(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０９８５６０号
【特許文献２】国際公開第２０１６／０８０２９５号
【特許文献３】特開２０１３−５７８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２Ａ】蛍光体ホイール１０６を分解して示す斜視図である。
【図２Ｂ】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。
【図２Ｃ】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。
【図３】蛍光体ホイール１０６の基板を軸線方向に見た図である。
【図４】（ａ）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、（ｂ）はマイクロレンズアレイを側面から見た図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】比較例Ｂにかかる蛍光体ホイールの概略断面図である。
【図８】比較例Ａにかかる蛍光体ホイールの概略断面図である。
【図９】（ａ）は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の断面図であり、（ｂ）は比較例１Ａ〜６Ａの断面図であり、（ｃ）は比較例１Ｂ〜６Ｂの断面図である。
【図１０】実施例１と、比較例１Ａ，１Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１１】実施例２と、比較例２Ａ，２Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１２】実施例３と、比較例３Ａ，３Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１３】実施例４と、比較例４Ａ，４Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１４】実施例５と、比較例５Ａ，５Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１５】実施例６と、比較例６Ａ，６Ｂとを比較して示すグラフである。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９Ａ】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。
【図１９Ｂ】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。
【図２０】種々の凹部の上面および断面の形状を示す図である。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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２４】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。
【図２５】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。
【図２６】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。
【図２７】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。
【図２８】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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】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。
【図３３】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。
【図３４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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４（ａ）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４（ｂ）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
尚、本実施例においては、図３（ａ）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３（ｂ）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３（ｃ）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。
【００２６】
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の直径は六法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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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３（ｂ）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３（ｃ）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。
【００３７】
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３（ｃ）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３（ｃ）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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９（ａ）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９（ｂ）は比較例１Ａ〜６Ａの断面図であり、図９（ｃ）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。
【００４２】
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。
【００４３】
【数１】
2020064088.tif 000003
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
【００４４】
【表１】
2020064088.tif 000004
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【表２】
2020064088.tif 000005
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、（ａ）は凹部１０６ｆが半球である場合を示し、（ｂ）は凹部１０６ｆが円筒形である場合を示し、（ｃ）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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
【表３】
2020064088.tif 000006
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
【表４】
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【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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３３（ａ）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。
【００８６】
また図３３（ｂ）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。
【００８７】
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
【符号の説明】
【００８８】
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
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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