JP2014082401A - 蛍光光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供する。
【解決手段】励起光によって励起される蛍光体を有する波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、前記波長変換部材における励起光受光面に周期構造が形成されており、当該周期構造の周期が前記励起光の波長以下であることを特徴とする。前記周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、励起光によって蛍光体を励起することにより、当該蛍光体から蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。

例えばプロジェクターに用いられる緑色光源としては、従来、レーザ光を蛍光体に照射することによって、当該蛍光体から緑色光を放射する蛍光光源装置が知られている。このような蛍光光源装置の一例としては、回転ホイールの表面に蛍光体が塗布されてなる波長変換部材を備えてなり、この波長変換部材に青色領域のレーザ光を照射することによって、当該波長変換部材における蛍光体において緑色領域の光を生成する蛍光光源装置が知られている（特許文献１参照。）。
しかしながら、回転ホイールを備えた波長変換部材を利用した蛍光光源装置においては、回転ホイールを回転駆動するモーターの部品に劣化が生じて故障が生じやすく、また、駆動系自体の構成が複雑である、という問題がある。

また、蛍光光源装置の他の例としては、裏面に放熱用フィンが設けられたＡＩＮ焼結体よりなる基板の表面に、硫酸バリウム層を介してＹＡＧ焼結体よりなる蛍光部材が配置されてなる波長変換部材を備えてなり、この波長変換部材における蛍光部材に青色領域のレーザ光を照射することによって、当該蛍光部材において緑色領域の光を生成する蛍光光源装置が知られている（特許文献２参照）。
しかしながら、このような蛍光光源装置においては、レーザ光がＹＡＧ焼結体よりなる蛍光部材に照射されたときに、当該蛍光部材の表面においてレーザ光が後方散乱されるため、レーザ光が蛍光部材の内部に十分に取り込まれず、その結果、高い発光効率が得られない、という問題がある。

特開２０１１−１３３１６号公報 特開２０１１−１９８５６０号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供することにある。

本発明の蛍光光源装置は、励起光によって励起される蛍光体を有する波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材における励起光受光面に周期構造が形成されており、当該周期構造の周期が前記励起光の波長以下であることを特徴とする。

本発明の蛍光光源装置においては、前記周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。

また、本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、表面に周期構造を有する、蛍光体が含有されてなる蛍光部材を備えてなり、当該蛍光部材の表面が前記励起光受光面とされていてもよい。

また、本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、この蛍光部材上に形成された、表面に周期構造を有する周期構造体層とを備えてなり、当該周期構造体層の表面が前記励起光受光面とされていてもよい。
このような蛍光光源装置においては、前記周期構造体層の屈折率は、前記蛍光部材の屈折率以上であることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置によれば、波長変換部材における励起光受光面に、周期が励起光の波長以下の周期構造が形成されているため、波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、高い発光効率が得られる。
また、波長変換部材における励起光受光面に形成された周期構造の周期が、蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることにより、当該蛍光体から放射される蛍光を高い効率で外部に放射することができ、その結果、一層高い発光効率が得られる。
また、蛍光部材上に周期構造体層が形成された波長変換部材を有する蛍光光源装置において、周期構造体層の屈折率が蛍光部材の屈折率以上であることにより、蛍光部材と周期構造層との間の界面において、蛍光が反射することが回避されるので、蛍光部材からの蛍光の発光効率を維持することができる。

本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 図１に示す蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。 励起光が蛍光部材の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光が伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図であり、（ａ）は蛍光部材の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は蛍光部材の表面に対して垂直な方向における位置と屈折率とのマクロ的な関係を示すグラフである。 蛍光部材の表面において蛍光に生ずる反射および回折を模式的に示す説明図である。 本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。 波長変換部材における周期構造の変形例を示す説明用断面図である。

以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１に示す蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置は、図１に示すように、青色領域の光を放射するレーザダイオード１０と、このレーザダイオード１０に対向して配置された、当該レーザダイオード１０から放射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて緑色領域の蛍光Ｌ１を放射する蛍光体を有する波長変換部材２０とを備えてなる。
レーザダイオード１０と波長変換部材２０との間における当該レーザダイオード１０に接近した位置には、レーザダイオード１０から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と波長変換部材２０との間には、レーザダイオード１０からの励起光Ｌを透過すると共に波長変換部材２０からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。
図１では、１つのレーザダイオード１０の光を用いているが、レーザダイオード１０が複数あり、波長変換部材２０の前に集光レンズを配置させ、集光光を波長変換部材２０に照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザダイオード１０による光に限るものではなく、波長変換部材２０における蛍光体を励起することができるものであれば、ＬＥＤによる光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合には、励起光の波長は主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。

波長変換部材２０は、図２に示すように、矩形の基板２１と、この基板２１の表面上に設けられた矩形の板状の蛍光部材２２とを有する。この例の波長変換部材２０においては、蛍光部材２２の表面（図２において上面）が励起光受光面とされている。そして、波長変換部材２０の励起光受光面すなわち蛍光部材２２の表面には、裏面から表面に向かう方向に従って小径となる錐状の凸部２３ａが周期的に配列されてなる周期構造２３が形成されている。また、蛍光部材２２の裏面（図２において下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜２４が形成されている。また、基板２１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。

基板２１を構成する材料としては、樹脂に金属微粉末を混入させた放熱接着剤を介したアルミ基板などを用いることができる。また、基板２１の厚みは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。また、このアルミ基板は、放熱フィンの機能を兼ね備えたものであってもよい。

蛍光部材２２は、単結晶または多結晶の蛍光体によって構成されている。蛍光部材２２の厚みは、例えば０．０５〜２．０ｍｍである。

蛍光部材２２を構成する単結晶の蛍光体は、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させることにより、単結晶の蛍光体が得られる。
また、蛍光部材２２を構成する多結晶の蛍光体は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を得る。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。

蛍光部材２２を構成する蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。このような蛍光体において、希土類元素のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度である。

蛍光部材２２の表面に形成された周期構造２３は、その周期ｄが励起光Ｌの波長以下とされる。
本発明において、周期構造の周期とは、周期構造において互いに隣接する凸部間の距離（ｎｍ）を意味する。
このように、周期構造２３の周期ｄが励起光Ｌの波長以下とされることによって、蛍光部材２２の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。このような作用が生じるのは、以下の理由による。
図３は、励起光Ｌが蛍光部材２２の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図であり、（ａ）は蛍光部材２２の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は蛍光部材の表面に対して垂直な方向における位置と屈折率とのマクロ的な関係を示すグラフである。この図３に示すように、励起光Ｌが、空気（屈折率が１）中から蛍光部材２２（屈折率がＮ₁ ）の表面に照射されたときに、周期構造２３を構成する錐状の凸部２３ａのテーパ面に対して傾斜した方向から入射されるので、マクロ的に見ると、励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率は、蛍光部材２２の表面に垂直な方向に向かって１からＮ₁ に緩やかに変化することとなる。従って、蛍光部材２２の表面に、屈折率が急激に変化する界面が実質的にないため、蛍光部材２２の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。
一方、周期構造２３の周期ｄが励起光Ｌの波長を超える場合には、傾斜面を屈折率の異なる２つの媒体の境界面とみなすようになるため、その屈折率差に従った反射光が生じてしまう。

また、周期構造２３の周期ｄは、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲（ブラッグの条件）の大きさであることが好ましい。具体的には、周期構造２３の周期ｄは、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、周期構造２３を構成する材料（図示の例では蛍光部材２２を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（以下、「光学長さ」という。）または光学長さの近傍の値であることが好ましい。
この条件を満足することにより、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１を高い効率で当該蛍光部材２２の表面から外部に放射することができる。具体的に説明すると、図４に示すように、蛍光部材２２内で生じた蛍光Ｌ１の蛍光部材２２の表面（蛍光部材２２と空気との界面）に対する入射角θＩが臨界角未満である場合には、蛍光部材２２の表面を透過する透過光Ｌ２として無反射で蛍光部材２２の表面から外部に取り出される。また、蛍光Ｌ１の蛍光部材２２の表面に対する入射角θＩが臨界角以上である場合には、例えば蛍光部材２２の表面が平坦面であるときには、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面において全反射して反射光Ｌ３として蛍光部材２２の内部に向かうため、蛍光部材２２の表面から外部に取り出すことができない。しかしながら、蛍光部材２２の表面に上記の条件を満足する周期ｄを有する周期構造２３が形成されることにより、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面において周期構造２３によって回折が生じることとなる。その結果、−１次回折光Ｌ４として蛍光部材２２の表面から出射角θｍ（θｍ＜θＩ）で出射されて外部に取り出される。

また、周期構造２３における周期ｄに対する凸部２３ａの高さｈの比（ｈ／ｄ）は、０．５以上であることが好ましく、より好ましくは０．８以上、更に好ましくは１．０〜２．５である。この比（ｈ／ｄ）が０．５未満である場合には、高さ方向における回折の領域が狭くなるため、回折による十分な光取出し効率が得られない。

このような周期構造２３は、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、蛍光部材２２の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、蛍光部材２２の表面における露出した領域に、ドライエッチング処理を施すことにより、周期構造２３が形成される。

上記の蛍光光源装置においては、レーザダイオード１０から出射された青色領域のレーザ光である励起光Ｌは、コリメータレンズ１５によって平行光線とされる。その後、この励起光Ｌは、ダイクロイックミラー１６を透過して波長変換部材２０の励起光受光面すなわち蛍光部材２２の表面に対して垂直に照射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起され、蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面から出射され、ダイクロイックミラー１６によって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
尚、本実施形態の励起光としてはレーザダイオード１０から放射されるレーザ光を用いたが、励起光はレーザダイオード１０の光に限るものではなく、波長変換部材を励起できるものであれば、良い。例えば、ＬＥＤの光を集光したものでもよく、更には、水銀や、キセノンガス等が封入された放電ランプ等からの光であってもよい。

このような蛍光光源装置においては、波長変換部材２０における励起光受光面である蛍光部材２２の表面に、周期ｄが励起光Ｌの波長以下の周期構造２３が形成されている。このため、波長変換部材２０の励起光受光面に励起光Ｌが照射されたときに、当該励起光Ｌの後方散乱が抑制され、その結果そして、高い発光効率が得られる。
また、当該周期構造２３の周期ｄが、蛍光部材２２を構成する蛍光体Ｌ１から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされる。これにより、当該蛍光体から放射される蛍光Ｌ１を高い効率で外部に取り出すことができ、その結果として、一層高い発光効率が得られる。

図５は、本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置における波長変換部材２０は、図５に示すように、矩形の基板２１と、この基板２１の表面上に設けられた矩形の板状の蛍光部材２２と、この蛍光部材２２上に形成された、表面に周期構造２６が形成された周期構造体層２５とを有する。この例の波長変換部材２０においては、周期構造体層２５の表面（図５において上面）が励起光受光面とされている。周期構造体層２５の表面に形成された周期構造２６は、裏面から表面に向かう方向に従って小径となる錐状の凸部２６ａが周期的に配列されてなるものである。また、蛍光部材２２の裏面（図５において下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜２４が形成されている。また、基板２１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。基板２１および蛍光部材２２の構成は、当該蛍光部材２２の表面に周期構造が直接形成されていないことを除き、図１に示す蛍光光源装置と同様である。

周期構造体層２５の表面に形成された周期構造２６は、その周期ｄが励起光の波長以下とされる。このように、周期構造２３の周期ｄが励起光の波長以下とされることによって、蛍光部材２２の表面において励起光が反射することを防止または抑制することができる。
また、周期構造２３の周期ｄは、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。このような条件を満足することにより、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で周期構造層２５の表面から外部に取り出すことができる。
また、周期構造体層２５の周期構造２６における周期ｄに対する凸部２６ａの高さｈの比（ｈ／ｄ）は、図１に示す蛍光光源装置の波長変換部材２０における周期構造２３と同様である。

周期構造層２５を構成する材料としては、屈折率が蛍光部材２２の屈折率以上のものを用いることが好ましい。このような材料によって周期構造体２５を構成することにより、蛍光が蛍光部材２２から周期構造層２５に入射されたときに、屈折率差による臨界角は大きくなり、これらの界面での反射を回避することができる。
また、周期構造層２５を構成する材料として、屈折率が蛍光部材２２の屈折率より高いものを用いることにより、周期ｄが小さい周期構造２６を形成することが可能となる。従って、周期構造２６を構成する凸部２６ａとしてアスペクト比が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、周期構造２６の形成が容易となる。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールド（テンプレート）の作製やインプリント作業を容易に行うことができる。このとき、当該周期構造２６が形成されている波長変換部材２０における蛍光体を励起するエネルギーは、約５Ｗ／ｍｍ² 以上の励起密度を持つため、周期構造層２５を構成する材料は無機材料であることが望ましい。

周期構造体層２５を構成する材料としては、シリカ（屈折率１．４５〜１．７）、チタニア（屈折率１．９〜２．２）、ジルコニア（屈折率１．７〜１．８）、窒化珪素（屈折率１．７〜２．０）などを用いることができる。
また、周期構造体層２５の厚みは、例えば０．１〜１．０μｍである。

周期構造体層２５は、ゾルゲル法とナノインプリント法とを用いて形成することができる。具体的には、珪素、チタン、ジルコニウム等のアルコキシドを含むゾル状の材料を、例えばスピンコート法によって蛍光部材２２の表面に塗布して、モールド（テンプレート）型を押付しつけた状態で加熱処理を行い、離型した後、熱処理を行う。この熱処理によって、反応（加水分解および縮重合）が進み、無機材料からなる周期構造体層２５が形成される。

上記の蛍光光源装置において、レーザダイオードから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過して波長変換部材２０の励起光受光面すなわち周期構造体層２５の表面に対して垂直に照射され、当該周期構造体層２５を介して蛍光部材２２に入射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起される。これにより、蛍光部材２２において蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１は、周期構造体層２５の表面から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。尚、本実施形態の励起光としてはレーザダイオード１０から放射されたレーザ光を用いたが、励起光はレーザダイオード１０による光に限るものではなく、波長変換部材を励起することができるものであればよい。例えば、ＬＥＤからの光を集光したものでもよく、更には、水銀やキセノンガス等が封入された放電ランプ等からの光であってもよい。

上記の蛍光光源装置においては、波長変換部材２０における蛍光部材２２の表面に、周期ｄが励起光の波長以下の周期構造２６が形成された周期構造体層２５が設けられている。このため、波長変換部材２０に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果として、高い発光効率が得られる。
また、波長変換部材２０における周期構造層２５の表面に形成された周期構造２６の周期ｄは、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさである。これにより、当該蛍光体から放射される蛍光を高い効率で外部に取り出すことができ、その結果として、一層高い発光効率が得られる。
また、周期構造層２５を構成する材料として、屈折率が蛍光部材２２の屈折率以上のものが用いられている。これにより、蛍光部材２２と周期構造層２５との間の界面において、蛍光が反射することが回避されるので、蛍光部材２２からの蛍光の発光効率を維持することができる。

〈実験例〉
図５に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換部材Ａを作製した。
［基板（２１）］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（２２）］
材質：ＬｕＡＧ 屈折率＝１．８３，励起波長＝４４５ｎｍ、蛍光波長＝５３５ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
［光反射膜（２４）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
［周期構造体層（２５）］
材質：窒化珪素 屈折率＝２．０），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×５００ｎｍ（厚み）
［周期構造（２６）］
凸部（２６ａ）の形状：円錐状，周期（ｄ）＝２６８ｎｍ，凸部（２６ａ）の高さ（ｈ）＝５００ｎｍ（周期（ｄ）に対する凸部（２６ａ）の高さ（ｈ）の比（ｈ／ｄ）＝２．０）

また、周期構造体層を設けなかったこと以外は、波長変換部材Ａと同様の構成および仕様の波長変換部材Ｂを作製した。

波長変換部材Ａの励起光受光面（周期構造体層の表面）および波長変換部材Ｂの励起光受光面（蛍光部材の表面）の各々に、ピーク波長が４４５ｎｍの励起光を照射し、当該励起光受光面における光の反射率を測定した。その結果、波長変換部材Ａにおいては、反射率が０．４％であるのに対して、波長変換部材Ｂにおいては、反射率が９％であり、波長変換部材Ａにおいては、励起光の後方散乱が十分に抑制されることが確認された。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図１および図５に示す蛍光光源装置において、波長変換部材における周期構造２３，２６は、裏面から表面に向かう方向に従って小径となる凸部２３ａ，２６ａを有するものであれば、錐状のものに限定されず、例えば図６（ａ）〜（ｃ）に示す形状のものであってもよい。ここで、図６（ａ）は、半円状の２３ａを並べた形状である。また、図６（ｂ）は、（ａ）の形状を裏面側に逆転した形状である。更に、図６（ｃ）は、半円状の凸部と半円状の凹部を順次組み合わせた形状である。
また、蛍光光源装置全体の構造は、図１に示すものに限定されず、種々の構成を採用することができる。

１０ レーザダイオード
１５ コリメータレンズ
１６ ダイクロイックミラー
２０ 波長変換部材
２１ 基板
２２ 蛍光部材
２３ 周期構造
２３ａ 凸部
２４ 光反射膜
２５ 周期構造体層
２６ 周期構造
２６ａ 凸部
Ｌ 励起光
Ｌ１ 蛍光
Ｌ２ 透過光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ −１次回折光

Claims (5)

1. 励起光によって励起される蛍光体を有する波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
   前記波長変換部材における励起光受光面に周期構造が形成されており、当該周期構造の周期が前記励起光の波長以下であることを特徴とする蛍光光源装置。
2. 前記周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
3. 前記波長変換部材は、表面に周期構造を有する、蛍光体が含有されてなる蛍光部材を備えてなり、当該蛍光部材の表面が前記励起光受光面とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
4. 前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、この蛍光部材上に形成された、表面に周期構造を有する周期構造体層とを備えてなり、当該周期構造体層の表面が前記励起光受光面とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
5. 前記周期構造体層の屈折率は、前記蛍光部材の屈折率以上であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置。

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