波长转换元件、光源装置和投影仪的制作方法

本发明涉及波长转换元件、光源装置和投影仪。

背景技术：

近年，作为用于投影仪的光源装置，使用了能够获得高亮度、高输出的光的半导体激光等固体光源的光源装置受到关注。作为这样的光源装置，已知在透明的基板的一个面侧层叠有二向色层和荧光体层、在相反面侧形成有不反射涂层的光源装置(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2013-122930号公报

可是，在上述光源装置中，由于满足布儒斯特(Brewster)条件的荧光的一部分(P偏振光成分)会透过二向色层和基板，因此，无法高效地利用荧光。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述的技术问题而作出的，一个目的在于提供光利用效率高的波长转换元件。另外，目的在于提供具备所述波长转换元件的光源装置。另外，目的在于提供具备所述光源装置的投影仪。

根据本发明的第1形态，提供波长转换元件，其具备：基板；中间层，其设置于所述基板上，具有比所述基板的折射率小的折射率；二向色层，其设置于所述中间层上；以及荧光体层，其设置于所述二向色层上，被第1波段的光激励而发出与所述第1波段不同的第2波段的光。

根据第1形态的波长转换元件，能够使第2波段的光在中间层与二向色层的界面上全反射。由此，透过二向色层和基板而射出至外部的成分减少，因此，能够高效地利用第2波段的光。

在上述第1形态中，优选的是，所述二向色层具有由第1层叠膜和第2层叠膜交替层叠而成的多层膜结构，所述第2层叠膜具有比所述第1层叠膜的折射率大的折射 率，在设所述第1层叠膜的折射率为n_L，设所述第2层叠膜的折射率为n_H，设在所述第1层叠膜和所述第2层叠膜的边界面处满足布儒斯特条件的光的入射角为θ1，设所述中间层的临界角为θ1’，设所述中间层的折射率为N，并确定了θ1＝Atan(n_L/n_H)以及θ1’＝Asin(N/n_L)的情况下，满足θ1＞θ1’。

根据该结构，能够使满足布儒斯特条件而到达二向色层与中间层的界面的光在中间层全反射，因此，能够高效地利用光。

在上述第1形态中，优选的是，在设所述荧光体层的折射率为n_a的情况下，满足n_a＞n_L。

根据该结构，从荧光体层朝向中间层的满足布儒斯特条件的光的比例较小，因此，能够高效地利用光。

在上述第1形态中，优选的是，所述二向色层透过所述第1波段的光，并且反射所述第2波段的光。

根据该结构，能够提供可高效地将第2波段的光取出至外部的透过型的波长转换元件。

在上述第1形态中，优选的是，所述二向色层反射所述第1波段的光和所述第2波段的光。

根据该结构，能够提供可高效地将第2波段的光取出至外部的反射型的波长转换元件。

在上述第1形态中，优选的是，所述荧光体层由荧光体和树脂材料构成，或者由荧光体和无机材料构成，或者只由荧光体构成。

根据该结构，能够高效地将由各种形态的荧光体层发出的第2波段的光取出至外部。

根据本发明的第2形态，提供光源装置，其具备：上述第1形态的波长转换元件；和光源，其射出所述第1波段的光。

由于第2形态的光源装置具备上述波长转换元件，因此，能够高效地射出第2波段的光。

根据本发明的第3形态，提供投影仪，其具备：上述第2形态的光源装置；光调制装置，其根据图像信息对从所述光源装置射出的光进行调制而形成图像光；以及投影光学系统，其对所述图像光进行投影。

由于第3形态的投影仪具备上述光源装置，因此，光利用效率高。

附图说明

图1是第1实施方式的投影仪的概要结构图。

图2是示出光源装置的概要结构的图。

图3的(a)、(b)是示出荧光体轮的一个示例的结构图。

图4是示出荧光体轮的重要部位结构的剖视图。

图5是示出荧光体层的折射率和满足布儒斯特条件的入射角度之间的关系的图。

图6是示出第2实施方式的光源装置的概要结构的图。

图7的(a)、(b)是示出第2实施方式的荧光体轮的一个示例的结构图。

标号说明

1：投影仪；2、2A：光源装置；4R：红色光用光调制装置；4G：绿色光用光调制装置；4B：蓝色光用光调制装置；6：投影光学系统；11：荧光体层；13：中间层；15、15A：荧光体轮(波长转换元件)；15a：旋转基板(基板)；16：二向色层；17：第1层叠膜；18：第2层叠膜；21：发光部(光源)；BL1：蓝色光(第1波段的光)；YL：荧光(第2波段的光)。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。

并且，关于在以下的说明中所使用的附图，为了容易理解特征，为了方便，存在将特征部分放大表示的情况，并不限于各构成要素的尺寸比率等与实际相同。

(第1实施方式)

图1是示出本实施方式的投影仪的概要结构的图。

如图1所示，本实施方式的投影仪1是在屏幕SCR上显示彩色图像的投影型图像显示装置。投影仪1具备3个光调制装置，该3个光调制装置与红色光LR、绿色光LG、蓝色光LB各色光对应。投影仪1使用能够获得高亮度/高输出的光的半导体激光器作为光源装置2的光源。

投影仪1大略具备：光源装置2；分色光学系统3；红色光用光调制装置4R、绿色光用光调制装置4G；蓝色光用光调制装置4B；合成光学系统5；以及投影光学系 统6。

光源装置2朝向分色光学系统3射出白色的照明光WL。对于光源装置2，使用作为后述的本发明的一个实施方式的光源装置。

分色光学系统3将从光源装置2射出的白色的照明光WL分离为红色光LR、绿色光LG及蓝色光LB。分色光学系统3具备：第1二向色镜7a；第2二向色镜7b；第1反射镜8a；第2反射镜8b；第3反射镜8c；第1中继透镜9a；以及第2中继透镜9b。

第1二向色镜7a具有将从光源装置2射出的照明光WL分离为红色光LR、绿色光LG及蓝色光LB的功能。第1二向色镜7a透过红色光LR，并且反射绿色光LG和蓝色光LB。第2二向色镜7b具有将由第1二向色镜7a反射的光分离为绿色光LG和蓝色光LB的功能。第2二向色镜7b反射绿色光LG，并且透过蓝色光LB。

第1反射镜8a配置在红色光LR的光路中。第1反射镜8a使透过第1二向色镜7a的红色光LR朝向红色光用光调制装置4R反射。第2反射镜8b和第3反射镜8c配置在蓝色光LB的光路中。第2反射镜8b和第3反射镜8c使透过第2二向色镜7b的蓝色光LB朝向蓝色光用光调制装置4B反射。绿色光LG被第2二向色镜7b反射而朝向绿色光用光调制装置4G前进。

第1中继透镜9a和第2中继透镜9b配置在蓝色光LB的光路中的第2二向色镜7b的光射出侧。第1中继透镜9a和第2中继透镜9b具有下述这样的功能：对由于蓝色光LB的光路长度比红色光LR、绿色光LG的光路长度长而导致的蓝色光LB的光的损失进行补偿。

红色光用光调制装置4R根据图像信息对红色光LR进行调制，形成与红色光LR对应的图像光。绿色光用光调制装置4G根据图像信息对绿色光LG进行调制，形成与绿色光LG对应的图像光。蓝色光用光调制装置4B根据图像信息对蓝色光LB进行调制，形成与蓝色光LB对应的图像光。

在红色光用光调制装置4R、绿色光用光调制装置4G和蓝色光用光调制装置4B中，例如使用透过型的液晶面板。另外，在液晶面板的入射侧和射出侧配置有未图示的一对偏光板。偏光板使特定的方向的直线偏振光透过。

在红色光用光调制装置4R的入射侧配置有场透镜10R。在绿色光用光调制装置4G的入射侧配置有场透镜10G。在蓝色光用光调制装置4B的入射侧配置有场透镜 10B。场透镜10R将入射到红色光用光调制装置4R的红色光LR平行化。场透镜10G将入射到绿色光用光调制装置4G的绿色光LG平行化。场透镜10B将入射到蓝色光用光调制装置4B的蓝色光LB平行化。

合成光学系统5将与红色光LR、绿色光LG及蓝色光LB各个色光对应的图像光合成，并将合成后的图像光朝向投影光学系统6射出。合成光学系统5例如使用十字分色棱镜。

投影光学系统6由包括多个投影透镜的投影透镜组构成。投影光学系统6将利用合成光学系统5合成的图像光朝向屏幕SCR放大投影。由此，被放大后的彩色图像显示在屏幕SCR上。

接下来，对光源装置2进行说明。图2是示出光源装置2的概要结构的图。

如图2所示，在本实施方式的光源装置2中，发光部21、准直光学系统22、聚光光学系统23、荧光体轮(荧光发光元件)15、拾取光学系统40、集成光学系统31、偏振光转换元件32、重叠光学系统33依次配置在照明光轴ax1上。

发光部21具备多个半导体激光器(发光元件)21a。多个半导体激光器21a被配置成，在与照明光轴ax1垂直的面内呈阵列状排列。半导体激光器21a的个数并不特别限定。

半导体激光器21a例如射出蓝色的激励光BLa。激励光BLa朝向准直光学系统22被射出。

发光部21由于具备多个半导体激光器21a，因此射出多个激励光BLa。以下，将多个激励光BLa的束称作激励光BL。激励光BL与权利要求书中的“第1波段的光”对应，发光部21与权利要求书中的“光源”对应。

从发光部21射出的激励光BL入射到准直光学系统22。准直光学系统22将激励光BLa转换为平行光束。准直光学系统22例如由多个准直透镜22a构成，该多个准直透镜22a呈阵列状排列配置。多个准直透镜22a被配置成分别与多个半导体激光器21a对应。

通过准直光学系统22后的激励光BL入射到聚光光学系统23。聚光光学系统23使激励光BL聚光并入射到荧光体轮15。

图3是示出荧光体轮15的一个示例的结构图，图3的(a)是俯视图，图3的(b)是沿图3的(a)的A1-A1箭头观察的剖视图。

在本实施方式中，荧光体轮15是透过型的旋转荧光板。如图3的(a)、(b)所示，荧光体轮15具有：圆盘状的旋转基板15a，其被马达12(参照图2)驱动而绕旋转轴O进行旋转；环状的中间层13，其沿周向(旋转方向)形成在旋转基板15a的一个面侧；二向色层16，其形成在中间层13上；以及荧光体层11，其形成在二向色层16上。

在使用投影仪1时，旋转基板15a以规定的转速旋转。由此来抑制激励光BL连续地入射到荧光体层11的特定的区域，因此，能够实现荧光体层11的长寿命化。

旋转基板15a由使激励光BL透过的材料构成。作为旋转基板15a的材料，例如可以使用石英玻璃(石英ガラス)、水晶、蓝宝石、光学玻璃、透明树脂等。在本实施方式中，使用圆盘状的玻璃基板作为旋转基板15a。因此，旋转基板15a的折射率为1.5。

荧光体层11将激励光BL(蓝色光)转换为含有红色光和绿色光的黄色光即荧光YL。荧光YL与权利要求书中的“第2波段的光”对应。

荧光体层11例如由含有作为YAG系荧光体的(Y，Gd)₃(Al，Ga)₅O₁₂：Ce的层构成。荧光体层11具有吸收激励光BL(蓝色光)而转换为黄色的荧光YL的功能。

并且，作为荧光体层11，也可以如上所述仅由荧光体构成，也可以由荧光体微粒和粘合剂构成。作为粘合剂，使用树脂材料或无机材料。这样由荧光体微粒和粘合剂构成的荧光体层的折射率(平均折射率)由荧光体和粘合剂的浓度比率来确定。

例如，在将荧光体微粒的折射率设为N1、将粘合剂的折射率设为N2、将荧光体比率设为α、将粘合剂比率设为β的情况下(设α+β＝1)，荧光体层的平均折射率可以由αN1+βN2来确定。

中间层13具有比旋转基板15a的折射率(1.5)小的折射率。在本实施方式中，中间层13例如由透明石英玻璃(silica glass)构成，并且，如后述那样，折射率被设定为1.25。中间层13经由未图示的粘接层被支承于旋转基板15a。

上述中间层13例如是通过下述方式来形成的：使用石英玻璃(SiO₂)和聚乙烯醇(PVA)，将SiO₂-PVA溶液凝胶化后浇注到期望的铸模中，将在大气中干燥后的石英玻璃的前体(前駆体)以1000℃以上的温度进行烧结。

二向色层16作为二向色镜发挥功能，具有透过激励光BL并反射从荧光体层11 射出的荧光YL的特性。

入射到荧光体层11的激励光BL的一部分通过被荧光体吸收而转换为荧光YL。荧光YL直接或者通过被二向色层16反射而从荧光体层11射出至外部。另一方面，激励光BL中的未被荧光体层11吸收的成分(作为激励光BL中的一部分成分的蓝色光BL1)从荧光体层11射出至外部。

光源装置2通过将从荧光体层11射出的荧光YL和蓝色光BL1合成而射出白色的照明光WL。

图4是示出荧光体轮15的重要部位结构的剖视图。如图4所示，在本实施方式中，二向色层16例如由第1层叠膜17和第2层叠膜18交替层叠而成的多层膜结构构成，其中，第1层叠膜17由SiO₂构成，第2层叠膜18由TiO2构成。第2层叠膜18(TiO₂)的折射率比第1层叠膜17(SiO₂)的折射率大。

在本实施方式中，在二向色层16中的与中间层13的边界部分形成有第1层叠膜17，在二向色层16中的与荧光体层11的边界部分形成有第2层叠膜18。即，二向色层16的上表面16a由第2层叠膜18构成，二向色层16的下表面16b由第1层叠膜17构成。

如图4所示，将第1层叠膜17的折射率设为n_L，将第2层叠膜的折射率设为n_H，将中间层13的折射率设为N，将入射光(朝向下方的荧光YL)YL1相对于二向色层16的上表面16a的入射角设为θ₀，将第2层叠膜18中的光的折射角设为θ_H，将第1层叠膜17中的光的折射角设为θ_L。另外，在本实施方式中，使荧光体层11的折射率n_a为1.85，使第1层叠膜17的折射率n_L为1.46，使第2层叠膜18的折射率n_H为2.4。

在二向色层16与荧光体层11的边界面处，n_asinθ₀＝n_Hsinθ_H成立，因此，可以得到下面的公式(1)。

sinθ_H＝(n_a/n_H)sinθ₀……公式(1)

来自荧光体层11的入射光YL1透过折射率比荧光体层11高的第2层叠膜18而到达第1层叠膜17。入射光YL1根据入射角θ₀的大小而在第1层叠膜17和第2层叠膜18的边界面处发生全反射。

在此，第1层叠膜17和第2层叠膜18的边界面上的临界角度由下面的公式(2)来确定。

θ_H＝Asin(n_L/n_H)……公式(2)

根据上述公式(2)，θ_H为37.5°。因此，θ_H＝37.5°以上的光在第1层叠膜17和第2层叠膜18的边界面上发生全反射。

根据上述公式(1)，θ_H＝37.5°以上的光满足(n_a/n_H)sinθ₀＞sin(37.5°)的关系。因此，入射角θ₀为52.1°以上的光通过被二向色层16反射而作为照明光WL从荧光体层11射出。

另一方面，入射光YL1中的、入射角θ₀小于52.1°的光存在透过二向色层16而到达旋转基板15a的可能性。

如果将在二向色层16的第1层叠膜17和第2层叠膜18的边界面处的、满足布儒斯特条件光的入射角度设为θ₁，则θ₁由下面的公式(3)来确定。

θ₁＝Atan(n_H/n_L)……公式(3)

另外，如果将满足布儒斯特条件光的基于边界面的折射角设为θ₂，则θ₂由下面的公式(4)来确定。

θ₂＝Atan(n_L/n_H)……公式(4)

根据上述公式(3)，θ₁为58.7°。另外，根据上述公式(4)，θ₂为33.1°。

满足布儒斯特条件光(入射角度θ₁的光)的P偏振光成分的反射率为0，即透过率为100％，因此，会到达旋转基板15a。在本实施方式中，通过使该入射角度θ₁的光在中间层13全反射而能够使大部分光射出至外部。

在此，如果将中间层13的临界角设为θ₁’，则θ₁’由下面的公式(5)来确定。

θ₁’＝Asin(N/n_L)……公式(5)

在本实施方式中，具备满足θ₁＞θ₁’的条件的中间层13。由此，能够使满足布儒斯特条件而到达第1层叠膜17与中间层13的界面的光在中间层13全反射。

具体而言，根据公式(5)，只要使中间层13的折射率N为1.25以下即可，在本实施方式中，例如使折射率N为1.25。

并且，在上述说明中，虽然例举了在二向色层16中的与中间层13的边界部分形成有第1层叠膜17并在二向色层16中的与荧光体层11的边界部分形成有第2层叠膜18的情况，但也可以在二向色层16中的与中间层13的边界部分形成有第2层叠膜18并在二向色层16中的与荧光体层11的边界部分形成有第1层叠膜17。在该情况下，也只要使荧光体层11的折射率N为1.25以下即可。

另外，荧光YL含有各种角度成分的光线。如果考虑到立体角来比较彼此不同的入射角θ₀的光线，则荧光YL中含有入射角θ₀大的光线比入射角θ₀小的光线多。

图5是示出在第1层叠膜17和第2层叠膜18的边界面上、满足布儒斯特条件的入射光YL1的入射角度θ₀与荧光体层11的折射率n_a之间的关系的曲线图。并且，图5是示出了n_H为2.4、n_L为1.46、θ₂为31.3°、在改变了N_a的情况下、θ₂满足31.3°的θ₀的变化的曲线图。

如图5所示，如果使荧光体层11的折射率n_a增大，则满足布儒斯特条件的入射角度θ₀变小。即，如果使荧光体层11的折射率n_a增大，则荧光YL中的满足布儒斯特条件的光线的比例减小，因此，能够减少朝向旋转基板15a侧的光。

因此，在本实施方式中，使荧光体层11的折射率n_a为比第1层叠膜17的折射率n_L(1.46)大的1.85。

返回图2，照明光WL经由拾取光学系统40而入射到集成光学系统31。拾取光学系统40包括第1透镜40a和第2透镜40b。

集成光学系统31将照明光WL分割成多个小光束。集成光学系统31例如由第1透镜阵列31a和第2透镜阵列31b构成。第1透镜阵列31a和第2透镜阵列31b由多个微透镜呈阵列状排列成的透镜阵列构成。

从集成光学系统31射出的照明光WL(多个小光束)入射到偏振光转换元件32。偏振光转换元件32将照明光WL转换为直线偏振光。偏振光转换元件32例如由偏振光分离膜、相位差板和镜子(mirror)构成。

被转换为直线偏振光的照明光WL入射到重叠透镜33a。重叠透镜33a使从偏振光转换元件32射出的多个小光束在照明对象物上互相重叠。由此，能够均匀地对照明对象物进行照明。本实施方式的重叠光学系统33由集成光学系统31和重叠透镜33a构成，其中，集成光学系统31由第1透镜阵列31a和第2透镜阵列31b构成。

根据本实施方式的光源装置2，利用配置在二向色层16与旋转基板15a之间的、折射率比旋转基板15a小的中间层13，能够使透过二向色层16后的光(荧光YL的一部分)全反射而经由荧光体层11射出至外部。由此，能够高效地将由荧光体层11生成的荧光YL作为照明光WL来利用，因此，能够获得明亮的照明光WL。

另外，在本实施方式的投影仪1中，由于具备光利用效率高的光源装置2，因此，能够提供光利用效率高的投影仪。

(第2实施方式)

接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。本实施方式与第1实施方式的差异是在光源装置中生成照明光的结构。在以下内容中，以光源装置的结构为主体进行说明。并且，对于与第1实施方式中的构成部件相同的构成部件，附加相同的标号，并省略说明。

图6是示出本实施方式的光源装置的概要结构的图。

如图6所示，本实施方式的光源装置2A具备发光部110、准直光学系统70、二向色镜80、聚光光学系统90、相位差板50、荧光体轮(荧光发光元件)15A、马达12、集成光学系统31、偏振光转换元件32和重叠光学系统33。

发光部110由射出由激光构成的激励光BL的半导体激光器(发光元件)构成。发光部110可以是由1个半导体激光器构成的部件，也可以是由许多半导体激光器构成的部件。并且，发光部110也可以使用射出除445nm以外的波长(例如，460nm)的蓝色光的半导体激光器。

在本实施方式中，发光部110被配置成照明光轴ax3与照明光轴ax2垂直。

准直光学系统70具备第1透镜72和第2透镜74，将来自发光部110的光大致平行化。第1透镜72和第2透镜74由凸透镜构成。

二向色镜80被配置成，在从准直光学系统70至聚光光学系统90的光路中，以45°的角度分别与发光部110的照明光轴ax3和照明光轴ax2相交。二向色镜80对于蓝色光具有偏振光分离功能，并且，对于含有红色光和绿色光的黄色的荧光，不论其偏振状态如何都使其通过。

来自发光部110的激励光BL作为S偏振光入射到二向色镜80，被二向色镜80朝向聚光光学系统90反射。

聚光光学系统90具有使来自二向色镜80的激励光BL在大致聚光的状态下入射到荧光体轮15A的荧光体层11的功能、以及对从荧光体轮15A射出的荧光进行拾取(pick up)的功能。

图7是用于说明实施方式的荧光体轮15A而示出的图。图7的(a)是荧光体轮15A的俯视图，图7的(b)是沿图7的(a)的B1-B1箭头观察的剖视图。

本实施方式的荧光体轮15A是反射型的旋转荧光板。如图6和图7所示，荧光体轮15A中，在能够借助马达12旋转的旋转基板25上具有：环状的中间层13；二 向色层16，其形成在中间层13上；以及荧光体层11，其形成在二向色层16上。

在本实施方式中，荧光体轮15A是下述这样的反射型轮：朝向与激励光BL入射的一侧相同的一侧射出荧光YL。

旋转基板25例如由石英玻璃、水晶、蓝宝石、光学玻璃、透明树脂等透光性部件构成。在本实施方式中，使用圆盘状的玻璃基板作为旋转基板25。因此，旋转基板25的折射率为1.5。

中间层13具有比旋转基板25的折射率(1.5)小的折射率。

在本实施方式中，中间层13例如由透明石英玻璃构成，折射率为1.25。

荧光体层11被来自发光部110的激励光BL激励而射出荧光YL。二向色层16使激励光BL中的未被荧光体层11吸收的成分(作为激励光BL中的一部分成分的蓝色光B)反射，并且，使由荧光体层11产生的荧光YL中向下方射出的成分朝向上方反射。

荧光YL透过二向色镜80而入射到集成光学系统31。蓝色光B再次透过相位差板50而被转换为相对于二向色镜80的P偏振光。作为P偏振光的蓝色光B透过二向色镜80而入射到集成光学系统31。

并且，也可以利用二向色镜80使从配置在二向色镜80的与发光部110相反一侧的另一发光部射出的蓝色光B向集成光学系统31侧反射，并与荧光YL合成而生成照明光WL。

本实施方式的光源装置2A使从荧光体层11射出的荧光YL和蓝色光B合成而成的白色的照明光WL入射到集成光学系统31。

在本实施方式的荧光体轮15A中，在二向色层16与旋转基板15a之间配置有折射率比旋转基板25小的中间层13。因此，透过二向色层16后的光(荧光YL)被中间层13朝向聚光光学系统90反射。由此，能够高效地将由荧光体层11生成的荧光YL作为照明光WL来利用。

以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明的内容并不受上述方式限定，能够在不脱离发明的宗旨的范围内适当地变更。

例如，在上述实施方式中，虽然例举了由透明石英玻璃形成中间层13的情况，但本发明并不限于此。例如，也可以利用树脂材料来形成中间层13。

另外，在上述实施方式中，虽然例举了使用荧光体层11形成于旋转基板15a或 25上的旋转荧光轮的情况，但本发明并不限于此。

例如，也可以对下述这样的光源装置采用本发明，该光源装置对设置于被固定的基板上的荧光体层11照射激励光而产生荧光。

另外，在上述实施方式中，虽然例示出具备3个光调制装置4R、4G、4B的投影仪1，但也可以应用于以1个液晶光调制装置来显示彩色影像的投影仪。另外，作为光调制装置，也可以使用数字微镜器件(Digital Mirror Device)。

另外，虽然在上述实施方式中，示出了将本发明的光源装置搭载于投影仪的示例，但并不限于此。本发明的光源装置还可以应用于照明器具、汽车的头灯等。