(57)【要約】      （修正有）【課題】光取り出し効率の低下を抑制しつつ、光消光の影響を抑制できる、波長変換素子を提供する。また、当該波長変換素子を備えた光源装置を提供する。また、当該光源装置を備えたプロジェクターを提供する。【解決手段】励起光が入射する上面４２Ａと上面の反対側に設けられる下面４２Ｂとを有し、励起光を励起光よりも長い波長を有する蛍光ＹＬに波長変換する蛍光体層４２と、蛍光体層に含有され、励起光の波長以下の大きさを有する散乱粒子４６と、上面又は下面に対する変換光の入射角を変化させる凹凸部４７と、を備える波長変換素子４０に関する。【選択図】図３
2019109349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光が入射する第１面と前記第１面の反対側に設けられる第２面とを有し、前記励起光を前記励起光よりも長い波長を有する変換光に波長変換する波長変換層と、
前記波長変換層に含有され、前記励起光の波長以下の大きさを有する散乱要素と、
前記第１面又は前記第２面に対する前記変換光の入射角を変化させる入射角変化部と、を備える
波長変換素子。
【請求項２】
前記波長変換層において、前記第２面側の領域における前記散乱要素の密度が前記第１面側の領域における前記散乱要素の密度よりも大きい
請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記波長変換層は賦活剤を含有しており、
前記第２面側の領域における前記賦活剤の濃度は、前記第１面側の領域における前記賦活剤の濃度よりも大きい
請求項１又は２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第２面側に設けられ、前記変換光を反射する第１反射層をさらに備え、
前記第１反射層により反射された前記変換光が前記第１面から射出される
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１面側に設けられ、前記励起光を透過させるとともに前記変換光を反射する第２反射層をさらに備え、
前記第２反射層により反射された前記変換光が前記第２面から射出される
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
請求項１乃至５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向けて光を射出する光源と、を備える
光源装置。
【請求項７】
請求項６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ことにより画像光を生成する光変調装置と、
前記画像光を投写する投写光学系と、を備える
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、光源装置及びプロジェクターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、蛍光体に励起光を照射することで生成した蛍光を照明光として利用する照明装置が開示されている。この照明装置では、励起光のみ散乱させるレイリー散乱を生じる散乱体粒子を蛍光体に含有させている。これにより、励起光が蛍光に変換される蛍光変換効率を向上させている。
【０００３】
また、下記特許文献２には、反射型の波長変換素子において、蛍光体内の光入出射面に近い側より該蛍光体を支持する基材側における散乱体の数密度を高くすることで蛍光体の温度消光の発生を防止し、蛍光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−３０３８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８６８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示の発明において、蛍光は散乱され難いため、蛍光体内から外部に射出されず、結果的に、蛍光の取り出し効率を低下させるという問題が生じる。
【０００６】
また、上記特許文献２に開示の発明において、蛍光体は散乱の強い基材側にて励起光を多く吸収して蛍光を多く生成するが、散乱の強い基材側では蛍光の散乱が大きくなることで蛍光の光路長が長くなる。これにより、蛍光体内の高励起状態にある部分（基材側の部分）に蛍光が入射するようになる。
【０００７】
ここで、蛍光体が励起状態にあるときに蛍光を吸収すると、電子が発光を伴わないコンダクションバンドに再励起されることで蛍光発光効率の低下を招く現象が生じる。これは光消光と呼ばれる現象である。上述のように、上記特許文献２に開示の発明では、蛍光体の高励起状態にある部分に蛍光が入射するので、光消光の影響が大きくなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決することを目的としたものであり、光取り出し効率の低下を抑制しつつ、光消光の影響を抑制できる、波長変換素子を提供することを目的の１つとする。また、当該波長変換素子を備えた光源装置を提供することを目的の１つとする。また、当該光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１態様に従えば、励起光が入射する第１面と前記第１面の反対側に設けられる第２面とを有し、前記励起光を前記励起光よりも長い波長の光に波長変換する波長変換層と、前記波長変換層に含有され、前記励起光の波長以下の大きさを有する散乱要素と、前記第１面又は前記第２面に対する前記波長変換層による変換光の入射角度を変化させる角度変化部と、を備える波長変換素子が提供される。
【００１０】
第１態様に係る波長変換素子では、励起光に対するレイリー散乱が支配的となるため、変換光は散乱要素による散乱の度合いが小さくなる。これにより、変換光は励起状態にある波長変換層内を短い光路長で通過するので、変換光の吸収が起こり難くなることで光消光の影響を抑制できる。また、角度変化部によって第１面又は第２面に対する変換光の入射角が変化するので、第１面又は第２面において変換光が全反射されることなく波長変換層の外部に取り出すことができる。したがって、変換光の取り出し効率の低下を抑制しつつ、光消光の影響を抑制した波長変換素子を提供できる。
【００１１】
上記第１態様において、前記波長変換層において、前記第２面側の領域における前記散乱要素の密度が前記第１面側の領域における前記散乱要素の密度よりも大きいのが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、波長変換層の第２面側において励起光の拡散が相対的に強くなるので、第２面側の領域で生成されて第１面側に向かう変換光は励起状態密度の低い領域を通過するようになる。よって、第１面側の領域における変換光の吸収を低減することで、光消光の影響をより抑制することができる。
【００１３】
上記第１態様において、前記波長変換層は賦活剤を含有しており、前記第２面側の領域における前記賦活剤の濃度は、前記第１面側の領域における前記賦活剤の濃度よりも大きいのが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、波長変換層内において、第２面側の狭い領域に励起状態密度の高い領域を形成できる。これにより、第１面側に向かう多くの変換光は励起状態密度の高い領域を通過することなく第１面から射出されるので、光消光の影響をより抑制することができる。
【００１５】
上記第１態様において、前記第２面側に設けられ、前記変換光を反射する第１反射層をさらに備え、前記第１反射層により反射された前記変換光が前記第１面から射出されるのが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、変換光の取り出し効率の低下を抑制しつつ、光消光の影響を抑制した反射型の波長変換素子を提供できる。
【００１７】
上記第１態様において、前記第１面側に設けられ、前記励起光を透過させるとともに前記変換光を反射する第２反射層をさらに備え、前記第２反射層により反射された前記変換光が前記第２面から射出されるのが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、変換光の取り出し効率の低下を抑制しつつ、光消光の影響を抑制した透過型の波長変換素子を提供できる。
【００１９】
本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて光を射出する光源と、を備える光源装置が提供される。
【００２０】
第２態様に係る光源装置は、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を防止するとともに光消光の影響を抑制した波長変換素子を備えるので、明るい照明光を生成できる。
【００２１】
本発明の第３態様に従えば、上記第２態様に係る光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。
【００２２】
第３態様に係るプロジェクターは、上記第２態様に係る光源装置を備えるので、高輝度な画像を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一実施形態に係るプロジェクターの構成を示す図。
【図２】照明装置の概略構成を示す図。
【図３】波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【図４】第一変形例の波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【図５】第二変形例の波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【図６】第三変形例の波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【図７】第四変形例の波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【図８】第二実施形態に係る波長変換素子の要部構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（第一実施形態）
まず、本発明の第一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、照明装置２と、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、投写光学系６とを備えている。
【００２６】
色分離光学系３は、照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと、青色光ＬＢとに分離する。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａ及び第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂとを概略備えている。
【００２７】
第１のダイクロイックミラー７ａは、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射すると共に青色光ＬＢを透過することによって、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。
【００２８】
第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａ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の全反射ミラー８ｂ及び第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。
【００２９】
第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの後段に配置されている。
【００３０】
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。
【００３１】
光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，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各々には、偏光板（図示せず。）が配置されている。
【００３２】
また、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，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，フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化する。
【００３３】
合成光学系５には、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射する。合成光学系５は、各々が赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投写光学系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ている。
【００３４】
投写光学系６は、投射レンズ群からなり、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上には、拡大されたカラー映像が表示される。
【００３５】
（照明装置）
続いて、照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、本発明の一実施形態に係る光源装置２Ａと、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとを備えている。本実施形態において、インテグレーター光学系３１と重畳レンズ３３ａとは重畳光学系３３を構成している。
【００３６】
光源装置２Ａは、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第１の集光光学系２６と、波長変換素子４０と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とを備える。
【００３７】
アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第２の位相差板２８ｂと、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、波長変換素子４０と、第１の集光光学系２６と、偏光分離素子２５と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３ａとは、照明光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。
【００３８】
アレイ光源２１は、固体光源としての複数の半導体レーザー２１ａを備える。複数の半導体レーザー２１ａは光軸ａｘ１と直交する面内において、アレイ状に並んで配置されている。
【００３９】
半導体レーザー２１ａは、例えば青色の光線ＢＬ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。アレイ光源２１は、複数の光線ＢＬからなる光線束を射出する。本実施形態において、アレイ光源２１は特許請求の範囲の「光源」に相当する。
【００４０】
アレイ光源２１から射出された光線ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された光線ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１ａに対応して配置されている。
【００４１】
コリメーター光学系２２を通過した光線ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、光線ＢＬの光束径を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。
【００４２】
アフォーカル光学系２３を通過した光線ＢＬは第１の位相差板２８ａに入射する。第１の位相差板２８ａは、例えば回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１ａから射出された光線ＢＬは直線偏光である。第１の位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１の位相差板２８ａを透過する光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。第１の位相差板２８ａを回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。
【００４３】
第１の位相差板２８ａを通過することで生成されたＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光線ＢＬは偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、例えば波長選択性を有する偏向ビームスプリッターから構成されている。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１及び照明光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。
【００４４】
偏光分離素子２５は、光線ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分の光線ＢＬｓとＰ偏光成分の光線ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子２５は、Ｓ偏光成分の光線ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光線ＢＬｐを透過させる。
【００４５】
また、偏光分離素子２５は光線ＢＬとは波長帯が異なる蛍光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。
【００４６】
偏光分離素子２５から射出されたＳ偏光の光線ＢＬｓは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、光線ＢＬｓを波長変換素子４０に向けて集光させる。
【００４７】
本実施形態において、第１の集光光学系２６は、例えば第１レンズ２６ａ及び第２レンズ２６ｂから構成されている。第１の集光光学系２６から射出された光線ＢＬｓは、波長変換素子４０に集光した状態で入射する。
【００４８】
波長変換素子４０で生成された蛍光ＹＬは、第１の集光光学系２６で平行化された後、偏光分離素子２５に入射する。蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５を透過する。
【００４９】
一方、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２の位相差板２８ｂに入射する。第２の位相差板２８ｂは、偏光分離素子２５と拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、この第２の位相差板２８ｂによって、例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１に変換された後、第２の集光光学系２９に入射する。
第２の集光光学系２９は、例えば凸レンズ２９ａから構成され、青色光ＢＬｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。
【００５０】
拡散反射素子３０は、偏光分離素子２５における蛍光体層４２の反対側に配置され、第２の集光光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ１を偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬｃ１をランバート反射させつつ、且つ、偏光状態を乱さないものを用いることが好ましい。
【００５１】
以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬｃ２と称する。本実施形態によれば、青色光ＢＬｃ１を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光ＢＬｃ２が得られる。例えば、右回り円偏光の青色光ＢＬｃ１は左回り円偏光の青色光ＢＬｃ２として反射される。
【００５２】
青色光ＢＬｃ２は第２の集光光学系２９によって平行光に変換された後に再び第２の位相差板２８ｂに入射する。
【００５３】
左回り円偏光の青色光ＢＬｃ２は、第２の位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５によってインテグレーター光学系３１に向けて反射される。
【００５４】
これにより、青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５を透過した蛍光ＹＬと共に、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬｓ１及び蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５から互いに同一方向に向けて射出され、青色光ＢＬｓ１と蛍光（黄色光）ＹＬとが混ざった白色の照明光ＷＬが生成される。
【００５５】
照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に向けて射出される。インテグレーター光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数の小レンズがアレイ状に配列されたものからなる。
【００５６】
インテグレーター光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、非偏光の蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを直線偏光に変換する。
【００５７】
偏光変換素子３２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３ａに入射する。重畳レンズ３３ａはインテグレーター光学系３１と協同して、被照明領域における照明光ＷＬによる照度の分布を均一化する。このようにして、照明装置２は照明光ＷＬを生成する。
【００５８】
（波長変換素子）
図３は波長変換素子４０の要部構成を示す断面図である。
波長変換素子４０は、図３に示すように、基材４１と、反射層４３と、蛍光体層４２と、接合層４４と、放熱部材４５とを備えている。
【００５９】
基材４１は、第１の集光光学系２６側となる上面４１ａと、上面４１ａとは反対側となる下面４１ｂとを有している。基材４１の下面４１ｂには、放熱部材４５が設けられている。
【００６０】
基材４１の材料としては、熱伝導性が高く放熱性に優れた材料を用いることが好ましく、例えば、アルミニウム、銅、銀等の金属、窒化アルミ、アルミナ、サファイア、ダイヤモンド等のセラミクスが挙げられる。本実施形態では、銅を用いて基材４１を形成した。
【００６１】
本実施形態において、蛍光体層４２は、基材４１の上面４１ａ上に接合層４４を介して保持される。蛍光体層４２は、入射された光の一部を蛍光ＹＬに変換して射出する。以下、第１の集光光学系２６から射出され、蛍光体層４２に入射する光線ＢＬｓを励起光ＢＬｓと称す。
【００６２】
蛍光体層４２は、励起光ＢＬｓが入射するとともに、蛍光ＹＬが射出される上面４２Ａと、当該上面４２Ａの反対側（接合層４４側）に設けられる下面４２Ｂとを備える。本実施形態において、蛍光体層４２は特許請求の範囲に記載の「波長変換層」に相当し、蛍光ＹＬは特許請求の範囲に記載の「変換光」に相当し、上面４２Ａは特許請求の範囲に記載の「第１面」に相当し、下面４２Ｂは特許請求の範囲に記載の「第２面」に相当する。
【００６３】
本実施形態において、基材４１の上面４１ａに反射層４３が形成されている。反射層４３は、例えば、蒸着などによって上面４１ａに成膜されている。反射層４３は、基材４１の上面４１ａ側に向かう蛍光ＹＬの一部を蛍光体層４２の上面４２Ａ側に反射する。また、反射層４３は蛍光ＹＬに変換されることなく蛍光体層４２から射出された励起光ＢＬｓを反射して、再び蛍光体層４２内に戻す。反射層４３は特許請求の範囲に記載の「第１反射層」に相当する。
【００６４】
接合層４４は基材４１と蛍光体層４２とを接合する。本実施形態において、接合層４４は光透過性を有する材料から構成される。
【００６５】
放熱部材４５は、例えば、ヒートシンクから構成され、複数のフィンを有した構造からなる。放熱部材４５は、基材４１における蛍光体層４２と反対側の下面４１ｂに設けられている。なお、放熱部材４５は例えば金属ろうによる接合（金属接合）によって基材４１に固定される。波長変換素子４０では、この放熱部材４５を介して放熱できるため、蛍光体層４２の熱劣化を防ぐとともに、蛍光体層４２の温度上昇による変換効率の低下を抑制することができる。
【００６６】
本実施形態において、蛍光体層４２は、蛍光体粒子を焼成することで形成されたセラミックス蛍光体である。蛍光体層４２を構成する蛍光体粒子として、賦活剤としてＣｅイオンを含んだＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）蛍光体（ＹＡＧ:Ｃｅ）が用いられる。本実施形態において、蛍光体内における賦活剤（Ｃｅイオン）の濃度分布は均一となっている。
【００６７】
なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよいし、２種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものが用いられてもよい。蛍光体層４２として、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、無機材料であるガラスバインダーと蛍光体粒子とを焼成することで形成された蛍光体層などが好適に用いられる。
【００６８】
本実施形態において、蛍光体層４２は複数の散乱粒子４６を含有する。蛍光体層４２内における散乱粒子４６の分布は一様である。本実施形態において、散乱粒子４６は特許請求の範囲に記載の「散乱要素」に相当する。
【００６９】
散乱粒子４６は、励起光ＢＬｓの波長以下の大きさを有する。例えば、散乱粒子４６は平均粒径が４００ｎｍ以下の気孔からなる。散乱粒子４６の平均粒径の下限は、例えば、青色の光線ＢＬの波長の１／１０程度とするのが望ましい。例えば、青色の光線ＢＬのピーク波長が４６０ｎｍの場合には、散乱粒子４６の平均粒径は、４０〜５０ｎｍ程度が好適である。
【００７０】
なお、散乱粒子４６は、蛍光体層４２の母材であるＹＡＧと異なる屈折率を有する材料（例えば、アルミナ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２、ＹＡｌＯ３、二酸化ジルコニア、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２、ガラス等）から構成されていてもよい。
【００７１】
本実施形態において、蛍光体層４２に含有される散乱粒子４６は、励起光ＢＬｓの波長以下の大きさを有するため、励起光ＢＬｓに対してレイリー散乱が支配的となる。すなわち、励起光ＢＬｓはレイリー散乱によって強く散乱される。散乱された励起光ＢＬｓは、蛍光体層４２内における光路長が延びることで吸収され易くなる。すなわち、励起光ＢＬｓの吸収量が増えるので、蛍光体層４２を薄くしたとしても、蛍光ＹＬの生成量を確保できる。よって、蛍光体層４２を薄型化できるので、蛍光体層４２の放熱性が向上することで温度上昇による蛍光変換効率の低下を抑制できる。
【００７２】
ところで、蛍光体が励起状態にあるときに蛍光を吸収すると、電子が発光を伴わないコンダクションバンドに再励起されることで蛍光発光効率の低下を招く現象（光消光）が生じてしまう。
【００７３】
本実施形態において、蛍光ＹＬは励起光ＢＬｓよりも長い波長を有しているため、蛍光ＹＬは散乱粒子４６によって散乱され難い。よって、蛍光ＹＬは蛍光体層４２内をほぼ直進することで、短い光路長で上面４２Ａに到達する。したがって、蛍光ＹＬは励起状態にある蛍光体層４２内を短い光路長で通過するため、蛍光ＹＬの吸収が起こり難くなるので、上述した光消光の影響を抑制することができる。
【００７４】
また、本実施形態において、微細な凹凸部４７が蛍光体層４２の上面４２Ａに形成されている。凹凸部４７は上面４２Ａを荒らすことで形成される。凹凸部４７は、蛍光体層４２の上面４２Ａから蛍光ＹＬを外部に取り出す（射出させる）ためのものである。凹凸部４７は特許請求の範囲に記載の「入射角変化部」に相当する。
【００７５】
ここで、凹凸部４７の作用について説明する。仮に凹凸部４７が設けられない場合、臨界角よりも大きい角度で入射した蛍光ＹＬは上面４２Ａで全反射されて蛍光体層４２内に戻されて外部に射出することができないため、蛍光ＹＬの取り出し効率を低下させる要因となっていた。
【００７６】
これに対し、本実施形態の波長変換素子４０によれば、凹凸部４７を備えることで、上面４２Ａに対する蛍光ＹＬの入射角を変化させることができる。すなわち、凹凸部４７が形成されていない場合、上面４２Ａに対して臨界角よりも大きい角度で入射する成分の蛍光ＹＬであっても、凹凸部４７の表面に対する入射角度は臨界角よりも小さくなる。よって、凹凸部４７を形成しない上面において全反射されていた蛍光ＹＬは、凹凸部４７が形成された上面４２Ａを透過することで外部に射出される。
したがって、凹凸部４７を備えることで、蛍光体層４２内に蛍光ＹＬが閉じ込められ難くなるので、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を抑制することができる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態の波長変換素子４０によれば、蛍光ＹＬの取り出し効率を低下させることなく、蛍光ＹＬの光消光の影響を抑制することができる。また、励起光ＢＬｓの吸収量が増えることで蛍光体層４２の薄型化が図られるので、波長変換素子４０自体を小型化することができる。
【００７８】
よって、この波長変換素子４０を備えた光源装置２Ａは、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を防止するとともに光消光の影響を抑制することで、明るい照明光ＷＬを生成することができる。また、本実施形態のプロジェクター１によれば、上記光源装置２Ａを用いた照明装置２を備えるため、当該プロジェクター１は高輝度な画像を形成できる。
【００７９】
（第一変形例）
続いて、第一実施形態の第一変形例について説明する。なお、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。
【００８０】
図４は本変形例の波長変換素子１４０の要部構成を示す断面図である。
図４に示すように、波長変換素子１４０の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における散乱粒子４６の密度が上面４２Ａ側の領域における散乱粒子４６の密度よりも大きい。すなわち、例えば、仮に散乱粒子４６の大きさがすべて等しいとした場合、蛍光体層４２の下面４２Ｂ側の領域に含まれる散乱粒子４６の数は、蛍光体層４２の上面４２Ａ側の領域に含まれる散乱粒子４６の数よりも多いことを意味する。
【００８１】
したがって、本変形例の波長変換素子１４０では、蛍光体層４２の下面４２Ｂ側ほど励起光ＢＬｓの拡散が強くなる。よって、上面４２Ａから蛍光体層４２に入射した励起光ＢＬｓは、上面４２Ａ側の領域における散乱が抑制されるので、上面４２Ａ側の領域にて多くが吸収されてしまうことなく、下面４２Ｂ側の領域まで到達するようになる。すなわち、蛍光体層４２内における励起光ＢＬｓの光路長が延びることで蛍光ＹＬを効率良く生成できる。
【００８２】
本変形例においても、蛍光ＹＬは蛍光体層４２内で散乱され難いので、短い光路長で上面４２Ａに到達する。したがって、蛍光ＹＬは励起状態にある蛍光体層４２内を短い光路長で通過するため、蛍光ＹＬの吸収が起こり難くなる。
【００８３】
本変形例において、上述のように励起光ＢＬｓは、下面４２Ｂ側の領域において強く散乱される。そのため、図４に示すように、本変形例の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における励起状態密度は、上面４２Ａ側の領域における励起状態密度よりも高くなっている。ここで、励起状態密度とは、蛍光体層４２内を占める励起光ＢＬｓを吸収状態にある蛍光体粒子の割合（体積密度）に相当する。
【００８４】
これにより、下面４２Ｂ側の領域で生成されて上面４２Ａ側に向かう蛍光ＹＬは、励起状態密度の低い領域、すなわち、励起光ＢＬｓを吸収状態にある蛍光体粒子が比較的少ない領域を通過する。従って、本変形例の波長変換素子１４０によれば、上面４２Ａ側の領域における蛍光ＹＬの吸収がより低減されるので、光消光の影響をより抑制することができる。
【００８５】
（第二変形例）
続いて、第一実施形態の第二変形例について説明する。なお、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。
【００８６】
図５は本変形例の波長変換素子２４０の要部構成を示す断面図である。図５においては、蛍光体層４２内における賦活剤濃度の大きさをハッチングのドット量で示した。賦活剤濃度とは、蛍光体層４２内を占める、賦活剤（Ｃｅイオン）の濃度分布に相当する。
【００８７】
図５に示すように、波長変換素子２４０の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における賦活剤の濃度（賦活剤濃度）が上面４２Ａ側の領域における賦活剤の濃度よりも大きくなっている。
【００８８】
また、本変形例においては、第一変形例と同様、下面４２Ｂ側の領域における散乱粒子４６の密度が上面４２Ａ側の領域における散乱粒子４６の密度よりも大きくなっている。
【００８９】
したがって、本変形例の波長変換素子２４０によれば、下面４２Ｂ側の狭い領域における励起状態密度を選択的に高くすることができる。よって、蛍光体層４２内において、下面４２Ｂ側に励起状態密度の高い領域を形成できるので、上面４２Ａ側に向かう多くの蛍光ＹＬは励起状態密度の高い領域を通過せずに外部に射出される。
以上のように本変形例の波長変換素子２４０によれば、第一変形例の構成に比べて蛍光ＹＬの吸収を低減できるので、光消光の影響をより抑制できる。
【００９０】
（第三変形例）
続いて、第一実施形態の第三変形例について説明する。なお、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。
【００９１】
図６は本変形例の波長変換素子３４０の要部構成を示す断面図である。
図６に示すように、本変形例において、凹凸部１４７が蛍光体層４２の下面４２Ｂに形成されている。凹凸部１４７は下面４２Ｂを荒らすことで形成される。
【００９２】
本変形例において、凹凸部１４７は、蛍光体層４２の上面４２Ａから蛍光ＹＬを外部に取り出す（射出させる）ためのものである。凹凸部１４７は特許請求の範囲に記載の「入射角変化部」に相当する。
【００９３】
続いて、凹凸部１４７の作用について説明する。仮に凹凸部１４７が設けられていないとすると、蛍光ＹＬの一部は反射層４３で反射されることで、上面４２Ａに対して臨界角よりも大きい角度で入射するので、蛍光体層４２内に全反射されることで外部に取り出されない。
【００９４】
これに対し、本変形例の波長変換素子３４０によれば、凹凸部１４７を備えるため、凹凸部１４７の表面で反射されることで上面４２Ａに対する蛍光ＹＬの入射角を変化させることができる。また、蛍光ＹＬの一部は下面４２Ｂを透過して反射層４３により上面４２Ａ側に反射されるが、蛍光ＹＬは下面４２Ｂを透過する際、屈折することで進行方向が変化する。そのため、凹凸部１４７が形成されていない場合、上面４２Ａに対して臨界角よりも大きい角度で入射した成分の蛍光ＹＬは、凹凸部１４７の凹凸面あるいは凹凸面を透過した後に反射層４３で反射されることで上面４２Ａに対して臨界角よりも小さい角度で入射するようになる。よって、凹凸部１４７を形成しない場合、上面４２Ａで全反射されていた蛍光ＹＬが上面４２Ａを透過して外部に射出されるようになる。
したがって、凹凸部１４７を備えることで、蛍光体層４２内に蛍光ＹＬが閉じ込められ難くなるので、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を抑制することができる。
【００９５】
（第四変形例）
続いて、第一実施形態の第四変形例について説明する。なお、第一実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。
【００９６】
図７は本変形例の波長変換素子４４０の要部構成を示す断面図である。
図７に示すように、本変形例の波長変換素子４４０は、基材４１と、反射層４３と、散乱層４８と、蛍光体層４２と、接合層４４と、放熱部材４５とを備えている。
【００９７】
本変形例において、散乱層４８が蛍光体層４２の下面４２Ｂに形成されている。散乱層４８は気孔を有する多孔質層又は蛍光体層４２の母材（ＹＡＧ）と屈折率が異なる粒子を含む層から構成される。
【００９８】
本変形例において、散乱層４８は、蛍光体層４２の上面４２Ａから蛍光ＹＬを外部に取り出す（射出させる）ためのものである。散乱層４８は特許請求の範囲に記載の「入射角変化部」に相当する。
【００９９】
続いて、散乱層４８の作用について説明する。仮に散乱層４８が設けられていないとすると、蛍光ＹＬの一部は、反射層４３で反射されることで上面４２Ａに対して臨界角よりも大きい角度で入射するので、蛍光体層４２内に全反射されることで外部に取り出されない。
【０１００】
これに対し、本変形例の波長変換素子４４０によれば、散乱層４８を備えるため、散乱層４８で反射されることで上面４２Ａに対する蛍光ＹＬの入射角を変化させることができる。また、蛍光ＹＬの一部は散乱層４８を透過して反射層４３により上面４２Ａ側に反射されるが、蛍光ＹＬは散乱層４８を透過する際に屈折することで、進行方向が変化している。そのため、散乱層４８が形成されていない場合、上面４２Ａに対して臨界角よりも大きい角度で入射していた成分の蛍光ＹＬは、散乱層４８あるいは散乱層４８を透過した後に反射層４３で反射されることで上面４２Ａに対して臨界角よりも小さい角度で入射するようになる。よって、散乱層４８を形成しない場合、上面４２Ａで全反射されていた蛍光ＹＬが上面４２Ａを透過して外部に射出されるようになる。
したがって、散乱層４８を備えることで、蛍光体層４２内に蛍光ＹＬが閉じ込められ難くなるので、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を抑制することができる。
【０１０１】
（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態に係る波長変換素子について説明する。本実施形態の波長変換素子は光透過型である点で第一実施形態の波長変換素子４０と異なる。
【０１０２】
図８は本実施形態の波長変換素子５４０の要部構成を示す断面図である。
波長変換素子５４０は、図８に示すように、基材５０と、ダイクロイック膜５１と、蛍光体層５２と、凹凸部５７と、を備えている。
【０１０３】
本実施形態において、蛍光体層４２は基材５０に設けられた貫通孔５０ａ内に配置されている。なお、貫通孔５０ａの表面には反射膜（不図示）が設けられている。
【０１０４】
蛍光体層５２は第一実施形態の蛍光体層４２と同様の構成からなる。具体的に蛍光体層５２は、励起光ＢＬｓが入射する下面５２Ｂと蛍光ＹＬを射出する上面５２Ａとを有する。蛍光体層５２は複数の散乱粒子４６を含有する。
【０１０５】
本実施形態において、蛍光体層５２は特許請求の範囲に記載の「波長変換層」に相当し、下面５２Ｂは特許請求の範囲に記載の「第１面」に相当し、上面５２Ａは特許請求の範囲に記載の「第２面」に相当する。
【０１０６】
ダイクロイック膜５１は、蛍光体層５２の下面５２Ｂに設けられている。ダイクロイック膜５１は、励起光ＢＬｓを透過し、蛍光体層５２で生成された蛍光ＹＬを反射する特性を有する。ダイクロイック膜５１は特許請求の範囲に記載の「第２反射層」に相当する。
【０１０７】
本実施形態の波長変換素子５４０において、励起光ＢＬｓはレイリー散乱によって強く散乱される。散乱された励起光ＢＬｓは、蛍光体層５２内における光路長が延びることで吸収され易くなる。
【０１０８】
また、蛍光ＹＬは散乱粒子４６によって散乱され難いため、蛍光体層５２内をほぼ直進するので、短い光路長で上面５２Ａに到達する。したがって、蛍光ＹＬは励起状態にある蛍光体層５２内を短い光路長で通過するため、蛍光ＹＬの吸収が起こり難くなるので、光消光の影響が抑制される。
【０１０９】
本実施形態において、蛍光体層５２の上面５２Ａに凹凸部５７が形成されている。凹凸部５７は上面５２Ａを荒らすことで形成される。凹凸部５７は、蛍光体層５２の上面５２Ａから蛍光ＹＬを外部に取り出す（射出させる）ためのものである。凹凸部５７は特許請求の範囲に記載の「入射角変化部」に相当する。
【０１１０】
本実施形態の波長変換素子５４０によれば、凹凸部５７を備えることで、上面５２Ａに対する蛍光ＹＬの入射角を変化させることができる。すなわち、凹凸部５７が形成されていない上面に対して臨界角よりも大きい角度で入射する蛍光ＹＬであっても、凹凸部５７の表面に対する入射角度は臨界角より小さくなる。よって、凹凸部５７を形成しない上面において全反射されていた蛍光ＹＬは、凹凸部５７が形成された上面５２Ａを透過することで外部に射出される。
したがって、凹凸部５７を備えることで、蛍光体層５２内に蛍光ＹＬが閉じ込められ難くなるので、蛍光ＹＬの取り出し効率の低下を抑制することができる。
【０１１１】
以上説明したように、本実施形態の波長変換素子５４０によれば、蛍光ＹＬの取り出し効率を低下させることなく、蛍光ＹＬの光消光の影響を抑制できる透過型の波長変化素子を提供できる。
【０１１２】
なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記第一実施形態において、反射層４３は基材４１の上面４１ａに形成される場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、反射層４３は蛍光体層４２の下面４２Ｂに形成されていてもよい。この場合、波長変換素子４０は、下面４２Ｂに反射層４３を形成した蛍光体層４２が接合層４４を介して基材４１の上面４１ａに接合された構成を有する。
【０１１３】
例えば、上記第一実施形態において、波長変換素子４０の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における賦活剤濃度が上面４２Ａ側の領域における賦活剤濃度よりも大きくなっていてもよい。
【０１１４】
例えば、上記第一実施形態の第３変形例において、第２変形例と同様に、波長変換素子３４０の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における賦活剤濃度が上面４２Ａ側の領域における賦活剤濃度よりも大きくなっていてもよい。また、下面４２Ｂ側の領域における散乱粒子４６の密度が上面４２Ａ側の領域における散乱粒子４６の密度よりも大きくなっていてもよい。
【０１１５】
例えば、上記第一実施形態の第４変形例において、第２変形例と同様に、波長変換素子４４０の蛍光体層４２において、下面４２Ｂ側の領域における賦活剤濃度が上面４２Ａ側の領域における賦活剤濃度よりも大きくなっていてもよい。また、下面４２Ｂ側の領域における散乱粒子４６の密度が上面４２Ａ側の領域における散乱粒子４６の密度よりも大きくなっていてもよい。
【０１１６】
また、上記第一実施形態では本発明の光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明の光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１…プロジェクター、２Ａ…光源装置、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投写光学系、４０，１４０，２４０，３４０，４４０，５４０…波長変換素子、２１…アレイ光源（光源）、４２，５２…蛍光体層（波長変換層）、４２Ａ，５２Ａ…上面（第１面）、４２Ｂ，５２Ｂ…下面（第２面）、４３…反射層（第１反射層）、４６…散乱粒子（散乱要素）、４７，５７…凹凸部（入射角変化部）、４８…散乱層（入射角変化部）、５１…ダイクロイック膜（第２反射層）、ＢＬｓ…励起光、ＹＬ…蛍光（変換光）。
【図１】
2019109349.tif 000003
【図２】
2019109349.tif 000004
【図３】
2019109349.tif 000005
【図４】
2019109349.tif 000006
【図５】
2019109349.tif 000007
【図６】
2019109349.tif 000008
【図７】
2019109349.tif 000009
【図８】
2019109349.tif 000010