(57)【要約】【課題】蛍光体部での発光と光取り込み効率を向上させ、より高い輝度を実現する。【解決手段】波長変換素子２０は、バインダ４内に蛍光体粒子５が分散した蛍光体部１０を有し、蛍光体部は厚み方向において互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、第２の面側から励起光が照射される。蛍光体部を第１の面側にある第１の部分１０ａと第２面側にある第２の部分１０ｂとに厚み方向に２等分したときの第２の部分での蛍光体粒子の体積密度を、第１の部分での体積密度よりも高くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、
前記蛍光体部は厚み方向において互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、前記第２の面側から励起光が照射される波長変換素子であって、
前記蛍光体部を前記第１の面側にある第１の部分と前記第２面側にある第２の部分とに前記厚み方向に２等分したときの前記第２の部分での前記蛍光体粒子の体積密度が、前記第１の部分での前記体積密度よりも高いことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記蛍光体部を支持する基板を有し、
前記第１の面は、前記基板に接し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の部分での前記体積密度をρ１とし、前記第２の部分での前記体積密度をρ０とするとき、
１．１≦ρ１／ρ０≦４．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記第１の部分での前記体積密度をρ１とし、前記第２の部分での前記体積密度をρ０とするとき、
２５％≦ρ１≦７０％
１５％≦ρ０≦５０％
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記蛍光体部の厚みが、前記蛍光体粒子の平均粒径の５倍以上であ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】
前記バインダの材料と前記基板の材料との線膨張係数の差が、５０×１０−７／Ｋ以上２００×１０−７／Ｋ以下であ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７】
前記バインダ内に前記蛍光体粒子とは異なる無機粒子が分散しており、
前記無機粒子と前記バインダとの屈折率差が０．０５以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
励起光を発する光源と、
請求項１から７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９】
前記蛍光体部の前記第２の面上での前記励起光の最大強度が、１０Ｗ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第２の面上において前記励起光の強度が前記最大強度の５０％以上の領域の面積が、４ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれかに記載の光源装置と、
該光源装置からの光を光変調素子により変調することで画像を投射する光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項１２】
バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、前記蛍光体部は厚み方向において互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、前記第２の面側から励起光が照射される波長変換素子の製造方法であって、
前記バインダ内に第１の体積密度で前記蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、前記バインダ内に前記第１の体積密度より高い第２の体積密度で前記蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意し、
前記第２の材料が前記第２の面側に位置するように前記第１の材料と前記第２の材料とを積層することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光を波長変換して蛍光光を発する波長変換素子およびこれを用いた光源装置に関し、特に画像投射装置に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光源装置では、レーザ光等の励起光を高密度に集光して波長変換素子の蛍光体層に照射することで、効率良く蛍光光を発光させる。蛍光体層は、バインダと該バインダ内に分散した蛍光体粒子とにより構成される。
【０００３】
このような光源装置の高輝度化のためには、励起光の強度を高める、蛍光体層の温度上昇を抑えて温度消光（効率低下）を抑制するおよび蛍光体層に対する励起光の照射領域のサイズを小さくして後段の光学系による光取り込み効率を高める等の方法がある。ただし、これらの全てを同時に実現することは難しい。特許文献１には、蛍光体層における蛍光体粒子の体積濃度と蛍光体層の厚みを適切に設定することで、蛍光体層での高い光利用効率を得る波長変換素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１６２０２０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、特許文献１には、蛍光体層に入射する励起光の光密度については言及されていない。また、蛍光体層内の蛍光体粒子の密度分布についても言及されていない。つまり、特許文献１には、蛍光体層内の蛍光体粒子の密度分布を含めた高輝度化のための構成までは開示されていない。
【０００６】
本発明は、蛍光体層（蛍光体部）での発光と光取り込み効率を向上させ、より高い輝度を実現できるようにした波長変換素子およびこれを用いた光源装置や画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての波長変換素子は、バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、蛍光体部は厚み方向において互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、第２の面側から励起光が照射される波長変換素子である。該波長変換素子は、蛍光体部を第１の面側にある第１の部分と第２面側にある第２の部分とに厚み方向に２等分したときの第２の部分での蛍光体粒子の体積密度が、第１の部分での体積密度よりも高いことを特徴とする。
【０００８】
なお、励起光を発する光源と上記波長変換素子とを有する光源装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【０００９】
また、上記光源装置と、該光源装置からの光を光変調素子により変調することで画像を投射する光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【００１０】
さらに、本発明の他の一側面としての製造方法は、バインダ内に蛍光体粒子が分散した蛍光体部を有し、蛍光体部は厚み方向において互いに反対側にある第１の面と第２の面とを有し、第２の面側から励起光が照射される波長変換素子の製造方法である。該製造方法は、バインダ内に第１の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、バインダ内に第１の体積密度より高い第２の体積密度で前記蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意し、第２の材料が第２の面側に位置するように第１の材料と第２の材料とを積層することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、蛍光体部における蛍光体粒子の体積密度を適切に設定することで、蛍光体層での発光とその後の光取り込み効率を向上させることができ、光源装置に用いた場合により高い輝度を実現できるようにした波長変換素子を提供することができる。そして、このような波長変換素子を用いることで、光源装置や画像投射装置の高輝度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である光源装置の構成を示す図。
【図２】比較例である光源装置の構成を示す図。
【図３】実施例１の光源装置において蛍光体層内を進行する励起光と蛍光体層内の蛍光光の発光量分布を示す図。
【図４】比較例において蛍光体層内を進行する励起光と蛍光体層内の蛍光光の発光量分布を示す図。
【図５】実施例１の変形例を示す図。
【図６】本発明の実施例２である画像投射装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１には、本発明の実施例１である光源装置１００の構成を示す。光源装置１００は、光源としての発光素子（レーザダイオード）１と、波長変換素子２０と、光源光学系２とを有する。発光素子１は、青色レーザ（波長４５０ｎｍ付近）を励起光６として発する。波長変換素子２０は、基板３と、基板３上に形成されて該基板３により支持された蛍光体層（蛍光体部）１０とを有する。光源光学系２は、発光素子１から発せられた励起光６を波長変換素子２０（蛍光体層１０）に導く。
【００１５】
蛍光体層１０は、バインダ４と、該バインダ４内に分散した複数の蛍光体粒子５とにより構成されている。蛍光体粒子５は、励起光６を吸収して波長変換し、該励起光６よりも長波長（５００ｎｍ〜６５０ｎｍ）の光を蛍光光７として放出する。また、蛍光体層１０は、励起光の一部を波長変換せずに拡散（反射または透過）させる。光源装置１００は、蛍光体層１０から放出された蛍光光７と励起光のうち非変換光である拡散成分（図示せず）との合成光（白色光）を出射する。
【００１６】
発光素子１から発せられた励起光６は、光源光学系２により高密度に集光され、蛍光体層１０における基板３に接する基板接触面（第１の面）とは層厚み方向にて反対側の入射面（第２の面）上の一定面積の領域に照射される。入射面から蛍光体層１０内に入射した励起光６は、蛍光体層１０内で拡散しながら進行し、蛍光体粒子５により吸収されるとそのエネルギの一部が蛍光光７となって蛍光体粒子５から放出され、他のエネルギは熱として放出される。
【００１７】
基板３は、金属（アルミ等）もしくはサファイアやスピネルに蛍光波長に対する増反射コートを施したもの等の反射率および熱伝導性が高い材料により形成されている。基板３は、蛍光体層１０を通過して基板３に到達した励起光６や蛍光体粒子５から放出された蛍光光７を入射面側に反射する作用を有する。また、基板３は、その裏面側（蛍光体層１０とは反対側）において冷却され、蛍光体層１０からの放熱を促進する。
【００１８】
蛍光体層１０を層厚み方向に２等分したときの基板接触面側の半分の部分（第１の部分）を基板側部分１０ｂといい、入射面側の半分の部分（第２の部分）を入射面側部分１０ａという。このとき、蛍光体層１０は、図１中の枠内に拡大して示すように、入射面側部分１０ａにおける蛍光体粒子５の体積密度が基板側部分１０ｂの該体積密度よりも高くなるように形成されている。ここにいう蛍光体粒子５の体積密度（ｖｏｌ％：以下、蛍光体体積密度という）は、蛍光体層１０（バインダ４および蛍光体粒子５）の単位体積において蛍光体粒子５が占める体積の割合である。例えば図１には、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度が３８％であるのに対して、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が５８％である例を示している。このように蛍光体層１０内の蛍光体体積密度を制御（設定）することで、励起光を効率良く蛍光光に変換して高い輝度を得ることができ、さらに蛍光体層１０における蛍光光の発光領域のサイズを小さくすることで高い光利用効率が得られる。また、基板側部分１０ｂにおけるバインダ４の比率を入射面側部分１０ａよりも増やすことにより、基板３と蛍光体層１０との密着性を向上させ、蛍光体層１０の基板３からの剥れを抑制することができる。
【００１９】
図２には、比較例として、蛍光体層１０′内における蛍光体体積密度が層厚み方向にて均一である波長変換素子２０′を示す。また図３および図４のそれぞれの下側には、図１および図２のそれぞれの蛍光体層１０，１０′で発生する蛍光光の発光強度（発光量）の分布を模式的に示している。これらの図において、濃い部分は蛍光光の発光量が高く、薄い部分は発光量が低いことを表す。また、図３および図４のそれぞれの上側には、蛍光体層１０，１０′に入射した励起光６が蛍光体層１０，１０′内を進行する様子を示している。図中の矢印が進行する励起光を示し、矢印の太さがその強度を示している。
【００２０】
蛍光体層における単位体積当たりの蛍光光の発光量は、温度の影響を無視すると、蛍光体粒子の密度、励起光の強度および実効的な光路長の積により決まる。蛍光体粒子内での励起光の散乱（≒実効的な光路長）が一定であるとの仮定の下では、蛍光体粒子の密度が高く、かつ励起光の強度が高い。また、励起光は蛍光体層を層厚み方向（入射面からの深さ方向）に進むにしたがって拡散しながら進行するため、蛍光体層の入射面近傍の集光点から離れるにしたがって強度は減衰していく。さらに、励起光には蛍光体粒子に吸収されて減衰する成分があり、蛍光体粒子の密度が高い領域を通過すると強度が急激に減衰する。
【００２１】
このため、図１に示す本実施例の蛍光体層１０は、図２に示す比較例の蛍光体層１０′に比べて、入射面側部分での励起光の強度が高く、かつ蛍光体粒子５の密度が高い領域が局所的に集中している。このため、本実施例の蛍光体層１０では発光量が高い領域が入射面付近にあるが、比較例の蛍光体層１０′ではそれに比べて発光量が高い領域が深さ方向に広がっている。この結果、本実施例の蛍光体層１０は、比較例の蛍光体層１０′に比べてピーク強度が高くサイズが小さい蛍光光の発光領域を形成することができ、後述するプロジェクタの光学系に対して形成する光源像のサイズを小さくすることができる。これにより、プロジェクタの光学系による取り込み効率を向上させることができる。
【００２２】
また、蛍光体粒子からの蛍光光の発光波長は一般的にブロードであり、蛍光光のうち一部の波長成分が蛍光体粒子自身によって再吸収される場合がある。特に蛍光体層における基板側部分で発光した蛍光光は蛍光体粒子により再吸収されやすい。このため、本実施例のように入射面側部分で多く発光する方が損失を小さくすることができる。
【００２３】
以上のように波長変換素子２０を構成することにより、蛍光体粒子５からの発光強度およびプロジェクタの光学系による光取り込み効率の観点から、高輝度な光源装置１００を得ることができる。なお、先の説明で温度の影響を無視する場合を述べたが、蛍光体層における狭い同一領域に連続的に極めて高密度の励起光が照射され続けると、その領域の温度が急激に上昇し、温度消光による輝度の低下や蛍光体層の割れや基板からの剥れが生じるおそれがある。しかし、温度消光が小さい蛍光体を使用したり蛍光体層を回転する円盤（ホイール）上に形成して該ホイールの回転数を適切に制御したりする方法を用いることで、蛍光体層の熱的な安定性を確保することは可能である。
【００２４】
また、蛍光体層を形成する基板として金属基板を用い、該基板の裏面側を冷却することで放熱効果を高めることができるが、基板と蛍光体層の温度差、さらには線膨張係数の差により発生した応力によって蛍光体層の剥れが発生する場合がある。しかし、本実施例の蛍光体層１０では、その基板側部分１０ｂにおけるバインダ４の比率が入射面側部分１０ａより多いために基板３付近の温度勾配が緩やかであり、しかも基板３との密着性を高めることができ、剥れに対する耐性を高めることができる。このため、基板３と蛍光体層１０との線膨張係数の差が大きい場合でも基板３と蛍光体層１０の密着性を確保することができる。
【００２５】
具体的には、本実施例では、基板３の材料にアルミ（線膨張係数２３×１０−６／Ｋ）を用い、バインダ４の材料としてシリカ系無機バインダ（線膨張係数：０．５×１０−６／Ｋ）を用いている。これにより、線膨張係数の差が１０×１０−６／Ｋ以上であっても、実用上十分な基板３と蛍光体層１０との密着性を得ることができる。バインダ４の材料と基板３の材料との線膨張係数の差は、５０×１０−７／Ｋ以上（更に望ましくは７０×１０−７／Ｋ以上）２００×１０−７／Ｋ以下（更に望ましくは１５０×１０−７／Ｋ以下）であることが望ましい。
【００２６】
高輝度化および小型化を目的とする光源装置において、励起光の強度が高い場合に本実施例の波長変換素子２０を用いることが特に有効である。具体的には、蛍光体層１０の入射面上での励起光の最大強度が１０Ｗ／ｍｍ２以上である場合には、本実施例の波長変換素子２０によって得られる効果が大きい。更に望ましくは、励起光の最大強度が２０Ｗ／ｍｍ２以上である場合には、得られる効果がより大きくなるので望ましい。また、励起光を蛍光体層１０の入射面上に集光する際には、集光サイズが小さいほどプロジェクタの光学系での光取り込み効率を高くすることができ、この結果、該光学系を小型化することができる。具体的には、蛍光体層１０の入射面上における励起光の強度が上記最大強度の５０％以上の領域の面積が４ｍｍ２以下（より好ましくは２．５ｍｍ２以下、更に好ましくは１．５ｍｍ２以下）であることが望ましい。
【００２７】
蛍光体体積密度は、蛍光体層１０を基板３に塗布するプロセスや焼成等の処理によって変化するが、使用する蛍光体粒子とバインダの重量比や混合比等から求められる。これ以外の実際的な評価方法としては、入射面と平行な面における表面ＳＥＭまたは深さ方向の断面ＳＥＭを取得し、蛍光体粒子の領域とバインダまたはその他の領域との面積比からおおよそ求めることもできる。この評価方法を用いる場合の評価領域の目安としては、蛍光体粒子の平均粒径σに対して十分に広ければよい。なお、「粒径」とは、同一体積で球に換算したときの直径である。「平均粒径」は、全粒子の粒径の平均値であるが、一部の粒子の粒径から統計的に全粒子の粒径の平均値を求めてもよい。蛍光体粒子の平均粒径σに対して十分に広い評価領域とは、例えば、一辺がσの２倍から１００倍程度の領域や、面積が５０σ２以上の領域である。さらに、複数の評価領域での平均値を用いて評価することが望ましい。
【００２８】
図１では、簡単のために、蛍光体層１０を入射面側部分１０ａと基板側部分１０ｂの２等分して説明したが、蛍光体層１０は蛍光体体積密度が深さ方向に徐々に変化することがより望ましい。例えば、図５（ａ）に示す例では、入射面側部分１０ａ、中間部分１０ｃおよび基板側部分１０ｂにかけて蛍光体体積密度が６５％、４５％および３５％と深さ方向に徐々に変化（減少）している。ただし、蛍光体粒子５の密度分布は厳密には蛍光体粒子の粒径や粒度分布に依存して変動するため、蛍光体粒子の平均粒径σ程度の範囲での密度のばらつきは無視してもよい。言い換えれば、図１に示すように蛍光体層１０を深さ方向に２等分したときに、基板側部分１０ｂよりも入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が高くなっていればよい。
【００２９】
より具体的には、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度より１０％以上高いことが望ましく、さらには１５％以上高いことがより望ましい。なお、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度が基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度の２倍を超えると、この密度差によって蛍光体層としての安定性が低下し、割れや基板３からの剥れが発生するおそれがあるため、望ましくない。
【００３０】
また、蛍光体体積密度が１５％を下回ると、蛍光体層として十分な輝度を得るために蛍光体層全体の厚みを増やす必要が生じる。厚みが大きくなると、蛍光体層１０からの光が（プロジェクタの光学系に対して）形成する光源像のサイズが増大して、該光学系の光取り込み効率上、不利になるため望ましくない。一方、蛍光体体積密度が７０％を超えると、バインダに対する蛍光体粒子の比率が高くなりすぎ、蛍光体層（膜）としての安定性が低下して割れや剥れが発生するため、望ましくない。
【００３１】
以上のことから、入射面側部分１０ａの蛍光体体積密度（第２の体積密度）をρ０とし、基板側部分１０ｂの蛍光体体積密度（第１の体積密度）をρ１とするとき、
１．１≦ρ１／ρ０≦４．０
なる条件を満足することが望ましい。また、この条件とともに又はこの条件とは別に、
２５％≦ρ１≦７０％
１５％≦ρ０≦５０％
なる条件を満足することが望ましい。なお、上記条件式は、
１．３（更に好ましくは１．５）≦ρ１／ρ０≦４．０（更に好ましくは２．０）
４５％≦ρ１≦７０％
１５％≦ρ０≦４０％
のうち１つ以上を満足するとなお良い。
【００３２】
蛍光体粒子としては、ＣｅがドープされたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体を用いることができる。それ以外にも、ＬｕＡＧタイプやサイアロン蛍光体など、無機材料で紫外〜青色波長を吸収して可視域の緑〜赤色領域を発光する蛍光体材料であれば適宜選択して用いることができる。
【００３３】
本実施例における波長変換素子２０（蛍光体層１０）の製造方法としては、様々な方法を用いることができる。例えば、シリカやアルミナ、チタニア系ゾルゲル材料からなる無機バインダ内に蛍光体粒子を分散させて塗布、乾燥する方法がある。他には、ガラスセラミクスと蛍光体粒子を混合して焼成（焼結）することで、ガラスやセラミクス内に蛍光体粒子を分散させる方法もある。この際は高い焼成温度を用いると蛍光体粒子の特性が劣化することがあるため、バインダとして低融点ガラス等の材料を用いることが望ましい。
【００３４】
深さ方向において蛍光体体積密度が異なる蛍光体層１０を得るためには、例えば以下の製造方法を用いることができる。第１の方法として、予め異なる蛍光体体積密度で硬化前のバインダ内に蛍光体粒子を分散させた２以上の材料を用意し、それらの材料を基板３（または不図示のベース面）側から蛍光体体積密度が高い順に塗布して積層する方法がある。すなわち、バインダ内に第１の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第１の材料と、バインダ内に第１の体積密度より高い第２の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第２の材料とを用意する。そして、第２の材料が基板側に位置するようにこれら第１の材料と第２の材料とを積層すればよい。図５（ａ）に示したように第１および第２の体積密度の中間の第３の体積密度を有する中間部分１０ｃがある場合は、バインダ内に第３の体積密度で蛍光体粒子を分散させた第３の材料も用意して、第１から第３の材料を積層すればよい。
【００３５】
これにより、容易に基板側部分１０ｂよりも蛍光体体積密度が高い入射面側部分１０ａを有した蛍光体層１０を製造することができる。この際、図５（ｂ）に示すように、蛍光体体積密度が高い材料に分散させる蛍光体粒子５として粒子径が互いに異なるものを混合してもよい。また、図５（ｃ）に示すように、各材料に蛍光体粒子５とは異なる他の粒子８を混合し、蛍光体粒子５と他の粒子８との密度比率をそれらの材料で異ならせてもよい。
【００３６】
第２の方法として、蛍光体粒子を硬化前のバインダやガラス内で沈降させることで、深さ方向に蛍光体体積密度に差を設ける方法で蛍光体層１０を製造してもよい。一般に、比重が異なる材質の混合物は重力方向に密度の偏りが生じる。このため、塗布条件や焼成および冷却条件を制御して蛍光体粒子５の密度の偏りを生じさせた後、蛍光体体積密度が高い側を入射面側として配置することでも本実施例の蛍光体層１０を製造することができる。ただし、励起光の密度が非常に高強度となる場合には、有機材料のバインダを用いるとこれが熱により劣化して波長変換素子２０の安定性や寿命が低下するおそれがある。このため、蛍光体層１０は無機材料のみにより構成されることが望ましい。具体的には、バインダは、シリカまたは金属の酸化物や窒化物、もしくはそれらの混合体により形成されることが望ましい。
【００３７】
蛍光体粒子５の平均粒径σは、１〜１０μｍ程度の範囲のものであることが望ましい。蛍光体粒子の平均粒径σを小さくすると、一般には蛍光体層の表面状態の影響を受けて発光効率が低下することが知られている。平均粒径σが１μｍ以下の蛍光体粒子を用いる場合には、効率低下に対する表面修飾等の改良処理を施した上で使用することが望ましい。平均粒径σが１０μｍを超えると、膜厚制御性や微小領域における面内の密度のばらつきが懸念されるので、望ましくない。
【００３８】
また、蛍光体層１０の層厚みは、０．０２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが望ましい。０．０２ｍｍを下回ると高密度の励起光を効率良く蛍光光に変換することが難しい。また、０．５ｍｍを上回るとプロジェクタの光学系による光取り込み効率が低下し、また蛍光体層１０の割れが発生しやすくなる等の懸念がある。また、蛍光体層１０は、層厚み方向（深さ方向）に体積密度勾配を付与する点から、平均粒径σの５倍以上の層厚みを有することが望ましい。
【００３９】
さらに、図５（ｃ）に示したように、バインダ４内には蛍光体粒子５とは異なる他の粒子８として無機粒子を混合してもよい。これにより、蛍光体体積密度が異なる蛍光体層１０において蛍光体粒子５とバインダ４またはガラスの線膨張差による応力の偏りを緩和したり、熱伝導性を改善したり、励起光の拡散強度を制御したりする等の効果が期待できる。このような目的に用いられる無機粒子としては、励起光の波長における吸収が限りなく少なく、かつ励起光の波長における屈折率がバインダまたはガラスの材料に対して異なるものを用いることが望ましい。この屈折率差が小さすぎると、無機粒子の界面反射率が低下して励起光の拡散効果が低下する。具体的には、励起光または蛍光の波長において、屈折率差が少なくとも０．０５以上（更に望ましくは０．１０以上）の無機粒子を選択することが望ましい。
【００４０】
線膨張を緩和する目的で無機粒子を使用する場合には、無機粒子の材料は、例えば蛍光体粒子またはバインダの材料よりも小さな線膨張係数を有することが望ましい。さらには負の線膨張係数を有する材料を用いれば、蛍光体層に発生する応力の偏りをさらに抑制することができる。このように、様々な目的に応じて適切な材料を選択すればよい。
【００４１】
以上、本実施例の波長変換素子２０について説明したが、他の構成を有する波長変換素子を用いてもよい。例えば、図１では金属基板３上に蛍光体層１０を形成した反射型の波長変換素子２０を示したが、基板３は金属以外の透光性を有するものであってもよく、この場合は透過型の波長変換素子としても使用可能である。例えば、放熱性が高く線膨張係数が近い誘電体材質（サファイアやスピネル）であってもよい。
【００４２】
また、蛍光体層１０単体で支持可能であれば基板３がない構成であってもよい。この場合であっても、本実施例と同様に蛍光体層１０内で蛍光体体積密度を異ならせることで、温度勾配を緩和する効果が得られる。
【００４３】
また、蛍光体層１０の入射面や基板接触面には、コーティングや凹凸構造を設けてもよい。増反射膜やダイクロイックミラー等を設けることで、光利用効率の向上や利用波長の狭帯域化等が期待できる。ただし、微細な凹凸構造では蛍光体層の表面の温度変化（線膨張変化）によって形状（周期、屈折率および占有率）が変化し、凹凸構造による効果に影響が出る場合がある。本実施例で説明した構成を採用することで、蛍光体層の応力を緩和し、割れ等の抑制に加えて表面の凹凸構造の変化を抑制することができ、蛍光体層の発光特性をより安定化することができる。
【００４４】
基板３の冷却手段については、波長変換素子２０を一般的な回転ホイール体として構成したり、ピエゾ素子による微小駆動を行ったり、ペルチェ素子による局所冷却機構を用いたりすればよい。
【００４５】
本実施例によれば、蛍光体層１０における蛍光体粒子５の体積密度を適切に設定することで、蛍光体層１０での発光とその後の光取り込み効率を向上させることができる。そして、これを用いた光源装置１００のより高輝度化を実現することができる。
【実施例２】
【００４６】
次に、図６を用いて、本発明の第２の実施例であるプロジェクタ（画像投射装置）２００について説明する。プロジェクタ２００は、実施例１で説明した光源装置１００を備えている。光源装置１００から発せられた白色光１０２（点線で示す赤色光１０２ｒ、緑色光１０２ｇおよび青色光１０２ｂ）は以下に説明するプロジェクタ用光学系に入射する。まず、赤色、緑色および青色光１０２ｒ，１０２ｇ，青色光１０２ｂは偏光変換素子１０３に入射し、ここで一様な偏光方向を有する直線偏光としての赤色、緑色および青色照明光（点線で示す）１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂに変換される。
【００４７】
これら照明光１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂはダイクロイックミラー１０５により赤色照明光１０４ｒおよび青色照明光１０４ｂと緑色照明光１０４ｇとに分離される。緑色照明光１０４ｇは、偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１０８および位相補償板１１２を透過して光変調素子１１１ｇに到達する。赤色および青色照明光１０４ｒ，１０４ｂは、偏光板１０６を透過して色選択性位相板１０７に入射する。色選択性位相板１０７は、赤色照明光１０４ｒの偏光方向をそのまま維持しつつ青色照明光１０４ｂの偏光方向を９０°回転させる。色選択性位相板１０７から出射した赤色照明光１０４ｒは、ＰＢＳ１０９および位相補償板１１２ｒを透過して光変調素子１１１ｒに到達する。色選択性位相板１０７から出射した青色照明光１０４ｂは、ＰＢＳ１０９で反射して位相補償板１１２ｂを透過して光変調素子１１１ｂに到達する。各光変調素子は、反射型液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイスにより構成される。光変調素子として、透過型液晶パネルを用いることも可能である。
【００４８】
光変調素子１１１ｇ，１１１ｒ，１１１ｂは入射した緑色、赤色および青色照明光１０４ｇ，１０４ｒ，１０４ｂを画像変調して緑色、赤色および青色画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒに変換する。これら画像光１１５ｇ，１１５ｂ，１１５ｒは、ＰＢＳ１０８，１０９および合成プリズム１１８を介して合成され、投射レンズ１２０によりスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、投射画像としてのカラー画像が表示される。
【００４９】
このように実施例１で説明した光源装置１００を用いることにより、安定的に明るい投射画像を表示可能なプロジェクタ２００を実現することができる。
【００５０】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  発光素子
２  光源光学系
３  基板
４  バインダ
５  蛍光体粒子  
６  励起光  
７  蛍光光  
１０  蛍光体層
１００  光源装置
【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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