JP2020112590A - 波長変換素子、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

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。

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。

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。

特開２０１８−２５７５０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 第１実施形態の波長変換装置の斜視図である。 波長変換装置の正面図である。 図３のIV−IV線に沿う波長変換素子の断面図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。 第３実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 波長変換装置の正面図である。 図７のVIII−VIII線に沿う波長変換素子の断面図である。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３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。

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ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (8)

1. 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波長変換素子。
2. 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、を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記液体の屈折率は、前記波長変換部の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記液体の屈折率は、前記接合部の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子。
5. 前記液体の体積は、前記空間の体積の５０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 請求項１から請求項５まで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。
7. 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たことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の照明装置と、
   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プロジェクター。

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