光源装置であることが要望される。
このため、本実施形態では、蛍光体層５３において蛍光ＹＬの出射側に位置する第２蛍光体層５５に含有される蛍光体粒子ＰＲの表面におけるバインダーＢＮとの結合部の面積を調整している。すなわち、図７に示すように、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと接合する部位を結合部ＢＰとすると、上記光の明るさを高めるために、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を１０％以下に設定している。詳述すると、当該面積の割合を３％以上、５％以下の範囲内の値に設定している。これは、以下の実験結果によるものである。
【００４１】
図８は、蛍光体粒子ＰＲの表面積に占める結合部の面積の割合に対する光学装置３０における光学系での明るさ及び光の広がりを示すグラフである。
発明者は、第２蛍光体層５５における蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を変化させ、第２蛍光体層５５から出射される光の広がり、及び、光学装置３０における光学系での明るさを測定する実験を行った。なお、ここでいう光学系での明るさは、光変調装置３４３に集光可能な光量を示している。また、光の広がりは、蛍光体層において、励起光の入射領域の面積に対する蛍光の出射領域の面積の割合である。以下の説明では、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を、面積割合と略す。
第２蛍光体層５５から出射される光の広がりは、図８に一点鎖線によって示されるように、面積割合が大きいほど大きくなった。すなわち、第２蛍光体層５５から出射される光の広がりは、結合部ＢＰの面積が大きいほど大きくなった。
【００４２】
光学系での明るさは、図８に実線によって示されるように、面積割合が小さいほど高くなるわけではなく、光学系での明るさには、最大値（最高値）があることが分かった。
詳述すると、面積割合が１０％以下の範囲では、光学系での明るさは、面積割合が大きくなるに従って高くなった後に低くなった。そして、光学系での明るさの最大値は、面積割合が３％以上、５％以下の範囲内にあるときに示されることが分かった。
一方、面積割合が１０％を超える範囲では、光学系での明るさは、面積割合が０％であるときより低くなり、面積割合が大きいほど低くなった。
すなわち、光学系での明るさは、面積割合が１０％以下であるときに０％であるときよりも高くなり、面積割合が３％以上、５％以下の範囲内にあるときに最大となることが分かった。
【００４３】
このように、光学系での明るさが高くなるときの面積割合の範囲が存在することは、以下の理由によると考えられる。
蛍光体粒子ＰＲの屈折率は、約１．８である。これに対し、バインダーＢＮを構成するホウケイ酸ガラスの屈折率は、約１．５である。
このことから、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成されて結合部ＢＰに入射された蛍光は、結合部ＢＰからバインダーＢＮを伝わって、隣り合う蛍光体粒子ＰＲ内に進行する。
一方、第２蛍光体層５５の内部には空隙ＳＰが設けられていることから、第２蛍光体層５５に含まれる蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域は、空気と接している。このため、フレネルの式に従い、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成されて、蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域に入射された蛍光は、大部分が屈折して蛍光体粒子ＰＲの外部に出射されて一部が内部に反射するか、或いは、蛍光体粒子ＰＲ内部に全反射される。
【００４４】
面積割合が大きい場合、結合部ＢＰに入射される蛍光の光量が多くなる。すなわち、面積割合が大きい場合、結合部ＢＰを介してバインダーＢＮを伝わる蛍光の光量が多くなる。この場合、蛍光体粒子ＰＲの屈折率とバインダーＢＮの屈折率との差が小さく、蛍光体粒子ＰＲとバインダーＢＮとの界面での屈折が小さいため、蛍光が周辺の蛍光体粒子ＰＲに広がりやすくなる。このため、第２蛍光体層５５から外部に、大きな広がりの光源として蛍光が出ていく。これにより、光学系である光学装置３０の光変調装置３４３に、第２蛍光体層５５から出射された蛍光を集光しにくくなる。すなわち、この場合には、光学系での明るさが低くなる。
【００４５】
面積割合が小さい場合、蛍光体粒子ＰＲの内部にて生成された蛍光は、蛍光体粒子ＰＲの外面において結合部ＢＰ以外の領域、すなわち、空気との界面に入射されやすくなる。このため、蛍光体粒子ＰＲと空気との界面にて屈折されて蛍光体粒子ＰＲから出射される蛍光の光量、及び、全反射される蛍光の光量が多くなることから、周辺の広範囲の蛍光体粒子ＰＲに蛍光が広がることが抑制され、第２蛍光体層５５から外部に、小さな広がりの光源として蛍光が出ていく。このような蛍光は、光変調装置３４３に集光しやすい。すなわち、この場合には、光学系での明るさが高くなる。
【００４６】
一方、面積割合が、例えば１％以下の値のような非常に小さい値である場合、蛍光が蛍光体粒子ＰＲの内部に閉じ込められやすくなる。この場合には、空隙ＳＰとの界面での蛍光の反射が繰り返されやすくなって、蛍光の光路長が大きくなる。このように、蛍光体粒子ＰＲ内を蛍光が何度も通ることで、自己吸収が生じやすくなる。自己吸収とは、蛍光体の発光波長が蛍光体の吸収波長と部分的に重なっているために、蛍光体が蛍光を吸収して発熱する現象である。このような自己吸収が生じると、第２蛍光体層５５から外部に出射される蛍光の光量が減少し、ひいては、光学系での明るさが低くなる。
【００４７】
他方、蛍光体粒子ＰＲにおける空気との界面での反射及び屈折の頻度が高くなると、第２蛍光体層５５の外部から照射される励起光が、蛍光体粒子ＰＲの表面、或いは、蛍光体粒子ＰＲの内部にて反射されやすくなる。蛍光に変換されることなく、第２蛍光体層５５の外部に放射される励起光の光量が大きくなる。すなわち、励起光の後方散乱（バックスキャッタ）が生じやすくなる。この場合には、蛍光に変換される励起光の光量が減少することによって、第２蛍光体層５５から外部に出射される蛍光の光量が減少し、ひいては、光学系での明るさが低くなり得る。
【００４８】
このような考察から、光学系での明るさを高くするためには、第２蛍光体層５５における上記面積割合は、１０％以下の値であることが好ましく、３％以上、５％以下の値であることがより好ましいことが分かった。
【００４９】
［蛍光体粒子におけるバインダーとの結合部の大きさ］
本実施形態では、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合を１０％以下にするために、結合部ＢＰの大きさが以下の大きさになるように、第２蛍光体層５５を作製している。なお、以下の説明では、図７に示すように、バインダーＢＮによって結合される蛍光体粒子ＰＲ１，ＰＲ２の各中心Ｃ１，Ｃ２を結ぶ仮想線ＶＬに直交し、かつ、互いに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とする。
【００５０】
本実施形態では、結合部ＢＰ１のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１の直径Ｄ１の１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ１のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１の直径Ｄ１の１／４以下とされている。換言すると、結合部ＢＰ１のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１のＹ軸における大きさの１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ１のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ１のＸ軸における大きさの１／４以下とされている。
同様に、結合部ＢＰ２のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２の直径Ｄ２の１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ２のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２の直径Ｄ２の１／４以下とされている。換言すると、結合部ＢＰ２のＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２のＹ軸における大きさの１／４以下とされ、図示を省略するが、結合部ＢＰ２のＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲ２のＸ軸における大きさの１／４以下とされている。
更に、バインダーＢＮの厚み寸法である仮想線ＶＬに沿うバインダーＢＮの寸法は、蛍光体粒子ＰＲの１／１０以下とされている。
このように、結合部ＢＰの寸法が上記の大きさであることにより、第２蛍光体層５５における上記割合が１０％以下の値となり、光学系での明るさを高くすることができる。
【００５１】
［計算による結合部の大きさ］
光学系での明るさを高める上記面積割合は、蛍光体粒子ＰＲの直径に基づく計算結果からも裏付けられる。
第２蛍光体層５５に含まれる蛍光体粒子ＰＲを球状と仮定した場合、半径Ｒの蛍光体粒子ＰＲの表面積は、４π・Ｒ２である。
一方、粒径が略揃った球形の蛍光体粒子ＰＲが密に配列されている場合、単位体積当たりの蛍光体粒子ＰＲの充填率は、一般的に６０〜７５％である。この場合、１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数は、８〜１２である。
【００５２】
１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数を８と仮定し、バインダーＢＮを、厚みｔで半径ｒの円柱と仮定した場合、結合部ＢＰの総面積は、８π・ｒ２である。なお、バインダーＢＮの厚みは、図５に示した仮想線ＶＬに沿う寸法である。
これらのことから、上記面積割合は、８π・ｒ２／（４π・Ｒ２）となる。すなわち、上記面積割合は、２ｒ２／Ｒ２となる。
【００５３】
蛍光体粒子ＰＲの半径Ｒを１２μｍと仮定し、蛍光体粒子ＰＲの表面積に占める結合部ＢＰの割合を、上記した実験結果から５％（＝０．０５）と仮定した場合、結合部ＢＰの半径ｒは、略１．８９μｍとなる。すなわち、蛍光体粒子ＰＲにおける結合部ＢＰの形状を円とした場合の結合部ＢＰの半径ｒは、略２μｍとなり、結合部ＢＰの直径は、略４μｍとなる。また、１つの蛍光体粒子ＰＲが接する他の蛍光体粒子ＰＲの数を１２と仮定すれば、結合部ＢＰの半径ｒは、略３μｍとなり、結合部ＢＰの直径は、略６μｍとなる。よって、結合部ＢＰの半径ｒは、略２〜３μｍであり、結合部ＢＰの直径は、略４〜６μｍである。
このような計算によって求められる結合部ＢＰの直径は、上記仮定に基づく蛍光体粒子ＰＲの直径２４μｍの１／４以下の値である。換言すると、結合部ＢＰのＸ軸及びＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下の値である。
以上のように、蛍光体粒子ＰＲの直径に対して結合部ＢＰの寸法を上記した大きさにすることによって、上記面積割合を１０％以下にすることができ、ひいては、光学系での明るさを高くできる。
このような結合部ＢＰの大きさは、詳しくは後述するが、波長変換素子５１の製造方法において第２蛍光体層５５を製造する際の温度を調整することによって実現できる。これについては、波長変換素子５１の製造方法にて説明する。
【００５４】
［第２蛍光体層におけるガラス含有率］
図９は、第２蛍光体層５５のガラス含有率と光学系効率との関係を示すグラフである。
なお、ガラス含有率は、第２蛍光体層５５においてバインダーＢＮの体積割合（ｖｏｌ％）により表される。具体的に、ガラス含有率は「１００＊ガラスの体積／（ガラスの体積＋蛍光体粒子の体積）」であり、空隙ＳＰの体積は含まれていない。
すなわち、ここでいうガラス含有率は、作製後の波長変換素子５１の実測値ではなく、後述する波長変換素子５１の製造工程での第２蛍光体層５５の構成材料におけるバインダーＢＮ及び蛍光体粒子ＰＲの投入量の体積割合に基づく値である。
【００５５】
一方、光学系効率は、「第２蛍光体層５５から出射されて光学系である光学装置３０を透過した後、投射光学装置３６から出射した光の光量／第２蛍光体層５５に照射された励起光の光量」である。このため、光学系効率は、「第２蛍光体層５５から出射されて光学装置３０に入射した光の光量／第２蛍光体層５５に照射された励起光の光量」ではなく、「第２蛍光体層５５から出射された光の光量／第２蛍光体層５５に照射された励起光の光量」により示される波長変換効率でもない。
すなわち、光学系効率は、エテンデューを含んだ効率であり、プロジェクター１の光学装置３０における光利用効率と言い換えることができる。
【００５６】
図９に示されるように、第２蛍光体層５５のガラス含有率が０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下の範囲内では、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときに比べて、光学系効率が高くなっている。そして、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％であると、光学系効率は、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときと略同じ値となる。
第２蛍光体層５５のガラス含有率が１０ｖｏｌ％を超えると、ガラス含有率が０ｖｏｌ％であるときに比べて、光学系効率が低下する。これは、上記のように、蛍光体粒子ＰＲとバインダーＢＮとの界面にて、蛍光が反射及び屈折をすることによる損失は低下する一方で、蛍光が第２蛍光体層５５中を広がり、蛍光が第２蛍光体層５５から出射される際の光の広がりが大きくなり、光学系である光学装置３０にて利用できる光量が低下して、測定値の差として表れたものと考えられる。また、０〜１０％との間でピークを示すのは、バインダーＢＮが極端に少ないと、蛍光体粒子ＰＲと空隙ＳＰ（空気）との界面にて、励起光が何回も反射及び屈折を繰り返すことによって、当該励起光が蛍光体を励起する前に、第２蛍光体層５５から放出されてしまうことによるものと考えられる。
【００５７】
図１０は、ガラス含有率が３０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）により観察した際の画像である。以下、ＳＥＭによって観察される画像をＳＥＭ画像と略す。
図１１は、ガラス含有率が２０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１２は、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１３は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。図１４は、ガラス含有率が３ｖｏｌ％であり、蛍光体層の焼成温度が１０００℃である蛍光体層のＳＥＭ画像である。
ガラス含有率が３０ｖｏｌ％及び２０ｖｏｌ％である第２蛍光体層では、図１０及び図１１に示すように、全ての蛍光体粒子ＰＲの表面がバインダーＢＮによって略完全に覆われている。特に、図１０に示されるガラス含有率が３０ｖｏｌ％である第２蛍光体層では、各蛍光体粒子ＰＲはバインダーＢＮの中に埋没されている。このように蛍光体粒子ＰＲが、ホウケイ酸ガラスであるバインダーＢＮによって覆われると、上記のように、蛍光体粒子ＰＲにて生成された蛍光がバインダーＢＮを伝播しやすくなり、第２蛍光体層から出射される光の広がりが大きくなって、光学系効率が低下する。
【００５８】
これに対し、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％及び３ｖｏｌ％である第２蛍光体層では、図１２〜図１４に示すように、バインダーＢＮは、隣り合う蛍光体粒子ＰＲの間に設けられ、蛍光体粒子ＰＲは、バインダーＢＮによって完全には覆われていない。特に、ガラス含有率が５ｖｏｌ％及び３ｖｏｌ％である第２蛍光体層では、図１３に示すように、バインダーＢＮは、隣り合う蛍光体粒子ＰＲの間にのみ設けられ、蛍光体粒子ＰＲの表面は、ほぼ露出されている。
このように、バインダーＢＮによって、隣り合う蛍光体粒子ＰＲが表面の一部にて結合され、他の部分が露出されていることにより、第２蛍光体層から出射される光の広がりが小さくなり、光学系効率が高められる。すなわち、本実施形態に係る波長変換素子５１の蛍光体層５３においては、第２蛍光体層５５に含有される蛍光体粒子ＰＲの表面の一部にバインダーＢＮが結合され、他の部分が露出されていることによって、蛍光体層５３から出射される光の広がりが小さくなり、光学系効率が高められる。
従って、第２蛍光体層５５のガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下の範囲内の値であることにより、ガラス含有率が０ｖｏｌ％のとき、及び、ガラス含有率が１０ｖｏｌ％より大きい場合に比べて、光学系効率を高められる蛍光体層５３を構成できる。
【００５９】
［波長変換素子の製造方法］
図１５は、波長変換素子５１の製造方法を示すフローチャートである。
上記した蛍光体層５３を含む波長変換素子５１の製造方法について、説明する。
波長変換素子５１の製造方法は、図１５に示すように、順に実施される第１調製工程Ｓ１、第１塗布工程Ｓ２、第１乾燥工程Ｓ３、第２調製工程Ｓ４、第２塗布工程Ｓ５、第２乾燥工程Ｓ６、第１焼成工程Ｓ７、第２焼成工程Ｓ８及び冷却工程Ｓ９を含む。すなわち、以下に示す波長変換素子５１の製造方法は、本発明の製造方法を含む。
【００６０】
第１調製工程Ｓ１は、焼成後に第１蛍光体層５４となる第１混合物を調製する工程である。第１調製工程Ｓ１では、上記した蛍光体粒子ＰＲと、アクリルやエチルセルロース等の有機物の分散剤とを溶媒に溶かしたペーストを、第１混合物として調製する。
第１塗布工程Ｓ２では、基板５２の第１層５２２における第１蛍光体層５４の形成予定領域に、調製された第１混合物を塗布する。
第１乾燥工程Ｓ３では、第１混合物に含まれる溶剤が蒸発する程度の低温にて、基板５２に塗布された第１混合物を乾燥させる。これにより、第１混合物は、蛍光体粒子ＰＲ及び有機物の分散剤のみが含まれる固体の混合物となる。
【００６１】
第２調製工程Ｓ４は、焼成後にバインダーＢＮとなるバインダー構成物と、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体粉末と、上記分散剤と、有機溶剤とを混合した第２混合物を調製する工程である。すなわち、第２調製工程Ｓ４は、第２蛍光体層５５を構成する混合物を調製する調製工程である。なお、バインダー構成物としては、例えばシリカが６０％以上含まれるホウケイ酸ガラスを直径１μｍ以下に砕いた粉末が挙げられる。また、蛍光体粉末とバインダー構成物であるホウケイ酸ガラスとの割合は、体積比で９８：２〜９２：８の範囲内の割合とする。なお、当該範囲は、９８：２及び９２：８を含む範囲である。より好ましくは、蛍光体粉末とホウケイ酸ガラスとの割合は、体積比で９７：３〜９５：５の範囲内の割合とする。当該範囲は、９７：３及び９５：５を含む範囲である。このように蛍光体粉末とホウケイ酸ガラスとの割合を調整することによって、ガラス含有率を上記範囲内の値に設定できる。
【００６２】
第２塗布工程Ｓ５では、基板５２に設けられて、乾燥された第１混合物に対する基板５２とは反対側に、第２混合物を塗布する。なお、第１混合物は、第１蛍光体層５４を構成するものであるため、第２塗布工程Ｓ５は、基板５２に設けられた第１蛍光体層５４に対する基板５２とは反対側に第２混合物を塗布する工程と言い換えることができる。
第２乾燥工程Ｓ６では、第２塗布工程Ｓ５にて塗布された第２混合物を乾燥させる。
【００６３】
第１焼成工程Ｓ７では、第１混合物及び第２混合物が塗布された基板５２を、低温で焼成する。具体的に、第１焼成工程Ｓ７は、第１混合物及び第２混合物に含まれる分散剤の有機物が分解する３００℃以上、５００℃以下の温度で焼成する。これにより、第１混合物及び第２混合物から分散剤が揮発する。
第２焼成工程Ｓ８では、第１焼成工程Ｓ７にて焼成された第１混合物及び第２混合物を、焼成炉にて１０００℃まで１０℃／分の割合で昇温しつつ、短時間焼成する。第２焼成工程Ｓ８にて高温で焼成すると、第２混合物に含まれるバインダー構成物のホウケイ酸ガラスが溶けて、第２混合物に含まれる蛍光体粒子ＰＲを結合する。なお、第２焼成工程Ｓ８での焼成温度については、後に詳述する。
【００６４】
冷却工程Ｓ９では、第２焼成工程Ｓ８での焼成物を冷却する。この時点では、第１混合物は第１蛍光体層５４となり、第２混合物は、蛍光体粒子ＰＲがバインダーＢＮによって結合された第２蛍光体層５５となる。
以上の各工程Ｓ１〜Ｓ９を含む製造方法によって、上記面積割合及びガラス含有率が０％より大きく、１０％以下である第２蛍光体層５５を有する波長変換素子５１が製造される。
【００６５】
［第２焼成工程での焼成温度とガラスの粘度との関係］
図１６は、焼成温度とガラスの粘度との関係を示すグラフである。
ガラスの粘度は、図１６に示すように、温度が高くなるに従って低下し、ガラスの粘性による力は、粘度が小さくなるに従って弱くなる。そして、ガラスが自重で顕著に軟化変形し始める温度であり、粘度が約１０７．６ｄＰａ・ｓとなる温度である軟化点を７００℃とすると、上記第２焼成工程Ｓ８の焼成温度を軟化点＋１００℃である８００℃以上にすることにより、ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ（＝１０６Ｐ）以下となる。
【００６６】
以下、ガラス含有率が５ｖｏｌ％である混合ペーストを各焼成温度で焼成して作製された第２蛍光体層５５のＳＥＭ画像を以下に示す。
すなわち、図１７は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、７５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１８は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、８００℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図１９は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、８５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図２０は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、９００℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。図２１は、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、９５０℃で焼成されて作製された蛍光体層を示すＳＥＭ画像である。
なお、図１３に、ガラス含有率が５ｖｏｌ％であり、１０００℃で焼成されて作製された蛍光体層のＳＥＭ画像を示す。
【００６７】
ガラスの軟化点に近い７５０℃にて焼成された蛍光体層では、図１７に示すように、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、上記と同様である。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である。しかしながら、バインダーＢＮが粒状となっている他、表面が滑らかでないことから、バインダーＢＮに入射した蛍光及び励起光が散乱しやすい。蛍光及び励起光の散乱が多くなると、蛍光の光路長が大きくなり、蛍光の光路長が増えると、上記のように、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生頻度が増加すること、及び、励起光が蛍光体粒子ＰＲを励起せずに蛍光体層から外部に反射してしまうことにより、蛍光の光量が減少する。
このため、７５０℃で焼成された第２蛍光体層５５では、蛍光体層から出射される蛍光の光量が減少し、上記した光学系効率が低下しやすい。
【００６８】
これに対し、８００℃にて焼成された第２蛍光体層５５では、図１８に示すように、蛍光体粒子ＰＲに対する結合部ＢＰの大きさは、上記と同様である。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの直径に対する結合部ＢＰの大きさは、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下である。しかしながら、８００℃にて焼成された第２蛍光体層５５での結合部ＢＰの大きさは、７５０℃にて焼成された第２蛍光体層での結合部ＢＰの大きさよりも小さくなる。この他、焼成温度が軟化点より１００℃高く、粘度が十分に低いことから、バインダーＢＮの表面が滑らかになっており、バインダーＢＮに入射した蛍光が散乱しにくい。また、図１８に示すように、焼成温度が８００℃である場合には、ガラスの粘度は１０６ｄＰａ・ｓ（＝１０６Ｐ）以下となり、粘度が十分に低いため、バインダーＢＮの表面が滑らかになっており、バインダーＢＮに入射した蛍光が散乱しにくい。このため、８００℃にて焼成された第２蛍光体層５５では、７５０℃で焼成された第２蛍光体層５５に対し、蛍光体粒子ＰＲによる自己吸収の発生が抑制され、蛍光の光量の低下が抑制される。
【００６９】
このようなことは、図１９〜図２１に示す８５０℃、９００℃及び９５０℃にて焼成された第２蛍光体層５５、並びに、図１３に示した１０００℃で焼成された第２蛍光体層５５でも、同様のことが言える。すなわち、焼成温度が高くなるに従ってガラスの粘度は低くなることから、結合部ＢＰの大きさが小さくなる他、結合される蛍光体粒子ＰＲ間を結ぶ方向の寸法であるバインダーＢＮの厚みも小さくなる。更に、第２蛍光体層５５におけるバインダーＢＮの表面が、より平滑になり、蛍光の散乱が一層抑制される。１０００℃を超える温度で焼成された第２蛍光体層５５でも同様と考えられる。
特に、焼成温度が９００℃以下となると、粘度は１０５ｄＰａ・ｓ以下となり、ガラスの流動性が高まり、バインダーＢＮは流線型となって隣り合う蛍光体粒子ＰＲとで接着されている光学的にも熱伝導的にも望ましい状態となる。更に、焼成温度が１０００℃となると、粘度は１０４ｄＰａ・ｓとなり、ほぼ完全な流動性での接着状態となっていることが図１１よりわかる。
【００７０】
一方で、上記第２焼成工程Ｓ８での焼成温度を１１００℃以上にすると、蛍光体の賦活剤であるＣｅイオンが酸化されて失活する。このため、製造工程の点で言えば、第２焼成工程Ｓ８での焼成温度は、８００℃以上、１１００℃以下（軟化点よりも１００℃以上、４００℃以下）が、より好ましい。このうち、焼成工程Ｓ８での焼成温度が９００℃以上、１１００℃以下（軟化点よりも２００℃以上、４００℃以下）であれば、粘度１０５ｄＰａ・ｓ以下を好適に実現できる。更に、焼成工程Ｓ８での焼成温度が９５０℃以上、１０５０℃以下（軟化点よりも２５０℃以上、３５０℃以下）であることが、より望ましい。これは、粘度１０４ｄＰａ・ｓを実現する温度であり、蛍光体層がより高発光効率であり、光学装置３０を含めての上記光学系効率が高い。
【００７１】
［第１実施形態の効果］
以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１及び波長変換素子５１の製造工程によれば、以下の効果を奏することができる。
プロジェクター１は、光源装置４と、光源装置４から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）と、光変調装置３４３によって変調された光を投射する投射光学装置３６と、を備える。光源装置４は、励起光ＥＬを出射する光源４２と、励起光ＥＬを波長変換して、励起光ＥＬの波長より長い波長を有する蛍光ＹＬを生成する波長変換素子５１と、を備える。
波長変換素子５１は、第１層５２２を有する基板５２と、第１層５２２側に設けられる第１蛍光体層５４と、第１蛍光体層５４に対して基板５２とは反対側に設けられる第２蛍光体層５５と、を有する。第１層５２２と第１蛍光体層５４との間には空隙ＡＬが設けられている。第１層５２２は、第１蛍光体層５４または第２蛍光体層５５が出射する蛍光ＹＬを反射する。第２蛍光体層５５は、複数の蛍光体粒子ＰＲと、複数の蛍光体粒子ＰＲのうち互いに隣り合う一方の蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ１）と互いに隣り合う他方の蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ２）とを結合するバインダーＢＮと、を有する。バインダーＢＮは、ガラスを含有する。バインダーＢＮは、一方の蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ１）の表面の一部と他方の蛍光体粒子ＰＲ（ＰＲ２）の表面の一部とを結合することを特徴とする。
【００７２】
このような構成によれば、蛍光体層５３の外層である第２蛍光体層５５において、バインダーＢＮは、蛍光体粒子ＰＲの表面の全てに接合するのではなく、蛍光体粒子ＰＲにおける表面の一部にのみ接合する。このことから、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと接合される結合部ＢＰの面積を小さくすることができる。換言すると、蛍光体粒子ＰＲの表面において空隙ＳＰ（空気）と接する領域の面積を大きくできる。これにより、バインダーＢＮを伝播する蛍光の光量を低下させることができるので、第２蛍光体層５５、ひいては、波長変換素子５１から出射される光の広がりを小さくすることができる。従って、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
【００７３】
また、波長変換素子５１は、基板５２の第１層５２２と第１蛍光体層５４との間に設けられる空隙ＡＬを有する。これによれば、蛍光体層５３にて生成された蛍光が、誘電体多層膜によって形成された第１層５２２にブリュースター角で入射することを抑制できる。すなわち、蛍光体層５３にて生成された蛍光が、第１層５２２を透過して失われることを抑制できる。従って、波長変換素子５１から出射される蛍光の光量を増加させることができるので、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
【００７４】
第２蛍光体層５５の作製時において、蛍光体粒子ＰＲの体積の合計とバインダーＢＮの体積の合計とを合計した体積に対するバインダーＢＮの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下である。すなわち、第２蛍光体層５５の作製時に調製される混合物におけるガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下である。
このような構成によれば、上記したように、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮとの接合される結合部ＢＰの面積を小さくすることができる。これにより、バインダーＢＮ内を伝播する蛍光の光量を小さくすることができ、第２蛍光体層５５、ひいては、波長変換素子５１から出射される蛍光の広がりを小さくすることができる。従って、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
【００７５】
第２蛍光体層５５は、基板５２と接合されている。
このような構成によれば、＋Ｚ方向にて第１蛍光体層５４を覆う第２蛍光体層５５が基板５２と接合されていることにより、基板５２上に第１蛍光体層５４を安定して配置できる。
【００７６】
第２蛍光体層５５は、第２蛍光体層５５に含まれるバインダーＢＮによって基板５２と接合されている。
このような構成によれば、第２蛍光体層５５と基板５２とを接合する部材を別途設ける必要がない他、第２蛍光体層５５の作製時に基板５２に固定できる。従って、他の手段によって第２蛍光体層５５を基板５２に固定する場合に比べて、波長変換素子５１の製造工程を簡略化できる。
【００７７】
波長変換素子５１の製造方法は、調製工程である第２調製工程Ｓ４と、塗布工程である第２塗布工程Ｓ５と、焼成工程である第１焼成工程Ｓ７及び第２焼成工程Ｓ８と、を含む。第２調製工程Ｓ４は、蛍光体粒子ＰＲとホウケイ酸ガラス等のガラスを含有するバインダーＢＮとを混合し、第２蛍光体層５５を構成する混合物としての第２混合物を調製する工程である。第２塗布工程Ｓ５は、基板５２に設けられた第１蛍光体層５４に対する基板５２とは反対側に、第２混合物を塗布する工程である。第２焼成工程は、第２混合物が塗布された基板５２を焼成する。第２焼成工程Ｓ８における焼成温度は、上記ガラスの軟化点より１００℃以上高い。
このような構成によれば、上記効果を奏する波長変換素子５１を製造できる。
【００７８】
波長変換素子５１の製造方法は、調製工程である第２調製工程Ｓ４と、塗布工程である第２塗布工程Ｓ５と、焼成工程である第１焼成工程Ｓ７及び第２焼成工程Ｓ８と、を含む。第２調製工程Ｓ４は、蛍光体粒子ＰＲとホウケイ酸ガラス等のガラスを含有するバインダーＢＮとを混合し、第２蛍光体層５５を構成する混合物としての第２混合物を調製する工程である。第２塗布工程Ｓ５は、基板５２に設けられた第１蛍光体層５４に対する基板５２とは反対側に、第２混合物を塗布する工程である。第２焼成工程は、第２混合物が塗布された基板５２を焼成する。第２焼成工程Ｓ８における上記ガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下である。
このような構成によれば、上記効果を奏する波長変換素子５１を製造できる。
【００７９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態に係るプロジェクターは、第１実施形態にて示したプロジェクター１と同様の構成を備えるが、波長変換素子の構成、ひいては、光源装置の構成が異なる。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一又は略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
図２２は、本実施形態に係るプロジェクターが備える光源装置６の構成を示す模式図である。
本実施形態に係るプロジェクターは、光源装置４に代えて図２１に示す光源装置６を有する他は、プロジェクター１と同様の構成及び機能を有する。
光源装置６は、光源装置４と同様に、光変調装置３４３を照明する照明光を光学装置３０に出射する。光源装置６は、光源用筐体ＣＡと、光源用筐体ＣＡ内にそれぞれ収容される光源部６１、アフォーカル光学素子６２、第１位相差素子６３、ホモジナイザー光学素子６４、偏光分離素子６５、第１集光素子６６、第２位相差素子６７、第２集光素子６８、拡散反射装置６９及び波長変換装置５Ａと、を備える。
【００８１】
光源部６１、アフォーカル光学素子６２、第１位相差素子６３、ホモジナイザー光学素子６４、偏光分離素子６５と、第２位相差素子６７、第２集光素子６８及び拡散反射装置６９は、光源装置６に設定された照明光軸Ａｘ１上に配置されている。
波長変換装置５Ａ、第１集光素子６６及び偏光分離素子６５は、光源装置６に設定され、かつ、照明光軸Ａｘ１に直交する照明光軸Ａｘ２上に配置されている。照明光軸Ａｘ２は、図１に示すレンズアレイ３１１の位置にて、照明光軸Ａｘと一致する。換言すると、照明光軸Ａｘ２は、照明光軸Ａｘの延長線上に設定されている。
【００８２】
［光源部の構成］
光源部６１は、光を出射する光源６１１及びコリメーターレンズ６１４を備える。
光源６１１は、それぞれ発光素子としての複数の固体光源６１２と、支持部材６１３と、を備える。
固体光源６１２は、励起光であるｓ偏光の青色光Ｌ１ｓを出射する半導体レーザーである。青色光Ｌ１ｓは、例えば、ピーク波長が４４０ｎｍのレーザー光である。
支持部材６１３は、照明光軸Ａｘ１に直交する平面にそれぞれアレイ状に配置された複数の固体光源６１２を支持する。支持部材６１３は、熱伝導性を有する金属製部材である。
【００８３】
固体光源６１２から出射された青色光Ｌ１ｓは、コリメーターレンズ６１４によって平行光束に変換され、アフォーカル光学素子６２に入射される。
なお、本実施形態では、光源６１１は、偏光方向が同じ直線偏光であるｓ偏光の青色光Ｌ１ｓを出射する構成である。しかしながら、これに限らず、光源６１１は、偏光方向が異なる直線偏光光である青色光を出射する構成としてもよい。この場合、第１位相差素子６３を省略できる。
【００８４】
［アフォーカル光学素子の構成］
アフォーカル光学素子６２は、光源部６１から入射される青色光Ｌ１ｓの光束径を調整して、第１位相差素子６３に入射させる。アフォーカル光学素子６２は、入射される光を集光するレンズ６２１と、レンズ６２１によって集光された光束を平行化するレンズ６２２とにより構成されている。
【００８５】
［第１位相差素子の構成］
第１位相差素子６３は、アフォーカル光学素子６２とホモジナイザー光学素子６４との間、より具体的には、レンズ６２２と、ホモジナイザー光学素子６４を構成するマルチレンズアレイ６４１との間の光路上に設けられている。第１位相差素子６３は、青色光Ｌ１ｓが入射する面内、すなわち照明光軸Ａｘ１に直交する平面に沿って回転可能に設けられている。第１位相差素子６３は、青色光Ｌ１ｓの波長４４０ｎｍに対する１／２波長板で構成されている。第１位相差素子６３の光学軸は、第１位相差素子６３に入射する青色光Ｌ１ｓの偏光軸と交差する。なお、第１位相差素子６３の光学軸は、第１位相差素子６３の進相軸及び遅相軸のうちのいずれであってもよい。
【００８６】
青色光Ｌ１ｓは、コヒーレントなｓ偏光である。青色光Ｌ１ｓは、もともとｓ偏光であるが、青色光Ｌ１ｓの偏光軸が第１位相差素子６３の光学軸と交差しているため、青色光Ｌ１ｓが第１位相差素子６３を透過することによって、ｓ偏光の一部がｐ偏光に変換される。このため、第１位相差素子６３を透過した青色光は、もともとのｓ偏光である青色光Ｌ１ｓと、ｐ偏光である青色光Ｌ２ｐとが所定の割合で混在した光となる。
なお、光源装置６は、第１位相差素子６３を回転させるモーターを備えていてもよい。
【００８７】
［ホモジナイザー光学素子の構成］
ホモジナイザー光学素子６４は、青色光Ｌ１ｓ，Ｌ２ｐの照度分布を均一化する。ホモジナイザー光学素子６４は、一対のマルチレンズアレイ６４１，６４２により構成されている。
【００８８】
［偏光分離素子の構成］
ホモジナイザー光学素子６４を通過した青色光Ｌ１ｓ，Ｌ２ｐは、偏光分離素子６５に入射する。
偏光分離素子６５は、プリズム型の偏光ビームスプリッターであり、入射される光に含まれるｓ偏光成分とｐ偏光成分とを分離する。具体的に、偏光分離素子６５は、ｓ偏光成分を反射させ、ｐ偏光成分を透過させる。また、偏光分離素子６５は、ｓ偏光成分及びｐ偏光成分のいずれの偏光成分であっても、所定波長以上の光を透過させる色分離特性を有する。従って、ｓ偏光の青色光Ｌ１ｓは、偏光分離素子６５にて反射され、第１集光素子６６に入射する。一方、ｐ偏光の青色光Ｌ２ｐは、偏光分離素子６５を透過して、第２位相差素子６７に入射する。
【００８９】
［第１集光素子の構成］
第１集光素子６６は、偏光分離素子６５にて反射された青色光Ｌ１ｓを波長変換装置５Ａに集光する。また、第１集光素子６６は、波長変換装置５Ａから入射される蛍光ＹＬを平行化する。図２２の例では、第１集光素子６６は、２つのレンズ６６１，６６２によって構成されているが、第１集光素子６６を構成するレンズの数は問わない。
【００９０】
［波長変換装置の構成］
波長変換装置５Ａは、励起光である青色光Ｌ１ｓの入射に応じて、青色光Ｌ１ｓの波長より長い波長を有する蛍光ＹＬを出射する波長変換素子５１Ａと、励起光である青色光Ｌ１ｓの入射方向に沿う回転軸Ｒｘを中心として波長変換素子５１Ａを回転させる回転部ＲＴとを備える。なお、波長変換素子５１Ａの構成については、後に詳述する。
波長変換装置５Ａから出射された蛍光ＹＬは、照明光軸Ａｘ２に沿って第１集光素子６６を通過した後、偏光分離素子６５に入射される。そして、蛍光ＹＬは、偏光分離素子６５を照明光軸Ａｘ２に沿って通過する。
【００９１】
［第２位相差素子及び第２集光素子の構成］
第２位相差素子６７は、偏光分離素子６５と第２集光素子６８との間に配置されている。第２位相差素子６７は、偏光分離素子６５を通過した青色光Ｌ２ｐを円偏光の青色光Ｌ２ｃに変換する。青色光Ｌ２ｃは、第２集光素子６８に入射される。
第２集光素子６８は、第２位相差素子６７から入射される青色光Ｌ２ｃを拡散反射装置６９に集光する。また、第２集光素子６８は、拡散反射装置６９から入射される青色光Ｌ２ｃを平行化する。なお、第２集光素子６８を構成するレンズの数は、適宜変更可能である。
【００９２】
［拡散反射装置の構成］
拡散反射装置６９は、波長変換装置５Ａから出射される蛍光ＹＬと同様の拡散角で、入射された青色光Ｌ２ｃを拡散反射させる。拡散反射装置６９の構成として、入射された青色光Ｌ２ｃをランバート反射させる反射板と、反射板を照明光軸Ａｘ１と平行な回転軸を中心として回転させる回転装置とを備える構成を例示できる。光源装置６において、この種の拡散反射装置６９を用いて青色光Ｌ２ｃを拡散反射させることによって、均一な照度分布を有する青色光を得られる。
図２２に示すように、拡散反射装置６９にて拡散反射された青色光Ｌ２ｃは、第２集光素子６８を通過した後、再び第２位相差素子６７に入射される。青色光Ｌ２ｃは、拡散反射装置６９にて反射される際に、回転方向が反対方向の円偏光に変換される。このため、第２集光素子６８から第２位相差素子６７に入射される青色光Ｌ２ｃは、第２位相差素子６７によって、偏光分離素子６５から第２位相差素子６７に入射されるｐ偏光の青色光Ｌ２ｃではなく、ｓ偏光の青色光Ｌ２ｓに変換される。そして、ｓ偏光の青色光Ｌ２ｓは、偏光分離素子６５にて反射されて、蛍光ＹＬとともに照明光軸Ａｘ２に沿って、上記した均一化装置３１に入射される。
【００９３】
［波長変換素子の構成］
図２３は、波長変換素子５１Ａの断面を模式的に示す図である。
波長変換素子５１Ａは、励起光ＥＬの波長とは異なる波長を有する光である蛍光ＹＬを、励起光ＥＬの入射方向とは反対方向に出射する反射型の波長変換素子である。波長変換素子５１Ａは、図２３に示すように、基板５６及び蛍光体層５３を有する。なお、波長変換素子５１Ａも、波長変換素子５１の製造方法と同様の製造方法によって製造される。
なお、以降の説明では、蛍光体層５３に対する励起光ＥＬの入射方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向とは反対方向を−Ｚ方向とする。
【００９４】
［基板の構成］
基板５６は、蛍光体層５３に対して＋Ｚ方向に設けられる。基板５６は、蛍光体層５３を保持する保持部材である他、蛍光体層５３から伝達される熱を放熱する放熱部材でもある。基板５６は、−Ｚ方向から見て円板状に形成されており、回転部ＲＴによって、励起光ＥＬの入射方向に沿う回転軸Ｒｘを中心として回転される。
基板５６は、図２３に示すように基板本体５６１と、基板本体５６１に設けられる第１層５６２及び放熱板５６３と、を備える。また、基板５６は、−Ｚ方向の面である第１面５６Ａと、＋Ｚ方向の面である第２面５６Ｂと、を有する。
【００９５】
基板本体５６１は、例えば銅及びアルミニウムの少なくともいずれかを含む金属材料によって、−Ｚ方向から見て略円形状に形成されている。基板本体５６１は、−Ｚ方向の面である第１面５６１Ａと、＋Ｚ方向の面であり、第１面５６１Ａとは反対側の面である第２面５６１Ｂと、を有する。
第１面５６１Ａには、第１層５６２が設けられる。
第２面５６１Ｂには、放熱板５６３を構成する第２放熱板５６３２が設けられる。
【００９６】
第１層５６２は、第１面５６１Ａの略全面に設けられている。すなわち、第１層５６２は、第１面５６１Ａと蛍光体層５３との間に設けられている。第１層５６２は、蛍光体層５３から入射される光を、蛍光体層５３側に反射する誘電体多層膜によって構成される。
具体的に、第１層５６２を構成する誘電体多層膜は、蛍光体層５３にて波長変換された蛍光ＹＬを励起光ＥＬの入射方向とは反対方向の−Ｚ方向に反射する。同様に、第１層５６２は、励起光ＥＬを励起光ＥＬの入射方向とは反対方向の−Ｚ方向に反射する。
すなわち、基板５６は、蛍光ＹＬ及び励起光ＥＬを反射する第１層５６２によって構成される反射面ＲＳを有する。反射面ＲＳは、基板５６の−Ｚ方向の面である第１面５６Ａ側に設けられる。反射面ＲＳは、第１層５６２における蛍光体層５３側の面である。すなわち、反射面ＲＳは、第１層５６２における基板本体５６１の第１面５６１Ａに対向する面とは反対側の面に設けられる。
なお、第１層５６２は、第１面５６１Ａの略全面に設けられていなくてもよく、第１面５６１Ａにおいて蛍光体層５３と対向する部位にのみ設けられていてもよい。
【００９７】
放熱板５６３は、放熱板５２３と同様に、基板本体５６１及び第１層５６２を介して蛍光体層５３から伝達される熱を放熱する。放熱板５６３は、第１層５６２に設けられる第１放熱板５６３１と、基板本体５６１の第２面５６１Ｂに設けられる第２放熱板５６３２と、を含む。
第１放熱板５６３１は、第１放熱板５２３１と同様に、基板５６の−Ｚ方向の面である第１面５６Ａにおいて蛍光体層５３が配置されない中央部に設けられている。また、第１放熱板５６３１は、第１層５６２において蛍光体層５３が配置されない中央部に設けられている。第１放熱板５６３１は、回転軸Ｒｘの周囲であって、Ｚ方向において回転部ＲＴに対向する部分に設けられている。
第２放熱板５６３２は、第２面５６１Ｂの略全面に設けられている。
このように、基板５６における＋Ｚ方向の面である第１面５６Ａは、第１層５６２及び第１放熱板５６３１によって構成される。基板５６における−Ｚ方向の面である第２面５６Ｂは、第２放熱板５６３２によって構成される。
【００９８】
［蛍光体層の構成］
蛍光体層５３は、基板５６において、第１層５６２によって構成される第１面５６Ａに、−Ｚ方向から見て、回転軸Ｒｘを中心とする円環状に設けられている。蛍光体層５３は、それぞれ上記した第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５を含む。
【００９９】
第１蛍光体層５４は、複数の蛍光体粒子ＰＲ及び空隙ＳＰ（気孔）を含有する層であり、第１面５６Ａに配置されている。
第２蛍光体層５５は、複数の蛍光体粒子ＰＲ、バインダーＢＮ及び空隙ＳＰを有し、バインダーＢＮによって複数の蛍光体粒子ＰＲが結合された層である。第２蛍光体層５５は、第１蛍光体層５４に対して基板５６とは反対側に設けられる。すなわち、第２蛍光体層５５は、第１蛍光体層５４を−Ｚ方向にて覆うように設けられる。そして、第２蛍光体層５５を構成するバインダーＢＮは、第１面５６Ａと結合している。これにより、第２蛍光体層５５は、第１層５６２と第１蛍光体層５４との間に空隙ＡＬが設けられた状態にて、基板５６の第１面５６Ａと接合される。
すなわち、波長変換素子５１Ａは、第１層５６２を有する基板５６と、第１層５６２に対向して設けられる第１蛍光体層５４と、第１蛍光体層５４に対して基板５６とは反対側に設けられる第２蛍光体層５５と、第１層５６２及び第１蛍光体層５４の間に設けられる空隙ＡＬと、を有する。そして、第２蛍光体層５５は、第２蛍光体層５５に含まれるバインダーＢＮによって、基板５６の第１面５６Ａに接合されている。
【０１００】
［第２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５１Ａを有する光源装置６を備えるプロジェクターによれば、上記した波長変換素子５１を有する光源装置４を備えるプロジェクター１と同様の効果を奏することができる。
すなわち、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと接合される結合部ＢＰの面積を小さくすることができるので、バインダーＢＮを伝播する蛍光ＹＬの光量を低下させることができ、波長変換素子５１から出射される光の広がりを小さくすることができる。従って、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
また、誘電体多層膜である第１層５６２に対してブリュースター角で入射される光（励起光ＥＬ又は蛍光ＹＬ）を減らすことができるので、第１層５６２を通過して基板本体５６１にて吸収される光を減じることができる。従って、波長変換素子５１Ａから出射される蛍光ＹＬの光量を増加させることができるので、光学系である光学装置３０での明るさを高めることができ、上記光学系効率を高めることができる。
なお、第１層５６２は、金属膜によって構成されてもよい。すなわち、第１層５６２は、アルミニウムを含有する金属膜または銀を含有する金属膜であってもよい。第１層５６２が金属膜である場合、誘電体多層膜と同様に、蛍光体層５３にて波長変換された蛍光ＹＬを励起光ＥＬの入射方向とは反対方向の−Ｚ方向に反射する。また、当該金属膜は、励起光ＥＬを励起光ＥＬの入射方向とは反対方向の−Ｚ方向に反射する。
【０１０１】
［実施形態の変形］
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記各実施形態では、第１蛍光体層５４は、有機溶剤中に蛍光体粒子を分散させ、焼成によって有機溶剤を揮発させた構成を有するとした。しかしながら、これに限らず、第１蛍光体層５４は、蛍光体材料、賦活剤及び空隙を含み、かつ、バインダーを含まないセラミックである蛍光体セラミックであってもよい。
この場合、上記波長変換素子５１の製造方法において、例えば工程Ｓ１〜Ｓ３に代えて、第１蛍光体層５４を構成し、かつ、予め作成された蛍光体セラミックを基板５２の第１層５２２，５６２上に配置する配置工程を実施すればよい。
【０１０２】
また、第１蛍光体層５４は、含有される蛍光体粒子ＰＲを結合するバインダーを含む蛍光体層であってもよい。
この場合、第１蛍光体層５４に含まれるバインダーは、第２蛍光体層５５に含まれるバインダーと同じ材質及び材料であってもよい。すなわち、第１蛍光体層５４は、ガラスを含むバインダーを含有していてもよい。
また、第１蛍光体層５４がバインダーを含む場合、第１蛍光体層５４の単位体積当たりのバインダーの含有量と、第２蛍光体層５５の単位体積当たりのバインダーの含有量とは、同じであってもよく、これらのうち一方が多くてもよい。
すなわち、第１蛍光体層５４に対して基板５２とは反対側に設けられて、蛍光体層５３において外層となる第２蛍光体層５５が、蛍光体粒子ＰＲと、ガラスを含有するバインダーとを含み、基板５２，５６と第１蛍光体層５４との間に空隙ＡＬが設けられれば、第１蛍光体層５４におけるガラス含有率、及び、第２蛍光体層５５におけるガラス含有率は問わない。
【０１０３】
上記各実施形態では、第１蛍光体層５４は、バインダーＢＮを含有せず、第２蛍光体層５５は、複数の蛍光体粒子ＰＲを結合するバインダーＢＮを含有し、バインダーＢＮとしては、ホウケイ酸ガラスが例示されていた。しかしながら、これに限らず、第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５のうち、少なくともいずれかは、透明シリコーンであるバインダーを含んでいてもよい。
第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５が透明シリコーンを含む場合、第１蛍光体層５４における透明シリコーンの体積濃度を、第２蛍光体層５５における透明シリコーンの体積濃度を小さくすることが考えられる。例えば、第１蛍光体層５４における透明シリコーンの体積濃度を略３％とし、第２蛍光体層５５における透明シリコーンの体積濃度を略５％とすることが考えられる。この場合、第１蛍光体層５４と第１層５２２，５６２との接点が少なくなるので、第１蛍光体層５４と第１層５２２，５６２との間に、部分的に空隙ＡＬを形成できる。
第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５がバインダーを含む場合、第１蛍光体層５４及び第２蛍光体層５５に含まれるバインダーの材質は異なっていてもよい。
【０１０４】
上記各実施形態では、第１蛍光体層５４に含まれる蛍光体粒子ＰＲと、第２蛍光体層５５に含まれる蛍光体粒子ＰＲとは同じであるとした。しかしながら、これに限らず、第１蛍光体層５４に含まれる蛍光体粒子と、第２蛍光体層５５に含まれる蛍光体粒子とは、異なる蛍光体粒子であってもよい。
【０１０５】
上記各実施形態では、蛍光体粒子ＰＲの表面においてバインダーＢＮと結合する結合部ＢＰのＸ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下であり、結合部ＢＰのＹ軸における寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下であるとした。しかしながら、これに限らず、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下の値、好ましくは、３％以上、５％以下の値となれば、結合部ＢＰの大きさは上記に限定されない。
また、結合部ＢＰのＸ軸における寸法とＹ軸における寸法とが、それぞれ蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４以下になれば、蛍光体粒子ＰＲの表面積に対する結合部ＢＰの面積の割合が１０％以下の値、好ましくは、３％以上、５％以下の値とならなくてもよい。
更に、Ｘ軸及びＹ軸のうち、一方の軸における結合部ＢＰ１，ＢＰ２の寸法は、蛍光体粒子ＰＲの直径の１／４を超えていてもよい。
【０１０６】
上記各実施形態では、第２蛍光体層５５のガラス含有率は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であるとした。すなわち、蛍光体粒子ＰＲの体積の合計とバインダーＢＮの体積の合計とを合計した体積に対するバインダーＢＮの体積の割合は、０ｖｏｌ％より大きく、１０ｖｏｌ％以下であるとした。しかしながら、これに限らず、当該体積の割合は、光学系効率が十分高いと判断される範囲で、１０ｖｏｌ％を超えていてもよい。なお、当該体積の割合は、上記のように、第２蛍光体層５５の作製時の値である。
【０１０７】
上記第１実施形態では、波長変換素子５１の製造方法は、第１調製工程Ｓ１、第１塗布工程Ｓ２、第１乾燥工程Ｓ３、第２調製工程Ｓ４、第２塗布工程Ｓ５、第２乾燥工程Ｓ６、第１焼成工程Ｓ７、第２焼成工程Ｓ８及び冷却工程Ｓ９を含むとした。しかしながら、これに限らず、これら工程Ｓ１〜Ｓ９のうち、いずれかの工程は無くてもよい。例えば、第１乾燥工程Ｓ３又は第２乾燥工程Ｓ６は無くてもよい。
更に、波長変換素子５１，５１Ａは、上記した構成を備えていれば、上記製造方法によって製造されたものでなくてもよい。
【０１０８】
上記各実施形態では、第２焼成工程Ｓ８におけるガラスの粘度は、１０６ｄＰａ・ｓ以下の値であるとした。換言すると、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下の値となるように、焼成温度を、ガラスの軟化点より１００℃以上高くするとした。しかしながら、これに限らず、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下の値となれば、焼成温度は、バインダーＢＮとなるガラスの軟化点より１００℃以上でなくてもよい。一方、焼成温度が、ガラスの軟化点より１００℃以上であれば、バインダーＢＮとなるガラスの粘度が、第２焼成工程Ｓ８において１０６ｄＰａ・ｓ以下とならなくてもよい。すなわち、第２焼成工程Ｓ８にて、焼成温度がガラスの軟化点より１００℃以上であることと、ガラスの粘度が１０６ｄＰａ・ｓ以下であることとの少なくともいずれかが満たされればよい。
【０１０９】
上記各実施形態では、波長変換素子５１，５１Ａは、回転部ＲＴによって回転される構成であるとした。しかしながら、これに限らず、波長変換素子は、回転されない構成としてもよい。換言すると、波長変換装置は、波長変換素子を回転させる回転部ＲＴを備えていなくてもよい。この場合、蛍光体層５３は、励起光の入射側から見て環状に形成されていなくてもよく、例えば、円形状、或いは、多角形状に形成されていてもよい。また、蛍光体層５３の形状は、回転される場合でも回転されない場合でも、励起光の入射側から見て円形状又は多角形状であってもよい。
【０１１０】
上記各実施形態では、プロジェクターは、３つの光変調装置３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）を備えるとした。しかしながら、これに限らず、２つ以下、あるいは、４つ以上の光変調装置を備えるプロジェクターにも、本発明を適用可能である。
【０１１１】
上記各実施形態では、プロジェクターは、光入射面と光出射面とが異なる透過型の液晶パネルを有する光変調装置３４３を備えるとした。しかしながら、これに限らず、光変調装置は、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の液晶パネルを有する構成としてもよい。また、入射光束を変調して画像情報に応じた画像を形成可能な光変調装置であれば、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。
【０１１２】
上記各実施形態では、光源装置４，６をプロジェクターに適用した例を挙げた。しかしながら、これに限らず、本発明に係る光源装置は、例えば照明器具及び自動車等のヘッドライト等に採用してもよい。また、本発明に係る光源装置は、光源装置４，６の構成に限らず、波長変換素子と、波長変換素子に入射される光を出射する光源とを備える構成であれば、光源装置を構成する他の部品は、適宜変更可能である。本発明に係るプロジェクターも同様である。
【符号の説明】
【０１１３】
１…プロジェクター、３４３（３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ）…光変調装置、３６…投射光学装置、４，６…光源装置、４１，６１１…光源、５１，５１Ａ…波長変換素子、５２，５６…基板、５２Ａ，５６Ａ…第１面、５２Ｂ，５６Ｂ…第２面、５２１，５６１…基板本体、５２１Ａ，５６１Ａ…第１面、５２１Ｂ，５６１Ｂ…第２面、５２２，５６２…第１層、５２３，５６３…放熱板、５２３１，５６３１…第１放熱板、５２３２，５６３２…第２放熱板、５２３３…通過部、５３…蛍光体層、５４…第１蛍光体層、５５…第２蛍光体層、ＡＬ…空隙、ＢＮ…バインダー、ＥＬ…励起光、ＰＲ…蛍光体粒子、Ｒｘ…回転軸、Ｓ５…第２調製工程（調製工程）、Ｓ６…第２塗布工程（塗布工程）、Ｓ７…第１焼成工程（焼成工程）、Ｓ８…第２焼成工程（焼成工程）、ＳＰ…空隙、ＹＬ…蛍光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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