波長轉換元件及其製造方法、照明裝置、投影儀與流程

2023-08-13 04:25:36

本發明涉及波長轉換元件、照明裝置、投影儀以及波長轉換元件的製造方法。

背景技術：

近年來，作為投影儀用的照明裝置，提出了使用螢光體的照明裝置。該照明裝置通過向螢光體照射激勵光而產生與激勵光不同的波段的螢光，生成包含螢光在內的照明光。在下述的專利文獻1中公開了具有以下的部分的波長轉換體：螢光體層，其包含作為粘結劑的玻璃和螢光體；反射防止膜，其設置於螢光體層的至少一方的面上；以及透光性基板。

專利文獻1：日本特開2014-207436號公報

在製造上述的波長轉換體時，在將混合了螢光體和玻璃的螢光體材料塗敷於透光性基板上後，燒結螢光體材料來形成螢光體層。然後，在螢光體層的一面上形成反射防止膜。然而，由於螢光體層的表面的平坦性並不足夠高，因此，存在即使直接在這樣的螢光體層之上形成反射防止膜，反射防止膜也無法發揮充分的反射防止功能這樣的問題。

技術實現要素：

本發明的一個方式是為了解決上述的課題而完成的，其目的之一在於，提供具有充分的反射防止功能的反射防止膜的波長轉換元件及其製造方法。並且，本發明的一個方式的目的之一在於，提供具有波長轉換元件且能夠射出充分的亮度的光的照明裝置，其中，波長轉換元件具備具有充分的反射防止功能的反射防止膜。並且，本發明的一個方式的目的之一在於，提供具有亮度優異的照明裝置並且能夠得到明亮的影像的投影儀。

為了達成上述的目的，本發明的一個方式的波長轉換元件具有：基材；波長轉換層，其設置於所述基材的一面上，包含波長轉換材料和無機粘結劑；由無機材料構成的光透過層，其設置於所述波長轉換層的與所述基材相反的一側；以及反射防止膜，其設置於所述光透過層的與所述波長轉換層相反的一側。

在本發明的一個方式的波長轉換元件中，利用光透過層提高了波長轉換層的表面的平坦性，因此反射防止膜的平坦性較高。因此，反射防止膜能夠發揮充分的反射防止功能。

本發明的一個方式的照明裝置具有：光源，其射出第一波段的第一光；以及權利要求1所述的波長轉換元件，其被入射所述第一光並射出與所述第一波段不同的第二波段的第二光。

本發明的一個方式的照明裝置具有本發明的一個方式的波長轉換元件，因此能夠射出具有充分的亮度的光。

在本發明的一個方式的照明裝置中，可以是，所述反射防止膜對於所述第一波段和所述第二波段具有反射防止作用。

根據該結構，對於第一光和第二光雙方發揮了反射防止功能。由此，能夠射出具有更高的亮度的光。

本發明的一個方式的投影儀具有：本發明的一個方式的照明裝置；光調製裝置，其根據圖像信息對從所述照明裝置射出的光進行調製；以及投射光學系統，其投射由所述光調製裝置調製後的光。

本發明的一個方式的投影儀具有本發明的一個方式的照明裝置，因此能夠顯示明亮的影像。

本發明的一個方式的波長轉換元件的製造方法包含以下工序：在基材的一面上塗敷包含螢光體粉末和第一玻璃粉末的第一混合物；在塗敷於所述基材的所述第一混合物之上塗敷包含第二玻璃粉末的第二混合物；燒結所述第一混合物和所述第二混合物；以及在燒結後的所述第二混合物之上形成反射防止膜。

本發明的一個方式的波長轉換元件的製造方法具有塗敷包含螢光體粉末和第一玻璃粉末的第一混合物的工序和在第一混合物之上塗敷包含第二玻璃粉末的第二混合物的工序，因此，利用由第二混合物構成的層而使由第一混合物構成的層的表面的凹凸平坦化。由此，反射防止膜的平坦化變高，因此反射防止膜能夠發揮充分的反射防止功能。並且，本發明的一個方式的波長轉換元件的製造方法具有燒結第一混合物和第二混合物的工序，因此能夠一次就完成第一混合物和第二混合物的燒結，實現了製造工序的簡化。

本發明的另一個方式的波長轉換元件的製造方法包含以下的工序：在基材的一面上塗敷包含螢光體粉末和第一玻璃粉末的第一混合物；燒結所述第一混合物；在燒結後的所述第一混合物之上塗敷包含第二玻璃粉末的第二混合物；燒結所述第二混合物；以及在燒結後的所述第二混合物之上形成反射防止膜。

根據本發明的另一個方式的波長轉換元件的製造方法，反射防止膜的平坦性高，因此反射防止膜能夠發揮充分的反射防止功能。

附圖說明

圖1是本發明的一個實施方式的投影儀的示意結構圖。

圖2是本發明的一個實施方式的照明裝置的示意結構圖。

圖3是波長轉換裝置的剖視圖。

標號說明

31：照明裝置；34、34r、34g、34b：光調製裝置；36：投射光學系統；41：波長轉換元件；311a：陣列光源(激勵用光源)；411：基材；412：波長轉換層；413：光透過層；414：反射防止膜。

具體實施方式

以下，使用圖1～圖3對本發明的一個實施方式進行說明。

另外，在以下的各附圖中，為了容易觀察各結構要素，有時根據結構要素而使尺寸的比例尺不同地進行示出。

投影儀1對從設置於內部的光源射出的光束進行調製，形成與圖像信息對應的圖像，並將該圖像放大投射到屏幕sc1等被投射面上。

如圖1所示，投影儀1除了具有外裝殼體2和收納於外裝殼體2內的光學單元3之外，還具有省略了圖示的對投影儀1進行控制的控制裝置、對冷卻對象進行冷卻的冷卻裝置以及向構成投影儀1的電子部件供給電力的電源裝置。

[光學單元的結構]

光學單元3具有照明裝置31、顏色分離裝置32、平行化透鏡33、光調製裝置34、顏色合成裝置35以及投射光學系統36。

照明裝置31射出照明光wl。另外，後面敘述照明裝置31的結構。

顏色分離裝置32將從照明裝置31入射的照明光wl分離為紅(r)、綠(g)以及藍(b)三種色光。顏色分離裝置32具有二向色鏡321、二向色鏡322、反射鏡323、反射鏡324、反射鏡325、中繼透鏡326以及中繼透鏡327。

二向色鏡321將來自照明裝置31的照明光wl分離為紅光lr和其他色光(綠光lg和藍光lb)。二向色鏡321使紅光lr透過，並且將其他色光(綠光lg和藍光lb)反射。二向色鏡322將其他色光分離為綠光lg和藍光lb。二向色鏡322反射綠光lg，並且使藍光lb透過。

反射鏡323配置於紅光lr的光路中，將透過了二向色鏡321的紅光lr朝向光調製裝置34r反射。反射鏡324和反射鏡325配置於藍光lb的光路中，將透過了二向色鏡322的藍光lb導向光調製裝置34b。綠光lg被二向色鏡322朝向光調製裝置34g反射。

中繼透鏡326和中繼透鏡327配置於藍光lb的光路中的二向色鏡322的後段。中繼透鏡326和中繼透鏡327補償由於藍光lb的光路長度比紅光lr和綠光lg的光路長度長而引起的藍光lb的光損失。

平行化透鏡33使向光調製裝置34入射的光平行。設紅、綠以及藍各色光用的平行化透鏡分別為平行化透鏡33r、平行化透鏡33g以及平行化透鏡33b。設紅、綠以及藍各色光用的光調製裝置分別為光調製裝置34r、光調製裝置34g以及光調製裝置34b。

光調製裝置34r、光調製裝置34g以及光調製裝置34b分別對入射的紅光lr、綠光lg以及藍光lb進行調製，形成與圖像信息對應的顏色圖像。光調製裝置34r、光調製裝置34g以及光調製裝置34b由對入射的光進行調製的液晶面板構成。雖然省略了圖示，但在光調製裝置34r、光調製裝置34g以及光調製裝置34b的入射側和出射側分別配置有偏振光板。

顏色合成裝置35入射有分別來自光調製裝置34r、光調製裝置34g以及光調製裝置34b的圖像光。顏色合成裝置35對與紅光lr、綠光lg以及藍光lb分別對應的圖像光進行合成，並將合成後的圖像光朝向投射光學系統36射出。顏色合成裝置35例如由十字分色稜鏡構成。

投射光學系統36將顏色合成裝置35所合成的圖像光向屏幕sc1等被投射面投射。根據這樣的結構，在屏幕sc1上投射有放大了的圖像。投射光學系統36例如由多個投射透鏡構成。

[照明裝置]

圖2是示出本實施方式的投影儀1的照明裝置31的結構的示意圖。

照明裝置31將照明光wl朝向顏色分離裝置32射出。如圖2所示，照明裝置31具有激勵用光源裝置311、遠焦光學系統312、均束光學系統313、二向色鏡314、拾取光學系統316、積分光學系統317、偏振光轉換元件318、重疊透鏡319、波長轉換裝置4、藍色用光源裝置330、聚光透鏡331、反射板332以及旋轉擴散板333。激勵用光源裝置311具有陣列光源311a和準直光學系統311b。藍色用光源裝置330具有陣列光源330a和準直光學系統330b。

本實施方式的陣列光源311a對應於權利要求書中的光源。

激勵用光源裝置311的陣列光源311a由多個半導體雷射器3111構成。具體而言，在陣列光源311a中，在與從陣列光源311a射出的光束的照明光軸ax1垂直的平面內呈陣列狀排列有多個半導體雷射器3111。後面敘述詳細內容，但在設從波長轉換裝置4射出的螢光yl的主光線的光軸為ax2時，照明光軸ax1與光軸ax2在同一平面內，並且彼此垂直。在照明光軸ax1上，陣列光源311a、準直光學系統311b、遠焦光學系統312、均束光學系統313、二向色鏡314按照該順序並列配置。

構成陣列光源311a的半導體雷射器3111例如射出在440nm～480nm的波段內具有峰值波長的激勵光(藍光bl)。從半導體雷射器3111射出的藍光bl是相干的直線偏振光。藍光bl朝向二向色鏡314與照明光軸ax1平行地射出。

陣列光源311a構成為從半導體雷射器3111射出的藍光bl作為s偏振光向二向色鏡314入射。從陣列光源311a射出的藍光bl向準直光學系統311b入射。

在本實施方式中，從半導體雷射器3111射出的波段440nm～480nm的激勵光(藍光bl)對應於權利要求書中的第一波段的第一光。

準直光學系統311b將從陣列光源311a射出的藍光bl轉換為平行光。準直光學系統311b例如與半導體雷射器3111對應地具有呈陣列狀配置的多個準直透鏡3112。通過準直光學系統311b而轉換為平行光的藍光bl向遠焦光學系統312入射。

遠焦光學系統312調節從準直光學系統311b入射的藍光bl的光束直徑。遠焦光學系統312具有透鏡3121和透鏡3122。通過遠焦光學系統312而被調節了尺寸的藍光bl向均束光學系統313入射。

均束光學系統313與拾取光學系統316一同使被照明區域內的藍光bl的照度分布均勻化。均束光學系統313具有一對多透鏡陣列3131、多透鏡陣列3132。從均束光學系統313射出的藍光bl向二向色鏡314入射。

二向色鏡314具有將第一波段的藍光bl分離為s偏振光成分和p偏振光成分的偏振光分離功能。二向色鏡314將藍光bl的s偏振光成分反射，並使藍光bl的p偏振光成分透過。因此，藍光bl作為s偏振光的激勵光bls，被朝向波長轉換裝置4反射。

並且，二向色鏡314具有不論偏振狀態都使與第一波段(藍光bl的波段)不同的第二波段(綠光gl和紅光rl)的光透過的顏色分離功能。

拾取光學系統316使激勵光bls朝向波長轉換元件41會聚。拾取光學系統316具有透鏡3161和透鏡3162。具體而言，拾取光學系統316使入射的多個光束(激勵光bls)朝向後述的波長轉換元件41會聚並且在波長轉換元件41上彼此重疊。

來自拾取光學系統316的激勵光bls向波長轉換元件41入射。波長轉換元件41將激勵光bls轉換為包含紅光和綠光的螢光yl並射出。螢光yl(黃光)在500nm～700nm的波段內具有峰值波長。後面敘述波長轉換元件41的結構。

本實施方式的波段500nm～700nm的螢光對應於權利要求書中的第二波段的第二光。

從波長轉換裝置4射出的螢光yl通過拾取光學系統316，向二向色鏡314入射。

藍色用光源裝置330的陣列光源330a由多個半導體雷射器3301構成。具體而言，陣列光源330a與陣列光源311a排列在相同的方向。陣列光源330a、準直光學系統330b、聚光透鏡331、兩個反射板332、旋轉擴散板333按照該順序配置。

構成陣列光源330a的半導體雷射器3301例如射出在440nm～480nm的波段內具有峰值波長的藍光blb。從半導體雷射器3301射出的藍光blb是相干的直線偏振光。藍光blb在被準直光學系統330b平行化後，被聚光透鏡331會聚而在旋轉擴散板333上具有某種程度的面積。

反射板332是為了改變光線的角度而配置的鏡子(mirror)。在旋轉擴散板333的表面上配置有數μm到數十μm左右大小的多個微透鏡。旋轉擴散板333通過未圖示的馬達而旋轉。由此，能夠將從聚光透鏡331射出的藍光blb擴散為30°～60°左右的發散角。這是為了去除半導體雷射器3301的散斑。藍光blb從旋轉擴散板333朝向二向色鏡314射出。

利用二向色鏡314對螢光yl和藍光blb進行合成，生成白色的照明光wl。照明光wl從二向色鏡314射出，向積分光學系統317入射。

積分光學系統317與後述的重疊透鏡319一同使被照明區域內照度分布均勻化。積分光學系統317具有一對透鏡陣列3171、透鏡陣列3172。該一對透鏡陣列3171、透鏡陣列3172具有多個透鏡呈陣列狀排列的結構。從積分光學系統317射出的照明光wl向偏振光轉換元件318入射。

偏振光轉換元件318具有偏振光分離膜和相位差板。偏振光轉換元件318將照明光wl轉換為直線偏振光。從偏振光轉換元件318射出的照明光wl向重疊透鏡319入射。

重疊透鏡319通過使照明光wl在被照明區域內重疊而使被照明區域的照度分布均勻化。

[波長轉換裝置]

圖3是包含波長轉換元件41在內的波長轉換裝置4的剖視圖。

如圖3所示，波長轉換裝置4具有散熱板42、馬達43以及波長轉換元件41。波長轉換元件41具有基材411、波長轉換層412、光透過層413以及反射防止膜414。另外，也可以在基材411與波長轉換層412之間設置例如提高基材411與波長轉換層412的密合性的層。

散熱板42例如由板體構成，該板體由鋁等熱傳導率高的金屬構成。在散熱板42上連接有作為使散熱板42旋轉的構件的馬達43。本實施方式的散熱板42是圓板狀。馬達43的旋轉軸43c設置於作為散熱板42的平面形狀的圓的中心。散熱板42通過馬達43的旋轉而旋轉。但是，散熱板42的平面形狀不必限於圓，也可以是其他形狀。

基材411例如由包含氧化鋁(al2o3)、氧化鋯(zro2)等金屬氧化物的燒結體構成。因此，基材411包含金屬氧化物的多個晶體，在一部分相鄰的晶體之間設置有空隙。這樣，通過在金屬氧化物的晶界存在空隙，基材411具有光的反射和散射程度大這樣的特性。因此，基材411作為反射材料發揮功能。基材411、波長轉換層412、光透過層413以及反射防止膜414具有沿著散熱板42的周向的圓環狀的形狀。

波長轉換層412設置於基材411的一面上。波長轉換層412包含波長轉換材料和無機粘結劑。本實施方式的波長轉換材料是螢光體。波長轉換層412具有螢光體分散於無機粘結劑的內部的結構。在本實施方式中，作為螢光體，使用含有ce離子的yag(yttriumaluminumgarnet：釔鋁石榴石)螢光體。作為無機粘結劑，例如使用磷酸錫系玻璃、硼矽酸鹽系玻璃、鉍系玻璃等。具體而言，能夠列舉zno-b2o3-sio2系玻璃、r2o(r：鹼金屬)-pbo-sio2系玻璃、r2o(r：鹼金屬)-cao-pbo-sio2系玻璃、bao-al2o3-b2o3-sio2系玻璃、b2o3-sio2系玻璃等。

光透過層413設置于波長轉換層412的與基材411相反一側的面上。光透過層413例如由玻璃等無機材料構成。在光透過層413由玻璃構成的情況下，作為光透過層413，優選使用與構成波長轉換層412的無機粘結劑的玻璃相同種類的玻璃。即，作為光透過層413，例如優選使用磷酸錫系玻璃、硼矽酸鹽系玻璃、鉍系玻璃等。但是，作為光透過層413，也可以使用與構成波長轉換層412的無機粘結劑的玻璃不同的玻璃。

反射防止膜414設置於光透過層413的與波長轉換層412相反一側的面上。反射防止膜414例如由電介質多層膜構成。具體而言，反射防止膜414由氧化矽膜和氧化鈦膜交替地各自層疊了三層的層疊膜構成。在反射防止膜414由電介質多層膜構成的情況下，可以通過改變構成電介質多層膜的各膜的厚度、層數等而調節發揮反射防止功能的波段。

反射防止膜414優選針對波段440nm～480nm的激勵光(藍光)、波段500nm～700nm的螢光(黃光)雙方具有反射防止功能。

以下，對波長轉換元件41的製造方法進行說明。

在向構成基材411的金屬氧化物粉末例如al2o3粉末中添加粘結劑、增塑劑以及有機溶劑等後，攪拌、混合來調製基材形成用的漿料。

接著，在將漿料形成為片狀後，通過衝壓加工而進行脫模，從而製作規定的形狀(例如圓環狀)的半成型品。接著，通過燒結半成型品而製作由包含金屬氧化物的燒結體構成的基材411。

接著，在基材411的一面上塗敷包含螢光體粉末和第一玻璃粉末的第一混合物。在該工序中，製作第一混合物並將第一混合物塗敷到基材411的一面上，其中，第一混合物中混合了粒徑為數μm的螢光體粉末、具有與螢光體粉末的粒徑同等或其以下的粒徑的玻璃粉末、以及有機物。如上所述，作為螢光體粉末，使用含有ce離子的yag(yttriumaluminumgarnet：釔鋁石榴石)螢光體的粉末。作為第一玻璃粉末，例如使用磷酸錫系玻璃、硼矽酸鹽系玻璃、鉍系玻璃等的粉末。有機物作為將粉末彼此結合的粘接劑發揮功能。

接著，在塗敷於基材411的第一混合物之上塗敷包含第二玻璃粉末的第二混合物。在該工序中，製作混合了粒徑為數μm的玻璃粉末和有機物而成的第二混合物，並將第二混合物重疊塗敷於第一混合物之上。作為第二玻璃粉末，優選使用與第一玻璃粉末相同種類的玻璃粉末。或者，作為第二玻璃粉末，也可以使用與第一玻璃粉末不同的玻璃粉末，但在該情況下優選使用具有相同程度的熔點的玻璃粉末。

接著，對塗敷有第一混合物和第二混合物的基材411進行加熱，燒結第一混合物和第二混合物。在該工序中，在作為玻璃粉末的熔點的數百℃的溫度下進行燒結。通過該溫度下的燒結而有機物蒸發。在經過該工序後，在基材411的一面上形成了螢光體和玻璃混合而成的波長轉換層412，而且在波長轉換層412之上形成了由玻璃構成的光透過層413。

接著，在燒結後的第一混合物和第二混合物之上形成反射防止膜414。在該工序中，使用氣相沉積法、濺射法等成膜法來形成氧化矽膜和氧化鈦膜交替地層疊的電介質多層膜作為反射防止膜414。

通過以上的工序，製作出本實施方式的波長轉換元件41。

本發明人員發現：在直接在波長轉換層上形成反射防止膜的現有的波長轉換元件的情況下，波長轉換層的表面粗糙、反射防止膜形成得不均勻，因此，無法得到期望的波長轉換效率。被認為是，例如在形成燒結螢光體粉末和玻璃粉末而成的波長轉換層的情況下，由於螢光體粉末的微粒存在于波長轉換層的表面附近，反映了微粒形狀的凹凸形成于波長轉換層的表面上，因此波長轉換層的表面粗糙。

為了改善該問題，在本實施方式的波長轉換元件41中，利用光透過層413而提高了波長轉換層412的表面的平坦性，因此反射防止膜414的平坦性高。因此，反射防止膜414能夠發揮充分高的反射防止功能。

尤其，本實施方式的反射防止膜414對於激勵光、螢光雙方具有反射防止功能，因此在激勵光向波長轉換層412入射時，波長轉換層412的表面反射較少，到達波長轉換層412的激勵光的量比以往多。而且，在螢光從波長轉換層412射出時，也是波長轉換層412的表面反射較少，從波長轉換層412射出的螢光的量比以往多。其結果為，根據本實施方式，能夠得到可射出比以往多的螢光的波長轉換元件41。

並且，在本實施方式的波長轉換元件41的製造方法中，波長轉換層用的玻璃粉末和光透過層用的玻璃粉末使用相同種類的玻璃粉末或者具有相同程度的熔點的玻璃粉末。因此，在基材411上連續地塗敷第一混合物和第二混合物後，能夠一併燒結第一混合物和第二混合物。因此，一次就完成了第一混合物和第二混合物的燒結，實現了製造工序的簡化。

除了上述的製造方法之外，也可以採用下述的製造方法。

當將第一混合物塗敷到基材上後進行燒結時，能夠使第一混合物中的有機物蒸發並且使玻璃自身溶融。在這樣形成的波長轉換層412中，玻璃自身的表面的平坦度高，但是螢光體的晶體的一部分從該表面突出。因此，波長轉換層412的表面的平坦性不太高。

接著，在波長轉換層412的表面上塗敷第二混合物，再次進行燒結來形成光透過層413。由此，突出的螢光體的晶體的一部分被光透過層413覆蓋，因此，得到了充分高的平坦性。

最後，在光透過層413之上形成反射防止膜414。

根據上述的製造方法，也能夠製造具有反射防止膜414的波長轉換元件41，其中，反射防止膜414具有充分的反射防止功能。

另外，本發明的技術範圍不限於上述實施方式，能夠在不脫離本發明的主旨的範圍內實施各種變更。

例如在上述實施方式中，列舉了激勵光從基材的一面側入射且螢光從激勵光所入射的一面射出的形態的波長轉換元件、即所謂的反射型的波長轉換元件的例子。也可以代替該形態，將本發明應用於具有不具備反射部材的透光性基材的波長轉換元件、即所謂的透過型的波長轉換元件。

此外，關于波長轉換元件、照明裝置以及投影儀的各種結構要素的形狀、數量、配置、材料等，不限於上述實施方式，能夠適當地進行變更。並且，在上述實施方式中，示出了將本發明的照明裝置搭載於使用了液晶光閥的投影儀的例子，但不限於此。也可以搭載於使用數字微反射鏡裝置作為光調製裝置的投影儀。

在上述實施方式中，示出了將本發明的照明裝置搭載於投影儀的例子，但不限於此。本發明的照明裝置也能夠應用於照明器具和汽車的頭燈等。

在上述實施方式中，列舉了使用螢光體作為波長轉換元件的波長轉換元件的例子，但不限於此。作為波長轉換元件，例如也可以是使用了gan、gaas等化合物半導體的波長轉換元件。