発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクター
【課題】光取り出し効率の低下もしくは発光面積の広がりに伴う光利用効率の低下を抑制し得る発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子は、結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子５５を含む発光層１１Ｒ（蛍光体層）と、蛍光体層を支持する支持基材１９と、を備える。蛍光体層の支持基材とは反対側の面において、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出している。
【解決手段】本発明の発光素子は、結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子５５を含む発光層１１Ｒ（蛍光体層）と、蛍光体層を支持する支持基材１９と、を備える。蛍光体層の支持基材とは反対側の面において、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクターにおいては、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的であった。ところが、この種の放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、ランプから放射される紫外線が液晶ライトバルブを劣化させる、等の課題がある。そこで、放電ランプに代わる方式の光源を用いた投射型の画像表示装置が提案されている。
【０００３】
この種の光源として、蛍光発光を利用して白色光を生成する方式のものが知られている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーからの光を蛍光体に照射することにより、蛍光としての白色光を取り出す光源装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。特許文献１の光源装置は、蛍光体を励起させる励起光（青色光）を射出する励起光源と、励起光を受けて励起光とは異なる波長帯域である赤色光および緑色光を発する蛍光体層を備えた蛍光ホイールと、を有している。複数種の蛍光体をホイールの周方向に種類毎に領域を分けて蛍光体層として配置し、蛍光ホイールを回転させつつ複数の蛍光体層に励起光を照射することにより、発せられる蛍光の色を時間毎に異ならせている。このようにして、複数の色光を混色させて白色光を射出させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１の光源装置を含め、この種の一般の光源装置において、蛍光体層は、粉体状の蛍光体粒子を樹脂等のバインダーに分散させたものを基板上に塗布した塗膜として形成される。この構成では、励起光が蛍光体層中の各蛍光体粒子に浸入し、それにより励起された蛍光が各蛍光体粒子の外部に射出される。このとき、各蛍光体粒子はその周囲をバインダーに囲まれており、かつ、バインダーが蛍光体層の母材となっている。そのため、蛍光体粒子からあらゆる方向に射出された光のうち、母材と空気との界面での臨界角以上で反射した光の成分が母材中を基板面と平行な方向に伝播する。その結果、蛍光の外部空間への取り出し効率が低下するのと同時に、蛍光体層での発光面積が広がることになる。この発光面積の広がりはプロジェクターの光利用効率の指標となるエテンデュー（Etendue）が大きくなることを意味し、光利用効率が低下する。特にバインダーの屈折率が高くなると、発光面積がより増大して光利用効率の低下が著しくなる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光取り出し効率の低下もしくは発光面積の広がりに伴う光利用効率の低下を抑制し得る発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクターの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の発光素子は、結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子を含む蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材と、を備え、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出していることを特徴とする。
【０００８】
本発明の発光素子によれば、蛍光体粒子の周囲の全てがバインダーで覆われた従来の蛍光体層と異なり、蛍光体層の支持基材とは反対側の面において、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が結合材から露出している。そのため、蛍光体粒子から発せられた蛍光のうち、結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される成分が増加し、蛍光が蛍光体層内を支持面と平行な方向に伝播しにくくなる。これにより、蛍光体層から取り出される蛍光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、蛍光発光部の拡大が抑えられる。これにより、エテンデューの増大が抑えられ、従来に比べて光利用効率を向上させることができる。
【０００９】
本発明の発光素子において、前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しい構成を採用できる。
この構成によれば、バインダーが介在しない分、支持面上に並ぶ蛍光体粒子の数密度を増大させることができる。また、蛍光体層は厚さ方向に略１個の蛍光体粒子で構成される。言い換えると、蛍光体層は蛍光体粒子の単層膜に近い構造を持つ。これにより、複数の蛍光体粒子のうち、多くの蛍光体粒子が支持基材と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子が支持基材と極めて接近した状態となる。これにより、蛍光体粒子において発生した熱が蛍光体粒子から支持基材へ移動するときの移動距離が短くなる。その結果、蛍光体粒子に励起光が照射された際の熱を支持基材から効率良く放出することができる。一般的に、蛍光材料は温度上昇に伴って蛍光を発光（光波長変換）する効率が低下する性質、いわゆる温度消光があるが、本発明では熱を効率良く放出できるため、蛍光体粒子の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００１０】
本発明の発光素子において、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることが望ましい。
この構成によれば、より多くの蛍光が結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される。その結果、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１１】
本発明の発光素子において、前記結合材が無機材料の架橋体からなる構成を採用できる。
この構成によれば、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが無機材料の架橋体からなる結合材によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い蛍光体層を形成することができる。
【００１２】
本発明の発光素子において、前記架橋体が珪酸化物からなる構成を採用できる。
この構成によれば、例えば沈降法などの一般的な方法で蛍光体層を形成することができる。
【００１３】
本発明の発光素子において、前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物層が設けられた構成を採用できる。
この構成によれば、無機材料の酸化物層によって蛍光体層と支持基材との接着性を向上させることができる。
【００１４】
本発明の発光素子において、前記支持基材が金属からなり、前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物からなる増反射層が設けられた構成を採用できる。
この構成によれば、無機材料の酸化物層によって蛍光体層と支持基材との接着性を向上できるとともに、支持基材表面での光の反射率を増大させ、光利用効率を向上できる。
【００１５】
本発明の発光素子において、前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされた構成を採用できる。
この構成によれば、発光素子の１箇所に励起光が集中的に照射されることがなく、発光部を分散させることができる。その結果、発光部の温度上昇を抑制でき、温度消光を低減することができる。
【００１６】
本発明の発光素子の製造方法は、複数の蛍光体粒子と架橋剤とを含む液状物を支持基材の支持面上に配置する工程と、前記複数の蛍光体粒子間および前記蛍光体粒子と前記支持基材との間で前記架橋剤を介して架橋反応を生じさせる工程と、前記液状物を乾燥させることにより、前記支持基材の前記支持面上に、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記架橋剤からなる結合材から前記支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが結合材によって結合され、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が架橋剤からなる結合材から支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を比較的容易に形成することができる。
【００１８】
本発明の発光素子の製造方法において、前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しい構成を採用できる。
この構成によれば、バインダーが介在しない分、支持面上に並ぶ蛍光体粒子の数密度を増大させることができる。また、蛍光体層は厚さ方向に略１個の蛍光体粒子で構成される。言い換えれば、蛍光体層は蛍光体粒子の単層膜に近い構造を持つ。これにより、複数の蛍光体粒子のうち、多くの蛍光体粒子が支持基材と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子が支持基材と極めて接近した状態となる。したがって、蛍光体粒子において発生した熱が蛍光体粒子から支持基材へ移動するときの移動距離が短くなる。これにより、蛍光体粒子に励起光が照射された際の熱を支持基材から効率良く放出することができる。一般的に、蛍光材料は温度上昇に伴って蛍光を発光（光波長変換）する効率が低下する性質、いわゆる温度消光があるが、本発明では熱を効率良く放出できるため、蛍光体粒子の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００１９】
本発明の発光素子の製造方法において、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることが望ましい。
この構成によれば、より多くの蛍光が結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される。その結果、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤が珪酸化合物からなる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えば沈降法などの一般的な手法で形成することができる。さらに、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが珪酸化合物の架橋体からなる結合材によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い蛍光体層を容易に形成することができる。
【００２１】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤がポリビニルアルコールと重クロム酸塩とからなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えばスラリー法などの一般的な手法で形成することができる。紫外線を局所的に照射することにより、蛍光体層をパターニングすることもできる。
【００２２】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤がジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩からなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えば光粘着法などの一般的な手法で形成することができる。紫外線を局所的に照射することにより、蛍光体層をパターニングすることもできる。
【００２３】
本発明の光源装置は、前記本発明の発光素子と、前記複数の蛍光体粒子を励起させる励起光を射出する励起光用光源と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、光利用効率に優れた光源装置を実現することができる。
【００２４】
本発明のプロジェクターは、上記本発明の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、エネルギー効率に優れたプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は第１実施形態の光源装置に備えられた蛍光体ホイールを示す正面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は蛍光体ホイールの発光層から光が射出される様子を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は蛍光体ホイールの製造方法を工程順を追って示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す図である。
【図６】従来の発光層を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔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。
本実施形態のプロジェクターは、白色光を出力する光源装置と、光源装置から得られる白色光を色分離する色分離光学系と、色分離光学系によって得られた３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブとを備えたプロジェクター、いわゆる３板式の液晶プロジェクターの例である。
図１は、本実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す概略構成図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、光源装置に備えられた蛍光体ホイールの正面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は蛍光体ホイールの発光層から光が射出される様子を示す図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、蛍光体ホイールの製造方法を工程順を追って示す図である。
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。
【００２７】
本実施形態のプロジェクター１は、図１に示すように、光源装置２と、色分離光学系３と、液晶ライトバルブ４Ｒ（光変調素子）、液晶ライトバルブ４Ｇ（光変調素子）、液晶ライトバルブ４Ｂ（光変調素子）と、色合成素子５と、投写光学系６と、を備えている。本実施形態のプロジェクター１において、光源装置２から射出された光は、色分離光学系３により複数の色光に分離される。色分離光学系３により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された複数の色光は、色合成素子５に入射して合成される。色合成素子５により合成された光は、投写光学系６によりスクリーン７に拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。
【００２８】
以下、プロジェクター１の各構成要素について説明する。
光源装置２は、レーザー光源９（励起光用光源）、蛍光体ホイール１０（発光素子）、第１のハーフミラー４１、第２のハーフミラー４２、第１のミラー４３、第２のミラー４４、緑色光反射ダイクロイックミラー４５、緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６、ピックアップレンズ４７、青色光反射ダイクロイックミラー４８、拡散板４９、コリメータレンズ５０、を備えている。緑色光反射ダイクロイックミラー４５は、緑色光を反射し、赤色光を透過させる分光特性を有している。緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６は、緑色光および赤色光を反射し、青色光を透過させる分光特性を有している。
【００２９】
レーザー光源９は、後述する蛍光体ホイール１０が備える蛍光体を励起させる励起光として、例えば発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光を射出する。レーザー光源９から射出される青色レーザー光は偏光状態が一定の直線偏光である。本実施形態において、波長４５０ｎｍは第１の波長領域に相当する。なお、レーザー光源９は、図１では１個のレーザー光源を用いる例として示したが、例えば複数個のレーザー光源を並置しても良い。また、後述する蛍光体を励起させることができる波長の光であれば、４５０ｎｍ以外の中心波長を有する色光を射出するレーザー光源であっても構わない。本実施形態では、レーザー光源を用いるが、固体光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いても良い。
【００３０】
本実施形態の蛍光体ホイール１０は、光を透過させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる透過型の蛍光体ホイールである。蛍光体ホイール１０は、支持基板１９（支持基材）と、支持基板１９の第１の面１９ａ（支持面）の上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２と、緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に設けられた赤色発光層１１Ｒ（蛍光体層）および緑色発光層１１Ｇ（蛍光体層）と、を有している。赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇの詳細な構成は後述するが、複数の蛍光体粒子が結合材を介して緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に固定されている。また、複数の蛍光体粒子同士は、結合材を介して結合されている。また、支持基板１９の第２の面１９ｂには青色光の反射を防止するための反射防止膜５３が設けられている。以下の説明では、支持基板１９の第１の面１９ａを支持面と称し、第２の面１９ｂを裏面と称する。
【００３１】
第２のハーフミラー４２と第１のミラー４３とが、各々の反射面が支持基板１９の第２の面１９ｂと４５度の角度をなすように配置されている。第１のハーフミラー４１は、蛍光体ホイール１０と対向しない位置に配置されている。レーザー光源９は、射出した青色光ＬＢが第１のハーフミラー４１に入射する位置に配置されている。したがって、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、一部が第１のハーフミラー４１で反射し、残りが第１のハーフミラー４１を透過する。第１のハーフミラー４１を透過した青色光ＬＢは第２のハーフミラー４２に入射し、一部が第２のハーフミラー４２で反射し、残りが第２のハーフミラー４２を透過する。
【００３２】
このようにして、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、そのまま使用される青色光ＬＢ１、緑色発光層励起用の青色光ＬＢ２、赤色発光層励起用の青色光ＬＢ３、の３つの光束に分配される。これらの青色光ＬＢ１，青色光ＬＢ２，青色光ＬＢ３の分配の比率は、緑色発光層１１Ｇおよび赤色発光層１１Ｒの波長変換効率や赤色光、緑色光、青色光の合成光である白色光の色度に応じて決定される。第１のハーフミラー４１，第２のハーフミラー４２での分配の比率は、光の透過量と反射量とがそれぞれ所望の値となるように、ハーフミラーを構成する誘電体多層膜の構成（膜厚、層数等）を設定することで調整が可能である。
【００３３】
第２のハーフミラー４２で反射した青色光ＬＢ２は蛍光体ホイール１０に向かって進み、緑色発光層１１Ｇに入射する。緑色発光層１１Ｇに入射した青色光ＬＢ２は、緑色発光層１１Ｇの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が５３０ｎｍの光に波長変換され、緑色光ＬＧが射出される。本実施形態において、波長５３０ｎｍは第２の波長領域に相当する。一方、第２のハーフミラー４２を透過した青色光ＬＢ３は第１のミラー４３で反射した後、蛍光体ホイール１０に向かって進み、赤色発光層１１Ｒに入射する。赤色発光層１１Ｒに入射した青色光ＬＢ３は、赤色発光層１１Ｒの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が６８０ｎｍの光に波長変換され、赤色光ＬＲが射出される。本実施形態において、波長６８０ｎｍは第２の波長領域に相当する。
【００３４】
赤色発光層１１Ｒから射出された赤色光ＬＲは、第２のミラー４４で反射した後、緑色光反射ダイクロイックミラー４５に向かって進み、緑色光反射ダイクロイックミラー４５を透過する。また、緑色発光層１１Ｇから射出された緑色光ＬＧは、緑色光反射ダイクロイックミラー４５で反射する。このようにして、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとは緑色光反射ダイクロイックミラー４５によって合成される。
【００３５】
赤色発光層１１Ｒから射出されて第２のミラー４４に向かう赤色光ＬＲの光路上に、ピックアップレンズ４７と青色光反射ダイクロイックミラー４８とが設けられている。青色光反射ダイクロイックミラー４８は、青色光を反射し、赤色光を透過させる分光特性を有している。赤色発光層１１Ｒに入射された青色光ＬＢ３は全てが赤色光に波長変換されるわけではなく、波長変換されずに赤色発光層１１Ｒを透過する青色光成分も存在する。そのような青色光成分を青色光反射ダイクロイックミラー４８で反射させて赤色発光層１１Ｒに再入射させ、励起光として蛍光発光に寄与させることができる。このように、青色光反射ダイクロイックミラー４８によって波長変換効率を高めることができる。同様に、緑色発光層１１Ｇから射出されて緑色光反射ダイクロイックミラー４５に向かう緑色光ＬＧの光路上に、ピックアップレンズ４７と青色光反射ダイクロイックミラー４８とが設けられている。
【００３６】
第１のハーフミラー４１で反射して緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６に向かう青色光ＬＢ１の光路上に、拡散板４９とコリメータレンズ５０とが設けられている。第１のハーフミラー４１で反射した青色光ＬＢ１は、拡散板４９とコリメータレンズ５０とを透過することによりビーム径が拡大され、所定のビーム径を有する青色光となる。この青色光が緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６を透過する一方、緑色光反射ダイクロイックミラー４５によって合成された赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとが緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６で反射することにより、これらの光が合成され、白色光ＬＷとなって光源装置２から射出される。
【００３７】
図２（Ａ）に示すように、レーザー光源９側から蛍光体ホイール１０を見たときの平面形状、すなわち支持基板１９の平面形状は円形である。支持基板１９の緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に、円環状の赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとが同心状に設けられている。赤色発光用の蛍光体と緑色発光用の蛍光体とを混合して一体の発光層としても良いが、本実施形態のように、赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に形成する構成は、各々の蛍光体の特性が生かせる点で好ましい。赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に形成した場合、緑色光が励起光となって赤色光の発光が生じることに起因する緑色光の損失を回避することができる。
【００３８】
支持基板１９は、透光性を有する基板であって、例えばガラス、水晶、サファイア等の結晶性基板、スピネル等の焼結体基板などを用いることができる。これらの材料のうち、特に水晶、サファイア等の材料は熱伝導性が高く、放熱性に優れる点で好ましい。図１に示すように、支持基板１９の支持面１９ａ上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２は、例えば酸化シリコンと酸化チタンとを複数層交互に積層した誘電体多層膜等により構成され、赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇから支持基板１９の裏面１９ｂ側に向けて射出された緑色光または赤色光をピックアップレンズ４７側に向けて反射させる機能を有する。支持基板１９の裏面１９ｂ上の反射防止膜５３には、例えばフッ化マグネシウム薄膜等からなる従来一般の反射防止膜が用いられる。
【００３９】
以下、発光層の構成について、赤色発光層１１Ｒを例に挙げて説明する。ただし、緑色発光層１１Ｇも、蛍光体粒子の種類が異なるだけであって、その構成は同様である。
赤色発光層１１Ｒは、図３（Ａ）に示すように、複数の蛍光体粒子５５と、結合材５６と、を含んでいる。蛍光体粒子５５は、レーザー光源９から射出される励起光を吸収して蛍光を発する粒子状の蛍光体である。例えば、蛍光体粒子５５には、中心波長が４５０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する蛍光物質が含まれており、レーザー光源９が射出する励起光の一部を赤色の波長域を含む波長分布を有する光に変換して射出する。
【００４０】
本実施形態の場合、赤色発光層１１Ｒは実際には支持基板１９上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に設けられているが、説明を簡略にするため、以下では緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２を省略して説明する。本明細書において、赤色発光層１１Ｒは、支持基板１９の支持面１９ａから複数の蛍光体粒子５５の頂点までの平均的な高さを通り、支持面５５に平行な平面（図３（Ａ）に破線Ａで示す）までの部分と定義する。また、赤色発光層１１Ｒのうち支持基板１９に近い領域を下層と称し、赤色発光層１１Ｒのうち支持基板１９から遠い領域を上層と称する。
【００４１】
結合材５６と複数の蛍光体粒子５５とが赤色発光層１１Ｒを構成しているが、結合材５６は全ての蛍光体粒子５５の周囲を覆っているわけではない。結合材５６は、複数の蛍光体粒子５５を支持基板１９の上に固定するに十分な量であればよい。そこで、図３（Ａ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの上層側においては、例えば蛍光体粒子５５ａが赤色発光層１１Ｒから離脱しない程度に、蛍光体粒子５５ａと他の蛍光体粒子５５との間の領域の少なくとも一部に空気５７を設けている。これにより、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、蛍光体粒子５５ａの表面のうち支持基板１９とは反対側の表面が結合材５６から露出することとなる。そのため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加し、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌが赤色発光層１１Ｒ内を支持面１９ａと平行な方向に伝播しにくくなる。このようにして、本実施形態の蛍光体ホイール１０によれば、蛍光体粒子５５から発せられた蛍光のうち、赤色発光層１１Ｒの外部に取り出される光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、発光面積の拡大が従来よりも抑えられるため、蛍光発光部のエテンデューの増大が抑えられる。
【００４２】
赤色発光層１１Ｒの下層側においては、蛍光体粒子５５と支持基板１９との間の領域に結合材５６を設けることで、複数の蛍光体粒子５５を支持基板１９の上に固定している。これにより、蛍光体粒子５５ａを含む複数の蛍光体粒子５５が支持基板１９の上に固定される。このように、赤色発光層１１Ｒにおいて、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域は全て結合材５６で占められているのではなく、結合材５６と空気５７とで占められている。
【００４３】
赤色発光層１１Ｒの上層側における複数の蛍光体粒子５５間の領域に占める結合材５６の割合は、赤色発光層１１Ｒの下層側における複数の蛍光体粒子５５間の領域に占める結合材５６の割合よりも小さい。しかし、赤色発光層１１Ｒの下層側においても、赤色発光層１１Ｒの上層側と同様に、複数の蛍光体粒子５５各々が支持基板１９から離脱しない程度に、複数の蛍光体粒子５５の間の領域に空気５７を設けてもよい。
【００４４】
なお、図３（Ａ）では、支持基板１９上に蛍光体粒子５５が、赤色発光層１１Ｒの厚さ方向に２個程度積層された形態の赤色発光層１１Ｒを例示したが、図３（Ｂ）に示すように、赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しいことが好ましい。換言すると、赤色発光層１１Ｒが蛍光体粒子５５の単層膜に近い構造を持つことが好ましい。図３（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合でも、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、複数の蛍光体粒子５５のうち、例えば蛍光体粒子５５ｂの表面の一部は結合材５６から露出している。また、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域は、結合材５６と空気５７とで占められている。そのため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加する。
【００４５】
赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合、多くの蛍光体粒子５５が支持基板１９と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子５５が支持基板１９と極めて接近した状態となる。これにより、蛍光体粒子５５において発生した熱が蛍光体粒子５５から支持基板１９へ移動するときの移動距離が短くなる。これにより、蛍光体粒子５５に励起光が照射された際の熱を支持基板１９に効率良く伝え、支持基板１９から放出することができる。
【００４６】
図３（Ａ）と図３（Ｂ）では、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面において、全ての蛍光体粒子５５各々の表面の少なくとも一部が結合材５６から露出している例を示したが、本発明は、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面において、結合材５６から全く露出していない蛍光体粒子５５の存在を排除するものではない。
【００４７】
平均粒径が１μｍから数十μｍ程度の蛍光体粒子が高い発光効率を示すことが知られている。青色光を励起光として赤色光を発光する蛍光体粒子５５として、例えば平均粒径が１０μｍ程度の（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕで示される組成の蛍光体を用いることができる。青色光を励起光として緑色光を発光する蛍光体粒子５５として、例えば平均粒径が１０μｍ程度の（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子５５の形成材料は、１種であっても良いし、２種以上の形成材料からなる粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いても良い。
【００４８】
結合材５６は、上述したように、互いに隣り合う蛍光体粒子５５同士、および蛍光体粒子５５と支持基板１９とを結合するものである。具体的に、結合材５６は、例えば珪酸化合物等の無機材料の架橋体から構成されている。結合材５６は、架橋剤が重合する際に、互いに隣り合う蛍光体粒子５５同士の間および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間に、下記の［化１］で表される架橋体が形成されたものである。複数の蛍光体粒子５５同士および蛍光体粒子５５と支持基板１９とが無機材料の架橋体からなる結合材５６によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い赤色蛍光体層１１Ｒを形成することができる。結合材５６の材料としては、珪酸化合物のみならず、ポリビニルアルコールと重クロム酸塩を架橋剤として形成された架橋体、ジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩を架橋剤として形成された架橋体が用いられても良い。
【００４９】
【化１】
【００５０】
ここで、本実施形態の蛍光体ホイール１０の製造方法、特に赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇの形成方法について説明する。
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇの形成方法には例えば以下の３つの手法を採用することができるが、第１の方法である沈降法について、図４（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明する。
【００５１】
最初に、図４（Ａ）に示すように、容器６０中に支持面１９ａが上になるように支持基板１９を固定し、支持基板１９を硫酸カリウムまたは酢酸バリウム等の電解質溶液６１中に浸漬させる。このとき、支持基板１９の支持面１９ａの発光層形成領域以外の領域にはテープ等によるマスキングを施しておき、発光層形成領域のみを露出させておく。
【００５２】
次に、図示は省略するが、他の容器内で珪酸カリウムの水溶液中に蛍光体粒子を分散させた混合液を作製しておく。このとき、粗い蛍光体粒子はメッシュなどを用いて除去し、蛍光体粒子の粒径をある程度揃えておく方が好ましい。
次に、図４（Ｂ）に示すように、ノズル６２を介して蛍光体粒子を含む混合液６３を支持基板１９上に一気に、かつ均一に注入する。その後、静置しておくと、蛍光体粒子５５が支持基板１９上に沈降し、図４（Ｃ）に示すように、支持基板１９上に蛍光体粒子５５からなる層６４が形成される。
【００５３】
その後、図４（Ｄ）に示すように、容器６０を静かに傾斜させて上澄み液を排出させた後、支持基板１９を加熱、乾燥させると、支持基板１９上の所定の領域に複数の蛍光体粒子５５が結合材５６で結合されてなる赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇが形成される。
【００５４】
互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の結合、および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間の結合のメカニズムについては、蛍光体粒子５５に吸着した珪酸カリウムが電解質の作用によりゲル化（珪酸重合）する際、架橋反応が生じ、蛍光体粒子５５相互間および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間に、上記の［化１］で表される架橋体が形成されると考えられる。そして、乾燥工程において、ゲル化した架橋体の体積収縮が生じるため、完成した結合材５６は蛍光体粒子５５の周囲を全て覆う形態ではなく、下層側の蛍光体粒子５５間の領域に入り込む形となる。本実施形態のように、赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを作り分ける場合には、蛍光体粒子５５の種類とマスキングの位置を変えて、上記の工程を２回繰り返せば良い。なお、各発光層１１Ｒ，１１Ｇの膜厚は蛍光体粒子５５の使用量で調整することができる。上述したように、各発光層１１Ｒ，１１Ｇの膜厚は、使用する蛍光体粒子５５の平均粒径を目標に設計することが望ましく、例えば１０μｍ程度に設定することが望ましい。
【００５５】
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを形成する第２の方法として、スラリー法を採用することができる。
スラリー法の場合、ポリビニルアルコールと重クロム酸塩との混合水溶液（架橋剤）に蛍光体粒子５５を分散させ、スラリーを作製する。支持基板１９を傾斜させた状態で低速で回転させ、その上にスラリーを注入して全面に塗り広げる。
その後、支持基板１９を高速で回転させて余分なスラリーを飛散させた後、塗膜を乾燥させる。
【００５６】
次に、塗膜に紫外線を照射する。ポリビニルアルコールと重クロム酸塩との混合膜は、紫外線照射により水不溶性となる。そのため、フォトマスク等を用いて塗膜に選択的に紫外線を照射すれば、露光された領域のみが水不溶性となる。これにより、架橋剤からなる結合材５６により蛍光体粒子５５が支持基板１９上の所定の領域に固定され、赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇが形成される。
【００５７】
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを形成する第３の方法として、光粘着法を採用することができる。
光粘着法の場合、ジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩（架橋剤）を例えばアルギン酸ポリプロピレングリコールエステル等の高分子水溶液に溶解させたものを支持基板１９上に塗布する。塗膜を乾燥させた後、スラリー法と同様に、フォトマスク等を用いて塗膜に選択的に紫外線を照射する。この塗膜は紫外線が照射された箇所のみが粘着性を生じる。そのため、紫外線を照射した後、全面に蛍光体粒子５５を散布し、余分な蛍光体粒子５５を除去すれば、蛍光体粒子５５が支持基板１９上の露光領域にのみ固定され、赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇが形成される。
以上の３種類の手法のいずれかを用いることにより、本実施形態の赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを有する蛍光体ホイール１０を作製することができる。
【００５８】
図１に示すように、蛍光体ホイール１０は支持基板１９の中心にモーター２２が接続され、支持基板１９の中心を通る回転軸２３を中心として回転可能に設けられている。モーター２２は、蛍光体ホイール１０を使用時において例えば７５００ｒｐｍで回転させる。この場合、蛍光体ホイール１０上の励起光が照射される領域（ビームスポット）は、例えば直径約４５ｍｍの環状に形成された緑色発光層１１Ｇの場合、緑色発光層１１Ｇの表面上を約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター２２は、蛍光体ホイール１０上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光が蛍光体ホイール１０上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の蛍光体粒子の熱劣化が防止され、装置を長寿命化することができる。
【００５９】
コリメート光学系１３は、蛍光体ホイール１０から射出される光の広がりを抑える第１レンズ２５と、第１レンズ２５から入射される光を略平行化する第２レンズ２６とを備えており、全体として蛍光体ホイール１０から射出された光を平行化するものである。第１レンズ２５と第２レンズ２６とは凸レンズで構成されている。
【００６０】
レンズアレイ１４，１５は、コリメート光学系１３から射出された光の輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１４は、複数の第１マイクロレンズ２７がマトリクス状に配列されたものである。同様に、レンズアレイ１５は、複数の第２マイクロレンズ２８がマトリクス状に配列されたものである。第１マイクロレンズ２７と第２マイクロレンズ２８とは１対１で対応している。コリメート光学系１３から射出された光は、複数の第１マイクロレンズ２７に空間的に分割されて入射する。第１マイクロレンズ２７は、入射した光を対応する第２マイクロレンズ２８に結像させる。これにより、複数の第２マイクロレンズ２８の各々に２次光源像が形成される。なお、第１マイクロレンズ２７、第２マイクロレンズ２８の外形形状は、液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。
【００６１】
偏光変換素子１６は、レンズアレイ１４，１５から射出された光の偏光状態を揃えるものである。偏光変換素子１６は、複数の偏光変換セルを含んでいる。各偏光変換セルは、第２マイクロレンズ２８と１対１で対応している。第２マイクロレンズ２８に形成された２次光源像からの光は、この第２マイクロレンズ２８に対応する偏光変換セルの入射領域に入射する。
【００６２】
偏光変換セルの各々には、入射領域に対応させて偏光ビームスプリッタ膜（以下、ＰＢＳ膜と称する）及び位相差板が設けられている。入射領域に入射した光は、ＰＢＳ膜によりＰＢＳ膜に対するＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光、Ｓ偏光の一方の偏光（ここではＳ偏光）は、反射部材で反射した後、位相差板に入射する。位相差板に入射したＳ偏光は、位相差板により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光）の偏光状態に変換されてＰ偏光になり、Ｐ偏光とともに射出される。
【００６３】
重畳レンズ１７は、偏光変換素子１６から射出された光を被照明領域である液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにて重畳させるものである。光源装置２から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸周りの軸対称性が高められる。
【００６４】
色分離光学系３は、ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１、ミラー３２、ミラー３３、ミラー３４、フィールドレンズ３５Ｒ、フィールドレンズ３５Ｇ，フィールドレンズ３５Ｂ、リレーレンズ３６、リレーレンズ３７を含んでいる。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー３０が緑色光と青色光とを反射させ、ダイクロイックミラー３１が緑色光を反射させる。
【００６５】
光源装置２から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー３０に入射する。光Ｌのうちの赤色光ＬＲは、ダイクロイックミラー３０を透過してミラー３２に入射し、ミラー３２で反射してフィールドレンズ３５Ｒに入射する。赤色光ＬＲは、フィールドレンズ３５Ｒにより略平行化された後に、赤色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｒに入射する。
【００６６】
光Ｌのうちの緑色光ＬＧと青色光ＬＢとは、ダイクロイックミラー３０で反射して、ダイクロイックミラー３１に入射する。緑色光ＬＧは、ダイクロイックミラー３１で反射してフィールドレンズ３５Ｇに入射する。緑色光ＬＧは、フィールドレンズ３５Ｇにより略平行化された後に、緑色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｇに入射する。
【００６７】
ダイクロイックミラー３１を透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ３６を透過し、ミラー３３で反射した後、リレーレンズ３７を透過し、ミラー３４で反射してフィールドレンズ３５Ｂに入射する。青色光ＬＢは、フィールドレンズ３５Ｂにより略平行化された後に、青色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｂに入射する。青色光ＬＢの光路は他の赤色光ＬＲの光路、緑色光ＬＧの光路と比べて光路長が長いため、光路長が長いことによる光の損失分を補償する目的で青色光ＬＢの光路にはこのようなリレー光学系を適用する。
【００６８】
液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、透過型の液晶ライトバルブにより構成されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するパーソナルコンピューター等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素毎に変調して画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された光（形成された画像）は、色合成素子５に入射する。
【００６９】
色合成素子５は、ダイクロイックプリズムにより構成されている。ダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズムの内面に、赤色光が反射して緑色光が透過するミラー面と、青色光が反射して緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズムに入射した緑色光は、ミラー面をそのまま直進して射出される。ダイクロイックプリズムに入射した赤色光、青色光は、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６によってスクリーン７に拡大投写される。
【００７０】
従来の蛍光体ホイールにおいては、図６に示すように、蛍光体層１０１に含まれる蛍光体粒子１０２の周囲の全てがバインダー１０３で囲まれ、かつ、バインダー１０３が蛍光体層１０１の母材となっていた。このとき、蛍光体粒子１０２から種々の方向に射出された光のうち、母材と空気との界面に対して臨界角未満の入射角で入射した光Ｌ１は蛍光体層１０１の外部に取り出すことができる。これに対して、母材と空気との界面に対して臨界角以上の入射角で入射した光Ｌ２，Ｌ３は、母材と空気との界面で反射して母材中を基板１１９と平行な方向に伝播する。その結果、蛍光体層１０１の外部への蛍光の取り出し効率が低下するのに加え、蛍光体層１０１での発光面積が広がることになる。この発光面積の広がりによってエテンデューが増大し、プロジェクターにおける光利用効率が低下するという問題があった。
【００７１】
これに対して、本実施形態の蛍光体ホイール１０においては、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域が結合材５６と空気５７とで占められている。また、蛍光体粒子５５の表面の一部は結合材５６から露出している。このため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加し、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌが赤色発光層１１Ｒ内を支持面１９ａと平行な方向に伝播しにくくなる。このようにして、本実施形態の蛍光体ホイール１０によれば、蛍光体粒子５５から発せられた蛍光のうち、赤色発光層１１Ｒの外部に取り出される光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、発光面積の拡大が従来よりも抑えられるため、蛍光発光部のエテンデューの増大が抑えられ、従来に比べて光利用効率に優れた光源装置２を実現することができる。さらに、エネルギー効率に優れたプロジェクター１を実現することができる。励起光のスポット径に略等しい面積の蛍光発光部を形成することも可能である。
【００７２】
また、本実施形態の蛍光体ホイール１０においては、従来よりも多数の蛍光体粒子５５が支持基板１９に直接もしくは結合材５６を介して接触した状態となっているため、励起光を受けて赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇが発熱した際の放熱性に優れている。特に図３（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの厚さが蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合、より多くの蛍光体粒子５５が支持基材１９と接触した状態となり、蛍光体粒子５５からの支持基板１９への熱の移動距離が最短となる。これにより、蛍光体粒子５５に励起光が照射された際の熱を、放熱部材としても機能する支持基材１９から効率良く放出することができる。本実施形態の赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇでは熱を十分に放出できるため、蛍光体粒子５５の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子５５から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子５５に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００７３】
（変形例１）
第１実施形態においては、蛍光体ホイール１０において赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に同心状に配置する構成を例示した。この構成に代えて、図２（Ｂ）に示すように、単一の蛍光材料からなる蛍光体粒子、もしくは複数種の蛍光材料を混合した蛍光体粒子を円環状の単色の発光層１２として設けた蛍光体ホイール１０Ｂを用いても良い。この場合、例えば青色光を励起光として黄色光を発する蛍光材料を用いれば、青色光と黄色光とを混合させて白色光を生成することができる。
【００７４】
（変形例２）
図２（Ｃ）に示すように、励起光である青色光を透過させる青色光透過部２１と赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを円周方向で分割して設けた蛍光体ホイール１０Ｃを用いても良い。この構成によれば、赤色光、緑色光、青色光が順次射出され、発光色が時分割で変化する光源装置を実現できる。このような光源装置と、赤色光画像、緑色光画像、青色光画像を時分割で切り換える液晶ライトバルブとを組み合わせれば、単板式のプロジェクターを構成することができる。
【００７５】
［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。
本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、光源装置の構成が異なるのみである。そのため、本実施形態では光源装置のみについて説明する。
図５は、本実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。図５において第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の光源装置７１は、レーザー光源９（固体光源）、蛍光体ホイール７２（発光素子）、第１のダイクロイックミラー７３、第２のダイクロイックミラー７４、第３のダイクロイックミラー７５、第４のダイクロイックミラー７６、第１のミラー４３、第２のミラー４４、ピックアップレンズ４７、拡散板４９、コリメータレンズ５０、を備えている。第１のダイクロイックミラー７３は、緑色光を透過させ、青色光の一部を透過させ、青色光の残りを反射させる分光特性を有している。第２のダイクロイックミラー７４は、赤色光を透過させ、青色光の一部を透過させ、青色光の残りを反射させる分光特性を有している。第３のダイクロイックミラー７５は、赤色光を反射させ、青色光を透過させる分光特性を有している。第４のダイクロイックミラー７６は、赤色光および青色光を反射させ、緑色光を透過させる分光特性を有している。
【００７７】
レーザー光源９は、例えば発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光を射出するものであり、第１実施形態と同様である。本実施形態でも、固体光源としてＬＥＤを用いても良い。
【００７８】
第１実施形態の蛍光体ホイール１０は、光を透過させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる透過型の蛍光体ホイールであった。これに対し、本実施形態の蛍光体ホイール７２は、光を反射させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる反射型の蛍光体ホイールである。したがって、本実施形態では、支持基板７７（支持基材）として光反射性を有する基板が用いられる。具体的には、光反射率が高く、放熱性に優れるという観点から、例えばアルミニウム、銀等の金属基板が好ましく用いられる。光反射率を高めるためには、金属基板の表面が鏡面研磨されていることが好ましい。あるいは、金属単体の基板に代えて、アルミニウム基板上に銀を成膜したもの等を用いても良い。さらに、水晶やサファイア等の基板の表面に誘電体多層膜の反射膜が形成された支持基板を用いても良い。
【００７９】
また、支持基板７７の支持面７７ａ上に、例えば酸化シリコン膜と酸化チタン膜との多層膜等、無機材料の酸化物からなる増反射膜７８が設けられている。これにより、支持基板７７の光反射率を高めることができる。また、シリコン酸化物等の無機材料の酸化物には結合材５６の架橋体が比較的吸着し易いため、支持基板７７と結合材５６の密着性を高めることができる。本実施形態では、増反射膜７８上に赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとが別個に設けられている。
【００８０】
赤色発光層１１Ｒの構成は第１実施形態と同様であり、図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、互いに隣り合う蛍光体粒子５５間の領域が結合材５６と空気５７とで占められている。また、蛍光体粒子５５の表面の一部は結合材５６から露出している。緑色発光層１１Ｇの構成も赤色発光層１１Ｒと同様である。なお、増反射膜７８の膜厚は１μｍ以下と極めて薄いため、増反射膜７８が介在することにより支持基板７７の放熱性が妨げられることはない。
【００８１】
レーザー光源９から射出される青色光の光路上に、第１のダイクロイックミラー７３と第２のダイクロイックミラー７４とが、各々の反射面が支持基板７７の支持面７７ａと４５度の角度をなすように配置されている。第１のダイクロイックミラー７３と第２のダイクロイックミラー７４とは、ともに青色光の一部を透過させ、残りを反射させる特性を有しているため、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、一部が第１のダイクロイックミラー７３で反射して蛍光体ホイール７２の緑色発光層１１Ｇに向かい、残りが第１のダイクロイックミラー７３を透過する。第１のダイクロイックミラー７３を透過した青色光は第２のダイクロイックミラー７４に入射し、一部が第２のダイクロイックミラー７４で反射して蛍光体ホイール７２の赤色発光層１１Ｒに向かい、残りが第２のダイクロイックミラー７４を透過する。
【００８２】
第１のダイクロイックミラー７３で反射した青色光ＬＢ１は緑色発光層１１Ｇに入射する。緑色発光層１１Ｇに入射した青色光ＬＢ１は、緑色発光層１１Ｇの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が５３０ｎｍの光に波長変換され、緑色光が射出される。緑色発光層１１Ｇから射出された緑色光は、第１のダイクロイックミラー７３を透過し、第４のダイクロイックミラー７６に向かう。一方、第２のダイクロイックミラー７４で反射した青色光ＬＢ２は赤色発光層１１Ｒに入射する。赤色発光層１１Ｒに入射した青色光ＬＢ２は、赤色発光層１１Ｒの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が６８０ｎｍの光に波長変換され、赤色光が射出される。赤色発光層１１Ｒから射出された赤色光は、第２のダイクロイックミラー７４を透過し、第３のダイクロイックミラー７５に向かう。
【００８３】
第２のダイクロイックミラー７４を透過した青色光ＬＢ３は、第１のミラー４３、第２のミラー４４で反射して進行方向を変え、第３のダイクロイックミラー７５に入射する。第１のミラー４３と第２のミラー４４との間の青色光ＬＢ３の光路上に、拡散板４９とコリメータレンズ５０とが設けられている。第１のミラー４３で反射した青色光ＬＢ３は、拡散板４９とコリメータレンズ５０とを透過することによりビーム径が拡大され、所定のビーム径を有する青色光となった後、第２のミラー４４に入射する。第３のダイクロイックミラー７５では、第２のミラー４４で反射した青色光が透過し、第２のダイクロイックミラー７４を透過した赤色光が反射することにより青色光と赤色光とが合成される。さらに、第４のダイクロイックミラー７６では、第１のダイクロイックミラー７３を透過した緑色光が透過し、第３のダイクロイックミラー７５によって合成された青色光と赤色光とが反射することにより、これらの光が合成され、白色光となって光源装置７１から射出される。
【００８４】
本実施形態においても、赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇの外部への光取り出し効率が向上するとともに、エテンデューの増大が抑えられ、光利用効率に優れた光源装置が実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態の場合、蛍光体ホイール７２の支持基板７７が金属等の熱伝導性の高い材料で構成されているため、第１実施形態に比べて蛍光体粒子の発熱に対する放熱性を更に高めることができ、発光層の温度消光をより確実に抑えることができる。
【００８５】
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では、第１の波長領域を青色光領域、第２の波長領域を赤色光領域および緑色光領域とし、青色光を励起光として赤色光および緑色光を蛍光発光させる構成としたが、この構成に代えて、例えば紫外光を励起光として赤色光、緑色光、青色光を蛍光発光させる構成としても良い。また、上記実施形態では、発光素子として回転可能な蛍光体ホイールを用いたが、発光素子は必ずしも回転可能でなくても良い。その他、上記実施形態で例示したプロジェクターおよび光源装置の各種構成要素の形状、数、配置、材料、製造方法等に関しては、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１…プロジェクター、２，７１…光源装置、９…レーザー光源（励起光用光源）、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，７２…蛍光体ホイール（発光素子）、１１Ｒ…赤色発光層（蛍光体層）、１１Ｇ…緑色発光層（蛍光体層）、１９…支持基板（支持基材）、５５…蛍光体粒子、５６…結合材、５７…空気、７８…増反射膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロジェクターにおいては、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的であった。ところが、この種の放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、ランプから放射される紫外線が液晶ライトバルブを劣化させる、等の課題がある。そこで、放電ランプに代わる方式の光源を用いた投射型の画像表示装置が提案されている。
【０００３】
この種の光源として、蛍光発光を利用して白色光を生成する方式のものが知られている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーからの光を蛍光体に照射することにより、蛍光としての白色光を取り出す光源装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。特許文献１の光源装置は、蛍光体を励起させる励起光（青色光）を射出する励起光源と、励起光を受けて励起光とは異なる波長帯域である赤色光および緑色光を発する蛍光体層を備えた蛍光ホイールと、を有している。複数種の蛍光体をホイールの周方向に種類毎に領域を分けて蛍光体層として配置し、蛍光ホイールを回転させつつ複数の蛍光体層に励起光を照射することにより、発せられる蛍光の色を時間毎に異ならせている。このようにして、複数の色光を混色させて白色光を射出させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１の光源装置を含め、この種の一般の光源装置において、蛍光体層は、粉体状の蛍光体粒子を樹脂等のバインダーに分散させたものを基板上に塗布した塗膜として形成される。この構成では、励起光が蛍光体層中の各蛍光体粒子に浸入し、それにより励起された蛍光が各蛍光体粒子の外部に射出される。このとき、各蛍光体粒子はその周囲をバインダーに囲まれており、かつ、バインダーが蛍光体層の母材となっている。そのため、蛍光体粒子からあらゆる方向に射出された光のうち、母材と空気との界面での臨界角以上で反射した光の成分が母材中を基板面と平行な方向に伝播する。その結果、蛍光の外部空間への取り出し効率が低下するのと同時に、蛍光体層での発光面積が広がることになる。この発光面積の広がりはプロジェクターの光利用効率の指標となるエテンデュー（Etendue）が大きくなることを意味し、光利用効率が低下する。特にバインダーの屈折率が高くなると、発光面積がより増大して光利用効率の低下が著しくなる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光取り出し効率の低下もしくは発光面積の広がりに伴う光利用効率の低下を抑制し得る発光素子とその製造方法、光源装置、およびプロジェクターの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の発光素子は、結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子を含む蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材と、を備え、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出していることを特徴とする。
【０００８】
本発明の発光素子によれば、蛍光体粒子の周囲の全てがバインダーで覆われた従来の蛍光体層と異なり、蛍光体層の支持基材とは反対側の面において、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が結合材から露出している。そのため、蛍光体粒子から発せられた蛍光のうち、結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される成分が増加し、蛍光が蛍光体層内を支持面と平行な方向に伝播しにくくなる。これにより、蛍光体層から取り出される蛍光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、蛍光発光部の拡大が抑えられる。これにより、エテンデューの増大が抑えられ、従来に比べて光利用効率を向上させることができる。
【０００９】
本発明の発光素子において、前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しい構成を採用できる。
この構成によれば、バインダーが介在しない分、支持面上に並ぶ蛍光体粒子の数密度を増大させることができる。また、蛍光体層は厚さ方向に略１個の蛍光体粒子で構成される。言い換えると、蛍光体層は蛍光体粒子の単層膜に近い構造を持つ。これにより、複数の蛍光体粒子のうち、多くの蛍光体粒子が支持基材と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子が支持基材と極めて接近した状態となる。これにより、蛍光体粒子において発生した熱が蛍光体粒子から支持基材へ移動するときの移動距離が短くなる。その結果、蛍光体粒子に励起光が照射された際の熱を支持基材から効率良く放出することができる。一般的に、蛍光材料は温度上昇に伴って蛍光を発光（光波長変換）する効率が低下する性質、いわゆる温度消光があるが、本発明では熱を効率良く放出できるため、蛍光体粒子の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００１０】
本発明の発光素子において、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることが望ましい。
この構成によれば、より多くの蛍光が結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される。その結果、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１１】
本発明の発光素子において、前記結合材が無機材料の架橋体からなる構成を採用できる。
この構成によれば、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが無機材料の架橋体からなる結合材によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い蛍光体層を形成することができる。
【００１２】
本発明の発光素子において、前記架橋体が珪酸化物からなる構成を採用できる。
この構成によれば、例えば沈降法などの一般的な方法で蛍光体層を形成することができる。
【００１３】
本発明の発光素子において、前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物層が設けられた構成を採用できる。
この構成によれば、無機材料の酸化物層によって蛍光体層と支持基材との接着性を向上させることができる。
【００１４】
本発明の発光素子において、前記支持基材が金属からなり、前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物からなる増反射層が設けられた構成を採用できる。
この構成によれば、無機材料の酸化物層によって蛍光体層と支持基材との接着性を向上できるとともに、支持基材表面での光の反射率を増大させ、光利用効率を向上できる。
【００１５】
本発明の発光素子において、前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされた構成を採用できる。
この構成によれば、発光素子の１箇所に励起光が集中的に照射されることがなく、発光部を分散させることができる。その結果、発光部の温度上昇を抑制でき、温度消光を低減することができる。
【００１６】
本発明の発光素子の製造方法は、複数の蛍光体粒子と架橋剤とを含む液状物を支持基材の支持面上に配置する工程と、前記複数の蛍光体粒子間および前記蛍光体粒子と前記支持基材との間で前記架橋剤を介して架橋反応を生じさせる工程と、前記液状物を乾燥させることにより、前記支持基材の前記支持面上に、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記架橋剤からなる結合材から前記支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが結合材によって結合され、複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が架橋剤からなる結合材から支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を比較的容易に形成することができる。
【００１８】
本発明の発光素子の製造方法において、前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しい構成を採用できる。
この構成によれば、バインダーが介在しない分、支持面上に並ぶ蛍光体粒子の数密度を増大させることができる。また、蛍光体層は厚さ方向に略１個の蛍光体粒子で構成される。言い換えれば、蛍光体層は蛍光体粒子の単層膜に近い構造を持つ。これにより、複数の蛍光体粒子のうち、多くの蛍光体粒子が支持基材と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子が支持基材と極めて接近した状態となる。したがって、蛍光体粒子において発生した熱が蛍光体粒子から支持基材へ移動するときの移動距離が短くなる。これにより、蛍光体粒子に励起光が照射された際の熱を支持基材から効率良く放出することができる。一般的に、蛍光材料は温度上昇に伴って蛍光を発光（光波長変換）する効率が低下する性質、いわゆる温度消光があるが、本発明では熱を効率良く放出できるため、蛍光体粒子の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００１９】
本発明の発光素子の製造方法において、前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることが望ましい。
この構成によれば、より多くの蛍光が結合材を介さずに蛍光体層の外部に射出される。その結果、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤が珪酸化合物からなる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えば沈降法などの一般的な手法で形成することができる。さらに、複数の蛍光体粒子同士および蛍光体粒子と支持基材とが珪酸化合物の架橋体からなる結合材によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い蛍光体層を容易に形成することができる。
【００２１】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤がポリビニルアルコールと重クロム酸塩とからなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えばスラリー法などの一般的な手法で形成することができる。紫外線を局所的に照射することにより、蛍光体層をパターニングすることもできる。
【００２２】
本発明の発光素子の製造方法において、前記架橋剤がジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩からなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせる構成を採用できる。
この構成によれば、上記の蛍光体層を例えば光粘着法などの一般的な手法で形成することができる。紫外線を局所的に照射することにより、蛍光体層をパターニングすることもできる。
【００２３】
本発明の光源装置は、前記本発明の発光素子と、前記複数の蛍光体粒子を励起させる励起光を射出する励起光用光源と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、光利用効率に優れた光源装置を実現することができる。
【００２４】
本発明のプロジェクターは、上記本発明の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、エネルギー効率に優れたプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は第１実施形態の光源装置に備えられた蛍光体ホイールを示す正面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は蛍光体ホイールの発光層から光が射出される様子を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は蛍光体ホイールの製造方法を工程順を追って示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す図である。
【図６】従来の発光層を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔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。
本実施形態のプロジェクターは、白色光を出力する光源装置と、光源装置から得られる白色光を色分離する色分離光学系と、色分離光学系によって得られた３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブとを備えたプロジェクター、いわゆる３板式の液晶プロジェクターの例である。
図１は、本実施形態の光源装置およびプロジェクターを示す概略構成図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、光源装置に備えられた蛍光体ホイールの正面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は蛍光体ホイールの発光層から光が射出される様子を示す図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、蛍光体ホイールの製造方法を工程順を追って示す図である。
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。
【００２７】
本実施形態のプロジェクター１は、図１に示すように、光源装置２と、色分離光学系３と、液晶ライトバルブ４Ｒ（光変調素子）、液晶ライトバルブ４Ｇ（光変調素子）、液晶ライトバルブ４Ｂ（光変調素子）と、色合成素子５と、投写光学系６と、を備えている。本実施形態のプロジェクター１において、光源装置２から射出された光は、色分離光学系３により複数の色光に分離される。色分離光学系３により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された複数の色光は、色合成素子５に入射して合成される。色合成素子５により合成された光は、投写光学系６によりスクリーン７に拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。
【００２８】
以下、プロジェクター１の各構成要素について説明する。
光源装置２は、レーザー光源９（励起光用光源）、蛍光体ホイール１０（発光素子）、第１のハーフミラー４１、第２のハーフミラー４２、第１のミラー４３、第２のミラー４４、緑色光反射ダイクロイックミラー４５、緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６、ピックアップレンズ４７、青色光反射ダイクロイックミラー４８、拡散板４９、コリメータレンズ５０、を備えている。緑色光反射ダイクロイックミラー４５は、緑色光を反射し、赤色光を透過させる分光特性を有している。緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６は、緑色光および赤色光を反射し、青色光を透過させる分光特性を有している。
【００２９】
レーザー光源９は、後述する蛍光体ホイール１０が備える蛍光体を励起させる励起光として、例えば発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光を射出する。レーザー光源９から射出される青色レーザー光は偏光状態が一定の直線偏光である。本実施形態において、波長４５０ｎｍは第１の波長領域に相当する。なお、レーザー光源９は、図１では１個のレーザー光源を用いる例として示したが、例えば複数個のレーザー光源を並置しても良い。また、後述する蛍光体を励起させることができる波長の光であれば、４５０ｎｍ以外の中心波長を有する色光を射出するレーザー光源であっても構わない。本実施形態では、レーザー光源を用いるが、固体光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いても良い。
【００３０】
本実施形態の蛍光体ホイール１０は、光を透過させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる透過型の蛍光体ホイールである。蛍光体ホイール１０は、支持基板１９（支持基材）と、支持基板１９の第１の面１９ａ（支持面）の上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２と、緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に設けられた赤色発光層１１Ｒ（蛍光体層）および緑色発光層１１Ｇ（蛍光体層）と、を有している。赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇの詳細な構成は後述するが、複数の蛍光体粒子が結合材を介して緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に固定されている。また、複数の蛍光体粒子同士は、結合材を介して結合されている。また、支持基板１９の第２の面１９ｂには青色光の反射を防止するための反射防止膜５３が設けられている。以下の説明では、支持基板１９の第１の面１９ａを支持面と称し、第２の面１９ｂを裏面と称する。
【００３１】
第２のハーフミラー４２と第１のミラー４３とが、各々の反射面が支持基板１９の第２の面１９ｂと４５度の角度をなすように配置されている。第１のハーフミラー４１は、蛍光体ホイール１０と対向しない位置に配置されている。レーザー光源９は、射出した青色光ＬＢが第１のハーフミラー４１に入射する位置に配置されている。したがって、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、一部が第１のハーフミラー４１で反射し、残りが第１のハーフミラー４１を透過する。第１のハーフミラー４１を透過した青色光ＬＢは第２のハーフミラー４２に入射し、一部が第２のハーフミラー４２で反射し、残りが第２のハーフミラー４２を透過する。
【００３２】
このようにして、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、そのまま使用される青色光ＬＢ１、緑色発光層励起用の青色光ＬＢ２、赤色発光層励起用の青色光ＬＢ３、の３つの光束に分配される。これらの青色光ＬＢ１，青色光ＬＢ２，青色光ＬＢ３の分配の比率は、緑色発光層１１Ｇおよび赤色発光層１１Ｒの波長変換効率や赤色光、緑色光、青色光の合成光である白色光の色度に応じて決定される。第１のハーフミラー４１，第２のハーフミラー４２での分配の比率は、光の透過量と反射量とがそれぞれ所望の値となるように、ハーフミラーを構成する誘電体多層膜の構成（膜厚、層数等）を設定することで調整が可能である。
【００３３】
第２のハーフミラー４２で反射した青色光ＬＢ２は蛍光体ホイール１０に向かって進み、緑色発光層１１Ｇに入射する。緑色発光層１１Ｇに入射した青色光ＬＢ２は、緑色発光層１１Ｇの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が５３０ｎｍの光に波長変換され、緑色光ＬＧが射出される。本実施形態において、波長５３０ｎｍは第２の波長領域に相当する。一方、第２のハーフミラー４２を透過した青色光ＬＢ３は第１のミラー４３で反射した後、蛍光体ホイール１０に向かって進み、赤色発光層１１Ｒに入射する。赤色発光層１１Ｒに入射した青色光ＬＢ３は、赤色発光層１１Ｒの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が６８０ｎｍの光に波長変換され、赤色光ＬＲが射出される。本実施形態において、波長６８０ｎｍは第２の波長領域に相当する。
【００３４】
赤色発光層１１Ｒから射出された赤色光ＬＲは、第２のミラー４４で反射した後、緑色光反射ダイクロイックミラー４５に向かって進み、緑色光反射ダイクロイックミラー４５を透過する。また、緑色発光層１１Ｇから射出された緑色光ＬＧは、緑色光反射ダイクロイックミラー４５で反射する。このようにして、赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとは緑色光反射ダイクロイックミラー４５によって合成される。
【００３５】
赤色発光層１１Ｒから射出されて第２のミラー４４に向かう赤色光ＬＲの光路上に、ピックアップレンズ４７と青色光反射ダイクロイックミラー４８とが設けられている。青色光反射ダイクロイックミラー４８は、青色光を反射し、赤色光を透過させる分光特性を有している。赤色発光層１１Ｒに入射された青色光ＬＢ３は全てが赤色光に波長変換されるわけではなく、波長変換されずに赤色発光層１１Ｒを透過する青色光成分も存在する。そのような青色光成分を青色光反射ダイクロイックミラー４８で反射させて赤色発光層１１Ｒに再入射させ、励起光として蛍光発光に寄与させることができる。このように、青色光反射ダイクロイックミラー４８によって波長変換効率を高めることができる。同様に、緑色発光層１１Ｇから射出されて緑色光反射ダイクロイックミラー４５に向かう緑色光ＬＧの光路上に、ピックアップレンズ４７と青色光反射ダイクロイックミラー４８とが設けられている。
【００３６】
第１のハーフミラー４１で反射して緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６に向かう青色光ＬＢ１の光路上に、拡散板４９とコリメータレンズ５０とが設けられている。第１のハーフミラー４１で反射した青色光ＬＢ１は、拡散板４９とコリメータレンズ５０とを透過することによりビーム径が拡大され、所定のビーム径を有する青色光となる。この青色光が緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６を透過する一方、緑色光反射ダイクロイックミラー４５によって合成された赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとが緑色光・赤色光反射ダイクロイックミラー４６で反射することにより、これらの光が合成され、白色光ＬＷとなって光源装置２から射出される。
【００３７】
図２（Ａ）に示すように、レーザー光源９側から蛍光体ホイール１０を見たときの平面形状、すなわち支持基板１９の平面形状は円形である。支持基板１９の緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に、円環状の赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとが同心状に設けられている。赤色発光用の蛍光体と緑色発光用の蛍光体とを混合して一体の発光層としても良いが、本実施形態のように、赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に形成する構成は、各々の蛍光体の特性が生かせる点で好ましい。赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に形成した場合、緑色光が励起光となって赤色光の発光が生じることに起因する緑色光の損失を回避することができる。
【００３８】
支持基板１９は、透光性を有する基板であって、例えばガラス、水晶、サファイア等の結晶性基板、スピネル等の焼結体基板などを用いることができる。これらの材料のうち、特に水晶、サファイア等の材料は熱伝導性が高く、放熱性に優れる点で好ましい。図１に示すように、支持基板１９の支持面１９ａ上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２は、例えば酸化シリコンと酸化チタンとを複数層交互に積層した誘電体多層膜等により構成され、赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇから支持基板１９の裏面１９ｂ側に向けて射出された緑色光または赤色光をピックアップレンズ４７側に向けて反射させる機能を有する。支持基板１９の裏面１９ｂ上の反射防止膜５３には、例えばフッ化マグネシウム薄膜等からなる従来一般の反射防止膜が用いられる。
【００３９】
以下、発光層の構成について、赤色発光層１１Ｒを例に挙げて説明する。ただし、緑色発光層１１Ｇも、蛍光体粒子の種類が異なるだけであって、その構成は同様である。
赤色発光層１１Ｒは、図３（Ａ）に示すように、複数の蛍光体粒子５５と、結合材５６と、を含んでいる。蛍光体粒子５５は、レーザー光源９から射出される励起光を吸収して蛍光を発する粒子状の蛍光体である。例えば、蛍光体粒子５５には、中心波長が４５０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する蛍光物質が含まれており、レーザー光源９が射出する励起光の一部を赤色の波長域を含む波長分布を有する光に変換して射出する。
【００４０】
本実施形態の場合、赤色発光層１１Ｒは実際には支持基板１９上に設けられた緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２上に設けられているが、説明を簡略にするため、以下では緑色光・赤色光反射ダイクロイック膜５２を省略して説明する。本明細書において、赤色発光層１１Ｒは、支持基板１９の支持面１９ａから複数の蛍光体粒子５５の頂点までの平均的な高さを通り、支持面５５に平行な平面（図３（Ａ）に破線Ａで示す）までの部分と定義する。また、赤色発光層１１Ｒのうち支持基板１９に近い領域を下層と称し、赤色発光層１１Ｒのうち支持基板１９から遠い領域を上層と称する。
【００４１】
結合材５６と複数の蛍光体粒子５５とが赤色発光層１１Ｒを構成しているが、結合材５６は全ての蛍光体粒子５５の周囲を覆っているわけではない。結合材５６は、複数の蛍光体粒子５５を支持基板１９の上に固定するに十分な量であればよい。そこで、図３（Ａ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの上層側においては、例えば蛍光体粒子５５ａが赤色発光層１１Ｒから離脱しない程度に、蛍光体粒子５５ａと他の蛍光体粒子５５との間の領域の少なくとも一部に空気５７を設けている。これにより、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、蛍光体粒子５５ａの表面のうち支持基板１９とは反対側の表面が結合材５６から露出することとなる。そのため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加し、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌが赤色発光層１１Ｒ内を支持面１９ａと平行な方向に伝播しにくくなる。このようにして、本実施形態の蛍光体ホイール１０によれば、蛍光体粒子５５から発せられた蛍光のうち、赤色発光層１１Ｒの外部に取り出される光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、発光面積の拡大が従来よりも抑えられるため、蛍光発光部のエテンデューの増大が抑えられる。
【００４２】
赤色発光層１１Ｒの下層側においては、蛍光体粒子５５と支持基板１９との間の領域に結合材５６を設けることで、複数の蛍光体粒子５５を支持基板１９の上に固定している。これにより、蛍光体粒子５５ａを含む複数の蛍光体粒子５５が支持基板１９の上に固定される。このように、赤色発光層１１Ｒにおいて、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域は全て結合材５６で占められているのではなく、結合材５６と空気５７とで占められている。
【００４３】
赤色発光層１１Ｒの上層側における複数の蛍光体粒子５５間の領域に占める結合材５６の割合は、赤色発光層１１Ｒの下層側における複数の蛍光体粒子５５間の領域に占める結合材５６の割合よりも小さい。しかし、赤色発光層１１Ｒの下層側においても、赤色発光層１１Ｒの上層側と同様に、複数の蛍光体粒子５５各々が支持基板１９から離脱しない程度に、複数の蛍光体粒子５５の間の領域に空気５７を設けてもよい。
【００４４】
なお、図３（Ａ）では、支持基板１９上に蛍光体粒子５５が、赤色発光層１１Ｒの厚さ方向に２個程度積層された形態の赤色発光層１１Ｒを例示したが、図３（Ｂ）に示すように、赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しいことが好ましい。換言すると、赤色発光層１１Ｒが蛍光体粒子５５の単層膜に近い構造を持つことが好ましい。図３（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合でも、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、複数の蛍光体粒子５５のうち、例えば蛍光体粒子５５ｂの表面の一部は結合材５６から露出している。また、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域は、結合材５６と空気５７とで占められている。そのため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加する。
【００４５】
赤色発光層１１Ｒの厚さが複数の蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合、多くの蛍光体粒子５５が支持基板１９と接触した状態となる。あるいは、多くの蛍光体粒子５５が支持基板１９と極めて接近した状態となる。これにより、蛍光体粒子５５において発生した熱が蛍光体粒子５５から支持基板１９へ移動するときの移動距離が短くなる。これにより、蛍光体粒子５５に励起光が照射された際の熱を支持基板１９に効率良く伝え、支持基板１９から放出することができる。
【００４６】
図３（Ａ）と図３（Ｂ）では、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面において、全ての蛍光体粒子５５各々の表面の少なくとも一部が結合材５６から露出している例を示したが、本発明は、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面において、結合材５６から全く露出していない蛍光体粒子５５の存在を排除するものではない。
【００４７】
平均粒径が１μｍから数十μｍ程度の蛍光体粒子が高い発光効率を示すことが知られている。青色光を励起光として赤色光を発光する蛍光体粒子５５として、例えば平均粒径が１０μｍ程度の（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕで示される組成の蛍光体を用いることができる。青色光を励起光として緑色光を発光する蛍光体粒子５５として、例えば平均粒径が１０μｍ程度の（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体を用いることができる。なお、蛍光体粒子５５の形成材料は、１種であっても良いし、２種以上の形成材料からなる粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いても良い。
【００４８】
結合材５６は、上述したように、互いに隣り合う蛍光体粒子５５同士、および蛍光体粒子５５と支持基板１９とを結合するものである。具体的に、結合材５６は、例えば珪酸化合物等の無機材料の架橋体から構成されている。結合材５６は、架橋剤が重合する際に、互いに隣り合う蛍光体粒子５５同士の間および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間に、下記の［化１］で表される架橋体が形成されたものである。複数の蛍光体粒子５５同士および蛍光体粒子５５と支持基板１９とが無機材料の架橋体からなる結合材５６によって強固に結合されることにより、機械的強度が高い赤色蛍光体層１１Ｒを形成することができる。結合材５６の材料としては、珪酸化合物のみならず、ポリビニルアルコールと重クロム酸塩を架橋剤として形成された架橋体、ジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩を架橋剤として形成された架橋体が用いられても良い。
【００４９】
【化１】
【００５０】
ここで、本実施形態の蛍光体ホイール１０の製造方法、特に赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇの形成方法について説明する。
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇの形成方法には例えば以下の３つの手法を採用することができるが、第１の方法である沈降法について、図４（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明する。
【００５１】
最初に、図４（Ａ）に示すように、容器６０中に支持面１９ａが上になるように支持基板１９を固定し、支持基板１９を硫酸カリウムまたは酢酸バリウム等の電解質溶液６１中に浸漬させる。このとき、支持基板１９の支持面１９ａの発光層形成領域以外の領域にはテープ等によるマスキングを施しておき、発光層形成領域のみを露出させておく。
【００５２】
次に、図示は省略するが、他の容器内で珪酸カリウムの水溶液中に蛍光体粒子を分散させた混合液を作製しておく。このとき、粗い蛍光体粒子はメッシュなどを用いて除去し、蛍光体粒子の粒径をある程度揃えておく方が好ましい。
次に、図４（Ｂ）に示すように、ノズル６２を介して蛍光体粒子を含む混合液６３を支持基板１９上に一気に、かつ均一に注入する。その後、静置しておくと、蛍光体粒子５５が支持基板１９上に沈降し、図４（Ｃ）に示すように、支持基板１９上に蛍光体粒子５５からなる層６４が形成される。
【００５３】
その後、図４（Ｄ）に示すように、容器６０を静かに傾斜させて上澄み液を排出させた後、支持基板１９を加熱、乾燥させると、支持基板１９上の所定の領域に複数の蛍光体粒子５５が結合材５６で結合されてなる赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇが形成される。
【００５４】
互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の結合、および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間の結合のメカニズムについては、蛍光体粒子５５に吸着した珪酸カリウムが電解質の作用によりゲル化（珪酸重合）する際、架橋反応が生じ、蛍光体粒子５５相互間および蛍光体粒子５５と支持基板１９との間に、上記の［化１］で表される架橋体が形成されると考えられる。そして、乾燥工程において、ゲル化した架橋体の体積収縮が生じるため、完成した結合材５６は蛍光体粒子５５の周囲を全て覆う形態ではなく、下層側の蛍光体粒子５５間の領域に入り込む形となる。本実施形態のように、赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを作り分ける場合には、蛍光体粒子５５の種類とマスキングの位置を変えて、上記の工程を２回繰り返せば良い。なお、各発光層１１Ｒ，１１Ｇの膜厚は蛍光体粒子５５の使用量で調整することができる。上述したように、各発光層１１Ｒ，１１Ｇの膜厚は、使用する蛍光体粒子５５の平均粒径を目標に設計することが望ましく、例えば１０μｍ程度に設定することが望ましい。
【００５５】
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを形成する第２の方法として、スラリー法を採用することができる。
スラリー法の場合、ポリビニルアルコールと重クロム酸塩との混合水溶液（架橋剤）に蛍光体粒子５５を分散させ、スラリーを作製する。支持基板１９を傾斜させた状態で低速で回転させ、その上にスラリーを注入して全面に塗り広げる。
その後、支持基板１９を高速で回転させて余分なスラリーを飛散させた後、塗膜を乾燥させる。
【００５６】
次に、塗膜に紫外線を照射する。ポリビニルアルコールと重クロム酸塩との混合膜は、紫外線照射により水不溶性となる。そのため、フォトマスク等を用いて塗膜に選択的に紫外線を照射すれば、露光された領域のみが水不溶性となる。これにより、架橋剤からなる結合材５６により蛍光体粒子５５が支持基板１９上の所定の領域に固定され、赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇが形成される。
【００５７】
赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを形成する第３の方法として、光粘着法を採用することができる。
光粘着法の場合、ジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩（架橋剤）を例えばアルギン酸ポリプロピレングリコールエステル等の高分子水溶液に溶解させたものを支持基板１９上に塗布する。塗膜を乾燥させた後、スラリー法と同様に、フォトマスク等を用いて塗膜に選択的に紫外線を照射する。この塗膜は紫外線が照射された箇所のみが粘着性を生じる。そのため、紫外線を照射した後、全面に蛍光体粒子５５を散布し、余分な蛍光体粒子５５を除去すれば、蛍光体粒子５５が支持基板１９上の露光領域にのみ固定され、赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇが形成される。
以上の３種類の手法のいずれかを用いることにより、本実施形態の赤色発光層１１Ｒ、緑色発光層１１Ｇを有する蛍光体ホイール１０を作製することができる。
【００５８】
図１に示すように、蛍光体ホイール１０は支持基板１９の中心にモーター２２が接続され、支持基板１９の中心を通る回転軸２３を中心として回転可能に設けられている。モーター２２は、蛍光体ホイール１０を使用時において例えば７５００ｒｐｍで回転させる。この場合、蛍光体ホイール１０上の励起光が照射される領域（ビームスポット）は、例えば直径約４５ｍｍの環状に形成された緑色発光層１１Ｇの場合、緑色発光層１１Ｇの表面上を約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター２２は、蛍光体ホイール１０上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光が蛍光体ホイール１０上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の蛍光体粒子の熱劣化が防止され、装置を長寿命化することができる。
【００５９】
コリメート光学系１３は、蛍光体ホイール１０から射出される光の広がりを抑える第１レンズ２５と、第１レンズ２５から入射される光を略平行化する第２レンズ２６とを備えており、全体として蛍光体ホイール１０から射出された光を平行化するものである。第１レンズ２５と第２レンズ２６とは凸レンズで構成されている。
【００６０】
レンズアレイ１４，１５は、コリメート光学系１３から射出された光の輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１４は、複数の第１マイクロレンズ２７がマトリクス状に配列されたものである。同様に、レンズアレイ１５は、複数の第２マイクロレンズ２８がマトリクス状に配列されたものである。第１マイクロレンズ２７と第２マイクロレンズ２８とは１対１で対応している。コリメート光学系１３から射出された光は、複数の第１マイクロレンズ２７に空間的に分割されて入射する。第１マイクロレンズ２７は、入射した光を対応する第２マイクロレンズ２８に結像させる。これにより、複数の第２マイクロレンズ２８の各々に２次光源像が形成される。なお、第１マイクロレンズ２７、第２マイクロレンズ２８の外形形状は、液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。
【００６１】
偏光変換素子１６は、レンズアレイ１４，１５から射出された光の偏光状態を揃えるものである。偏光変換素子１６は、複数の偏光変換セルを含んでいる。各偏光変換セルは、第２マイクロレンズ２８と１対１で対応している。第２マイクロレンズ２８に形成された２次光源像からの光は、この第２マイクロレンズ２８に対応する偏光変換セルの入射領域に入射する。
【００６２】
偏光変換セルの各々には、入射領域に対応させて偏光ビームスプリッタ膜（以下、ＰＢＳ膜と称する）及び位相差板が設けられている。入射領域に入射した光は、ＰＢＳ膜によりＰＢＳ膜に対するＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光、Ｓ偏光の一方の偏光（ここではＳ偏光）は、反射部材で反射した後、位相差板に入射する。位相差板に入射したＳ偏光は、位相差板により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光）の偏光状態に変換されてＰ偏光になり、Ｐ偏光とともに射出される。
【００６３】
重畳レンズ１７は、偏光変換素子１６から射出された光を被照明領域である液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにて重畳させるものである。光源装置２から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸周りの軸対称性が高められる。
【００６４】
色分離光学系３は、ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１、ミラー３２、ミラー３３、ミラー３４、フィールドレンズ３５Ｒ、フィールドレンズ３５Ｇ，フィールドレンズ３５Ｂ、リレーレンズ３６、リレーレンズ３７を含んでいる。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー３０が緑色光と青色光とを反射させ、ダイクロイックミラー３１が緑色光を反射させる。
【００６５】
光源装置２から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー３０に入射する。光Ｌのうちの赤色光ＬＲは、ダイクロイックミラー３０を透過してミラー３２に入射し、ミラー３２で反射してフィールドレンズ３５Ｒに入射する。赤色光ＬＲは、フィールドレンズ３５Ｒにより略平行化された後に、赤色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｒに入射する。
【００６６】
光Ｌのうちの緑色光ＬＧと青色光ＬＢとは、ダイクロイックミラー３０で反射して、ダイクロイックミラー３１に入射する。緑色光ＬＧは、ダイクロイックミラー３１で反射してフィールドレンズ３５Ｇに入射する。緑色光ＬＧは、フィールドレンズ３５Ｇにより略平行化された後に、緑色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｇに入射する。
【００６７】
ダイクロイックミラー３１を透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ３６を透過し、ミラー３３で反射した後、リレーレンズ３７を透過し、ミラー３４で反射してフィールドレンズ３５Ｂに入射する。青色光ＬＢは、フィールドレンズ３５Ｂにより略平行化された後に、青色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｂに入射する。青色光ＬＢの光路は他の赤色光ＬＲの光路、緑色光ＬＧの光路と比べて光路長が長いため、光路長が長いことによる光の損失分を補償する目的で青色光ＬＢの光路にはこのようなリレー光学系を適用する。
【００６８】
液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、透過型の液晶ライトバルブにより構成されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するパーソナルコンピューター等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素毎に変調して画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された光（形成された画像）は、色合成素子５に入射する。
【００６９】
色合成素子５は、ダイクロイックプリズムにより構成されている。ダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズムの内面に、赤色光が反射して緑色光が透過するミラー面と、青色光が反射して緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズムに入射した緑色光は、ミラー面をそのまま直進して射出される。ダイクロイックプリズムに入射した赤色光、青色光は、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６によってスクリーン７に拡大投写される。
【００７０】
従来の蛍光体ホイールにおいては、図６に示すように、蛍光体層１０１に含まれる蛍光体粒子１０２の周囲の全てがバインダー１０３で囲まれ、かつ、バインダー１０３が蛍光体層１０１の母材となっていた。このとき、蛍光体粒子１０２から種々の方向に射出された光のうち、母材と空気との界面に対して臨界角未満の入射角で入射した光Ｌ１は蛍光体層１０１の外部に取り出すことができる。これに対して、母材と空気との界面に対して臨界角以上の入射角で入射した光Ｌ２，Ｌ３は、母材と空気との界面で反射して母材中を基板１１９と平行な方向に伝播する。その結果、蛍光体層１０１の外部への蛍光の取り出し効率が低下するのに加え、蛍光体層１０１での発光面積が広がることになる。この発光面積の広がりによってエテンデューが増大し、プロジェクターにおける光利用効率が低下するという問題があった。
【００７１】
これに対して、本実施形態の蛍光体ホイール１０においては、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、互いに隣り合う蛍光体粒子５５の間の領域が結合材５６と空気５７とで占められている。また、蛍光体粒子５５の表面の一部は結合材５６から露出している。このため、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌのうち、結合材５６を介さずに直接赤色発光層１１Ｒの外部へ射出される成分が増加し、蛍光体粒子５５から発せられた光Ｌが赤色発光層１１Ｒ内を支持面１９ａと平行な方向に伝播しにくくなる。このようにして、本実施形態の蛍光体ホイール１０によれば、蛍光体粒子５５から発せられた蛍光のうち、赤色発光層１１Ｒの外部に取り出される光の割合が増大し、光の取り出し効率が向上する。また、発光面積の拡大が従来よりも抑えられるため、蛍光発光部のエテンデューの増大が抑えられ、従来に比べて光利用効率に優れた光源装置２を実現することができる。さらに、エネルギー効率に優れたプロジェクター１を実現することができる。励起光のスポット径に略等しい面積の蛍光発光部を形成することも可能である。
【００７２】
また、本実施形態の蛍光体ホイール１０においては、従来よりも多数の蛍光体粒子５５が支持基板１９に直接もしくは結合材５６を介して接触した状態となっているため、励起光を受けて赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇが発熱した際の放熱性に優れている。特に図３（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの厚さが蛍光体粒子５５の平均粒径と略等しい場合、より多くの蛍光体粒子５５が支持基材１９と接触した状態となり、蛍光体粒子５５からの支持基板１９への熱の移動距離が最短となる。これにより、蛍光体粒子５５に励起光が照射された際の熱を、放熱部材としても機能する支持基材１９から効率良く放出することができる。本実施形態の赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇでは熱を十分に放出できるため、蛍光体粒子５５の温度消光を抑制できる。さらに、ある蛍光体粒子５５から光が発せられた後、その光が他の蛍光体粒子５５に再入射する機会が減るため、光の損失を低減することができる。
【００７３】
（変形例１）
第１実施形態においては、蛍光体ホイール１０において赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを別個に同心状に配置する構成を例示した。この構成に代えて、図２（Ｂ）に示すように、単一の蛍光材料からなる蛍光体粒子、もしくは複数種の蛍光材料を混合した蛍光体粒子を円環状の単色の発光層１２として設けた蛍光体ホイール１０Ｂを用いても良い。この場合、例えば青色光を励起光として黄色光を発する蛍光材料を用いれば、青色光と黄色光とを混合させて白色光を生成することができる。
【００７４】
（変形例２）
図２（Ｃ）に示すように、励起光である青色光を透過させる青色光透過部２１と赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとを円周方向で分割して設けた蛍光体ホイール１０Ｃを用いても良い。この構成によれば、赤色光、緑色光、青色光が順次射出され、発光色が時分割で変化する光源装置を実現できる。このような光源装置と、赤色光画像、緑色光画像、青色光画像を時分割で切り換える液晶ライトバルブとを組み合わせれば、単板式のプロジェクターを構成することができる。
【００７５】
［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。
本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、光源装置の構成が異なるのみである。そのため、本実施形態では光源装置のみについて説明する。
図５は、本実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。図５において第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の光源装置７１は、レーザー光源９（固体光源）、蛍光体ホイール７２（発光素子）、第１のダイクロイックミラー７３、第２のダイクロイックミラー７４、第３のダイクロイックミラー７５、第４のダイクロイックミラー７６、第１のミラー４３、第２のミラー４４、ピックアップレンズ４７、拡散板４９、コリメータレンズ５０、を備えている。第１のダイクロイックミラー７３は、緑色光を透過させ、青色光の一部を透過させ、青色光の残りを反射させる分光特性を有している。第２のダイクロイックミラー７４は、赤色光を透過させ、青色光の一部を透過させ、青色光の残りを反射させる分光特性を有している。第３のダイクロイックミラー７５は、赤色光を反射させ、青色光を透過させる分光特性を有している。第４のダイクロイックミラー７６は、赤色光および青色光を反射させ、緑色光を透過させる分光特性を有している。
【００７７】
レーザー光源９は、例えば発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光を射出するものであり、第１実施形態と同様である。本実施形態でも、固体光源としてＬＥＤを用いても良い。
【００７８】
第１実施形態の蛍光体ホイール１０は、光を透過させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる透過型の蛍光体ホイールであった。これに対し、本実施形態の蛍光体ホイール７２は、光を反射させる際に蛍光発光（波長変換）を生じさせる反射型の蛍光体ホイールである。したがって、本実施形態では、支持基板７７（支持基材）として光反射性を有する基板が用いられる。具体的には、光反射率が高く、放熱性に優れるという観点から、例えばアルミニウム、銀等の金属基板が好ましく用いられる。光反射率を高めるためには、金属基板の表面が鏡面研磨されていることが好ましい。あるいは、金属単体の基板に代えて、アルミニウム基板上に銀を成膜したもの等を用いても良い。さらに、水晶やサファイア等の基板の表面に誘電体多層膜の反射膜が形成された支持基板を用いても良い。
【００７９】
また、支持基板７７の支持面７７ａ上に、例えば酸化シリコン膜と酸化チタン膜との多層膜等、無機材料の酸化物からなる増反射膜７８が設けられている。これにより、支持基板７７の光反射率を高めることができる。また、シリコン酸化物等の無機材料の酸化物には結合材５６の架橋体が比較的吸着し易いため、支持基板７７と結合材５６の密着性を高めることができる。本実施形態では、増反射膜７８上に赤色発光層１１Ｒと緑色発光層１１Ｇとが別個に設けられている。
【００８０】
赤色発光層１１Ｒの構成は第１実施形態と同様であり、図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、赤色発光層１１Ｒの支持基板１９とは反対側の面においては、互いに隣り合う蛍光体粒子５５間の領域が結合材５６と空気５７とで占められている。また、蛍光体粒子５５の表面の一部は結合材５６から露出している。緑色発光層１１Ｇの構成も赤色発光層１１Ｒと同様である。なお、増反射膜７８の膜厚は１μｍ以下と極めて薄いため、増反射膜７８が介在することにより支持基板７７の放熱性が妨げられることはない。
【００８１】
レーザー光源９から射出される青色光の光路上に、第１のダイクロイックミラー７３と第２のダイクロイックミラー７４とが、各々の反射面が支持基板７７の支持面７７ａと４５度の角度をなすように配置されている。第１のダイクロイックミラー７３と第２のダイクロイックミラー７４とは、ともに青色光の一部を透過させ、残りを反射させる特性を有しているため、レーザー光源９から射出された青色光ＬＢは、一部が第１のダイクロイックミラー７３で反射して蛍光体ホイール７２の緑色発光層１１Ｇに向かい、残りが第１のダイクロイックミラー７３を透過する。第１のダイクロイックミラー７３を透過した青色光は第２のダイクロイックミラー７４に入射し、一部が第２のダイクロイックミラー７４で反射して蛍光体ホイール７２の赤色発光層１１Ｒに向かい、残りが第２のダイクロイックミラー７４を透過する。
【００８２】
第１のダイクロイックミラー７３で反射した青色光ＬＢ１は緑色発光層１１Ｇに入射する。緑色発光層１１Ｇに入射した青色光ＬＢ１は、緑色発光層１１Ｇの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が５３０ｎｍの光に波長変換され、緑色光が射出される。緑色発光層１１Ｇから射出された緑色光は、第１のダイクロイックミラー７３を透過し、第４のダイクロイックミラー７６に向かう。一方、第２のダイクロイックミラー７４で反射した青色光ＬＢ２は赤色発光層１１Ｒに入射する。赤色発光層１１Ｒに入射した青色光ＬＢ２は、赤色発光層１１Ｒの蛍光体粒子を励起して、例えば発光強度の中心波長が６８０ｎｍの光に波長変換され、赤色光が射出される。赤色発光層１１Ｒから射出された赤色光は、第２のダイクロイックミラー７４を透過し、第３のダイクロイックミラー７５に向かう。
【００８３】
第２のダイクロイックミラー７４を透過した青色光ＬＢ３は、第１のミラー４３、第２のミラー４４で反射して進行方向を変え、第３のダイクロイックミラー７５に入射する。第１のミラー４３と第２のミラー４４との間の青色光ＬＢ３の光路上に、拡散板４９とコリメータレンズ５０とが設けられている。第１のミラー４３で反射した青色光ＬＢ３は、拡散板４９とコリメータレンズ５０とを透過することによりビーム径が拡大され、所定のビーム径を有する青色光となった後、第２のミラー４４に入射する。第３のダイクロイックミラー７５では、第２のミラー４４で反射した青色光が透過し、第２のダイクロイックミラー７４を透過した赤色光が反射することにより青色光と赤色光とが合成される。さらに、第４のダイクロイックミラー７６では、第１のダイクロイックミラー７３を透過した緑色光が透過し、第３のダイクロイックミラー７５によって合成された青色光と赤色光とが反射することにより、これらの光が合成され、白色光となって光源装置７１から射出される。
【００８４】
本実施形態においても、赤色発光層１１Ｒ，緑色発光層１１Ｇの外部への光取り出し効率が向上するとともに、エテンデューの増大が抑えられ、光利用効率に優れた光源装置が実現できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態の場合、蛍光体ホイール７２の支持基板７７が金属等の熱伝導性の高い材料で構成されているため、第１実施形態に比べて蛍光体粒子の発熱に対する放熱性を更に高めることができ、発光層の温度消光をより確実に抑えることができる。
【００８５】
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では、第１の波長領域を青色光領域、第２の波長領域を赤色光領域および緑色光領域とし、青色光を励起光として赤色光および緑色光を蛍光発光させる構成としたが、この構成に代えて、例えば紫外光を励起光として赤色光、緑色光、青色光を蛍光発光させる構成としても良い。また、上記実施形態では、発光素子として回転可能な蛍光体ホイールを用いたが、発光素子は必ずしも回転可能でなくても良い。その他、上記実施形態で例示したプロジェクターおよび光源装置の各種構成要素の形状、数、配置、材料、製造方法等に関しては、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１…プロジェクター、２，７１…光源装置、９…レーザー光源（励起光用光源）、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，７２…蛍光体ホイール（発光素子）、１１Ｒ…赤色発光層（蛍光体層）、１１Ｇ…緑色発光層（蛍光体層）、１９…支持基板（支持基材）、５５…蛍光体粒子、５６…結合材、５７…空気、７８…増反射膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子を含む蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材と、を備え、
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出していることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記結合材が、無機材料の架橋体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記架橋体が珪酸化物からなることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物層が設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記支持基材が金属からなり、
前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物からなる増反射膜が設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
複数の蛍光体粒子と架橋剤とを含む液状物を支持基材の支持面上に配置する工程と、
前記複数の蛍光体粒子間および前記蛍光体粒子と前記支持基材との間で前記架橋剤を介して架橋反応を生じさせる工程と、
前記液状物を乾燥させることにより、前記支持基材の前記支持面上に、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記架橋剤からなる結合材から前記支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しいことを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることを特徴とする請求項９または１０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記架橋剤が珪酸化合物からなることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記架橋剤がポリビニルアルコールと重クロム酸塩とからなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記架橋剤がジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩からなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発光素子と、前記複数の蛍光体粒子を励起させる励起光を射出する励起光用光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。
【請求項１】
結合材によって互いに結合された複数の蛍光体粒子を含む蛍光体層と、前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材と、を備え、
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記結合材から露出していることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記結合材が、無機材料の架橋体からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記架橋体が珪酸化物からなることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物層が設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記支持基材が金属からなり、
前記支持基材の前記支持面に無機材料の酸化物からなる増反射膜が設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
複数の蛍光体粒子と架橋剤とを含む液状物を支持基材の支持面上に配置する工程と、
前記複数の蛍光体粒子間および前記蛍光体粒子と前記支持基材との間で前記架橋剤を介して架橋反応を生じさせる工程と、
前記液状物を乾燥させることにより、前記支持基材の前記支持面上に、前記複数の蛍光体粒子のうち少なくとも一つの蛍光体粒子の表面の少なくとも一部が前記架橋剤からなる結合材から前記支持基材とは反対側に露出した蛍光体層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記蛍光体層の厚さが、前記複数の蛍光体粒子の平均粒径と略等しいことを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記蛍光体層の前記支持基材とは反対側の面において、前記複数の蛍光体粒子の間の領域が、前記結合材と空気とで占められていることを特徴とする請求項９または１０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記架橋剤が珪酸化合物からなることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記架橋剤がポリビニルアルコールと重クロム酸塩とからなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記架橋剤がジアゾニウム塩と塩化亜鉛との複塩からなり、前記架橋剤に紫外線を照射することにより前記架橋反応を生じさせることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発光素子と、前記複数の蛍光体粒子を励起させる励起光を射出する励起光用光源と、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１８５４０２（Ｐ２０１２−１８５４０２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９６７４（Ｐ２０１１−４９６７４）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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