JP2020112590A - Wavelength conversion element, lighting device and projector - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性が高い波長変換素子を提供する。
【解決手段】波長変換素子32は、反射面43rを有する基材43と、第1の波長帯の励起光が入射する第1面47aと、第1面47aとは反対側の第2面42bと、を有し、励起光を第2の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部32と、波長変換部32と基材43とを接合する接合部37と、反射面43rと第2面42bとが互いに離間し、反射面43r、第2面42b、および接合部37によって囲まれた空間に収容された液体38と、を備える。第1面47aのうち、液体38に対向する部分の少なくとも一部は、励起光Eの入射領域Tとされている。
【選択図】図4PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable wavelength conversion element.
A wavelength conversion element 32 includes a base material 43 having a reflection surface 43r, a first surface 47a on which excitation light of a first wavelength band is incident, and a second surface 42b opposite to the first surface 47a. And a wavelength conversion unit 32 that converts the excitation light into fluorescence in the second wavelength band, a bonding unit 37 that bonds the wavelength conversion unit 32 and the base material 43, a reflection surface 43r, and a second surface. And a liquid 38 contained in a space surrounded by the reflection surface 43r, the second surface 42b, and the bonding portion 37. At least a part of the portion of the first surface 47a facing the liquid 38 is an incident region T of the excitation light E.
[Selection diagram] Fig. 4
Description
本発明は、波長変換素子、照明装置およびプロジェクターに関する。 The present invention relates to a wavelength conversion element, a lighting device, and a projector.
近年、プロジェクター用の照明装置として、回転蛍光板等の波長変換素子を用いた照明装置が提案されている。回転蛍光板は、蛍光体層を備えた基板が回転した状態で蛍光体層に励起光が照射されることによって蛍光を発生させる。これにより、照明装置から、蛍光を含む照明光が射出される。 In recent years, an illumination device using a wavelength conversion element such as a rotating fluorescent plate has been proposed as an illumination device for a projector. The rotating fluorescent plate emits fluorescence by irradiating the fluorescent material layer with excitation light while the substrate having the fluorescent material layer is rotated. As a result, the illumination device emits illumination light containing fluorescence.
下記の特許文献1には、基板と、増反射膜層と、リング状の蛍光体層と、接着層と、を備えた「波長変換素子」が開示されている。この波長変換素子において、増反射膜層は基板の一方の面に設けられ、蛍光体層は接着層を介して増反射膜層に接着されている。
The following
波長変換素子の温度は、励起光が照射されることによって上昇する。そのため、特許文献1の波長変換素子のように、蛍光体層が接着層を介して基板に固定されている場合、蛍光体層の熱が接着層を介して基板に伝わる過程において、熱によって接着層がダメージを受けるおそれがあった。その結果、波長変換素子の信頼性が低下するおそれがあった。
The temperature of the wavelength conversion element rises when irradiated with the excitation light. Therefore, when the phosphor layer is fixed to the substrate via the adhesive layer as in the wavelength conversion element of
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の波長変換素子は、反射面を有する基材と、第1の波長帯の励起光が入射する第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有し、前記励起光を前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、前記波長変換部と前記基材とを接合する接合部と、前記反射面と前記第2面とが互いに離間し、前記反射面、前記第2面、および前記接合部によって囲まれた空間に収容された液体と、を備え、前記第1面のうち、前記液体に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a wavelength conversion element according to one aspect of the present invention includes a base material having a reflective surface, a first surface on which excitation light of a first wavelength band is incident, and the first surface. A second surface on the opposite side, and a wavelength conversion unit that converts the excitation light into fluorescence of a second wavelength band different from the first wavelength band, the wavelength conversion unit, and the base material. And a liquid that is contained in a space surrounded by the reflecting surface, the second surface, and the joining portion, the joining portion joining the At least a part of a portion of the first surface facing the liquid is an incident region of the excitation light.
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記波長変換部は、波長変換層と、前記波長変換層の前記反射面と対向する面に設けられた誘電体多層膜と、を有していてもよい。 In the wavelength conversion element according to one aspect of the present invention, the wavelength conversion section has a wavelength conversion layer and a dielectric multilayer film provided on a surface of the wavelength conversion layer facing the reflection surface. Good.
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記液体の屈折率は、前記波長変換部の屈折率よりも低くてもよい。 In the wavelength conversion element of one aspect of the present invention, the refractive index of the liquid may be lower than the refractive index of the wavelength conversion section.
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記液体の屈折率は、前記接合部の屈折率よりも低くてもよい。 In the wavelength conversion element according to one aspect of the present invention, the refractive index of the liquid may be lower than the refractive index of the joint portion.
本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記液体の体積は、前記空間の体積の50%以上であってもよい。 In the wavelength conversion element according to one aspect of the present invention, the volume of the liquid may be 50% or more of the volume of the space.
本発明の一つの態様の照明装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記波長変換素子に向けて前記励起光を射出する光源と、を備えたことを特徴とする。 An illumination device according to one aspect of the present invention includes the wavelength conversion element according to one aspect of the present invention, and a light source that emits the excitation light toward the wavelength conversion element.
本発明の一つの態様の照明装置において、前記波長変換素子は、回転軸の周りに回転可能とされ、前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えていてもよい。 In the illuminating device according to one aspect of the present invention, the wavelength conversion element may include a rotation device that is rotatable about a rotation axis and that rotates the wavelength conversion element about the rotation axis.
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えたことを特徴とする。 A projector according to one aspect of the present invention includes a lighting device according to one aspect of the present invention, a light modulation device that modulates light from the lighting device according to image information, and a light modulated by the light modulation device. And a projection optical device for projecting.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図4を用いて説明する。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
[First Embodiment]
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In addition, in each of the following drawings, in order to make each component easy to see, the scale of dimensions may be different depending on the component.
本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。
本実施形態のプロジェクターは、スクリーン(被投射面)上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した3つの光変調装置を備える。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを備える。
An example of the projector according to this embodiment will be described.
The projector of this embodiment is a projection type image display device that displays a color image on a screen (projection surface). The projector includes three light modulation devices corresponding to each color light of red light, green light, and blue light. The projector is equipped with a semiconductor laser as a light source of an illumination device, which can obtain light with high brightness and high output.
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の光学系を示す概略図である。
図1に示すように、本実施形態のプロジェクター1は、第1照明装置100と、第2照明装置102と、色分離導光光学系200と、光変調装置400Rと、光変調装置400Gと、光変調装置400Bと、光合成素子500と、投射光学装置600と、を備えている。
本実施形態の第1照明装置100は、特許請求の範囲の照明装置に対応する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical system of a
As shown in FIG. 1, the
The 1st
第1照明装置100は、第1光源10と、コリメート光学系70と、ダイクロイックミラー80と、コリメート集光光学系90と、波長変換装置30と、第1レンズアレイ120と、第2レンズアレイ130と、偏光変換素子140と、重畳レンズ150と、を備えている。
The
第1光源10は、第1の波長帯の青色の励起光Eを射出する半導体レーザーから構成されている。励起光Eは、波長範囲が例えば440〜450nmであり、発光強度のピーク波長が例えば445nmである。第1光源10は、1つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。第1光源10は、第1光源10から射出されるレーザー光の光軸200axが照明光軸100axと直交するように配置されている。なお、第1光源10は、445nm以外のピーク波長、例えば460nmのピーク波長を有する励起光を射出する半導体レーザーが用いられてもよい。第1光源10は、波長変換素子32に向けて励起光Eを射出する。
本実施形態の第1光源10は、特許請求の範囲の光源に対応する。
The
The
コリメート光学系70は、第1レンズ72と、第2レンズ74と、を備えている。コリメート光学系70は、第1光源10から射出された光を略平行化する。第1レンズ72および第2レンズ74は、それぞれ凸レンズで構成されている。
The collimating
ダイクロイックミラー80は、コリメート光学系70からコリメート集光光学系90までの間の光路中に、第1光源10の光軸200axと照明光軸100axとの各々に対して45°の角度で交差する向きに配置されている。ダイクロイックミラー80は、青色光成分からなる励起光Eを反射させ、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色の蛍光Yを透過させる。
The
コリメート集光光学系90は、ダイクロイックミラー80を透過した励起光Eを集光させて波長変換装置30の波長変換層42に入射させる機能と、波長変換装置30から射出された蛍光Yを略平行化する機能とを有する。コリメート集光光学系90は、第1レンズ92と、第2レンズ94と、を備える。第1レンズ92および第2レンズ94は、それぞれ凸レンズで構成されている。
The collimator condensing
第2照明装置102は、第2光源710と、集光光学系760と、拡散板732と、コリメート光学系770と、を備えている。
The
第2光源710は、第1照明装置100の第1光源10と同一の波長帯を有する半導体レーザーから構成されている。第2光源710は、1つの半導体レーザーで構成されていてもよいし、複数の半導体レーザーで構成されていてもよい。また、第2光源710は、第1光源10の半導体レーザーとは波長帯が異なる半導体レーザーから構成されていてもよい。
The
集光光学系760は、第1レンズ762と、第2レンズ764と、を備えている。集光光学系760は、第2光源710から射出された青色光Bを拡散板732の拡散面もしくは拡散板732の近傍に集光させる。第1レンズ762および第2レンズ764は、それぞれ凸レンズで構成されている。
The condensing
拡散板732は、第2光源710から射出された青色光Bを拡散させ、波長変換装置30から射出された蛍光Yの配光分布に近い配光分布を有する青色光Bを生成する。拡散板732として、例えば光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。
The
コリメート光学系770は、第1レンズ772と、第2レンズ774と、を備えている。コリメート光学系770は、拡散板732から射出された光を略平行化する。第1レンズ772および第2レンズ774は、それぞれ凸レンズで構成されている。
The collimating
第2照明装置102から射出された青色光Bは、ダイクロイックミラー80で反射され、波長変換装置30から射出されてダイクロイックミラー80を透過した蛍光Yと合成されて白色光Wとなる。白色光Wは、第1レンズアレイ120に入射する。波長変換装置30の詳細な構成については、後で説明する。
The blue light B emitted from the
第1レンズアレイ120は、ダイクロイックミラー80から射出された光を複数の部分光束に分割するための複数の第1レンズ122を備えている。複数の第1レンズ122は、照明光軸100axと直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
The
第2レンズアレイ130は、第1レンズアレイ120の複数の第1レンズ122に対応する複数の第2レンズ132を有している。第2レンズアレイ130は、後段の重畳レンズ150とともに、第1レンズアレイ120を構成する各第1レンズ122の像を光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bのそれぞれの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第2レンズ132は、照明光軸100axに直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
The
偏光変換素子140は、第1レンズアレイ120によって分割された複数の部分光束の各々を、偏光方向が揃った直線偏光光に変換する。
The
重畳レンズ150は、偏光変換素子140から射出された各部分光束を集光し、光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bのそれぞれの画像形成領域近傍で互いに重畳させる。第1レンズアレイ120、第2レンズアレイ130、および重畳レンズ150は、波長変換装置30から射出された光の被照射面内での強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。
The superimposing
色分離導光光学系200は、ダイクロイックミラー210と、ダイクロイックミラー220と、反射ミラー230と、反射ミラー240と、反射ミラー250と、リレーレンズ260と、リレーレンズ270と、を備えている。色分離導光光学系200は、第1照明装置100と第2照明装置102とから得られた白色光Wを赤色光LRと緑色光LGと青色光LBとに分離し、赤色光LR、緑色光LGおよび青色光LBを、対応する光変調装置400R,400G,400Bに導く。
The color separation/light guide
フィールドレンズ300Rは、色分離導光光学系200と光変調装置400Rとの間に配置されている。フィールドレンズ300Gは、色分離導光光学系200と光変調装置400Gとの間に配置されている。フィールドレンズ300Bは、色分離導光光学系200と光変調装置400Bとの間に配置されている。
The
ダイクロイックミラー210は、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。ダイクロイックミラー220は、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー230は、赤色光成分を反射させる。反射ミラー240および反射ミラー250は、青色光成分を反射させる。
The
ダイクロイックミラー210を透過した赤色光LRは、反射ミラー230で反射し、フィールドレンズ300Rを透過して赤色光用の光変調装置400Rの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー210で反射した緑色光LGは、ダイクロイックミラー220でさらに反射し、フィールドレンズ300Gを透過して緑色光用の光変調装置400Gの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー220を透過した青色光LBは、リレーレンズ260、入射側の反射ミラー240、リレーレンズ270、射出側の反射ミラー250、およびフィールドレンズ300Bを経て青色光用の光変調装置400Bの画像形成領域に入射する。
The red light LR that has passed through the
光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。
The
光合成素子500は、光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。光合成素子500は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略X字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
The
光合成素子500から射出された画像光は、投射光学装置600によって拡大投射され、スクリーンSCR上で画像を形成する。すなわち、投射光学装置600は、光変調装置400R、光変調装置400G、および光変調装置400Bにより変調された光を投射する。投射光学装置600は、複数の投射レンズ6で構成されている。
The image light emitted from the
以下、波長変換装置30について説明する。
図2は、波長変換装置30を示す斜視図である。図3は、波長変換装置30の正面図である。図4は、図3のIV−IV線に沿う波長変換素子32の断面図である。
図2、図3に示すように、本実施形態の波長変換装置30は、波長変換素子32と、モーター50(回転装置)と、を備えている。
The
FIG. 2 is a perspective view showing the
As shown in FIGS. 2 and 3, the
波長変換素子32は、回転軸35の周りに回転可能とされている。モーター50は、波長変換素子32を回転軸35の周りに回転させる。したがって、第1光源10から射出された励起光Eは、回転した状態の波長変換素子32に入射する。
The
図4に示すように、本実施形態の波長変換素子32は、基材43と、波長変換部47と、接合部37と、液体38と、を備えている。波長変換素子32は、励起光Eが入射した側と同じ側に向けて蛍光Yを射出する。すなわち、波長変換素子32は、反射型の波長変換素子である。
As shown in FIG. 4, the
基材43は、基材本体40と、反射層41と、を有する。基材本体40は、金属を含む材料で構成されている。一例として、基材本体40は、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属製の円形の板材から構成されている。
The
反射層41は、基材本体40の第1面40aの全面に設けられている。反射層41は、波長変換部47の第2面47bから射出された蛍光Yおよび励起光Eを反射する。反射層41は、例えば銀等の反射率の高い金属から構成されている。反射層41は、蛍光Yおよび励起光Eを高い反射率で反射するように設計されている。そのため、平滑な反射層41を形成するために、基材本体40の第1面40aは高い平滑度を有している。これにより、反射層41は、蛍光Yの大部分を図4の上方向(基材本体40とは反対側)に向けて反射する。すなわち、基材43は、蛍光Yを反射させる反射面43rを有する。
The
なお、反射層41の励起光Eの入射側に、図示しない保護膜が設けられていてもよい。保護膜には、例えばSiO2、Al2O3等の光透過性を有する膜が用いられる。保護膜が設けられた場合、反射層41が外部の雰囲気から保護されるとともに、基材43の表面に様々な角度で入射した蛍光Yを高い反射率で反射することができる。さらに、反射層41と基材本体40の第1面40aとの間に、反射層41を劣化から保護するための図示しない保護層が設けられていてもよい。
In addition, a protective film (not shown) may be provided on the incident side of the excitation light E of the
図2および図3に示すように、波長変換部47は、基材43の回転軸35の周囲に円形の開口47hを有する円環状の形状を有する。すなわち、波長変換部47は、基材43の反射面43r側において、回転軸35を囲むように設けられている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図4に示すように、波長変換部47は、波長変換層42と、誘電体多層膜39と、を有する。誘電体多層膜39は、波長変換層42の反射面43rと対向する面に設けられている。また、波長変換部47は、第1の波長帯の励起光Eが入射する第1面47aと、第1面47aとは反対側の第2面47bと、を有する。
As shown in FIG. 4, the
波長変換層42は、第1の波長帯の励起光Eが入射する第1面42aと、第1面42aとは反対側の第2面42bと、を有する。波長変換層42は、励起光Eを励起光Eの波長帯とは異なる波長帯の蛍光Yに波長変換するセラミック蛍光体を含んでいる。すなわち、波長変換層42は、励起光Eを第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の蛍光Yに波長変換する。第2の波長帯は、例えば490〜750nmであり、蛍光Yは、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色光である。なお、波長変換層42は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。
The
波長変換層42は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム(Ce)を含有するYAG:Ceを例にとると、波長変換層42として、Y2O3、Al2O3、CeO3等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やソルゲル法等の湿式法により得られるY−Al−Oアモルファス粒子、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるYAG粒子等を用いることができる。
The
また、波長変換層42の第2面42bに、誘電体多層膜39が設けられている。誘電体多層膜39は、例えばSiO2とTiO2とが交互に複数積層された膜で構成されている。すなわち、誘電体多層膜39は、屈折率が互いに異なる2種の誘電体膜が交互に複数積層された構成を有する。誘電体多層膜39を構成する各誘電体膜の層数や膜厚は、特に限定されない。
Further, the
波長変換部47に励起光Eが入射した際には、波長変換部47において熱が発生する。本実施形態では、モーター50によって波長変換素子32を回転させることにより、波長変換部47における励起光Eの入射位置を時間的に移動させている。これにより、波長変換部47の同じ位置に励起光Eが常時照射されることで、波長変換部47の一部のみが局所的に加熱され、波長変換部47が劣化することが防止される。図3において、励起光Eの入射領域を符号Tの円で示す。
When the excitation light E enters the
図4に示すように、接合部37は、波長変換部47と基材43とを接合する。接合部37に励起光Eが入射する場合、もしくは接合部37に蛍光Yが入射する場合を想定して、これらの光の無用な吸収や反射を抑えるため、接合部37は、透明な接着剤で構成されていることが望ましい。この種の接着剤として、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、無機接着剤等が用いられる。
As shown in FIG. 4, the joining
本実施形態では、図3に示すように、接合部37は、波長変換部47の第1面47aにおける励起光Eの入射領域Tを除く領域に設けられている。換言すると、接合部37は、励起光Eの入射領域Tよりも波長変換部47の内周側の領域に設けられた環状の接合部37I(図4の右側の接合部37I)と、励起光Eの入射領域Tよりも波長変換部47の外周側の領域に設けられた環状の接合部37E(図4の左側の接合部37E)と、を含む。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
すなわち、接合部37は、波長変換部47の第2面47bの全面には設けられておらず、波長変換部47の第2面47bの内周側の一部と外周側の一部とにおいて波長変換部47を基材43に接合する。これにより、波長変換部47の幅方向Wの中央部においては、基材43の反射面43rと波長変換部47の第2面47bとが互いに離間した状態となる。波長変換部47の幅方向Wは、図3に示すように、円環状の波長変換部47の径方向に対応する。接合部37の厚さhは約3μmであり、反射面43rと第2面47bとの間の間隔も約3μmである。
That is, the
図4に示すように、反射面43rと第2面42bとが互いに離間した状態で、波長変換部47と基材43とが接合部37を介して接合されたことにより、波長変換素子32には、反射面43r、第2面42b、および接合部37によって囲まれた空間Sが形成される。空間Sには、光透過性を有する液体38が収容されている。
As shown in FIG. 4, the
液体38の屈折率は、波長変換層42を構成する蛍光体の屈折率よりも低いことが望ましい。本実施形態のように、波長変換層42がYAG蛍光体から構成されている場合、液体38の屈折率は、YAG蛍光体の屈折率に相当する1.8未満であることが望ましい。
The refractive index of the liquid 38 is preferably lower than the refractive index of the fluorescent substance forming the
さらに、液体38の屈折率は、接合部37の屈折率よりも低いことが望ましい。接合部37が例えばシリコーン樹脂から構成されている場合、液体38の屈折率は、シリコーン樹脂の屈折率に相当する1.41未満であることが望ましい。また、液体38は、温度上昇等の状態変化が起こった場合でもキャビテーションが生じることなく、脱気が可能な液体であることが望ましい。この種の条件を満たす液体として、例えば水(屈折率:1.3334、沸点:100℃)、パーフルオロカーボン(屈折率:1.28、沸点:160℃)などが挙げられる。
Furthermore, it is desirable that the refractive index of the liquid 38 be lower than the refractive index of the
本実施形態の場合、液体38の体積は、空間Sの体積の50%以上、100%未満であり、例えば約75%である。すなわち、空間Sのうち、空間Sの体積の50%以上の部分を占めるように液体38が収容され、残りの部分には空気48が収容されている。波長変換装置30は、基材本体40の第1面40aが鉛直方向と略平行になるように配置されている。そのため、波長変換素子32が静止している状態では、液体38は、自重によって空間Sの下部に溜まった状態となる。
In the case of this embodiment, the volume of the liquid 38 is 50% or more and less than 100% of the volume of the space S, for example, about 75%. That is, in the space S, the liquid 38 is stored so as to occupy 50% or more of the volume of the space S, and the
これに対し、波長変換素子32が回転している状態では、図4に示すように、液体38は、遠心力によって、空間Sのうちの基材本体40の外周側の内壁面に押し付けられた状態となる。すなわち、空間Sのうち、波長変換素子32の外周側にあたる部分に液体38が存在し、波長変換素子32の内周側にあたる部分には空気48が存在する状態となる。このように、波長変換素子32が回転している状態において、波長変換部47の第1面47aのうち、液体38に対向する部分の少なくとも一部は、励起光Eの入射領域Tとなる。また、励起光Eの照射によって波長変換部47の温度が上昇した状態では、空間S内に封入された空気48が液体38よりも大きく膨張するため、液体38は、空気48によって押圧され、空間Sの外周側の内壁面に押し付けられた状態で安定する。
On the other hand, when the
上述したように、波長変換部47に励起光Eが入射した際に、波長変換部47の励起光Eの入射領域Tにおいて熱が発生し、その後、熱が周囲に伝搬する。このとき、特許文献1の波長変換素子のように 波長変換部と基材との間に接合部が介在していると、熱によって接合部が劣化し、波長変換素子の信頼性が低下するという問題があった。
As described above, when the excitation light E enters the
この問題に対し、本実施形態の波長変換素子32によれば、励起光Eの入射領域Tは液体38と対向しており、接合部37は励起光Eの入射領域Tから外れた位置に設けられているため、熱による接合部37の劣化を抑制することができる。また、一般的に熱伝導率は気体→液体→固体の順に大きくなるため、空間Sに液体38が収容された本実施形態の構成は、空間に気体が充填された場合と比べて、波長変換部47の熱が基材43に伝わりやすく、波長変換部47の温度上昇が抑制されやすい。これにより、波長変換効率の低下を抑制することができる。
In response to this problem, according to the
また、固体状の接合部の場合、波長変換素子を回転させたとしても、接合部が局所的に劣化する場合がある。これに対して、本実施形態の波長変換素子32では、仮に液体38の一部が過熱されたとしても、空間S内で液体38が対流することで熱が分散され、液体38の温度が平均化されやすい。そのため、波長変換部47の劣化の程度も平均化されて劣化の速度が遅くなる。以上のようにして、本実施形態によれば、波長変換素子32の信頼性低下を抑制することができる。
Further, in the case of a solid joint, even if the wavelength conversion element is rotated, the joint may locally deteriorate. On the other hand, in the
また、本実施形態の波長変換素子32は、波長変換部47の屈折率よりも低く、接合部37の屈折率よりも低い屈折率を有する液体38を備えたことによって、以下の作用、効果が得られる。
Further, the
本実施形態の波長変換素子32において、波長変換層42の内部で等方的に放射された蛍光Yは、空孔等の散乱成分に当たって散乱しながら波長変換層42の内部を進み、蛍光Yの一部は波長変換部47の第1面47aに到達し、蛍光Yの他の一部は波長変換部47の第2面47bに到達する。第1面47aに到達した蛍光Yは、臨界角以上で第1面47aに入射して全反射する成分と、臨界角未満で第1面47aに入射してフレネル反射する成分と、を除く成分は、第1面42aを通過し、波長変換素子32から射出される。また、上記の2つの反射成分は、再び散乱しながら波長変換部47の内部を進んで第1面47aもしくは第2面47bに到達する。
In the
一方、第2面47bに到達した蛍光Yのうち、第2面47b(波長変換部47と液体38との界面)に臨界角以上の入射角で入射した光は、全反射することで損失が生じることなく、再び散乱しながら波長変換部47の内部を進む。
On the other hand, of the fluorescence Y that has reached the
また、第2面47b(波長変換部47と液体38との界面)に臨界角未満の入射角で入射した蛍光Yのうち、波長変換層42と誘電体多層膜39とによって反射されなかった成分は、第2面47bを通過して基材43の反射層41で反射する。ところが、反射層41を構成する銀は、光反射率が高いとは言え、2%程度の光吸収率を有するため、蛍光Yが反射層41に入射する毎に蛍光Yの強度は減衰する。波長変換層42の内部で発光した蛍光Yのうち、波長変換素子32から射出されない成分の大部分が反射層41での吸収成分に相当する。したがって、蛍光Yをできるだけ反射層41に入射させないようにして発光効率を上げるためには、できるだけ多くの蛍光Yを第2面47bで反射させることが重要である。
Further, of the fluorescence Y that has entered the
なお、本明細書において、「発光効率」は、以下の(1)、(2)式で定義される。
発光効率=(波長変換層からの射出光量/波長変換層への励起光入射量) ……(1)
波長変換層からの射出光量=蛍光の射出光量+未変換の励起光の射出光量 ……(2)
In addition, in this specification, the “luminous efficiency” is defined by the following equations (1) and (2).
Luminous efficiency = (amount of light emitted from wavelength conversion layer/amount of excitation light incident on wavelength conversion layer) (1)
Amount of light emitted from the wavelength conversion layer=amount of emitted light of fluorescence+amount of emitted unconverted excitation light (2)
波長変換層42の内部における蛍光Yの放射分布は全方向に向けて略等方的である。したがって、第2面47b(波長変換部47と液体38との界面)での臨界角が小さい程、第2面47bで反射する蛍光Yを多くし、反射層41に入射する蛍光Yを少なくすることができる。ここで、本実施形態の波長変換素子32によれば、波長変換層42の主たる発光領域に対応する励起光Eの入射領域Tの下方に接合部37の屈折率よりも低い屈折率を有する液体38が存在しているため、例えば波長変換部と基材との間に接合層が設けられた従来の波長変換素子に比べて、第2面47bでの臨界角を小さくすることができる。これにより、本実施形態の波長変換素子32は、従来の波長変換素子に比べて、反射層41に入射する蛍光Yの量を少なくし、反射層41での蛍光Yの損失を少なくすることができるため、発光効率を高めることができる。
The emission distribution of the fluorescence Y inside the
本発明者の計算結果によれば、従来の波長変換素子において、屈折率が1.41のシリコーン樹脂からなる接合層が波長変換部と基材との間に介在する場合、波長変換部の第2面における臨界角は51.6°であった。この場合、波長変換部から射出された蛍光のうち、波長変換部の第2面を透過して基材上の反射層に到達する蛍光の割合は約38%であった。 According to the calculation result of the present inventor, in the conventional wavelength conversion element, when the bonding layer made of the silicone resin having the refractive index of 1.41 is interposed between the wavelength conversion section and the base material, The critical angle on the two faces was 51.6°. In this case, of the fluorescence emitted from the wavelength conversion section, the proportion of the fluorescence that passed through the second surface of the wavelength conversion section and reached the reflective layer on the substrate was about 38%.
これに対し、本実施形態の波長変換素子32において、屈折率が1.28のパーフルオロカーボンからなる液体38が波長変換部47と基材43との間に介在する場合、波長変換部47の第2面47bにおける臨界角は45.0°であった。この場合、波長変換部47から射出された蛍光Yのうち、第2面47bを透過して基材43上の反射層41に到達する蛍光Yの割合は約30%であった。このように、本実施形態の波長変換素子32によれば、反射層41で損失する蛍光Yを従来の波長変換素子に比べて減らすことができ、発光効率を高めることができる。
On the other hand, in the
また、本実施形態の波長変換素子32においては、波長変換層42の第2面42bに誘電体多層膜39が設けられているため、波長変換部47の第2面47bに臨界角以下の入射角で入射する蛍光Yのうち、第2面47bで反射する蛍光Yの量を誘電体多層膜39によって増やすことができる。これにより、基材43の反射面43rに到達する蛍光Yの量を減少させ、反射面43rでの損失を抑制することができる。その結果、波長変換素子32の発光効率を高めることができる。
Further, in the
また、本実施形態の波長変換素子32においては、液体38が空間Sの体積の50%以上の部分を占めているため、波長変換素子32が回転した際、液体38は空間Sの外周側に押し付けられた状態となっても、励起光Eの入射領域Tに対向する部分の少なくとも一部に液体が存在する。また、液体38が空間Sの体積の50%以上の部分を占めていれば、例えば初期状態で波長変換素子32が静止している状態であっても、励起光の入射領域に対向する部分の少なくとも一部に液体を配置することができる。また、液体38が収容される空間Sの一部に空気48が存在しているため、液体38中に含有されている物質が気化したとしても、波長変換部47や接合部37が破損することを抑制できる。
Further, in the
以上説明した第1実施形態に係る第1照明装置100によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の第1照明装置100が上記の波長変換素子32を備えているため、波長変換素子32における損失が抑制された第1照明装置100が実現できる。
また、本実施形態の第1照明装置100は、モーター50(回転装置)によって波長変換層42上での励起光Eの入射位置を時間的に移動させることができるため、波長変換層42の温度上昇を抑制できる。そのため、波長変換層42の発光効率の低下を抑制できるとともに、蛍光Yの損失が少ない第1照明装置100を提供することができる。
The
Since the 1st illuminating
In addition, in the
以上説明した第1実施形態に係るプロジェクター1によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態のプロジェクター1は、上記の第1照明装置100を備えているため、高輝度の画像を表示することができる。
The
The
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図5を用いて説明する。
第2実施形態のプロジェクターおよび照明装置の構成は第1実施形態と同様であり、波長変換素子の構成が第1実施形態と異なる。そのため、プロジェクターおよび照明装置の全体の説明は省略する。
図5は、第2実施形態の波長変換素子の断面図である。この断面図は、図4と同様に、図3のIV−IV線の位置での断面に対応する。
図5において、図4と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
The configuration of the projector and the illumination device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration of the wavelength conversion element is different from that of the first embodiment. Therefore, the description of the entire projector and the illumination device is omitted.
FIG. 5 is a sectional view of the wavelength conversion element of the second embodiment. This sectional view corresponds to the section taken along the line IV-IV in FIG. 3, as in FIG.
5, the same components as those in FIG. 4 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
図5に示すように、本実施形態の波長変換素子52は、基材43と、波長変換部47と、接合部55と、液体38と、を備えている。
As shown in FIG. 5, the
接合部55は、樹脂部53と、樹脂部53の内部に含有された複数の保持部材54と、を有する。樹脂部53は、例えば熱硬化性のシリコーン樹脂で構成されている。保持部材54は、反射面43rと第2面42bとの間の間隔hを保持する。保持部材54は、3μm程度の直径を有する球状の粒子で構成されている。したがって、間隔hも、3μm程度となる。
The
保持部材54の材料としては、例えばシリカからなる球状の粒子が用いられる。複数の保持部材54は、互いに重なり合うことなく1層に並んだ状態で波長変換層42と基材43との間に挟持される。保持部材54は、波長変換層42と基材43との間に挟持された状態で保持部材54自身が変形しないだけの剛性を有している。
波長変換素子52のその他の構成は、第1実施形態の波長変換素子32と同様である。
As a material of the holding
The other configurations of the
本実施形態においても、熱による接合部55の劣化を抑制することで波長変換素子52の信頼性低下を抑制できる、波長変換素子52の発光効率を高めることができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
Also in this embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the reliability of the
また、本実施形態の波長変換素子52によれば、反射面43rと第2面47bとの間の間隔、すなわち液体38の厚さhを保持部材54によって調整することができる。これにより、波長変換部47と基材43との間の熱抵抗を最適化し、発光効率の低下を抑制することができる。
Further, according to the
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態について、図6〜8を用いて説明する。
第3実施形態のプロジェクターの概略構成は第1実施形態と同様であり、波長変換装置の構成が第1実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体の説明は省略する。
図6は、第3実施形態のプロジェクター11の概略構成図である。図7は、波長変換装置60の正面図である。図8は、図7のVIII−VIII線に沿う波長変換装置60の断面図である。
図6において、図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The schematic configuration of the projector of the third embodiment is similar to that of the first embodiment, and the configuration of the wavelength conversion device is different from that of the first embodiment. Therefore, the description of the entire projector is omitted.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the
6, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
図6に示すように、本実施形態の第1照明装置103において、波長変換装置60は、波長変換素子62を有しており、波長変換素子62を回転させるためのモーター(回転装置)を有していない。そのため、第1光源10から射出された励起光Eは、静止した状態の波長変換素子62に入射する。
As shown in FIG. 6, in the
図7および図8に示すように、本実施形態の波長変換素子62は、基材63と、波長変換部64と、接合部65と、液体38と、を備えている。波長変換素子62は、励起光Eが入射した側と同じ側に向けて蛍光Yを射出する。すなわち、波長変換素子62は、反射型の波長変換素子である。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
基材63は、基材本体66と、反射層67と、を有する。したがって、基材63は、波長変換部64から射出された蛍光Yを反射させる反射面63rを有する。基材本体66は、例えばアルミニウム等の金属から構成されている。反射層67は、例えば銀等の金属膜から構成されている。
The
波長変換部64は、波長変換層68と、誘電体多層膜69と、を有する。誘電体多層膜69は、波長変換層68の反射面63rと対向する面に設けられている。また、波長変換部64は、第1の波長帯の励起光Eが入射する第1面64aと、第1面64aとは反対側の第2面64bと、を有する。波長変換層68は、例えばYAG系蛍光体を含み、黄色の蛍光Yを射出する。
The
反射面63rと第2面64bとが互いに離間した状態で、波長変換部64と基材63とが接合部65を介して接合されたことにより、波長変換素子62には、反射面63r、第2面64b、および接合部65によって囲まれた空間Sが形成される。空間Sには、光透過性を有する液体38が収容されている。接合部65は、例えばシリコーン樹脂等の樹脂材料から構成されている。液体38は、例えばパーフルオロカーボン等のように、波長変換部64の屈折率よりも低く、かつ、接合部65の屈折率よりも低い屈折率を有する液体から構成されている。
With the reflecting
波長変換素子62は、基材本体66の第1面66aが鉛直方向と略平行になるように配置されている。そのため、波長変換素子62が静止している状態において、液体38は、自重によって空間Sの下部に溜まった状態となる。この状態において、波長変換部64の第1面のうち、液体38に対向する部分の少なくとも一部は、励起光Eの入射領域Tとされている。
プロジェクター11のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
The
Other configurations of the
本実施形態においても、熱による接合部65の劣化を抑制することで波長変換素子62の信頼性低下を抑制できる、波長変換素子62の発光効率を高めることができる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
Also in the present embodiment, the deterioration of the reliability of the
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態の波長変換素子においては、反射面、第2面、および接合部によって囲まれた空間の一部に液体が収容され、他の一部に空気が収容されていたが、空間の全体が液体で満たされ、空気が存在していなくてもよい。この場合、波長変換素子の向きや回転の有無に依らずに、波長変換部の第1面のうち、励起光の入射領域は、液体に対向する。
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the wavelength conversion element of the above-described embodiment, the liquid is contained in a part of the space surrounded by the reflection surface, the second surface, and the bonding portion, and the air is contained in the other part. The whole may be filled with liquid and no air may be present. In this case, the incident area of the excitation light on the first surface of the wavelength conversion section faces the liquid regardless of the orientation of the wavelength conversion element and the presence or absence of rotation.
また、上記実施形態の波長変換素子においては、波長変換層の第2面に誘電体多層膜が設けられていたが、誘電体多層膜は必ずしも設けられていなくてもよい。 Further, in the wavelength conversion element of the above embodiment, the dielectric multilayer film is provided on the second surface of the wavelength conversion layer, but the dielectric multilayer film may not necessarily be provided.
その他、波長変換装置、照明装置、およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明による照明装置を、液晶ライトバルブを用いた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。光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。 In addition, the specific description of the shape, the number, the arrangement, the material, and the like of each component of the wavelength conversion device, the illumination device, and the projector is not limited to the above embodiment, and can be changed as appropriate. In the above embodiment, an example in which the lighting device according to the present invention is mounted on a projector using a liquid crystal light valve has been shown, but the present invention is not limited to this. It may be mounted on a projector using a digital micromirror device as a light modulator.
上記実施形態では、本発明による照明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。本発明による照明装置は、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。 In the above embodiment, an example in which the lighting device according to the present invention is mounted on a projector has been shown, but the present invention is not limited to this. The lighting device according to the present invention can be applied to lighting equipment, automobile headlights, and the like.
1,11…プロジェクター、10…第1光源(光源)、32,52,62…波長変換素子、35…回転軸、37,37E,37I,55,65…接合部、38…液体、39…誘電体多層膜、42…波長変換層、42b…(波長変換層の)第2面、43,63…基材、43r,63r…反射面、47,64…波長変換部、47a,64a…(波長変換部の)第1面、47b,64b…(波長変換部の)第2面、50…モーター(回転装置)、100…第1照明装置(照明装置)、400B,400G,400R…光変調装置、600…投射光学装置、E…励起光、Y…蛍光、S…空間、T…(励起光の)入射領域。 1, 11... Projector, 10... First light source (light source), 32, 52, 62... Wavelength conversion element, 35... Rotation axis, 37, 37E, 37I, 55, 65... Bonding part, 38... Liquid, 39... Dielectric Body multilayer film, 42... Wavelength conversion layer, 42b... Second surface (of wavelength conversion layer), 43, 63... Base material, 43r, 63r... Reflective surface, 47, 64... Wavelength conversion section, 47a, 64a... (Wavelength) First surface of conversion unit, 47b, 64b... Second surface of wavelength conversion unit, 50... Motor (rotating device), 100... First illumination device (illumination device), 400B, 400G, 400R... Light modulation device , 600... Projection optical device, E... Excitation light, Y... Fluorescence, S... Space, T... (Excitation light) incident area.
Claims (8)
第1の波長帯の励起光が入射する第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有し、前記励起光を前記第1の波長帯とは異なる第2の波長帯の蛍光に波長変換する波長変換部と、
前記波長変換部と前記基材とを接合する接合部と、
前記反射面と前記第2面とが互いに離間し、前記反射面、前記第2面、および前記接合部によって囲まれた空間に収容された液体と、
を備え、
前記第1面のうち、前記液体に対向する部分の少なくとも一部が前記励起光の入射領域とされていることを特徴とする波長変換素子。 A base material having a reflective surface,
A second surface having a first surface on which the excitation light of the first wavelength band is incident and a second surface opposite to the first surface, and the excitation light having a second surface different from the first wavelength band. A wavelength conversion unit that converts the wavelength into fluorescence in the wavelength band,
A joint portion that joins the wavelength conversion portion and the base material,
A liquid contained in a space surrounded by the reflective surface, the second surface, and the joint, the reflective surface and the second surface being separated from each other;
Equipped with
A wavelength conversion element, wherein at least a part of a portion of the first surface facing the liquid is an incident region of the excitation light.
前記波長変換素子に向けて前記励起光を射出する光源と、を備えたことを特徴とする照明装置。 A wavelength conversion element according to any one of claims 1 to 5,
A lighting device, comprising: a light source that emits the excitation light toward the wavelength conversion element.
前記波長変換素子を前記回転軸の周りに回転させる回転装置を備えたことを特徴とする請求項6に記載の照明装置。 The wavelength conversion element is rotatable about a rotation axis,
The illumination device according to claim 6, further comprising a rotation device that rotates the wavelength conversion element around the rotation axis.
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。 A lighting device according to claim 6 or 7,
A light modulation device that modulates light from the lighting device according to image information,
A projection optical device that projects the light modulated by the light modulation device.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2024064973A (en) * | 2022-10-28 | 2024-05-14 | 台達電子工業股▲ふん▼有限公司 | Optical wavelength conversion structure |
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2019
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