(57)【要約】【課題】蛍光体ホイールを含むシステム全体としての光利用効率の低下を抑制可能とする蛍光体ホイール、光源装置及びプロジェクターを提供すること。【解決手段】基板であるホイール基板３１と、前記基板に設けられ、蛍光体１００を含む蛍光体層４１と該蛍光体層４１の前記基板とは反対側に設けられた光透過層４２と、を含む発光素子４０と、前記蛍光体層４１と前記光透過層４２との界面と交差する前記発光素子４０の第１の側面３４ａに設けられ、前記蛍光体層４１の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第１の反射部４３ａと、を備えた波長変換素子。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられ、蛍光体を含む蛍光体層と該蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられた光透過層と、を含む発光素子と、
前記蛍光体層と前記光透過層との界面と交差する前記発光素子の第１の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第１の反射部と、
を備えたことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記第１の側面は、前記基板の回転軸を中心とする円に沿う方向と該円と交差する方向とのうちいずれか一方の方向に沿っていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記第１の側面と対向する前記発光素子の第２の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第２の反射部をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第１の側面と交差する前記発光素子の第３の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第３の反射部と、
前記第３の側面と対向する前記発光素子の第４の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第４の反射部と、
をさらに有することを特徴とする請求項２又は３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記発光素子は、前記基板の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記発光素子は、前記基板に設けられた溝に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記第１の反射部の前記発光素子とは反対側に設けられた熱伝導部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記蛍光体層は、前記蛍光体が分散されたバインダーを有し、
前記光透過層の屈折率は、前記バインダーの屈折率と同じであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記光透過層の前記蛍光体層とは反対側の表面に設けられた凹凸構造を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記基板と前記蛍光体層との間に設けられ、前記蛍光体を励起する励起光を透過させ、前記蛍光体から射出される蛍光を反射する波長分離層を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項１１】
前記基板と前記蛍光体層との間に設けられ、前記蛍光体を励起する励起光と前記蛍光体から射出される蛍光とを反射する反射層を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項１２】
前記基板は、金属からなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項１３】
励起光を射出する励起光用光源部と、
前記励起光の照射により蛍光を射出する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の波長変換素子と、を有することを特徴とする光源装置。
【請求項１４】
前記波長変換素子に形成される前記励起光のスポットの、前記基板の回転軸を中心とする円の半径方向の大きさは、前記蛍光体層の前記半径方向の幅より小さいことを特徴とする請求項１３に記載の光源装置。
【請求項１５】
励起光を射出する励起光用光源部と、該励起光の照射により蛍光を射出する請求項１に記載の波長変換素子と、を有する光源装置であって、
前記第１の側面は、前記基板の回転軸を中心とする円と交差し、
前記波長変換素子は、前記第１の側面と対向する前記発光素子の第２の側面に設けられるとともに前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第２の反射部をさらに有し、
前記励起光用光源部により前記励起光を射出するパルス周波数をＦ（Ｈｚ）、前記波長変換素子の回転数をｍ（ｒｐｓ）、とすると、Ｆはｍの整数倍であることを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１３から１５のいずれか一項に記載の光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調して、投写す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、光源装置及びプロジェクター、特に、蛍光を発生させる蛍光体ホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクターの高性能化に関して、広色域かつ高効率な光源としてレーザーが注目されている。従来、プロジェクターに用いられる光源装置の一つとして、レーザー光を励起光として、励起光とは異なる波長の蛍光を発生させる光源装置が提案されている。励起光の照射による蛍光体を含む蛍光体層の温度上昇は、蛍光の発生効率の低下や蛍光体層の劣化の促進の原因となり得る。かかる課題に対しては、例えば、ホイール基板に蛍光体層が設けられた蛍光体ホイールを回転させることで、蛍光体層へ入射する励起光のエネルギーを分散させ、蛍光体層の温度上昇の抑制を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１６号公報
【特許文献２】特開２０１０−８６８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蛍光体ホイールの蛍光体層は、励起光の照射領域であるスポットに対して広い範囲に設けられる。蛍光体層に分散されている蛍光体（蛍光体結晶）は、発生した蛍光を等方的に放出する。蛍光体層は所定の厚みを持っているため、ホイール基板の面法線に対して大きな角度をなす蛍光成分は、蛍光体層のうち励起光の照射領域の外側にまで伝播することになる。励起光の照射領域の外側に伝播した蛍光は、その先に存在する蛍光体へ入射することによりさらに散乱する。蛍光体層での散乱の繰り返しにより照射領域の外側に向かって蛍光が伝播すると、蛍光体ホイールにおける発光面積が増加する。すなわち、エテンデューが増加する。蛍光体ホイールにおける発光面積の増加は、光源装置より後方の光学系によって取り込まれない光を増加させ、蛍光体ホイールを含むシステム全体としての光利用効率の低下を引き起こすことになる。
【０００５】
一般的に、蛍光体層において蛍光体を保持するバインダーは、空気より高い屈折率の材料が使用されている。蛍光体層と空気との界面へ蛍光体層側から臨界角以上の角度で入射した光は、界面での全反射により蛍光体層に戻る。蛍光のうち界面で全反射した成分は、蛍光体層の内部を伝播し、その先に存在する蛍光体で散乱する。このような界面での全反射によっても、発光面積の増加は生じることとなる。また、蛍光体層と空気との界面で全反射されて蛍光体層に戻った蛍光は蛍光体に吸収され、蛍光体層が発熱するため、光の射出効率が低下することにもなる。
【０００６】
蛍光体層から射出する光は、ランバート放射に近い角度分布を示す。蛍光体層の蛍光出射面の法線に対して大きな角度をなして蛍光体層から射出した光は、蛍光体層の射出側に設けられたピックアップレンズや導光手段による充分な捕捉が困難であることから、光利用効率が低下する。
【０００７】
本発明は、上記の課題のうち少なくとも１つを解決し、蛍光体ホイールを含むシステム全体としての光利用効率を向上させることが可能な波長変換素子、光源装置及びプロジェクター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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長変換素子は、基板と、前記基板に設けられ、蛍光体を含む蛍光体層と該蛍光体層の前記基板とは反対側に設けられた光透過層と、を含む発光素子と、前記蛍光体層と前記光透過層との界面と交差する前記発光素子の第１の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第１の反射部と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
第１の反射部は、蛍光体層の内部を基板と平行に進む光を反射することで、発光領域を制限し、蛍光体層における発光面積の増加を抑制させる。つまり、発光領域は、第１の反射部を越えて広がることはない。
【００１０】
さらに、蛍光体層の基板とは反対側に光透過層が設けられているため、光透過層が設けられていない場合と比較して、蛍光体層から基板の外に射出される光の量が増加する。それは、蛍光体層と光透過層との界面における臨界角が蛍光体層と空気との界面における臨界角よりも大きくなるからである。
【００１１】
さらに、第１の反射部は、蛍光体層の内部を基板と平行に進む光を基板とは逆方向に向かって反射させることができる。すなわち、基板の面法線に対する光線角度が小さくなるように蛍光体層から光透過層へ進行した光の進行方向を変化させることができる。このように、光透過層の射出面、すなわち光透過層と空気との界面における光線角度を小さくすることで、光透過層の射出面における光の全反射を抑制させることができる。また、光透過層から射出する光の射出角が小さくなるため、ピックアップレンズや導光手段で取り込まれる光の量を増加させることが可能となる。
【００１２】
このように本発明によれば、波長変換素子を含むシステム全体としての光利用効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様としては、前記第１の側面は、前記基板の回転軸を中心とする円に沿う方向と該円と交差する方向とのうちいずれか一方の方向に沿っていることが望ましい。第１の側面が基板の回転軸を中心とする円に沿う方向に沿っている場合は、該円の半径方向について発光面積の増加を抑制させるとともに、光透過層から射出する光の光線角度を小さくすることができる。また、第１の側面が基板の回転軸を中心とする円と交差する方向に沿っている場合は、該円の円周方向について発光面積の増加を抑制させるとともに、光透過層から射出する光の光線角度を小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様としては、前記第１の側面と対向する前記発光素子の第２の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第２の反射部をさらに有することが望ましい。これにより、発光面積の増加をさらに抑制させることができる。さらに、小さな光線角度で光透過層から射出する光の量を増加させることができるため、ピックアップレンズや導光手段で取り込まれる光の量をさらに増加させることができる。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様としては、前記第１の側面と交差する前記発光素子の第３の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第３の反射部と、前記第３の側面と対向する前記発光素子の第４の側面に設けられ、前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第４の反射部と、をさらに有することが望ましい。これにより、発光面積の増加をさらに抑制させるとともに、小さな光線角度で光透過層から射出する光の量をさらに増加させることができる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様としては、前記発光素子は、前記基板の表面に設けられていることが望ましい。ホイール基板上に蛍光体層を設けることで、蛍光体層で発生した熱を外部へ効果的に放散させることができる。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様としては、前記発光素子は、前記基板に設けられた溝に設けられていることが望ましい。ホイール基板の溝に蛍光体層を設けることで、蛍光体層の材料の塗布を安定して行うことができる。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様としては、前記第１の反射部の前記発光素子とは反対側に設けられた熱伝導部をさらに備えることが望ましい。これにより、蛍光体層で生じた熱を効果的に放散させることができる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様としては、前記蛍光体層は、前記蛍光体が分散されたバインダーを有し、前記光透過層の屈折率は、前記バインダーの屈折率と同じであることが望ましい。これにより、蛍光体から射出される蛍光が、蛍光体層と光透過層との界面において反射されて蛍光体層に戻ることがない。そのため、蛍光体層による蛍光の吸収による光の損失や熱の発生を抑制させることができる。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様としては、前記光透過層の前記蛍光体層とは反対側の表面に設けられた凹凸構造を有することが望ましい。これにより、光透過層と空気との界面での光の反射を抑制させ、光透過層から効率良く光を取り出すことができる。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様としては、前記基板と前記蛍光体層との間に設けられ、前記蛍光体を励起する励起光を透過させ、前記蛍光体から射出される蛍光を反射する波長分離層を有することが望ましい。波長分離層は、蛍光体層の内部を励起光の入射面に向かって進行する蛍光を光透過層の方向へ反射させる。これにより、基板の蛍光体層が設けられている面とは反対側から励起光を照射した際、波長変換素子は、効率良く蛍光を射出することができる。
【００２２】
また、本発明の好ましい態様としては、前記基板と前記蛍光体層との間に設けられ、前記蛍光体を励起する励起光と前記蛍光体から射出される蛍光とを反射する反射層を有することが望ましい。これにより、前記光透過層側から励起光を蛍光体に照射した際、波長変換素子は、蛍光と励起光の一部とを効率良く射出することができる。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様としては、前記基板は、金属から形成されることが望ましい。これにより、蛍光体層で生じた熱を効果的に放散させることができる。
【００２４】
さらに、本発明に係る光源装置は、励起光を射出する励起光用光源部と、前記励起光の照射により蛍光を射出する上記の波長変換素子と、を有することを特徴とする。これにより、光源装置を含むシステム全体としての光利用効率が高く、かつ所望の色光を得られる光源装置を提供できる。
【００２５】
また、本発明の好ましい態様としては、前記波長変換素子に形成される前記励起光のスポットの、前記基板の回転軸を中心とする円の半径方向の大きさは、前記蛍光体層の前記半径方向の幅より小さいことが望ましい。これにより、励起光の入射位置が蛍光体層からはみ出さないための、波長変換素子の回転によるぶれの許容範囲を大きくすることができる。
【００２６】
また、本発明に係る光源装置は、励起光を射出する励起光用光源部と、該励起光の照射により蛍光を射出する請求項１に記載の波長変換素子と、を有する光源装置であって、前記第１の側面は、前記基板の回転軸を中心とする円と交差し、前記波長変換素子は、前記第１の側面と対向する前記発光素子の第２の側面に設けられるとともに前記蛍光体層の内部を前記基板と平行に進む光を前記基板とは逆方向に向かって反射させる第２の反射部をさらに有し、前記励起光用光源部により前記励起光を射出するパルス周波数をＦ（Ｈｚ）、前記波長変換素子の回転数をｍ（ｒｐｓ）、とすると、Ｆはｍの整数倍であることが望ましい。これにより、励起光用光源部は、円周方向において第１の反射部と第２の反射部との間に設けられている蛍光体層へ、励起光を適切に入射させることができる。
【００２７】
さらに、本発明に係るプロジェクターは、上記の光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調して、投写することを特徴とする。これにより、プロジェクターは、システム全体としての光利用効率の低下を抑制させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクターの概略構成図である。
【図２】図２は、蛍光体ホイール及びピックアップレンズの構成を示す図である。
【図３】図３は、蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図４】図４は、実施例１の変形例１に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図５】図５は、実施例１の変形例２に係る蛍光体ホイールの平面図である。
【図６】図６は、蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図７】図７は、実施例１の変形例３に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図８】図８は、実施例１の変形例４に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施例２に係る蛍光体ホイールの平面図である。
【図１０】図１０は、一つの単位構造体の斜視図である。
【図１１】図１１は、円周方向における蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例３に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。
【図１３】図１３は、蛍光体ホイールを用いた光源装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクター１の概略構成図である。光源装置１０は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を含む照明光を射出する。光源装置１０は、レーザーダイオードアレイ２、集光レンズ４、波長変換素子として機能する蛍光体ホイール５及びピックアップレンズ６を有する。
【００３１】
レーザーダイオードアレイ２は、アレイ状に配置された複数のレーザーダイオード３から構成されている。レーザーダイオードアレイ２は、励起光２００を射出する励起光用光源部として機能する。
【００３２】
励起光２００は、例えば、４５０ｎｍ付近の波長のＢ光である。集光レンズ４は、レーザーダイオードアレイ２から射出された励起光２００を蛍光体ホイール５にて集光させる集光光学系として機能する。蛍光体ホイール５は、励起光２００の照射により励起光２００とは異なる波長の蛍光を射出する。ピックアップレンズ６は、励起光２００の光路上に設けられている。ピックアップレンズ６は、蛍光体ホイール５から射出した蛍光と蛍光体ホイール５を透過した励起光２００とを捕捉し、コリメート光学系１１へ進行させる。
【００３３】
コリメート光学系１１は、光源装置１０からの光をロッドインテグレーター１２に集光する。ロッドインテグレーター１２は、入射した光を内部にて多重反射させて均一化する。重畳レンズ１３は、ロッドインテグレーター１２にて複数に分割された光束を空間光変調装置にて重畳させる。
【００３４】
第１ダイクロイックミラー１４は、重畳レンズ１３から入射したＲ光及びＧ光を反射し、Ｂ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１４を透過したＢ光は、反射ミラー１６での反射により光路が折り曲げられ、入射側偏光板２０Ｂへ入射する。入射側偏光板２０Ｂを透過した光は、液晶パネル２１Ｂへ入射する。液晶パネル２１Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置を構成する。液晶パネル２１Ｂを透過した光は、射出側偏光板２２Ｂへ入射する。射出側偏光板２２Ｂを透過した光は、クロスダイクロイックプリズム２３へ入射する。
【００３５】
第１ダイクロイックミラー１４で反射したＲ光およびＧ光は、第２ダイクロイックミラー１５へ入射する。第２ダイクロイックミラー１５は、Ｇ光を反射し、Ｒ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー１５での反射により光路が折り曲げられたＧ光は、入射側偏光板２０Ｇへ入射する。入射側偏光板２０Ｇを透過したＧ光は、液晶パネル２１Ｇへ入射する。液晶パネル２１Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置を構成する。液晶パネル２１Ｇを透過した光は、射出側偏光板２２Ｇへ入射する。射出側偏光板２２Ｇを透過した光は、クロスダイクロイックプリズム２３へ入射する。
【００３６】
第２ダイクロイックミラー１５を透過したＲ光は、反射ミラー１７での反射により光路が折り曲げられ、リレーレンズ１８に入射する。リレーレンズ１８を透過したＲ光は、反射ミラー１９での反射により光路が折り曲げられ、入射側偏光板２０Ｒへ入射する。入射側偏光板２０Ｒを透過したＲ光は、液晶パネル２１Ｒへ入射する。液晶パネル２１Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置を構成する。液晶パネル２１Ｒを透過した光は、射出側偏光板２２Ｒへ入射する。射出側偏光板２２Ｒを透過した光は、クロスダイクロイックプリズム２３へ入射する。
【００３７】
色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２３は、各空間光変調装置で変調された光を合成して映像光とし、投写光学系２４へ進行させる。投写光学系２４は、クロスダイクロイックプリズム２３で合成された映像光を不図示のスクリーンへ投写する。
【００３８】
図２（ａ）は、波長変換素子として機能する蛍光体ホイール５の平面図であり、図２（ｂ）は、蛍光体ホイール５の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）においては、蛍光体ホイール５にホイールモーター３３が装着されており、図２（ｂ）においては、蛍光体ホイール５にピックアップレンズ６がさらに組み合わせられている。蛍光体ホイール５は、構造体３２と、回転軸Ｒの周りに回転可能なホイール基板３１とを有する。構造体３２については後で詳述する。図２（ａ）に示した蛍光体ホイール５の平面図は、蛍光体ホイール５を構造体３２が設けられた側から見た平面図である。また、図２（ｂ）に示した蛍光体ホイール５の断面図は、蛍光体ホイール５の中心位置を含む断面である。また、図３は、ホイール基板３１の回転軸Ｒを中心とする円の半径方向に沿う蛍光体ホイール５の断面ＡＡ’である。
【００３９】
図２に示したように、ホイール基板３１は、円形状の板状部材であって、ガラス等の透明部材から構成されている。ホイール基板３１の中心には、円柱状のホイールモーター３３を貫通させる開口が設けられている。開口においてホイール基板３１がホイールモーター３３に装着されることで、ホイール基板３１はホイールモーター３３と一体とされている。ホイール基板３１は、ホイールモーター３３の駆動によって、円形状の中心位置を回転軸Ｒとして回転する。
【００４０】
図３に示したように本実施例では、構造体３２は、発光素子４０、第１の反射部４３ａ、及び第２の反射部４３ｂを含む。発光素子４０は、粒子状の複数の蛍光体１００を含む蛍光体層４１および光透過層４２を含む。蛍光体１００は励起光２００の照射により励起され、蛍光を発生する。蛍光体層４１は、蛍光体１００の粒子が分散された、透明樹脂からなるバインダーを有する。光透過層４２は、蛍光体層４１のホイール基板３１とは反対側に設けられており、蛍光体層４１から入射した光を透過させる。
【００４１】
構造体３２は、ホイール基板３１が有する複数の面のうち励起光２００が入射する側とは反対側の表面３１ａに設けられている。図２（ａ）に示したように、構造体３２に含まれる発光素子４０は、平面視で一定の幅を持つ環をなしている。発光素子４０がなす環は、ホイール基板３１が回転することによって得られる励起光２００の照射領域の軌跡に対応している。
【００４２】
蛍光体ホイール５は、ホイール基板３１の表面に構造体３２を設けることで、蛍光体１００で発生した熱を外部へ効果的に放散させることができる。
【００４３】
図３に示したように、発光素子４０は、平面視でホイール基板３１の回転軸Ｒを中心とする円の形状を有する第１の側面３４ａおよび第２の側面３４ｂを備える。第１の側面３４ａと第２の側面３４ｂとは、互いに対向している。第１の側面３４ａは、環状の発光素子４０のホイールモーター３３側の側面であり、第２の側面３４ｂは、環状の発光素子４０のホイール基板３１の外縁側の側面である。本実施例では、適宜、第１の側面３４ａと第２の側面３４ｂを併せて側面３４と呼ぶことがある。
【００４４】
第１の反射部４３ａは発光素子４０の第１の側面３４ａに設けられ、第２の反射部４３ｂは発光素子４０の第２の側面３４ｂに設けられている。第１の側面３４ａに交差する断面、たとえば回転軸Ｒを中心とする円の半径方向に沿った断面において、第１の側面３４ａと第２の側面３４ｂとの間の距離が蛍光体４１から光透過層４２に向かって大きくなっている。したがって、第１の反射部４３ａと第２の反射部４３ｂとの間の距離も、蛍光体層４１から光透過層４２に向かって大きくなっている。本実施例では、適宜、第１の反射部４３ａと第２の反射部４３ｂを併せて反射部４３と呼ぶことがある。また、本明細書では便宜上、上記のような形態にて設けられた反射部を、テーパ形状の反射部、と呼ぶ。あるいは、反射部がテーパ形状を有している、という。反射部４３は、蛍光体層４１から入射した蛍光及び励起光と、光透過層４２から入射した蛍光及び励起光とを反射する。反射部４３としては、高反射性部材、例えば金属部材からなる膜を用いる。
【００４５】
ダイクロイック膜４４は、ホイール基板３１と蛍光体層４１との間、すなわち蛍光体層４１が有する複数の面のうち励起光２００の入射面４１ａに設けられている。ダイクロイック膜４４は、レーザーダイオードアレイ２から出射された励起光２００を透過させ、蛍光体１００から出射された蛍光を反射する波長特性を持つ波長分離層として機能する。
【００４６】
蛍光体１００は、励起光２００の照射により、Ｇ光及びＲ光を含む蛍光を発生させる。蛍光体層４１へ入射した励起光２００のうちの一部は、蛍光とともに蛍光体層４１からピックアップレンズ６に向かって射出する。このように、光源装置１０は、Ｇ光およびＲ光を含む蛍光と、Ｂ光を含む励起光２００とを混合させることにより、白色の照明光を射出する。蛍光体としては、例えば、ＹＡＧ蛍光体を用いる。蛍光体層４１は、例えば、粉末状の蛍光体１００とバインダーとの混合物をホイール基板３１に塗布し、熱硬化させることにより得られる。光透過層４２は、蛍光体層４１のバインダーと同じ屈折率の透明樹脂から構成されている。
【００４７】
蛍光体層４１の入射面４１ａには、励起光２００のスポットが形成される。光源装置１０は、回転軸Ｒを中心とする円の半径方向に測った励起光２００のスポット径ｄ１が、入射面４１ａの半径方向の幅Ｍより小さくなるように調整される。これにより、励起光２００の入射位置を入射面４１ａからはみ出させないために許容される、蛍光体ホイール５の回転によるぶれの上限値を大きくすることができる。
【００４８】
ホイール基板３１へ入射した励起光２００は、ホイール基板３１及びダイクロイック膜４４を透過して、蛍光体層４１へ入射する。蛍光体層４１へ入射した励起光２００の一部は、蛍光体１００を励起し、励起された蛍光体１００は蛍光を発する。蛍光体１００で発生した蛍光は、発光位置を中心としてほぼ等方的に出射される。
【００４９】
蛍光体層４１から光透過層４２へ進行した蛍光及び励起光２００のうち、光透過層４２と空気との界面へ臨界角より小さい角度で入射した成分は、光透過層４２から空気中へ射出する。
【００５０】
本実施例では、光透過層４２の屈折率は蛍光体層４１のバインダーの屈折率と同じであるため、蛍光体層４１と光透過層４２との界面においては光が反射しない。そのため、蛍光体１００から射出された蛍光や、蛍光体によって散乱された励起光が蛍光体層４１と光透過層４２との界面において反射されて蛍光体層４１に戻ることはない。その結果、蛍光が蛍光体層４１によって吸収されることによる光の損失や熱の発生が抑制される。なお、光透過層４２は、バインダーと同じ屈折率とする場合に限られず、例えば、バインダーより低い屈折率の材料で構成することとしても良い。
【００５１】
蛍光体層４１の内部をホイール基板３１へ向かって進行した蛍光は、ダイクロイック膜４４で反射し、光透過層４２の方向へ進行する。そのため、蛍光体１００から発せられた蛍光は、ホイール基板３１側へ漏れず、光透過層４２の蛍光出射面４２ａから効率良く射出することができる。本明細書においては、蛍光出射面４２ａは、光透過層４２が有する複数の面のうち、蛍光体から発せられた蛍光が光透過層４２から空気中に射出される面を指す。
【００５２】
また、テーパ形状の反射部４３によって、ホイール基板３１の法線Ｎに対する光線角度が小さくなるように光の進行方向を変化させることができる。したがって、光透過層４２の蛍光出射面４２ａにおける光線角度が小さくなり、光透過層４２と空気との界面における光の全反射が抑制され、その結果、光透過層４２の内部を進行する光が光透過層４２の蛍光出射面４２ａから空気中に射出しやすくなる。
【００５３】
さらに、蛍光体層４１の内部をホイール基板３１に対して平行に進行する蛍光成分は、反射部４３での反射により、蛍光体ホイール５の半径方向への伝播が阻止される。本実施形態による蛍光体ホイール５では、蛍光体層４１での蛍光の伝播が反射部４３によって阻止されるため、蛍光体層４１における発光面積の増加が抑制される。
【００５４】
また、光透過層４２の蛍光出射面４２ａから射出する光の射出角を小さくすることで、ピックアップレンズ６等で取り込まれる光の量を増大させることが可能となる。これにより、蛍光体ホイール５を含むプロジェクター１は、システム全体としての光利用効率を向上させることができる。
【００５５】
（変形例１）
図４は、本実施例の変形例１に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。実施例１に係る蛍光体ホイール５では、構造体３２は、ホイール基板３１が有する複数の面のうち励起光２００が入射する側とは反対側の表面３１ａに設けられていたが、本変形例に係る蛍光体ホイールでは、ホイール基板４５の表面４５ａに設けられた溝４６に構造体３２が設けられていることを特徴とする。反射部４３は、発光素子４０の側面３４と溝４６の壁面とに挟まれている。ダイクロイック膜４４は、溝４６の底に設けられている。溝４６に蛍光体層４１を設けることで、蛍光体層４１の材料の塗布を安定して行うことができる。
【００５６】
（変形例２）
図５は、本実施例の変形例２に係る蛍光体ホイール７の平面図である。図６は、蛍光体ホイール７の要部断面図である。本変形例に係る蛍光体ホイール７は、蛍光体１００からの熱を伝導する熱伝導部４７を有する。熱伝導部４７は、ホイール基板３１の表面３１ａの上に、構造体３２と接するように設けられている。熱伝導部４７は、高い熱伝導率の部材、例えば銅やアルミニウムを用いて構成されている。
【００５７】
励起光２００の照射によって蛍光体１００で生じた熱は、蛍光体層４１から反射部４３を経て、或いは蛍光体層４１から光透過層４２及び反射部４３を経て、熱伝導部４７へ伝導する。蛍光体ホイール７は、熱伝導部４７を設けることで、蛍光体１００で生じた熱を効果的に放散させることができる。蛍光体ホイール７は、効果的な放熱により、高い効率で蛍光を発生させることが可能となる。
【００５８】
熱伝導部４７は、ホイール基板３１の表面のうち構造体３２以外の部分を完全に覆う場合に限られない。熱伝導部４７は、蛍光体１００で生じた熱を効果的に放散させるためには、ホイール基板３１の表面３１ａのうち構造体３２の周囲の少なくとも一部に設けられていれば良いものとする。蛍光体ホイール７は、発光素子４０の側面３４と熱伝導部４７との間に反射部４３を設ける他、熱伝導部４７の一部を反射部として機能させることとしても良い。
【００５９】
（変形例３）
図７は、本実施例の変形例３に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。本変形例に係る蛍光体ホイールは、ホイール基板４５及び熱伝導部４７に形成された溝４８に、構造体３２が設けられている。本変形例の場合も、蛍光体ホイールは、熱伝導部４７を設けることで、蛍光体１００で生じた熱を効果的に放散させることができる。熱伝導部４７は、ホイール基板４５の表面のうち溝４８以外の部分を完全に覆うこととしても良く、構造体３２の周囲の一部に設けることとしても良い。
【００６０】
（変形例４）
図８は、本実施例の変形例４に係る蛍光体ホイールの要部断面図である。本変形例に係る蛍光体ホイールは、光透過層４２の蛍光出射面４２ａに設けられた凹凸構造（モスアイ構造）４９を有する。
【００６１】
凹凸構造４９の各々は、例えば、蛍光の波長より短い幅で構成され、二次元的に設けられている。凹凸構造４９は、光透過層４２と空気との界面での光の反射を抑制させる。本変形例に係る蛍光体ホイールは、凹凸構造４９によって光透過層４２から効率良く光を取り出すことができる。
【００６２】
（変形例５）
上記の実施例及び変形例１乃至４に係る蛍光体ホイールでは、第１の反射部４３ａと第２の反射部４３ｂとが設けられていたが、いずれか一方のみを設けてもよい。たとえば、第２の反射部４３ｂのみを設けた場合、法線Ｎに対して大きな角度をなして進行する蛍光成分は、第２の反射部４３ｂでの反射により、ホイール基板３１の外側方向への伝播が阻止される。第２の反射部４３ｂによって反射された光は、蛍光体層４１の内部を蛍光体１００によって散乱されながら進行し、光透過層４２に進入する。従って、第１の反射部４３ａと第２の反射部４３ｂのうちいずれか一方のみを設けた場合であっても、システム全体としての光利用効率を向上させる効果が得られる。
【実施例２】
【００６３】
図９は、本発明の実施例２に係る波長変換素子として機能する蛍光体ホイール５０の平面図である。本実施例では、反射部は、ホイール基板３１の回転軸Ｒを中心とする円の形状に設けられた側面と、円の半径方向に設けられた側面とに設けられている。蛍光体ホイール５０は、実施例１の光源装置１０に適用される。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。蛍光体層を含む構造体は、円周方向に配列された反射部によって、複数の単位構造体５１に分割されている。
【００６４】
図１０は、一つの単位構造体５１の斜視図である。単位構造体５１は、発光素子５７、円周方向に設けられた第１の反射部５４ａ、第２の反射部５４ｂ、半径方向に設けられた第３の反射部５５ａ、及び第４の反射部５５ｂを含む。発光素子５７は、粒子状の蛍光体１００を含む蛍光体層５２および光透過層５３を含む。このように、発光素子５７は、第１の反射部５４ａと第２の反射部５４ｂと第３の反射部５５ａと第４の反射部５５ｂとによって取り囲まれている。一つの単位構造体５１について円周方向に設けられた第１の反射部５４ａおよび第２の反射部５４ｂは、実施例１における反射部４３（図３参照）と同様に、円の半径方向に沿う断面においてテーパ形状を有している。本実施例では、適宜、第１の反射部５４ａと第２の反射部５４ｂとを併せて、反射部５４と呼ぶことがある。同様に、第３の反射部５５ａと第４の反射部５５ｂとを併せて、反射部５５と呼ぶことがある。
【００６５】
図１１は、図９において一点鎖線で示す円周方向における蛍光体ホイール５０の要部断面図である。複数の単位構造体５１は、反射部５５によって互いに仕切られて、円周方向に並んでいる。波長分離層であるダイクロイック膜５６は、ホイール基板３１と、各単位構造体５１の蛍光体層５２との間に設けられている。一つの単位構造体５１について半径方向に設けられた反射部５５は、円周方向に沿う断面においてテーパ形状を有している。
【００６６】
本実施形態による蛍光体ホイール５０では、テーパ形状を有する反射部５４を円周方向に設け、テーパ形状を有する反射部５５を半径方向に設けることで、円周方向と半径方向について、発光領域が制限される。そのため、発光面積の増加を抑制させるとともに、光透過層５３の蛍光出射面５３ａにおける光線角度を小さくすることが可能となる。これにより、蛍光体ホイール５０を含むプロジェクター１は、システム全体としての光利用効率をさらに向上させることができる。
【００６７】
図１１に示したように、互いに隣り合う２つの単位構造体５１同士の間には、蛍光体１００が設けられていない領域が存在する。そこで、レーザーダイオードアレイ２（図１参照）は、蛍光体１００が設けられていない領域に励起光２００を照射しないように、つまり各単位構造体５１の蛍光体層５２へ励起光２００が適切に入射するように、蛍光体ホイール５０の回転に応じたパルス周波数で励起光２００を射出する。光源装置１０は、蛍光体１００が設けられていない領域への励起光２００の射出を停止させることで光利用効率を向上させるとともに、光源装置１０から射出される光の強度を安定化させることができる。さらに、パルス発光とすることでレーザーダイオード３の寿命を延ばすことが可能となる。
【００６８】
１パルスの励起光２００を蛍光体ホイール５０へ入射した場合に、円周方向における照射領域の長さＬは、式（１）により計算される。
Ｌ＝ｄ２＋２πｒｍＤ／Ｆ    （１）
【００６９】
但し、ｄ２は励起光２００の円周方向のスポット径（単位ｍ）、ｒは発光素子５７の半径方向の中心と回転中心Ｒとの間の距離（単位ｍ）、ｍは蛍光体ホイール５０の回転数（単位ｒｐｓ）、Ｄは励起光２００のパルスのデューティー比、Ｆは励起光２００のパルス周波数（単位Ｈｚ）とする。図１０に示すように、蛍光体層５２の入射面５２ａの、円周方向についての長さをＬとすることで、励起光２００を単位構造体５１に適切に照射することが可能となる。
【００７０】
長さＬがスポット径ｄ２のＴ倍まで許容可能、言い換えると、励起光２００の滲み量がスポット径ｄ２のＴ倍まで許容可能、とした場合、Ｔ＝Ｌ／ｄ２を式（１）に代入して、距離ｒについての式（２）が求められる。
ｒ＝（Ｔ−１）ｄ２Ｆ／（２πｒｍＤ）    （２）
【００７１】
例えば、パルス周波数Ｆを１００ｋＨｚ、デューティー比Ｄを０．３、スポット径ｄ２を１ｍｍ、回転数ｍを１００００／６０ｒｐｓ（＝１００００ｒｐｍ）、Ｔを１．１、とした場合、式（２）により、距離ｒはおよそ３．２ｃｍと計算される。このとき、一つの単位構造体５１の円周方向の長さは、およそ１．１ｍｍとなる。光源装置１０は、このような計算に応じた設計及び駆動により、レーザーダイオードアレイ２による励起光２００の照射と蛍光体ホイール５０の回転とを同期させる。
【００７２】
蛍光体ホイール５０に形成される単位構造体５１の数Ｓは、Ｓ＝Ｆ／ｍにより求められる。Ｓは整数であることから、Ｆはｍの整数倍となる。これにより、レーザーダイオードアレイ２は、蛍光体１００が設けられていない領域を避けて、各単位構造体５１の発光素子５７へ励起光２００を適切に入射させることができる。
【００７３】
各実施例の蛍光体ホイールは、空間光変調装置として透過型の液晶パネルを用いるプロジェクター１に適用される場合に限られない。蛍光体ホイールは、反射型のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を備えるプロジェクターに適用しても良い。
【実施例３】
【００７４】
図１２は、本発明の実施例３に係る波長変換素子として機能する蛍光体ホイール７０の要部断面図である。実施例１に係る蛍光体ホイール５と異なる点について説明する。本実施例に係る蛍光体ホイール７０では、蛍光体層４１の入射面４１ａに、励起光２００と蛍光とを反射させる反射層７２がダイクロイック膜４４のかわりに設けられている。励起光２００は、ホイール基板３１の構造体３２が設けられている側から蛍光体１００に照射される。
【００７５】
蛍光体層４１の内部をホイール基板３１へ向かって進行した蛍光は、反射層７２で反射され、光透過層４２の方向へ進行する。そのため、蛍光体１００から発せられた蛍光は、ホイール基板３１側へ漏れず、光透過層４２の蛍光出射面４２ａから効率良く射出することができる。また、蛍光体層４１の内部をホイール基板３１へ向かって進行する励起光も、同様に反射層７２で反射され、光透過層４２の蛍光出射面４２ａから効率良く射出することができる。
【００７６】
図１３に、蛍光体ホイール７０を用いた光源装置７４の一例を示す。励起光２００は、ホイール基板３１の構造体３２が設けられている側から蛍光体１００に照射され、励起光２００の一部と蛍光体１００が発した蛍光とは、ピックアップレンズ６によって捕捉される。ピックアップレンズ６によって捕捉された光は、実施例１で説明したコリメート光学系１１へ進行する。このようにして、光源装置７４はプロジェクターの光源として利用される。このような反射型のホイール基板であっても、実施例１で説明した透過型のホイール基板と同様、システム全体としての光利用効率を向上させる効果が得られる。
【００７７】
反射型の蛍光体ホイール７０の場合、ホイール基板３１として透明部材を用いる必要はない。ホイール基板として金属を用いれば、蛍光体１００で生じた熱を効果的に放散させることができる。この場合、実施例１の変形例１で示したように、ホイール基板の表面に設けた溝に発光素子４０を設けることが好ましい。この構成によれば、蛍光体１００で生じた熱を、さらに効率的に放散させることができる。さらに、アルミ等の光反射率が高い金属を用いれば、ホイール基板自体が反射部材として機能するため、反射部４３や反射層７２を設ける必要がない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明に係る蛍光体ホイール、光源装置及びプロジェクターは、レーザー光を用いて画像を表示する場合に有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１  プロジェクター、２  レーザーダイオードアレイ、３  レーザーダイオード、４  集光レンズ、５  蛍光体ホイール、６  ピックアップレンズ、７  蛍光体ホイール、１０  光源装置、１１  コリメート光学系、１２  ロッドインテグレーター、１３  重畳レンズ、１４  第１ダイクロイックミラー、１５  第２ダイクロイックミラー、１６、１７、１９  反射ミラー、１８  リレーレンズ、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ  入射側偏光板、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ  液晶パネル、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ  射出側偏光板、２３  クロスダイクロイックプリズム、２４  投写光学系、３１  ホイール基板、３１ａ  表面、３２  構造体、３３  ホイールモーター、３４ａ  第１の側面、３４ｂ  第２の側面、４０  発光素子、４１  蛍光体層、４１ａ  入射面、４２  光透過層、４２ａ  蛍光出射面、４３ａ  第１の反射部、４３ｂ  第２の反射部、４４  ダイクロイック膜、４５  ホイール基板、４５ａ  表面、４６  溝、４７  熱伝導部、４８  溝、４９  凹凸構造、５０  蛍光体ホイール、５１  単位構造体、５２  蛍光体層、５２ａ  入射面、５３  光透過層、５３ａ  蛍光出射面、５４  反射部、５４ａ  第１の反射部、５４ｂ  第２の反射部、５５  反射部、５５ａ  第３の反射部、５５ｂ  第４の反射部、５６  ダイクロイック膜、５７  発光素子、７０  蛍光体ホイール、７２  反射層、７４  光源装置、１００  蛍光体、２００  励起光、Ｎ  法線、Ｒ  回転軸
【図１】
2012098438.tif 000003
【図２】
2012098438.tif 000004
【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】
2012098438.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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