JP2021071671A - 波長変換素子、光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換効率が高く、特定波長の光を高い指向性で取り出すことができる波長変換素子を提供する。【解決手段】本発明の波長変換素子は、第１面と第２面とを有し、第１波長帯を有する第１の光を、第２波長帯を有する第２の光に変換し、第２の光を第１面から射出する波長変換層と、第３面と第４面とを有し、第３面が波長変換層の第１面に対向して設けられた透明部材と、透明部材の第４面に設けられた複数のナノアンテナと、を備え、波長変換層は、光散乱体を有し、複数のナノアンテナは、第２波長帯のうちの特定の波長帯を有する第３の光を選択的に第４面の法線方向に向けて射出させる。【選択図】図４

Description

本発明は、波長変換素子、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いる光源装置として、蛍光体に励起光を照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。下記の特許文献１に、入射光の波長を変換して波長変換光を生成する波長変換体と、波長変換体上に形成され、波長変換体内での波長変換光の光学波長程度の周期で配置された複数のアンテナを有するアンテナアレイと、を備えた波長変換装置が開示されている。

特開２０１８−１３６８８号公報

特許文献１には、アンテナアレイに光が照射されると、隣接する個々のアンテナの局在表面プラズモン共鳴が光回折を介した共振を起こし、電場強度が増大することで波長変換光の取り出し効率が向上するとともに、狭角の配光分布が得られる、と記載されている。特許文献１の波長変換装置では、レーザー光が持つ狭角の配光分布が波長変換体を射出した後の波長変換されなかった通過光でも維持されていることから、波長変換体は光散乱性を有していない、と推察される。しかしながら、波長変換体が光散乱性を有していない構成では、励起光が蛍光体に十分に吸収されず、高い波長変換効率を実現することが難しい、という問題があった。

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、第１面と第２面とを有し、第１波長帯を有する第１の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２の光に変換し、前記第２の光を前記第１面から射出する波長変換層と、第３面と第４面とを有し、前記第３面が前記波長変換層の前記第１面に対向して設けられた透明部材と、前記透明部材の前記第４面に設けられた複数のナノアンテナと、を備え、前記波長変換層は、光散乱体を含み、前記複数のナノアンテナは、前記第２波長帯のうちの特定の波長帯を有する第３の光を選択的に前記第４面の法線方向に向けて射出させる。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記透明部材の前記第４面に前記複数のナノアンテナを覆うように設けられ、少なくとも前記第２の光に対する光透過性を有する保護層をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記保護層の屈折率は、前記透明部材の屈折率とは異なっていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記第１の光が前記第１面から前記波長変換層に入射される構成においては、前記波長変換層の前記第２面に対向して設けられ、少なくとも前記第２の光を反射させる反射層をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子は、前記第１の光が前記第２面から前記波長変換層に入射される構成においては、前記波長変換層の前記第２面に対向して設けられ、前記第１の光を透過させ、前記第２の光を反射させるダイクロイック層をさらに備えていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第３の光のピーク波長は、前記第２の光のピーク波長とは異なっていてもよい。

本発明の一つの態様の波長変換素子において、前記第１の光は青色波長帯の光であり、前記第２の光のピーク波長は緑色波長帯に位置し、前記第３の光のピーク波長は赤色波長帯に位置していてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、本発明の一つの態様の波長変換素子と、前記第１の光からなる励起光を前記波長変換素子に向けて射出する光源と、を備える。

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光源装置と、前記光源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、を備える。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の照明装置の概略構成図である。 第１実施形態の波長変換素子の平面図である。 図３のIV−IV線に沿う波長変換素子の断面図である。 蛍光体層の厚さと波長変換効率および蛍光のにじみとの関係を示すグラフである。 励起光と蛍光とのスペクトルを示す図である。 第２実施形態の照明装置の概略構成図である。 第２実施形態の波長変換素子の断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６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。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ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１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、を備えている。照明装置２の構成については、後で説明する。

色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３は、照明装置２から射出された白色の照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した赤色光ＬＲを略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した緑色光ＬＧを略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した青色光ＬＢを略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。

第１ダイクロイックミラー７ａ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。第２ダイクロイックミラー７ｂ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８ａは、赤色光成分を反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、青色光成分を反射させる。

第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、入射された各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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂ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。合成光学系５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。

合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６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６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、単数もしくは複数の投射レンズで構成されている。

本実施形態の照明装置２の一例について説明する。
図２は、照明装置２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置２０と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３と、を備えている。インテグレーター光学系３１と重畳レンズ３３とは、重畳光学系を構成している。

光源装置２０は、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１位相差板２８ａと、偏光分離素子２５と、第１集光光学系２６と、波長変換素子４０と、第２位相差板２８ｂと、第２集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、を備えている。

アレイ光源２１、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、第１位相差板２８ａ、偏光分離素子２５、第２位相差板２８ｂ、第２集光光学系２９、および拡散反射素子３０は、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。波長変換素子４０、第１集光光学系２６、偏光分離素子２５、インテグレーター光学系３１、偏光変換素子３２、および重畳レンズ３３は、照明光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と照明光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する。なお、照明光軸ａｘ２は、照明装置２から射出される照明光ＷＬの主光線に沿う軸である。

アレイ光源２１は、固体光源として複数の半導体レーザー２１１を備えている。複数の半導体レーザー２１１は、光軸ａｘ１と直交する面内においてアレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１１は、第１波長帯を有する青色の光ＢＬ（第１の光）、具体的には、例えば４５０〜４６０ｎｍの波長帯を有し、ピーク波長が４５５ｎｍの光を射出する。アレイ光源２１は、複数の光ＢＬからなる光線束を射出する。本実施形態のアレイ光源２１は、特許請求の範囲の「光源」に対応する。

アレイ光源２１から射出された光ＢＬは、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された光ＢＬを平行光に変換する。コリメーター光学系２２は、アレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａの各々は、複数の半導体レーザー２１１の各々に対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光ＢＬは、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、複数の光ＢＬからなる光線束の太さ（径）を調整する。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａと、凹レンズ２３ｂと、から構成されている。

アフォーカル光学系２３を通過した光ＢＬは、第１位相差板２８ａに入射する。第１位相差板２８ａは、例えば光軸ａｘ１を中心として回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１１から射出された光ＢＬは、直線偏光である。第１位相差板２８ａの回転角度を適切に設定することにより、第１位相差板２８ａを透過する光ＢＬを、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光に変換することができる。また、第１位相差板２８ａを回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。

第１位相差板２８ａを通過することで生成されたＳ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光ＢＬ１は、偏光分離素子２５に入射する。偏光分離素子２５は、例えば波長選択性を有する偏光ビームスプリッターから構成されている。偏光分離素子２５は、光軸ａｘ１および照明光軸ａｘ２に対して４５°の角度をなすように配置されている。

偏光分離素子２５は、入射した光ＢＬ１を、偏光分離素子２５に対するＳ偏光成分の光ＢＬｓとＰ偏光成分の光ＢＬｐとに分離する偏光分離機能を有する。具体的に、偏光分離素子２５は、Ｓ偏光成分の光ＢＬｓを反射させ、Ｐ偏光成分の光ＢＬｐを透過させる。さらに、偏光分離素子２５は、偏光分離機能に加えて、青色の光ＢＬの波長帯とは異なる波長帯を有する黄色光成分を、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子２５から射出されたＳ偏光の光ＢＬｓは、第１集光光学系２６に入射する。第１集光光学系２６は、光ＢＬｓを波長変換素子４０に向けて集光させる。第１集光光学系２６は、第１レンズ２６ａと、第２レンズ２６ｂと、から構成されている。第１レンズ２６ａおよび第２レンズ２６ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。第１集光光学系２６から射出された光ＢＬｓは、波長変換素子４０に集光した状態で入射する。

波長変換素子４０は、第１波長帯である青色波長帯を有する光ＢＬｓを、第１波長帯とは異なる第２波長帯である黄色波長帯を有する蛍光ＹＬ（第２の光）に変換する。本実施形態では、波長変換素子４０として、例えばモーター等によって回転可能とされていない固定型の波長変換素子が用いられる。波長変換素子４０の構成については、後で詳しく説明する。

波長変換素子４０で生成された黄色の蛍光ＹＬは、第１集光光学系２６で平行化された後、偏光分離素子２５に入射する。蛍光ＹＬは、無偏光の光である。上述したように、偏光分離素子２５が偏光状態にかかわらず黄色光成分を透過させる特性を有しているため、蛍光ＹＬは、偏光分離素子２５を透過する。

一方、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂに入射する。第２位相差板２８ｂは、偏光分離素子２５と拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子２５から射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２位相差板２８ｂによって、例えば右回りの円偏光の青色光ＢＬｃ１に変換された後、第２集光光学系２９に入射する。

第２集光光学系２９は、第１レンズ２９ａと、第２レンズ２９ｂと、から構成されている。第１レンズ２９ａおよび第２レンズ２９ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。第２集光光学系２９は、青色光ＢＬｃ１を集光させた状態で拡散反射素子３０に入射させる。

拡散反射素子３０は、偏光分離素子２５から射出された光ＢＬｐの光路上に配置され、第２集光光学系２９から射出された青色光ＢＬｃ１を偏光分離素子２５に向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬｃ１をランバート反射させるとともに、青色光ＢＬｃ１の偏光状態を乱さないことが望ましい。

以下、拡散反射素子３０によって拡散反射された光を青色光ＢＬｃ２と称する。本実施形態においては、青色光ＢＬｃ１が拡散反射することによって略均一な照度分布の青色光ＢＬｃ２が得られる。例えば右回りの円偏光の青色光ＢＬｃ１は、拡散反射素子３０によって拡散反射され、左回りの円偏光の青色光ＢＬｃ２となる。

青色光ＢＬｃ２は、第２集光光学系２９によって平行光に変換された後、第２位相差板２８ｂに再度入射する。左回りの円偏光の青色光ＢＬｃ２は、第２位相差板２８ｂによってＳ偏光の青色光ＢＬｓ１に変換される。Ｓ偏光の青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５によって反射され、インテグレーター光学系３１に向けて進む。

このようにして、青色光ＢＬｓ１は、偏光分離素子２５を透過した蛍光ＹＬと合成され、照明光ＷＬとして利用される。すなわち、青色光ＢＬｓ１と蛍光ＹＬとは、偏光分離素子２５から互いに同じ方向に向けて射出され、青色光ＢＬｓ１と黄色の蛍光ＹＬとが合成された白色の照明光ＷＬが生成される。

照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３１に向けて射出される。インテグレーター光学系３１は、第１レンズアレイ３１１と、第２レンズアレイ３１２と、から構成されている。第１レンズアレイ３１１は、複数のレンズ３１１ａがアレイ状に配列された構成を有している。第２レンズアレイ３１２は、複数のレンズ３１２ａがアレイ状に配列された構成を有している。

インテグレーター光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とを有している。偏光変換素子３２は、無偏光の蛍光ＹＬを含む照明光ＷＬを、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂに入射させる直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３３に入射する。重畳レンズ３３は、インテグレーター光学系３１と協働して、被照明領域である光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域における照明光ＷＬの照度分布を均一化する。このようにして、照明装置２は、照明光ＷＬを生成する。

以下、本実施形態の波長変換素子４０について説明する。
図３は、波長変換素子４０の平面図である。図４は、図３のIV−IV線に沿う波長変換素子４０の断面図である。

図３および図４に示すように、波長変換素子４０は、波長変換層４１と、透明部材４２と、複数のナノアンテナ４３と、保護層４４と、基板４５と、反射層４６と、接合層４７と、を備えている。

図４に示すように、波長変換層４１は、励起光ＢＬｓを入射させるとともに蛍光ＹＬを射出させる第１面４１ａと、第１面４１ａとは異なる第２面４１ｂと、を有している。すなわち、本実施形態の波長変換素子４０は、波長変換層４１の一つの面から励起光ＢＬｓを入射させるとともに、蛍光ＹＬを射出させる波長変換素子、いわゆる反射型の波長変換素子である。図３に示すように、波長変換層４１は、第１面４１ａに直交する方向から見て、矩形状の形状を有している。以下、波長変換素子４０を第１面４１ａに直交する方向から見る場合を平面視と称する。また、ここでは、波長変換層４１に入射し、蛍光体を励起させる青色波長帯の光ＢＬｓを励起光ＢＬｓと称する。

波長変換層４１は、励起光ＢＬｓを、励起光ＢＬｓの第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する蛍光ＹＬ（第２の光）に変換するセラミック蛍光体を含んでいる。第２波長帯は、例えば４９０〜７５０ｎｍであり、蛍光ＹＬは、緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。なお、波長変換層４１は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。

波長変換層４１は、バルク状の無機蛍光体４１１と、無機蛍光体４１１の内部に分散された複数の光散乱体４１２と、を有する。複数の光散乱体４１２の屈折率は、無機蛍光体４１１の屈折率とは異なる。波長変換層４１は、無機蛍光体４１１の内部に分散された複数の光散乱体４１２を含むことにより、内部を伝搬する光を散乱させる特性を有する。波長変換層４１の厚さは、例えば１０μｍ以上、１００μｍ以下であることが望ましい。

無機蛍光体４１１として、例えば、賦活剤としてセリウムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ））系蛍光体、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋系蛍光体、等の黄色光を発光する蛍光体を用いることができる。もしくは、黄色光を発光する無機蛍光体４１１として、緑色蛍光体と赤色蛍光体とを混合した蛍光体を用いてもよい。その場合、緑色蛍光体として、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋系蛍光体、Ｙ_３Ｏ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体等を用いることができる。赤色蛍光体として、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋系蛍光体、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋系蛍光体、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋系蛍光体、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋系蛍光体等を用いることができる。

光散乱体４１２として、気孔を用いることができる。例えば無機蛍光体４１１としてＹＡＧ焼結体を用いる場合、ＹＡＧを焼結する際に焼結温度を調整することにより、ＹＡＧの粒界近傍に気孔を残存させることができる。このようにして、複数の光散乱体４１２が無機蛍光体４１１の内部に分散された波長変換層を作製することができる。気孔、すなわち、空気の屈折率は１．０であるから、光散乱体４１２として気孔を用いた場合には、他の低屈折率材料を用いた場合よりも無機蛍光体４１１と光散乱体４１２との屈折率差が大きくなるため、光散乱体４１２として好適である。ただし、光散乱体４１２は、必ずしも気孔でなくてもよく、無機蛍光体の屈折率とは異なる屈折率を有する粒子であればよい。

透明部材４２は、第３面４２ｃと第４面４２ｄとを有し、第３面４２ｃが波長変換層４１の第１面４１ａと対向するように設けられている。透明部材４２は、波長変換層４１の屈折率と等しい屈折率、または波長変換層４１の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料で構成されることが望ましい。波長変換層４１がＹＡＧで構成されている場合、ＹＡＧの屈折率が１．８２であるから、例えば屈折率が１．７７のサファイアガラス、屈折率が１．８５の光学ガラスＮ−ＳＦ５７（Schott社製）等を用いることができる。なお、透明部材４２の「透明」とは、部材の内部に光散乱体を有しておらず、光散乱性を持たないことを意味する。

透明部材４２の厚さは、蛍光ＹＬの波長以上であれば十分である。したがって、透明部材４２は、ガラス等の板材で構成されていなくてもよく、波長変換層４１の第１面４１ａに形成された薄膜で構成されていてもよい。薄膜としては、屈折率が２．０３の窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、屈折率が２．１２の二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、屈折率が２．４４の酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の材料を用いることができる。

複数のナノアンテナ４３は、透明部材４２の第４面４２ｄ上に設けられている。複数のナノアンテナ４３は、蛍光ＹＬの第２波長帯である黄色波長帯のうちの特定の波長帯、例えば赤色波長帯を有する光（第３の光）を選択的に第４面４２ｄの法線方向に向けて射出させる。なお、本実施形態では、上記特定の波長帯を、赤色波長帯に設定したが、蛍光ＹＬの第２波長帯のうちのいかなる波長帯に設定してもよい。以下、第４面４２ｄの法線方向を、単に法線方向と称する。

複数のナノアンテナ４３の各々は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）等の材料で形成された柱状体で構成されている。柱状体は、法線方向から見て、例えば円、多角形等の平面形状を有する。各ナノアンテナ４３の平面形状をなす円または多角形の径は、例えば１５０ｎｍである。各ナノアンテナ４３の高さは、例えば１５０ｎｍである。したがって、複数のナノアンテナ４３は、例えば厚さが１５０ｎｍの銀、アルミニウム等の金属、あるいはシリコン等の半導体の薄膜をパターニングすることによって形成することができる。なお、ナノアンテナ４３の形状は、必ずしも柱状体でなくてもよく、例えば円錐体、多角錐体、円錐台体、多角錐台体等であってもよい。また、ナノアンテナ４３は、上記に示す材料の合金や積層体で構成されていてもよい。

図３に示すように、平面視において、複数のナノアンテナ４３は、所定のピッチＰを有する三角格子状に配列されている。隣り合う２つのナノアンテナ４３の最適なピッチＰは、ナノアンテナ４３に隣接する透明部材４２の屈折率と、法線方向に回折させたい光の波長と、によって決まる。法線方向に回折させたい光の波長を例えば６１０ｎｍに設定すると、透明部材４２をサファイアガラスで構成した場合、ナノアンテナ４３の最適なピッチＰは、４００ｎｍである。透明部材４２を光学ガラスＮ−ＳＦ５７で構成した場合、ナノアンテナ４３の最適なピッチＰは、３８０ｎｍである。透明部材４２をＨｆＯ_２またはＴａ_２Ｏ_５で構成した場合、ナノアンテナ４３の最適なピッチＰは、３３０ｎｍである。透明部材４２をＴｉＯ_２で構成した場合、ナノアンテナ４３の最適なピッチＰは、２９０ｎｍである。なお、複数のナノアンテナ４３の配列は、必ずしも三角格子状でなくてもよく、例えば正方格子状等であってもよく、一定のピッチを有する配列であればよい。

保護層４４は、複数のナノアンテナ４３を覆うように、透明部材４２の第４面４２ｄに設けられている。保護層４４は、励起光ＢＬｓおよび蛍光ＹＬに対する光透過性を有する。保護層４４の屈折率は、透明部材４２の屈折率と略等しいことが望ましい。したがって、保護層４４には、透明部材４２と同様の材料、例えばＳｉ_３Ｎ_４、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２等の材料を用いることができる。なお、保護層４４は、必要に応じて設けられていればよく、設けられていなくてもよい。

基板４５は、第１面４５ａと第２面４５ｂとを有し、後述する反射層４６および接合層４７を介して、第１面４５ａが波長変換層４１の第２面４１ｂに対向するように設けられている。基板４５は、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の比較的高い熱伝導率を有する金属から構成されることが望ましい。なお、基板４５の第２面４５ｂには、ヒートシンク等の放熱部材が設けられていてもよい。

反射層４６は、基板４５の第１面４５ａに、波長変換層４１の第２面４１ｂに対向して設けられている。反射層４６は、少なくとも蛍光ＹＬを反射させる。反射層４６は、例えば銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の反射率が比較的高い金属、または誘電体多層膜から構成されている。図４の例では、反射層４６は、基板４５の第１面４５ａのうち、波長変換層４１の形成領域のみに設けられているが、波長変換層４１の形成領域以外の領域を含む基板４５の第１面４５ａの全面に設けられていてもよい。

接合層４７は、波長変換層４１と反射層４６との間に設けられ、波長変換層４１と反射層４６とを接合する。接合層４７は、例えばシリコーン樹脂等の樹脂材料、銀ペースト等の金属材料で構成されている。

以下、本実施形態の波長変換素子４０の作用を説明する。
本実施形態の波長変換素子４０においては、波長変換層４１が光散乱体４１２を含んでいるため、波長変換層４１に入射した励起光ＢＬｓは、光散乱体４１２によって波長変換層４１内で多重散乱する。これにより、略全ての励起光ＢＬｓが蛍光ＹＬに波長変換される。この蛍光ＹＬがレイリーアノマリーと呼ばれる面内への光回折が起こる角度でナノアンテナ４３に入射すると、蛍光ＹＬは、面内への光回折によって、個々のナノアンテナ４３を構成する金属粒子の局在表面プラズモンを励起しながら伝播する。これにより、大きな電場増強が発生する。このようにして増強された電場は、ナノアンテナ４３のピッチＰによって決まる特定の波長の光を、法線方向に強い指向性を持って放射する。ナノアンテナ４３から基板４５の側に向かって放射される蛍光ＹＬも存在するが、この蛍光ＹＬは反射層４６によって反射され、再度ナノアンテナ４３に向かって伝播する。

本発明者は、略全ての励起光ＢＬｓを波長変換できる波長変換層４１の条件について、以下のように考察した。
図５は、波長変換層４１の厚さと波長変換層４１内の光散乱体４１２の混入量とが波長変換効率に及ぼす影響を示している。図５において、横軸は波長変換層４１の厚さ（μｍ）であり、左側の縦軸は波長変換効率（％）であり、右側の縦軸は波長変換層４１から射出される蛍光ＹＬのにじみの量（μｍ）である。光散乱体４１２として気孔を用い、光散乱体４１２の混入量は波長変換層４１の全体積に対する光散乱体４１２の体積の割合で示し、０．２％、０．４％、０．８％、１．６％の４種類で変化させた。なお、蛍光ＹＬのにじみは、蛍光ＹＬが光散乱体４１２によって散乱することで横方向（波長変換層４１の厚さ方向と交差する方向）に伝搬した結果、蛍光ＹＬが励起光ＢＬｓの入射領域よりも外側に広がって射出される現象のことである。

図５に示すように、光散乱体４１２の混入量によって多少異なるが、波長変換層４１の厚さが少なくとも１０μｍであれば、４０％以上程度の波長変換効率が得られ、波長変換層４１の厚さが５０μｍ以上であれば、６０％程度で安定した波長変換効率が得られる。逆に、波長変換層４１の厚さが１０μｍよりも薄いと、波長変換効率は急激に低下する。逆に、波長変換層４１の厚さが５０μｍよりも厚いと、波長変換効率はほとんど向上しない反面、蛍光ＹＬのにじみが徐々に大きくなる。蛍光ＹＬのにじみが大きくなると、波長変換層４１の発光面積が大きくなる結果、エテンデューが増大し、波長変換素子４０を例えばプロジェクターに適用したときの投射効率が低下する。この結果から、波長変換層４１の厚さは、１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態の波長変換素子４０によれば、ピーク波長が４５５ｎｍの青色の励起光ＢＬｓを波長変換層４１に照射した場合、励起光ＢＬｓの光量の約６０％にあたる光を蛍光ＹＬとして取り出すことができる。上述した特許文献１の波長変換素子の場合、波長変換層が光散乱性を有していないため、入射した励起光が蛍光体に十分に吸収されないおそれがある。これに対し、本実施形態の波長変換素子４０の場合、波長変換層４１が複数の光散乱体４１２を含んでいるため、励起光ＢＬｓが波長変換層４１内で多重散乱し、励起光ＢＬｓの実質的な光路長が長くなることで、励起光ＢＬｓが蛍光体に十分に吸収される。これにより、本実施形態の波長変換素子４０によれば、特許文献１の波長変換素子に比べて波長変換効率を高めることができる。

さらに本実施形態の場合、波長変換素子４０が複数のナノアンテナ４３を備えているため、蛍光ＹＬの波長帯のうちの特定の波長の光を、法線方向に高い指向性で取り出すことができる。

図６は、本実施形態の波長変換素子４０において、励起光ＢＬｓのスペクトルおよび法線方向から測定した蛍光ＹＬのスペクトルを示す図である。図６において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光量（ａ．ｕ．）である。
図６に示すように、蛍光体から生成された蛍光ＹＬのなだらかなスペクトルに加え、波長が６１０ｎｍの個所に鋭いピークが生じている。このピークは、ナノアンテナ４３による局在表面プラズモン励起で増強された電場による光回折に由来する高い指向性を持つ光である。図６の場合、蛍光ＹＬのピーク波長は約５３０ｎｍであり、緑色波長帯に位置している。これに対し、ナノアンテナ４３によって法線方向に回折された光のピーク波長は約６１０ｎｍである。このように、ナノアンテナ４３によって法線方向に回折された光のピーク波長は、蛍光ＹＬのピーク波長とは異なる。

一般に、ＹＡＧ：Ｃｅ系の蛍光体は、蛍光体で生成される蛍光のうちの赤色光成分が少ないという特性を有している。そのため、ＹＡＧ：Ｃｅ系蛍光体から得られる蛍光をプロジェクター等の表示装置の照明光として用いた場合、良好なホワイトバランスを得ることが困難であった。そのため、蛍光のうち、例えば４０％程度の緑色光成分を捨てることによってホワイトバランスを確保しているが、この方法では、一部の光成分を捨てるため、光利用効率が低い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４０によれば、図６に示したように、赤色光成分が増強されることによって緑色光成分を捨てる量が少なくて済み、光利用効率を大幅に高めることができる。

なお、特許文献１の波長変換素子においても、励起光の波長変換効率を高める目的で波長変換層に光散乱体を混入させる方法が考えられる。しかしながら、特許文献１の構成において、単に波長変換層に光散乱体を混入させたとすると、ナノアンテナのごく近傍に光散乱体が存在することになる。この構成では、ナノアンテナの光回折作用に対して光散乱体が悪影響を及ぼす結果、法線方向に回折される光の量が低下するという問題がある。

これに対し、本実施形態の波長変換素子４０においては、光散乱体４１２が分散された波長変換層４１とナノアンテナ４３との間に透明部材４２が介在しているため、ナノアンテナ４３に対する光散乱体４１２の影響が透明部材４２によって緩和される。その結果、ナノアンテナ４３は、法線方向への光回折作用を十分に発揮することができる。これにより、本実施形態の波長変換素子４０によれば、波長変換層とナノアンテナとの間に透明部材が介在しない場合に比べて、特定波長の光成分の増強効果を高めることができる。

また、本実施形態の波長変換素子４０においては、複数のナノアンテナ４３が保護層４４で覆われているため、ナノアンテナ４３の剥離や損傷を抑制することができる。

なお、本実施形態では、保護層４４の屈折率は透明部材４２の屈折率と等しいが、この構成に代えて、保護層４４の屈折率は、透明部材４２の屈折率と異なっていてもよい。すなわち、保護層４４と透明部材４２とで材料を異ならせる等の方法により、保護層４４の屈折率を、意図的に透明部材４２の屈折率と異ならせてもよい。

保護層４４の屈折率と透明部材４２の屈折率とが異なる構成によれば、法線方向に回折させる光の波長幅を広げることができる。例えば透明部材４２の材料にサファイアガラスを用い、保護層４４の材料にＨｆＯ_２を用いたとすると、ピーク波長が６１０ｎｍの光とピーク波長が６３５ｎｍの光のそれぞれが法線方向に回折し、取り出す光の波長幅が広くなる。法線方向に回折する光の波長幅が広いと、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを照明した時に生じる様々な干渉に起因する色ムラが抑制できるとともに、演色性が向上する。

なお、本実施形態の波長変換素子４０において、黄色の蛍光ＹＬはランバーシアンの配光分布を持ち、広い角度で射出される。これに対して、波長６１０ｎｍの赤色光については、射出角度範囲が狭い上に、射出角度に対応した波長シフトも存在する。したがって、光源装置２０からの照明光をプロジェクターの画像投射にそのまま用いると、画像の色むらが発生しやすい。これに対し、本実施形態の照明装置２においては、図２に示すように、光源装置２０からの照明光ＷＬがインテグレーター光学系３１を通過するため、照明光ＷＬの照度が光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域上で均一化され、画像の色むらが緩和される。インテグレーター光学系３１を構成するレンズを細かく分割する程、画像の色の均一性は向上する。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７および図８を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、照明装置および波長変換素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体の説明は省略する。
図７は、本実施形態の照明装置の概略構成図である。図８は、本実施形態の波長変換素子の断面図である。
図７および図８において、第１実施形態で用いた図面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７に示すように、本実施形態の照明装置５０は、第１光源装置１１と、第２光源装置１２と、ダイクロイックミラー１３と、インテグレーター光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳レンズ３３と、を備えている。本実施形態の場合、第１光源装置１１は、特許請求の範囲の光源装置に対応する。

第１光源装置１１は、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、第１拡散板５１と、第１集光光学系２６と、波長変換素子６０と、第１ピックアップ光学系２７と、を備えている。第１拡散板５１は、アレイ光源２１から射出される励起光ＢＬ１を拡散させる。本実施形態において、第１拡散板５１には、例えば光学ガラスからなる磨りガラス板が用いられる。波長変換素子６０の構成については、後述する。

第２光源装置１２は、第２光源７０と、第２集光光学系７１と、第２拡散板７２と、第２ピックアップ光学系７３と、を備えている。

第２光源７０は、アレイ光源２１と同様の構成を有している。本実施形態において、第２光源７０は、青色光ＢＬを射出する半導体レーザーと、半導体レーザーから射出された青色光Ｂを平行化するコリメーターレンズと、を有している。第２光源７０は、半導体レーザーおよびコリメーターレンズを少なくとも一つずつ有していればよく、アレイ光源２１と同様、半導体レーザーおよびコリメーターレンズを複数個ずつ有していてもよい。

第２集光光学系７１は、第１レンズ７１ａと、第２レンズ７１ｂと、を備えている。第２集光光学系７１は、第２光源７０から射出された青色光ＢＬを第２拡散板７２の付近に集光する。第１レンズ７１ａおよび第２レンズ７１ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。

第２拡散板７２は、第２集光光学系７１から射出された青色光ＢＬを拡散し、第１光源装置１１において生成される蛍光ＹＬの配光分布に類似した配光分布を有する青色光ＢＬに変換する。第２拡散板７２として、例えば光学ガラスからなる磨りガラスが用いられる。

第２ピックアップ光学系７３は、第１レンズ７３ａと、第２レンズ７３ｂと、を備えている。第２ピックアップ光学系７３は、第２拡散板７２から射出された青色光ＢＬを略平行化する。第１レンズ７３ａおよび第２レンズ７３ｂのそれぞれは、凸レンズから構成されている。

本実施形態において、第２光源装置１２からの青色光ＢＬは、ダイクロイックミラー１３で反射される。ダイクロイックミラー１３で反射した青色光ＢＬは、第１光源装置１１から射出された後、ダイクロイックミラー１３を透過した黄色の蛍光ＹＬと合成され、白色の照明光ＷＬとなる。
照明装置５０のその他の構成は、第１実施形態と略同様である。

図８に示すように、本実施形態の波長変換素子６０は、波長変換層６５と、透明部材４２と、複数のナノアンテナ４３と、保護層４４と、基板６２と、ダイクロイック層６３と、接合層４７と、を備えている。第１実施形態の波長変換素子４０が反射型の波長変換素子であったのに対し、本実施形態の波長変換素子６０は、波長変換層６５の第２面６５ｂから励起光ＢＬ１が入射され、波長変換層６５の第１面６５ａから蛍光ＹＬが射出される波長変換素子、いわゆる透過型の波長変換素子である。

第１実施形態の基板４５は、例えば銅、アルミニウム等の透光性を持たない材料で構成されていたのに対し、本実施形態の基板６２は、例えばサファイアガラス等のガラス、石英等の透光性を有する材料で構成されている。

ダイクロイック層６３は、基板６２の第１面６２ａに、波長変換層６５の第２面６５ｂに対向して設けられている。ダイクロイック層６３は、励起光ＢＬ１を透過させ、蛍光ＹＬを反射させる特性を有する。これにより、励起光ＢＬ１は、ダイクロイック層６３を透過して波長変換層６５に入射し、蛍光ＹＬのうち、基板６２側に向かって進む蛍光ＹＬは、ダイクロイック層６３で反射して波長変換層６５の第１面６５ａに向かって進む。ダイクロイック層６３は、例えば誘電体多層膜から構成されている。

本実施形態の波長変換素子６０は、透過型の波長変換素子であるため、第１実施形態と異なり、励起光が反射層で反射されることによって励起光の実質的な光路長が波長変換層の厚さの２倍となるという効果を有していない。そのため、本実施形態の波長変換層６５は、第１実施形態の波長変換層４１の２倍程度の厚さを有することが必要である。したがって、本実施形態の波長変換層６５の厚さは、例えば２０〜１００μｍ程度である。ただし、波長変換層６５の構成は、第１実施形態の波長変換層４１の構成と同様である。
波長変換素子６０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、波長変換効率が高く、蛍光ＹＬの波長帯のうちの特定の波長の光を高い指向性で取り出すことができる波長変換素子６０が実現できる、光利用効率が高く、画像品質に優れたプロジェクターが実現できる、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、波長変換層の側面からの光の漏れを抑制するため、波長変換層の側面に反射層が設けられていてもよい。または、波長変換層の側面に反射層が設けられておらず、波長変換層の側面から励起光を入射させる構成、波長変換層の側面から蛍光を射出させる構成等が採用されてもよい。

その他、波長変換素子、光源装置、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、本発明による光源装置を、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。本発明による光源装置を、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適用してもよい。または、本発明による光源装置を、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置に適用してもよい。または、本発明による光源装置を、レーザー光源を用いた他の画像表示装置、例えば大型の液晶テレビジョン等に適用してもよい。

また、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を、例えば自動車のヘッドライトやスポットライトのように、指向性が高く、強度が高い白色光を必要とする照明装置に適用してもよい。

１…プロジェクター、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学装置、１１…第１光源装置（光源装置）、２０…光源装置、２１…アレイ光源（光源）、４０，６０…波長変換素子、４１，６５…波長変換層、４１ａ，６５ａ…第１面、４１ｂ，６５ｂ…第２面、４２…透明部材、４２ｃ…第３面、４２ｄ…第４面、４３…ナノアンテナ、４４…保護層、４６…反射層、６３…ダイクロイック層、４１２…光散乱体。

Claims (9)

1. 第１面と第２面とを有し、第１波長帯を有する第１の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２の光に変換し、前記第２の光を前記第１面から射出する波長変換層と、
   第３面と第４面とを有し、前記第３面が前記波長変換層の前記第１面に対向して設けられた透明部材と、
   前記透明部材の前記第４面に設けられた複数のナノアンテナと、を備え、
   前記波長変換層は、光散乱体を含み、
   前記複数のナノアンテナは、前記第２波長帯のうちの特定の波長帯を有する第３の光を選択的に前記第４面の法線方向に向けて射出させる、波長変換素子。
2. 前記透明部材の前記第４面に前記複数のナノアンテナを覆うように設けられ、少なくとも前記第２の光に対する光透過性を有する保護層をさらに備える、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記保護層の屈折率は、前記透明部材の屈折率とは異なる、請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記第１の光が前記第１面から前記波長変換層に入射され、
   前記波長変換層の前記第２面に対向して設けられ、少なくとも前記第２の光を反射させる反射層をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
5. 前記第１の光が前記第２面から前記波長変換層に入射され、
   前記波長変換層の前記第２面に対向して設けられ、前記第１の光を透過させ、前記第２の光を反射させるダイクロイック層をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の波長変換素子。
6. 前記第３の光のピーク波長は、前記第２の光のピーク波長とは異なる、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。
7. 前記第１の光は青色波長帯の光であり、
   前記第２の光のピーク波長は緑色波長帯に位置し、前記第３の光のピーク波長は赤色波長帯に位置する、請求項６に記載の波長変換素子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の波長変換素子と、
   前記第１の光からなる励起光を前記波長変換素子に向けて射出する光源と、
   を備えた、光源装置。
9. 請求項８に記載の光源装置と、
   前記光源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、プロジェクター。

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