(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトな構成で光源の光利用効率を高めることができる光学部材及びそれを有する画像表示装置を提供する。【解決手段】基板１と、基板に設けられ、励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部２と、を備える。蛍光体部は、励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有する。凹凸面の形状は、凹凸面の形状の計測を行う計測面積をＳ、計測面積の内の凸形状部の個数をＮ、凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］、０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］の条件式を満たす。【選択図】図１
2017037106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられ、励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部と、を備え、
前記蛍光体部は、前記励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有し、
前記凹凸面の形状は、前記凹凸面の形状の計測を行う計測面積をＳ、前記計測面積の内の前記凸形状部の個数をＮ、前記凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、
０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］
０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］
の条件式を満たすことを特徴とする光学部材。
【請求項２】
前記凸形状部の平均高さは、前記複数の凸形状部の頂点位置の平均と前記複数の凹形状部の底面位置の平均の差分であることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記複数の凸形状部は、前記蛍光を発する蛍光体によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部材。
【請求項４】
前記蛍光体部は、前記蛍光を発する蛍光体層、および前記複数の凸形状部を構成する微粒子を含み、
前記微粒子は、前記蛍光体層とは異なる材料によって形成され、前記蛍光体層の上に設けられていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項５】
前記複数の凸形状部の平均径は、０．５μｍ以上２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項６】
前記複数の凸形状部は、成型により形成されることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項７】
前記複数の凸形状部は、前記凹凸面においてランダムな位置に形成されていることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項８】
前記複数の凸形状部は、球形状、半球形状、柱形状、および錐形状のうち少なくとも１つの形状を有していることを特徴としる請求項１から７のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項９】
前記基板は、円板形状を有し、該円板形状の周方向に回転可能に構成され、
前記蛍光体部は、前記基板の回転軸を中心に円形状又は円弧状に形成されることを特徴とした請求項１から８のうちいずれか１項に記載の光学部材。
【請求項１０】
基板、および該基板に設けられ励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部を含む光学部材と、
前記励起光を前記蛍光体部に照射する励起光源と、を備え、
前記蛍光体部は、前記励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有し、
前記凹凸面の形状は、前記凹凸面の形状の計測を行う計測面積をＳ、前記計測面積の内の前記凸形状部の個数をＮ、前記凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、
０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］
０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］
の条件式を満たすことを特徴とする光源装置。
【請求項１１】
前記励起光源から前記光学部材までの前記励起光の光路に、該光路に対して斜めに配置されたダイクロイックミラーを更に有し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光源からの前記励起光を前記蛍光体部に導き、前記蛍光体部からの光を外部に出射することを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記ダイクロイックミラーは、
前記励起光の波長の光を透過し、前記蛍光体部からの蛍光の波長の光を反射する第１の領域と、
前記励起光の波長の光、および前記蛍光体部からの蛍光の波長の光の両方を反射する第２の領域と、を有することを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
入射光を変調することで画像を生成する画像表示素子と、
請求項１０から１２のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を前記画像表示素子へと照明する照明光学系と、
前記画像表示素子からの光を投影する投影光学系と、を有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源に関し、特に画像表示装置の光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高輝度の画像を投影する画像表示装置の光源として、レーザと蛍光体を組み合わせた光源装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、レーザ光源からの光をダイクロイックミラーにより、カラーホイール上の蛍光体または青色光用拡散部へ導き、蛍光体からの発光および励起光の拡散光を画像表示素子に照射する光源装置を開示している。ここで、特許文献１では、蛍光体により散乱される青色レーザ光の拡散光が、蛍光体が発する蛍光による画像の色純度を低下させるため、青色をカットする遮光ホイールを用意している。そして、蛍光のホイールと遮光ホイールの回転を制御することで色純度を高める構成を提案している。
【０００４】
また、特許文献２は、蛍光体の光利用効率向上のため、蛍光体表面に１０μｍから１００μｍの構造周期を有する凹凸形状を形成する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２８５２２号公報
【特許文献２】特開２０１２−６８４６５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は、カラーホイールに青色のレーザ光を拡散反射させて青色光として利用する領域と、蛍光体の発光領域と分離して配置している。しかし、カラーホイールの領域を蛍光体のみとし、蛍光体による励起光の拡散光を光源として利用すれば、光利用効率は高くなる。特に、画像表示素子として赤、緑、青色を用いる３板式の投射型画像表示装置の場合には上記の構成が有利である。その場合、蛍光体表面または内部散乱光の拡散度が低いと、蛍光体からの拡散光を利用する場合に光量が不足する。
【０００７】
また、特許文献２は蛍光体表面に表面凹凸構造を用いているが、蛍光体に入射するレーザ光源の散乱光については言及していない。そのため、光学系の寸法を維持しつつ各色とも充分な輝度を確保することが困難である。
【０００８】
本発明は、コンパクトな構成で光源の光利用効率を高めることができる光学部材、光源装置、及びそれを用いた画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての光学部材は、基板と、基板に設けられ、励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部と、を備える。蛍光体部は、励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有する。凹凸面の形状は、凹凸面の形状の計測を行う計測面積をＳ、計測面積の内の凸形状部の個数をＮ、凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］、０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］の条件式を満たすことを特徴とする。
【００１０】
本発明の別側面としての光源装置は、基板、および該基板に設けられ励起光が照射されることで蛍光を発する蛍光体部を含む光学部材と、励起光を前記蛍光体部に照射する励起光源と、を備える。蛍光体部は、励起光を反射する複数の凸形状部と複数の凹形状部とからなる凹凸面を有する。凹凸面の形状は、凹凸面の形状の計測を行う計測面積をＳ、計測面積の内の凸形状部の個数をＮ、凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］、０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］の条件式を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンパクトな構成で光源の光利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における光源装置の構成概略図である。
【図２】本発明の実施形態における蛍光体部材の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態における表面層の断面図である。
【図４】本発明の実施形態における反射拡散量と散乱角度の特性を示す図である。
【図５】本発明の実施形態における凹凸形状の平均高さおよび平均周期を示す図である。
【図６】本発明の実施例１および実施例２における蛍光体部材の構成例を示す図である。
【図７】実施例１および比較例の表面層の断面図である。
【図８】実施例１および比較例の反射拡散量と散乱角度の特性を示す図である。
【図９】実施例２の投射型画像表示装置の構成概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の光源装置１００の簡易的な構成を示す概略図である。光源装置１００は、レーザ光源１０、光学系１２、ダイクロイックミラー１３、集光光学系１５、および蛍光体部材１６（光学部材）からなる。
【００１５】
まず、レーザ光源１０から発せられた励起光１１は、光学系１２により略平行光となり、ダイクロイックミラー１３に入射する。ダイクロイックミラー１３は、第１の領域１４ａと第２の領域１４ｂからなり、第１の領域１４ａはレーザ光源の波長の光を透過する特性を有する。そのため、励起光１１は、ダイクロイックミラー１３を透過する。
【００１６】
ダイクロイックミラー１３を透過した励起光１１は、集光光学系１５によって集光され蛍光体部材１６に照射される。蛍光体部材１６の蛍光体層２は、励起光１１の一部を吸収し、励起光１１よりも長波長の光（蛍光）を放射する。また、蛍光体層２に吸収されなかった励起光１１は、蛍光体部材１６の表面反射・拡散および内部散乱により拡散光として拡散反射される。
【００１７】
図１では、励起光１１の拡散反射光を１７Ｌａ，１７Ｌｂ，１７Ｌｃ、蛍光体層２の拡散発光（蛍光）を１７Ｐａ，１７Ｐｂ，１７Ｐｃとして重ねて点線で示している。以降、特に説明のない限り、これら励起光１１の拡散反射光と蛍光体層２の拡散発光とをまとめて、拡散光と呼ぶ。ここで、各添え字ａ，ｂ，ｃの違いは、拡散角度の違いを表している。１７Ｐｂ，１７Ｌｂは面法線に対して低角度の成分に対応し、１７Ｌｃ，１７Ｐｃ，１７Ｌａ，１７Ｐａは面法線に対して高角度の成分に対応する。
【００１８】
蛍光体部材１６からの各拡散光は、集光光学系１５によりダイクロイックミラー１３に再入射する。ここで、蛍光体層２の蛍光の波長に対して、ダイクロイックミラー１３の第１の領域１４ａと第２の領域１４ｂとの両方が反射特性を有する。そのため、拡散光１７Ｐａ，１７Ｐｂ，１７Ｐｃは、ダイクロイックミラー１３で反射されて出射部１８から外部へ出射される。
【００１９】
一方、励起光１１の波長に対しては、第２の領域１４ｂは反射特性を有するが、第１の領域１４ａは透過特性を有している。そのため、高角度に拡散した成分の１７Ｌａ，１７Ｌｃは、蛍光体層２の拡散光と同様に第２の領域１４ｂで反射され出射部１８から出射されるが、低角度に拡散した成分１７Ｌｂは、第１の領域１４ａを透過しレーザ光源１０の側へ戻る。
【００２０】
励起光１１の拡散光１７Ｌｂのレーザ光源１０の側へ戻る光量は、拡散角度や第１の領域１４ａおよび第２の領域１４ｂの形状や面積比に依存する。上記理由から、第１の領域１４ａの面積をできるだけ小さく、かつ第２の領域１４ｂの面積をできるだけ大きくすることが望ましいが、実際にはレーザ光源１０の構成や光源装置１００の取り得るサイズで実現することは困難である。そのため、集光光学系１５との関係からも、およそ１０ｄｅｇから２０ｄｅｇの低角度で拡散する成分の多くはレーザ光源１０の側へ戻る。
【００２１】
すなわち、図１の構成で使用する場合に、特に蛍光体層の表面等で正反射する成分や、表面散乱光または反射拡散光のうち１７Ｌｂは損失するため、光源装置１００の光利用効率を高めるためには蛍光体部材１６からの光のうち低角度成分を低減する必要がある。そこで、本発明の光源装置１００では、蛍光体部材１６の表面を凹凸形状（凹凸面）とすることにより、励起光１１の拡散反射の角度特性を制御する。
【００２２】
図２は、蛍光体部材１６の表面形状の一例を示す概略図である。ここでは、蛍光体部材１６として、基板１の上に蛍光体層２と表面層３が順に形成された構造を示す。本実施形態において表面層３には、微小な半球形状からなる凹凸形状が形成されており、この表面層３により励起光が高角度に拡散反射される。また、表面層３と蛍光体層２の間の界面の屈折率差は小さく、蛍光体層２の表面での光反射および散乱は抑制される。このとき、蛍光からの発光成分も表面層３により散乱されるが、蛍光からの発光は元々角度に対し等方的に拡散するため、表面層３による散乱の影響は小さい。ここで表面層３の凹凸形状に対し、ある面積Ｓ（計測面積）内の領域における凸形状部の個数をＮ、凸形状部の平均高さを＜Ｈ＞としたとき、表面層３は下記条件式を満たす。
０．５≦√（Ｓ／Ｎ）＜２．５［μｍ］・・・（１）
０．５≦＜Ｈ＞≦５．０［μｍ］・・・（２）
√（Ｓ／Ｎ）はｘｙ面内の面積Ｓ内における凹凸形状の周期を概算した量であり、条件式（１）は凹凸形状の平均周期が略０．５μｍから２．５μｍの範囲に収まる必要があることを示している。また、条件式（２）は、凹凸形状の平均高さ＜Ｈ＞が０．５μｍ以上５．０μｍ以下であることを示している。ここで面積Ｓが小さすぎる場合、凹凸形状の周期の計測においてバラつきの影響が大きいため、Ｓは少なくとも（Ｓ／Ｎ）の１０倍以上の面積とする。
【００２３】
図３（ａ）から図３（ｄ）は、図２に示した表面層３のある高さでの断面形状の一例を示す。図３（ａ）から図３（ｄ）はそれぞれ４０ｕｍ四方の領域を表し、半球の平均粒径＜φ＞が１ｕｍ，２ｕｍ，４ｕｍ，６ｕｍの場合を示している。また、それぞれの白球は図２の半球の断面を示しているが、１つ１つの球の大きさと位置はある程度のばらつきを有している。このときの平均粒径Ｎおよび条件式（１）（２）の値を表１に示す。また、このとき各構造に入射した光の反射強度を拡散角度に対してプロットした結果を図４に示す。図４の縦軸は反射拡散量を示し、横軸は散乱角度［ｄｅｇ］を示している。図４において、実線が図３（ｄ）、点線が図３（ｃ）、破線が図３（ｂ）、二重線が図３（ａ）に対応している。条件式（１）（２）を満たす図３（ａ）および図３（ｂ）に対応する二重線および破線は、散乱角度が高角度の場合に、図３（ｃ）や図３（ｄ）に対応する点線および実線よりも反射拡散量が高い値を示している。
【００２４】
具体的には、表２において、図３の各構造における、ある角度範囲での反射拡散量の総和を示す。ｉは０ｄｅｇから１５ｄｅｇまでの範囲における反射拡散量、ｉｉは１５ｄｅｇから６０ｄｅｇまでの反射拡散量を示している。６０ｄｅｇは、集光光学系１５による取り込み可能な角度の目安としている。ｉｉｉは０ｄｅｇから８０ｄｅｇの範囲の反射拡散量の総和を示し、ｉｉ／ｉｉｉは総反射量ｉｉｉに対するｉｉの比率を表している。１７Ｌａや１７Ｌｃとして取り込みを見込める強度は、平均周期が５μｍの例では２５．５％であるのに対し、平均周期が１μｍの例では６７．５％に増大する。実際には、表面反射だけでなく蛍光体内部の拡散成分に寄与するものの、図３（ａ）や図３（ｂ）の構造とすることで拡散特性が改善されて励起光の拡散成分の損失を抑制できる。
【００２５】
上記の結果から凹凸形状の粒径は、図４の拡散特性に大きな影響を与えるパラメータであることがわかる。より具体的には、拡散特性は、凹凸形状の粒子配列の周期や凹凸形状の高さの影響を受け、周期構造に由来する回折や、微小な凹凸に由来する散乱（Ｍｉｅ散乱）特性に左右される。凹凸形状を条件式（１）の範囲とすることで、規則的な周期構造による回折の発生次数を低次（１次〜２次）に抑えられ、それと伴に凹凸形状の斜面方向への光波の伝搬を強められるため、高角度の散乱成分が増大する。さらに、凹凸のランダム配列により、光拡散量が角度に対してブロードとなるので、局所的な輝度の集中を抑えられ、図４に示すような角度分布を得られる。その結果、低角度の散乱成分が低減され、損失となる図１の１７Ｌｂの光量を抑制できる。
【００２６】
図３の凹凸形状に対する詳細な平均周期を求める方法として、例えば、図５（ａ）のある断面Ｘにおいて、図５（ｃ）に示すように各々の凹凸の中心位置の間の最近接距離をＰ１，Ｐ２，…，Ｐｉとし、その平均距離（平均周期）＜ｒｉ＞を求める方法がある。または、３次元分布上の各球の中心座標からの距離ｒに対する粒子密度として動径分布関数Ｄ（ｒ）を求める方法等でもよい。これらの値から求められる値を平均周期として用いても良いが、＜ｒｉ＞やＤ（ｒ）を求めるには凹凸形状の中心座標の評価および統計処理を含むため容易ではない。より簡易的に凹凸形状の平均周期を求める方法として、図３の領域の面積をＳとしたとき、その面積Ｓを面積Ｓ内の凹凸形状の数（ここでは半球粒子の数）Ｎで割り、平方根をとることで平均周期を見積もれる。
【００２７】
Ｎの算出方法として、３次元の表面形状を計測して取得（方法は後述する）した上で、凹凸形状を目視でカウントする方法がある。他には、計測により得られた表面形状の平均高さ、又は（最大高さ−最小高さ）／２の位置で断面画像を取得し、凹凸形状の領域とそうでない領域とで２値化する。例えば、凹凸形状の材料領域を黒、そうでない領域を白としたとき、黒で占められる領域の個数をカウントすることで得られる。さらには、画像の黒領域の其々の形状を微小球で近似したときの微小球の個数をカウントすることでＮを算出する方法でもよい。このような計測方法は、計測する面積Ｓの領域が広い程、平均化され、精度が高まる。そのため面積Ｓの大きさは、少なくとも一辺１０μｍ以上、すなわち１００μｍ２以上の領域であるとする。本発明では、この√（Ｓ／Ｎ）をみかけの平均周期とみなして、平均周期が０．５μｍ以上２．５μｍ以下となるように構成することで所望の拡散特性を得る。平均周期が２．５μｍを上回る場合は高次回折が増える上に、図４に示したように低次光の強度が強まるため、光源側へ戻る光量が増大して所望の角度領域の光量が減少する。０．５μｍを下回る領域は、構造周期が微細化して製造難度が増大するだけでなく、蛍光体の励起光源波長における回折限界に近づくため望ましくない。よって、√（Ｓ／Ｎ）は０．５μｍ以上２．５μｍ以下とすることが望ましい。
【００２８】
また、凹凸形状の高さについては、凹凸形状の高さが十分でなければ構造のない平面形状からの反射特性に近づくため望ましくない。凹凸形状の平均高さ＜Ｈ＞は、図５（ｂ）に示すように各構造の高さＨ１，Ｈ２，…，Ｈｉ，を定義したとき、その平均高さ＜Ｈ＞が０．５μｍから５．０μｍの範囲に収まることが望ましい。具体的な算出方法としては、平均周期のカウントの際に抽出した凹凸形状の各凸形状部の最大値を計測し、それを平均化して平均高さ＜Ｈ＞とすれば良い。ただし、凹凸形状の低部に残差があるような場合には、凹形状部の最小値の高さも計測して平均化する必要がある。例えば、平均周期のカウントで用いた２値画像から、抽出した凹凸形状の凸形状部の頂点部の高さ（頂点位置）と、頂点部近傍（１〜２周期内）における凹凸形状の凹形状部の底面部の高さ（底面位置）を其々計測して平均化し、その差分を平均高さ＜Ｈ＞とする。ここで、高さとは、基板１から蛍光体層２へ向かう法線方向の位置である。
【００２９】
このとき、＜Ｈ＞が５．０μｍを超える場合には、構造のアスペクト比が増大し凹凸形状の強度の低下等の悪影響が増え、製造の難度が高まるため望ましくない。反対に０．５μｍを下回る場合には平坦面としての特性に近づくため本発明の効果が低下する。
【００３０】
さらに、波長に対して数倍程度の周期構造においては、波動光学的な効果に加えて凹凸形状の表面による反射の効果が重畳される。そのため平均周期を√（Ｓ／Ｎ）および平均高さを＜Ｈ＞としたとき、構造のアスペクト比に相当する√（Ｓ／Ｎ）／＜Ｈ＞は、０．５以上２以下であることが望ましい。０．５以下の場合には、光線の反射角度が高角度になり過ぎる。逆に２．０以上では、多重反射の成分や内部へ透過する成分が増大する。ただし、図３や図４から判るように単純に幾何的な作用だけを考えれば図３（ａ）から図３（ｄ）での差は生じない。上記√（Ｓ／Ｎ）／＜Ｈ＞に関する条件は、式（１）および式（２）を満たした上で、さらに所望の角度領域での光波の強め合いを行うための条件である。
【００３１】
なお、表面形状の測定方法には、様々な方法を任意に選択できる。ＡＦＭや干渉計測法を用いた方法、レーザ顕微鏡を用いた３Ｄ計測装置などを用いれば、表面形状を破壊せずに計測できる。また、断面ＳＥＭ等の手法を用いても良い。得られた表面形状は、測定倍率やスキャン範囲や解像度に応じてある程度、周波数に対するフィルタリングがかかっている。また、測定時に素子のたわみやうねり等により誤差が生じる場合がある。それらの値は、本発明の条件式には無関係であるため、所定の処理を行って排除する。
【００３２】
一般に、面積Ｓ内で凹凸形状として判別可能なサイズや形状には、表面層３の凹凸形状だけでなく、大小のうねりを含む多様な表面状態が影響する。本発明においては、発明の効果を規定する条件式（１）を十分含む、構造周期１００ｎｍ以上１０μｍ以下の面内寸法と構造高さ０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲のものを凹凸形状と定義する。
【００３３】
上記範囲よりも微細な周期については、平均化等により平坦化処理を行うことが望ましい。１０μｍ以上の周期では、うねりについて高さ補正を行ったうえで＜Ｈ＞および√（Ｓ／Ｎ）を求めることが望ましい。局所的に凹凸密度の濃淡が１００ｕｍ以上のスケールで存在する場合には、３から５領域程度の異なる領域での＜Ｈ＞および√（Ｓ／Ｎ）の平均値を用いることが望ましい。
【００３４】
また、平均高さ＜Ｈ＞は、ＪＩＳ規格の粗さ曲線要素の平均高さ：Ｒｃに対応する量であるため、測定においてＲｃの値を用いても良い。√（Ｓ／Ｎ）は、ＪＩＳ規格表面粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍに対応する量であるため、測定においてＲｓｍの値を利用しても良い。その場合、面積Ｓ内の直交する２方向に対して線粗さの測定を１０本以上行い、その平均値を適用する方法で算出する。さらには、取得した表面形状の２次元高さ画像（例えば高さ成分を２５５値に分割したｂｍｐ画像など）をフーリエ変換することにより、表面形状を周波数成分に分解できる。
【００３５】
１００ｎｍ以下や１０μｍ以上の周波数成分をカットオフした上で、信号強度と周波数成分から平均値を求めることで、より高い精度で平均周期を求められる。これらのデータは、上述の式（１）および式（２）の説明で用いた手法よりも、正確に求められることがより望ましいが、上述の手法であっても本発明の効果は達成できる。
【００３６】
以下の説明において、凹凸形状のサイズ（平均構造幅）を＜φ＞とし、凹凸形状の平均周期を＜Ｐ＞とする。凹凸形状が完全に規則配列している場合、＜φ＞と＜Ｐ＞とが一致する。その場合、反射拡散光は、回折により求まる特定角度に集中する。そのような場合であっても回折角度が、ダイクロイックミラーの第１の領域の範囲に反射拡散するものでなければ利用効率の低下を抑制できる。ただし、均一性の高い周期構造からの回折光は角度分布が狭く、液晶プロジェクタ等の照明に用いた場合に画面内で輝度ムラや色ムラが生じる可能性がある。そのため、表面層３の凹凸形状の配列は完全周期構造ではなく、ランダム性を有することが望ましい。ランダム配置などにより配列が乱れると面積Ｓ内の凹凸構造の数が増減するため一般的に＜Ｐ＞と＜φ＞は乖離する。ランダム性の評価尺度として前述の平均周期＜Ｐ＞と平均構造幅＜φ＞の差分を用い、面積Ｓが周期の１０倍である１０＜Ｐ＞＾２以下の領域において当該差分｜＜Ｐ＞−＜φ＞｜が０．０１以上の構造を有することが望ましい。
【００３７】
本発明の構造を作製する方法としては、様々な手法を適用できる。まず凹凸構造の形状については半球だけでなく、球形、楕円（半）球、柱形状、多角形状、錘形状、錐形状、台錐形状もしくはそれらの組み合わせを製法に合わせて用いることができる。例えば、蛍光体層表面に凹凸形状を作製する場合には、蛍光体微粒子を利用する方法が考えられる。多角形形状の蛍光体微粒子の粒径分布を予め０．５μｍから２μｍの範囲で揃え、それを焼結もしくはバインダで固着させる。その際、最表面にある蛍光体微粒子の上部半分を露出させるか、もしくは薄いバインダにより、粒子形状が表面に残存するように塗工もしくは成膜する。この手法により、図のような蛍光体微粒子の構造に倣った表面形状とすることができ、蛍光体微粒子の粒径を制御することで条件式（１）および（２）を満足できる。ただし、蛍光体微粒子の粒径は、蛍光の発光効率などに依存する場合があり、粒径を小さくすると表面欠陥の比率の増大によって効率が低下する可能性がある。
【００３８】
他の方法としては、粒径が０．５μｍから２．０μｍ程度の微粒子（シリカ微粒子など）を表面塗布する方法もある。また、塗布以外にも、例えば蛍光体層２の上部に成型により表面層３を作製しても良い。
【００３９】
表面層３の凹凸形状の材料としては、蛍光体層２に蛍光体微粒子を固着させるバインダや、それ以外にもＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂、その他無機ゾルゲル材料等を用いても良い。また、表面層３は、必ずしも蛍光体層２の表面上に形成する必要はなく、蛍光体部として蛍光体層２と一体に成形してもよい。
【００４０】
さらには、表面層３の代わりに別の基板上に凹凸形状を作製し、その基板の凹凸形状を蛍光体層の表面近傍に配置させてもよい。この場合も同様の効果を期待できる。ただし、凹凸形状の面が蛍光体層２の表面から離れるほど、蛍光体層２の面上の励起光が集光される面積が拡散により増大し、照明効率が低下する可能性がある。
【００４１】
また、表面反射率の大きさは表面層３の材質の屈折率に依存するが、コーティングによってもある程度制御できる。例えば、上述の方法で作製した表面層３の上面に、表面層３よりも屈折率の高い膜を光学膜厚でλ／４の厚みでつけることで、表面反射の成分を増大させることができる。このように、蛍光体層２に到達する励起光のうち表面拡散反射成分と、蛍光体層２に到達して蛍光の発光に利用される透過成分との比率は、光源装置として必要な色域のバランスや輝度等の用途に応じて適宜最適化できる。上述の製法はあくまで一例であり本発明の効果を限定するものでなく、用途に応じて最適な製法や構成を選択すればよい。
【実施例１】
【００４２】
以下に、本発明の実施例１の光源装置１００について説明する。本実施例の光源装置１００の構成概略図を図１に示す。光源装置１００の素子配置は、上述の通りであり、説明を省略する。
【００４３】
本実施例の光源装置１００では、励起光源として波長４５０ｎｍの青色レーザダイオードを複数個用いて励起することで、高輝度の光源を実現する。また、本実施例の蛍光体層２は、波長４５０ｎｍの光を吸収し、波長５００〜６５０ｎｍ付近を主とする赤色および緑色の光を蛍光として全方位に均等拡散する。その際、同時に励起光１１を拡散させるための凹凸形状を有し、励起光も同時に反射拡散させることにより、実質的に青色、緑色、赤色を含む白色光として反射される。ここで、蛍光体層２を備える蛍光体部材１６は、図６に示すように形成されている。蛍光体層２は、レーザ光源からの強い光を集光して受けるため高温になりやすい。そのため、本実施例では、励起される蛍光体層２の位置を時間的にずらして温度上昇を抑制するために、蛍光体部材１６をホイール状（円板形状）でその周方向に回転可能に形成する。この際、ホイールの回転軸を中心として全周に円形状に蛍光体層２の形成によって、常時蛍光と励起光の拡散光が発せられるため、時間的な輝度変化がなく安定して高い輝度を得られる光源装置１００が提供される。蛍光体層２は、ホイールの回転軸を中心に円形状でなく円弧状に形成してもよい。
【００４４】
蛍光体層２の表面には、図２に示すように表面層３が形成されている。表面層３は、蛍光体層２の表面に形成された略半球のランダム凹凸形状からなる。蛍光体層２は、蛍光体微粒子とバインダからなり、例えば蛍光体微粒子とシリコーン系樹脂バインダを含む材料を金属基板１上にバーコート法等で塗布され、乾燥固化することにより形成される。本実施例において表面層３は、平均径１ｕｍの半球形状を最密充填配置した状態から面内方向位置１００ｎｍ、粒径±１００ｎｍの標準偏差でバラつきを与えた半球構造を型として転写したものである。この構造は、フォトリソグラフィや電子線描画装置等を用いることで作製できる。また、表面層３の材料としては、蛍光体バインダと同等のものとしているが、シリカ等の無機材料を含むゾルゲル材料や、ナノインプリントプロセスで用いられる熱可塑性樹脂または紫外線硬化樹脂等の材料であってもよい。
【００４５】
このような手法により得られた表面層３のある高さにおける１０μｍ四方の面積Ｓの領域について、面法線と垂直方向の断面図を図７（ａ）に示す。そのうち、直線Ｌでの断面図を図７（ｂ）に示す。図７（ａ）は、図７（ｂ）の高さ平均位置ｓでの断面に対応する。
【００４６】
比較例として、平均径５μｍ，方向位置１５００ｎｍ，粒径±１５００ｎｍの標準偏差でバラつきを与えた半球構造を型として転写した構造を図７（ｃ）および図７（ｄ）に示す。
【００４７】
図７（ａ）から図７（ｄ）は、波長４０５ｎｍのレーザ顕微鏡３Ｄ計測装置を用いて表面層３の３次元形状を縦横４０μｍ、高さ範囲±２．０μｍの範囲で取得したのち、高さ位置ｓ＝５００ｎｍでの水平断面を取得した結果を示している。
【００４８】
図８は、本実施例の反射拡散量と角度分布のグラフを実線で示し、比較例の構造における同様のグラフを点線で示す。表３は本実施例および比較例について条件式（１）（２）との関係を示し、表４は表２と同様の反射拡散量の角度分布を比較した結果を示す。表３より、本実施例は条件式（１）および（２）を満たしていることがわかる。また、図８および表４より、特に１５ｄｅｇから６０ｄｅｇでの反射拡散量が０．２０７から０．６５６へと増大している。これにより、本実施例の蛍光体部材１６が、励起光の拡散光の青色光を効率よく利用できることが分かる。
【実施例２】
【００４９】
次に、本発明の実施例２の投射型画像表示装置２００について説明する。本実施例の投射型画像表示装置２００の構成概略図を図９に示す。実施例１と共通する部分については説明を省略する。
【００５０】
投射型画像表示装置２００では、まず実施例１の光源装置１００から発せられた赤色照明光１０２ｒ，緑色照明光１０２ｇ，青色照明光１０２ｂ（実線＋点線）からなる白色照明光１０２が偏光変換素子１０３を通過する。実線および点線は、照明光の光路を示す。図９では便宜上、照明光を色ごとに空間的に分離して記載しているが、現実にはこの３つの光はこの段階では空間的に分離されていない。
【００５１】
偏光変換素子１０３を通過する際に白色照明光１０２は、一様な偏光（実線）に揃えられた赤色照明光１０４ｒ，緑色照明光１０４ｇ，青色照明光１０４ｂに変換される。その後、緑色照明光１０４ｇは、その後ダイクロイックミラー１０５により青色光および赤色光と分離される。そして緑色光照明光１０４ｇは、偏光分離素子（以下ＰＢＳ）１０８および位相補償板１１２ｇを透過して画像表示素子１１１ｇに照明される。すなわち、偏光変換素子１０３，ダイクロイックミラー１０５，ＰＢＳ１０８，位相補償板１１２ｇは、画像表示素子１１１ｇに緑色照明光１０４ｇを導く照明光学系として働く。
【００５２】
色分離された赤色照明光１０４ｒおよび青色照明光１０４ｂは、偏光板１０６を透過した後に色選択性位相板１０７に入射する。色選択性位相板１０７は、青色光１０４ｂのみ偏光方向を９０°変換させる特性を有している。そのため、赤色照明光１０４ｒの偏光状態を維持したまま、青色照明光１０４ｂの偏光方向を９０°回転した状態でＰＢＳ１０９に入射させることができる。その後、赤色照明光１０４ｒはＰＢＳを透過し、青色照明光１０４ｂはＰＢＳで反射して、それぞれ位相補償板１１２ｒ，１１２ｂを透過し、その後に画像表示素子１１１ｒ，１１１ｂに照明される。すなわち、偏光変換素子１０３，ダイクロイックミラー１０５，ＰＢＳ１０９，位相補償板１１２ｒ又は位相補償板１１２ｂは、画像表示素子１１１ｒ，１１１ｂにそれぞれ赤色照明光１０４ｒと青色照明光１０４ｂを導く照明光学系として働く。
【００５３】
画像表示素子１１１ｇ，１１１ｂ，１１１ｒは、それぞれ入射光を変調して画像光を生成する。そのため、各色の照明光１０４ｇ，１０４ｂ，１０４ｒは、画像表示素子１１１ｇ，１１１ｂ，１１１ｒにより画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒへと変換される。画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒは、ＰＢＳ１０８，１０９や合成プリズム１１８により各色合成された後、投射レンズ１２０（投影光学系）によりスクリーンへ投射されて画像を形成する。
【００５４】
ここで、本実施例の投射型画像表示装置２００は、光源装置として実施例１の光源装置１００を用いることにより、色特性と光利用効率を両立できる。
【００５５】
レーザ光源からの光を拡散光光源として利用する方法として、例えば蛍光体を励起する光源と青色光として用いる光源の配置を分けるなど、本発明の方法以外にも様々な方法が考えられる。しかし、別途光源や拡散部材を配置する場合には、光学系が大きくなり光源装置の全体としてのサイズも大きくなる。また、この場合、部品点数の増大等の懸念がある。また、蛍光体表面での散乱光は損失となるため、光利用効率はその分低下すると考えられる。本発明の構成は、コンパクトな光学系でありながら光利用効率が高い投射型画像表示装置を提供できる。
【００５６】
投射型画像表示としては、図９以外にも様々な方式があるが、光源装置１００の構成として異なる波長の蛍光光と励起光の拡散光とを同時に照明光として利用可能な構成が望ましい。また、各色の画像の表示に対応した複数の画像表示素子を有する画像表示装置がより望ましい。図９では反射型の画像表示素子を３枚用いた構成としているが、透過型の画像表示素子を用いた場合等であっても良い。
【００５７】
以上のように、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
【表２】
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【００６０】
【表３】
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【００６１】
【表４】
2017037106.tif 000006
【符号の説明】
【００６２】
１    基板
２    蛍光体層
３    表面層
【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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