CN103503178A - 光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置 - Google Patents

Abstract

光学元件(110)具备：荧光体层(113)，其包含被第一波长的光所激励而辐射与第一波长不同的第二波长的光的荧光体；第一光学部件(111)，其形成于荧光体层(113)的第一面之上，且使光在荧光体层(113)进行聚光；和第二光学部件(112)，其形成于荧光体层(113)的第一面或与第一面相同侧或者相反侧的第二面之上，且将从荧光体层(113)所辐射的光变换为平行光。

Description

光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置

技术领域

本发明涉及光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置，尤其涉及可获得具有指向性的光的光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置。

背景技术

近年来，利用了氮化镓系材料或者砷化镓系材料的高效率且高输出的发光二极管(Light Emitting Diode：LED)等的半导体发光元件已实现了产品化。与此相伴，也正在进行利用了半导体发光元件的显示器装置用光源的产品化。作为利用了半导体发光元件的显示器装置用光源，将配置于画面侧面的LED的光利用配置于画面背面的导光板而导至显示器装置的整个画面这样的侧光型光源受到人们关注。另外，人们正在研讨通过利用与LED相比而在指向性上更优的半导体激光元件来进一步降低显示器装置用光源的能量损失(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2009-158620号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，关于上述现有的显示器装置用光源，存在以下这样的问题。一般来说，显示器装置用光源将从激光元件等发光元件出射的光变换为不同波长的光来加以利用。波长变换例如通过使从发光元件出射的光入射至包含荧光体的反射板等来进行。在使光入射至荧光体时，荧光体被激励，发出波长与所入射的光不同的荧光。但是，在利用荧光体进行波长变换时，光的指向性会消失。由此，即便利用了激光元件等在指向性上优良的发光元件，也难以实现指向性优良的显示器装置用光源。

本发明为了解决上述的问题，目的在于可实现即便在进行了波长变换的情况下也能获得具有指向性的光的光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明将光学元件设为使从荧光体层辐射的光变换为平行光的构成。

具体而言，本发明所涉及的第一光学元件具备：荧光体层，其包含被第一波长的光所激励而辐射与第一波长不同的第二波长的光的荧光体；第一光学部件，其形成于荧光体层的第一面之上，且使光在荧光体层进行聚光；和第二光学部件，其形成于荧光体层的与第一面相反侧的第二面之上，且将从荧光体层所辐射的光变换为平行光。

第一光学元件具备形成于荧光体层的第一面之上且使光在荧光体层进行聚光的第一光学部件和形成于第二面之上且将从荧光体层所辐射的光变换为平行光的第二光学部件。由此，能够在荧光体层中将第一波长的光变换为第二波长的光并且作为平行光而从光学元件进行出射。

在第一光学元件中，第一光学部件可以是具有聚光透镜的第一透明基板，也可以是具有衍射光栅的第一透明基板。

在第一光学元件中，第二光学部件也可以是形成于第二面之上且具有准直透镜的第二透明基板。

第二光学元件具备：荧光体层，其包含被第一波长的光所激励而辐射与第一波长不同的第二波长的光的荧光体；和第三光学部件，其形成于荧光体层的第一面之上，使光在荧光体层进行聚光且将从荧光体层所辐射的光变换为平行光。

第二光学元件具备形成于荧光体层的第一面之上，使光在荧光体层进行聚光且将从荧光体层所辐射的光变换为平行光的第三光学部件。由此，能够在荧光体层中将第一波长的光变换为第二波长的光，并且能够作为平行光而从光学元件进行出射。

在第二光学元件中，第三光学部件可以是具有设于与荧光体层相反侧的面上的衍射光栅和设于与荧光体层对置的面上的反射镜的第三透明基板。

第二光学元件也可构成为，还可具备形成于荧光体层的与第一面相反侧的第二面的反射层，第三光学部件是凸透镜。

第一光学元件还可具备：热传导层，其形成于荧光体层与第一光学部件之间、或者荧光体层与第二光学部件之间，且热传导率比荧光体层高。

第二光学元件还可具备：热传导层，其形成于荧光体层的与第一面相反侧的第二面，且热传导率比荧光体层高。

在这些的情况下，热传导层可设为氧化锌、氮化铝或者金刚石。另外，热传导层也可设为多层膜。

在第一光学元件中也可构成为，荧光体层具有：多个第一区域，各自包含荧光体；和第二区域，其包围多个第一区域，且热传导率比第一区域高，第一光学部件使光在多个第一区域的各区域进行聚光。

在第二光学元件中也可构成为，荧光体层具有：多个第一区域，各自包含荧光体；和第二区域，其包围多个第一区域，且热传导率比第一区域高，第三光学部件使光在多个第一区域的各区域进行聚光。

在这些情况下，第二区域可设为氧化锌、氮化铝或者金刚石。

本发明所涉及的半导体发光装置具备本发明的任一种光学元件和出射第一波长的光的发光元件。

本发明所涉及的半导体发光装置也可还具备：光分支部，其将从发光元件出射的光分割为具有相互平行的光轴的多个光路并入射至光学元件。

发明效果

根据本发明所涉及的光学元件以及半导体发光装置，能够实现即便在进行了波长变换的情况下也能获得具有指向性的光的光学元件以及利用了该光学元件的半导体发光装置。

附图说明

图1(a)以及(b)表示第一实施方式所涉及的光学元件，图1(a)是俯视图，图1(b)是图1(a)的Ib-Ib线处的剖面图。

图2是表示第一实施方式所涉及的光学元件的动作的剖面图。

图3是针对第一实施方式所涉及的光学元件，表示对荧光体层的温度分布进行了模拟而得到的结果的图表。

图4(a)以及(b)表示模拟中所利用的光学元件的构成，图4(a)是俯视图，图4(b)是图4(a)的IVb-IVb线处的剖面图。

图5是表示利用了第一实施方式所涉及的光学元件的图像显示装置的示例的示意图。

图6是表示利用了第一实施方式所涉及的光学装置的发光装置的剖面图。

图7(a)以及(b)是表示图像显示装置的动作例的示意图。

图8(a)以及(b)表示第一实施方式所涉及的光学元件的第一变形例，图8(a)是俯视图，图8(b)是图8(a)的VIIIb-VIIIb线处的剖面图。

图9是表示利用了第一变形例的光学元件的图像显示装置的示例的示意图。

图10是针对第一变形例的光学元件，表示对荧光体层的温度分布进行了模拟而得到的结果的图表。

图11是按工序顺序表示第一实施方式的光学元件的制造方法的剖面图。

图12是按工序顺序表示第一实施方式的光学元件的制造方法的剖面图。

图13是表示第一实施方式的光学元件的第二变形例的剖面图。

图14是按工序顺序表示第二变形例的光学元件的制造方法的剖面图。

图15是表示利用了第二变形例的光学元件的发光装置的剖面图。

图16是表示第一实施方式所涉及的光学元件的第三变形例的剖面图。

图17是表示第一实施方式所涉及的光学元件的第四变形例的剖面图。

图18是表示第二实施方式所涉及的光学元件的剖面图。

图19是表示利用了第二实施方式所涉及的光学元件的发光装置的示意图。

图20是按工序顺序表示第二实施方式所涉及的光学元件的制造工序的剖面图。

具体实施方式

在本发明中，平行光不仅包含完全的平行光，还包含具有几度～十几度程度扩散的大致平行光。

(第一实施方式)

如图1(a)以及(b)所示，第一实施方式的光学元件110是对入射光的波长进行变换后出射的荧光体光学元件。图1表示应用于液晶电视接收机等侧光型光源的棒状构成的光学元件110。如图1所示，光学元件110具有：荧光体层113；隔着热传导层114而设于荧光体层113的第一面113a之上的第一光学部件111；和设于第二面113b之上的第二光学部件112。

荧光体层113包含被第一波长的入射光所激励而发出第二波长的荧光的荧光体。荧光体可以为任意，例如可以是铈添加钇铝石榴石(YAG：Ce3+)或β-硅铝氧氮聚合材料等的稀土类荧光体、或者由硒化镉(CdSe)、硒化锌、硫化锌或磷化铟等的化合物半导体所形成的核/壳型的量子点荧光体等。

热传导层114只要是对光的吸收少且平均热传导率比荧光体层113高的层即可。例如，可以是由氧化锌(ZnO)膜、氮化铝(AlN)膜或者金刚石构成的层。

第一光学部件111具有第一透明基板111A、和形成于第一透明基板111A的第一面的微小透镜111B。第一光学部件111将与第一面相反侧的第二面设为荧光体层113侧，隔着热传导层114而被固定在荧光体层113的第一面113a之上。第二光学部件112具有第二透明基板112A、和形成于第二透明基板112A的第一面的微小透镜112B。第二光学部件112将与第一面相反侧的第二面设为荧光体层113侧，被固定在荧光体层113的第二面113b之上。第一透明基板111A以及第二透明基板112A可设为碱石灰、硼硅酸冕玻璃(BK7)或者合成石英等。通常，第一光学部件111比第二光学部件112厚。另外，第一光学部件111的微小透镜111B比第二光学部件112的微小透镜112B的焦点距离长。

图2表示本实施方式的光学元件110的动作。如图2所示，使第一波长的光121入射至第一光学部件111。第一波长的光121只要是利用半导体激光元件等发光元件(未图示)和透镜等光学元件(未图示)而产生的平行光等即可。发光元件例如可设为利用了氮化镓系的化合物半导体的发光波长为430nm～480nm程度的半导体激光元件等。此外，发光波长为430nm～480nm意味着发光光的峰值波长处于430nm～480nm的范围。

入射至第一光学部件111的平行光即第一波长的光121通过作为聚光透镜的微小透镜111B而在荧光体层113的微小区域113c进行聚光。荧光体层113中所含的荧光体吸收第一波长的光121而辐射第二波长的光122。在第一波长为430nm～480nm程度的情况下，通过利用YAG：Ce3+或者CdSe系量子点荧光体，从而能够将第二波长设为480nm～700nm程度。此外，第二波长为480nm～700nm意味着从荧光体发出的第二波长的光的峰值波长处于480nm～700nm的范围，第二波长的光的光谱分布处于480nm～700nm。

从荧光体辐射的第二波长的光122作为扩散光而从荧光体层113出射。第二波长的光122之中朝向第二光学部件112侧的光，通过准直透镜即微小透镜112B而作为平行光向光学元件110的外部出射。虽然从荧光体层113出射的第二波长的光122是扩散光，但是由于从微小区域113c出射，因此通过第二光学部件112的微小透镜112B能够效率良好地形成平行光。另外，第一波长的光121的一部分未被荧光体吸收而被散射，朝向第二光学部件112侧，与第二波长的光同样地作为平行光而向光学元件110的外部出射。

另一方面，被荧光体吸收的第一波长的光121的一部分未变换为荧光而变换为热。荧光体层113中产生的热，通过与荧光体层113相接的热传导层114，效率良好地传达至光学元件110的周缘部被进行放热。热传导层114优选设为第二波长的1/4程度的厚度。如此，热传导层114相对于第二波长的光122作为反射膜而发挥作用。因此，能够将从荧光体层113出射的第二波长的光122效率良好地导至第二光学部件112侧。

图1表示热传导层114形成于第一面113a之上的示例，但也可以将热传导层114形成于第二面113b之上。在该情况下，热传导层114优选设为相对于第一波长的光121作为反射膜而发挥作用且相对于第二波长的光122难以作为反射膜而发挥作用的厚度。

以下，对热传导层114的效果进行说明。图3是表示通过对热传导层114设为ZnO(热传导率λ＝5W/mK)的情况和设为玻璃(λ＝0.3W/mK)的情况下的荧光体层的温度部分布进行模拟而求取的结果。模拟中利用以下这样的模型，即：在图4所示那样的光学元件中，通过没有微小透镜的、较薄的光学部件来夹持热传导层和荧光体层的简单构造的模型。另外，关于光源(未图示)，设为波长450nm的半导体激光元件，荧光体设为YAG：Ce3+，并设定适当的参数。关于光学元件的外形，将长轴L设为45mm，将短轴D设为5mm，在长轴方向的侧面固定有放热板130。此时，光学元件与放热板130进行热连接，其界面以40℃进行了固定。另外，第一光学部件111的厚度设为0.5mm，第二光学部件112的厚度设为0.2mm，荧光体层113以及热传导层114的厚度均设为0.1mm。第一光学部件111在长轴方向具有9个聚光透镜，使入射至各聚光透镜的激励光在荧光体层113上的1.0mm边长正方形程度的区域进行聚光。第一光学部件111以及第二光学部件112设为玻璃，荧光体层113设为热传导率与玻璃大致相同的树脂材料。

在此，配置光输出5W的光源(未图示)，在分离元件(未图示)中进行了9分割后的光(此时，设产生10％的能量损耗)将通过各个微小透镜111B而在荧光体层113的微小区域113c进行聚光。在微小区域113c进行聚光的0.5W的光以80％的变换效率(20％的损失)变换为第二波长的光，并设在被进行波长变换时产生25％的斯托克损耗。在该情况下，在微小区域113c中产生0.2W的焦耳热。在热传导层114由玻璃构成的情况下，激励光所聚光的微小区域的温度在光学元件中央部最大会超过300℃。荧光体一般在超过200℃时由于变换效率显著降低，因此在该情况下光学元件的功能大幅度下降。另一方面，在热传导层114由ZnO构成的情况下，激励光所聚光的微小区域的温度为150℃程度，从而能够大幅度抑制光学元件功能下降。这样，通过将热传导层114设为ZnO，从而能够提高放热性，能够抑制局部性的温度上升。由此，能够提高基于荧光体的光的变换效率。

[表1]

材料	热传导率	折射率
			玻璃	0.3W/mK	1.5
塑料(树脂)	0.3W/mK	1.5
			蓝宝石	45W/mK	1.7
ZnO膜	5W/mK	2.0
			AlN膜	230W/mK	2.1
金刚石	1500W/mK	2.2
			石墨烯	1500W/mK	-

表1示出了各种材料的热传导率。玻璃以及树脂材料的热传导率为0.3W/mK程度，而ZnO的热传导率为5W/mK程度。因此，只要热传导层114由热传导率比树脂材料构成的荧光体层113高的材料来形成则能更有效果，尤其是在利用热传导率高的AlN或者金刚石等时能更有效果。另外，也可将热传导层114设为由多个层构成的多层膜。通过将热传导层114设为多层膜，从而能容易设为第一波长的光难以反射且第二波长的光易于反射这样的构成。如果设为易于反射第二波长的光，则能够使从荧光体层113向热传导层114侧辐射的光效率良好地朝向第二光学部件112侧反射，光的利用效率得以提高。在将热传导层114设为多层膜的情况下，全部的层不必由同一材料构成。在该情况下，只要将热传导层114的平均热传导率设为高于荧光体层113的热传导率即可。在该情况下，例如通过折射率相互不同且热传导率高的蓝宝石和AlN膜来构成，从而能够容易地形成上述的多层膜。此外，在荧光体层113由多个材料构成且热传导率不均一的情况下，只要将热传导层114的热传导率设为高于荧光体层113的平均热传导率即可。

本实施方式的光学元件能用作图5所示那样的图像显示装置200用的光源。图像显示装置200具有多个光源210。光源210配置在导光板212的侧面，以使从光源210出射的光入射至导光板212。导光板212配置在图像显示部214的背面。图5表示设有5个光源210的示例，但光源210的数量可根据图像显示部214的尺寸适宜地变更。

成为光源210的半导体发光装置例如如图6所示，具有本实施方式的光学元件110、半导体激光元件等发光元件140、以及使从发光元件140出射的光作为平行光而入射至光学元件110的导光元件150。发光元件140优选设为半导体激光元件等的能产生指向性高的光的发光元件。发光元件140隔着次安装基台(sub mount)141而固定在基台142之上，以使光向与基台142的主面平行的方向出射。

导光元件150固定在基台142之上，以使从发光元件140出射的光入射至导光元件150。导光元件150具有：光分支部151、以及设置在发光元件140和光分支部151之间的准直透镜152。从发光元件140出射的光通过准直透镜152而成为平行光后，入射至光分支部151。光分支部151层叠有多个使所入射的光的一部分反射并使残余部分透过的分离镜。由此，入射至光分支部151的光分支成光轴相互平行的多个光路。

通过光分支部151而分支成多个光路的光分别入射至光学元件110中的第一光学部件111所设的多个微小透镜111B。使微小透镜111B的光轴与通过光分支部151分支后的光的光轴相一致地，配置光学元件110和导光元件150。如之前所说明的那样，入射至光学元件110的光的波长发生变换，通过第二光学部件112的微小透镜112B而作为平行光出射。

图像显示装置200因光源210出射平行光而具有以下优点。从光源210出射的光入射至导光板212，在导光板212的内部进行反射并导波，并且一部分被导至图像显示部214。在从光源210出射的光为平行光的情况下，通过调整光源210的光量，从而能够使图像显示部214的明亮度沿着扫描方向而发生变化。例如，图7(a)表示仅使配置于从上起第二个位置的光源210发光的状态，图7(b)表示仅使配置于从上起第四个位置的光源210发光的状态。这样，通过仅使多个光源210的一部分发光，从而能够仅使输入到图像显示部214的信号当中必要部分作为图像进行显示。因此，能够更精密控制图像显示装置。

图1示出了将作为聚光透镜以及准直透镜的微小透镜呈一列地配置的示例，但如图8(a)以及(b)所示，也可以设为将微小透镜111B以及112B呈矩阵状地配置得到的光学元件110A。通过利用将微小透镜呈矩阵状地配置得到的光学元件110A，从而能够实现如图9所示那样的图像显示装置250。从发光元件251出射的光通过准直透镜252而成为平行光后入射至光学元件110A。入射至光学元件110A的光通过第一光学部件111的微小透镜111B而分别在多个聚光区域的各个区域进行聚光。各聚光区域中生成的荧光通过相应的微小透镜112B而分别作为平行光进行出射。从光学元件110A出射的平行光入射至光调制元件253。在光调制元件253中，入射光被调制，生成图像，通过投影透镜254而使投影图像255进行投影。

在将微小透镜呈矩阵状进行了配置的情况下，来自荧光体层113中的光被聚集的微小区域的放热较之单行式的情况变得更为重要。图10表示通过对将热传导层114设为玻璃(λ＝0.3W/mK)的情况、设为ZnO(λ＝5W/mK)的情况、设为AlN膜(λ＝230W/mK)的情况、以及设为金刚石(λ＝1500W/mK)的情况下的荧光体层113的温度部分布进行模拟而求取的结果。模拟中所利用的光学元件被设为：光的入射区域为45mm边长正方形，微小透镜按照9×9的矩阵状进行配置，各聚光透镜在1mm边长正方形的区域进行聚光。来自光源的入射光为40W，被分为81个且在微小区域进行聚光时，在各个微小区域内被聚集0.5W的光。此时所产生的发热与之前所述的情况同样地设为0.2W，光学元件的周围通过放热板(未图示)而被固定在40℃，设微小透镜面在热学上绝热时，当热传导层114由玻璃构成的情况下，光学元件中央部的聚光区域的温度变得突出地高，会上升至超过4000℃的处所。但是，当热传导层114由AlN膜或金刚石构成的情况下，聚光区域的温度较周围的温度只是略变高，故也能使温度为150℃以下。

如此，即便在将微小透镜呈矩阵状地进行了配置的情况下，通过设置热传导率高的热传导层114，也能够提高放热性，能够提高荧光体中的光的变换效率。图8表示了微小透镜呈9×9的矩阵地配置的示例，但也可设为任意尺寸的矩阵。

本实施方式的光学元件如以下那样地形成即可。首先，如图11(a)所示，在成为第一光学部件111的第一透明基板111A的第一面之上，形成由抗蚀剂等构成的掩模图案161。透明基板可设为诸如BK7等的玻璃。接下来，如图11(b)所示，通过氟酸等的蚀刻液，对第一透明基板111A的第一面进行选择性蚀刻。由此，获得具有作为聚光透镜的微小透镜111B的第一光学部件111。接下来，如图11(c)所示，在第一光学部件111的第二面之上，形成由ZnO或者金刚石等构成的热传导层114。热传导层114通过溅射法或者化学气相沉积(CVD)法等形成即可。接下来，如图11(d)所示，在热传导层114之上，将成为荧光体层113的含有荧光体的紫外线固化型的树脂113A涂敷在热传导层114之上。荧光体可根据入射光以及出射光的波长来适宜选择，例如可设为YAG：Ce3+等。紫外线固化型的树脂可设为硅酮树脂或者环氧树脂等。此外，形成荧光体层的树脂并不限于紫外线固化型的树脂，也可利用热固化型的树脂等。另外，也可利用荧光体粒子和低熔点玻璃等的透明无机材料来构成荧光体层。

其次，如图12(a)所示，将成为第二光学部件112的第二透明基板112A贴附到树脂113A之上后，通过对树脂113A照射紫外线而使其固化来形成荧光体层113，并且粘接第二透明基板112A。接下来，如图12(b)所示，在第二透明基板112A之上形成由抗蚀剂等构成的掩模图案162。掩模图案162相对于微小透镜111B进行位置对准。接下来，通过氟酸等的蚀刻液，对第二透明基板112A进行选择性蚀刻。由此，形成具有作为准直透镜的微小透镜112B的第二光学部件112。

不论是微小透镜111B以及112B仅配置一列的情况还是呈矩阵状地配置的情况，均能同样地形成。

通过将第一透明基板111A的厚度相对较厚地设为10mm程度，从而能容易地在第一光学部件111之上形成热传导层114、荧光体层113以及第二光学部件112。另外，通过将第二透明基板112A相对较薄地设为3mm程度，从而能够将微小透镜112B设为曲率相对较大的准直透镜，能够使从荧光体层113的微小区域全方位辐射的光效率更好地变为平行光。

此外，虽已示出了通过蚀刻来形成微小透镜的方法，但也可利用低温度软化透明材料和模具来形成。

在图1等中，示出了与荧光体层单独地形成热传导层的示例。但是，只要荧光体仅存在于光进行聚光的区域即可。由此，也可以设为如图13所示那样的构成的光学元件110B。光学元件110B具有荧光体层173，该荧光体层173具有包含荧光体的第一区域173A、和包围第一区域173A且热传导率比第一区域173A高的第二区域173B。第一区域173A设为包含YAG：Ce3+等荧光体的树脂层即可。第二区域173B设为ZnO或者金刚石等的热传导率比第一区域173A高的层即可。

光学元件110B如以下那样地形成即可。首先，通过与图11(a)以及(b)所示的工序相同的工序，形成具有微小透镜111B的第一光学部件111。接下来，如图14(a)所示，通过溅射法或者CVD法，在第一光学部件111的第二面之上形成成为第二区域173B的ZnO层等。接下来，使ZnO层等进行图案化，形成第一光学部件111露出的多个开口部173a。接下来，如图14(b)所示，涂敷成为第一区域173A的含有荧光体的紫外线固化型树脂，以填埋开口部173a。荧光体可根据入射光以及出射光的波长来适宜选择，例如可设为YAG：Ce3+等。紫外线固化型树脂可设为硅酮树脂或者环氧树脂等。其后，通过与图12(a)～(c)的工序相同的工序，进行紫外线固化型树脂的固化以及第二光学部件112的形成等即可。

此外，形成荧光体层的树脂并不限于紫外线固化型的树脂，也可以利用热固化型的树脂等。并且，也可利用荧光体粒子和低熔点玻璃等的无机透明材料来构成荧光体层。例如，通过利用旋涂玻璃等的无机透明材料，从而能获得图案化等变得容易这样的优点。

光学元件110B可设为如光学元件110那样将微小透镜呈一列地配置的构成，也可设为如光学元件110A那样将微小透镜呈矩阵状地配置的构成。光学元件110B能与光学元件110以及光学元件110A相同地利用，但如图15所示，也可与多个发光元件261进行组合。从各发光元件261出射的光通过相应的准直透镜262而成为平行光后，入射至光学元件110B。此外，关于光学元件110以及光学元件110A，也能设为这样的构成。

如图16所示，也可设为利用具有第一透明基板181A和衍射光栅181B的第一光学部件181而使光在荧光体层173的第一区域173A进行聚光的光学元件110C。通过设为这样的构成，由于无需准直透镜262，因此能减少部件件数。此外，也可取代与热传导层成为一体的荧光体层173，单独形成荧光体层和热传导层。

如图17所示，也可设为取代微小透镜112B而通过反射镜191C将荧光变换为平行光这样构成的光学元件110D。光学元件110D具有：第一透明基板191A，其在第一面上具有衍射光栅191B，在第二面上具有反射镜191C；第二透明基板192；以及荧光体层193，其隔着热传导层194而形成在第二透明基板192之上。反射镜191C设为具有通过使抛物线围绕其对称轴进行旋转而得到的抛物面的抛物面镜即可。从发光元件261辐射的光通过衍射光栅191B而透过反射镜191C，在荧光体层193进行聚光。在荧光体层193进行聚光的光成为规定波长的光，入射至反射镜191C。入射至反射镜191的光被反射且被校准，透过第二透明基板192而出射。由于入射至荧光体层193的光进行朗伯反射，因此能够利用朗伯反射光，从而具有能够进一步提高光的利用效率这样的优点。

(第二实施方式)

如图18所示，第二实施方式的光学元件310具有：第一基板311、隔着反射层314而形成在第一基板311之上的荧光体层313、和形成在荧光体层313之上的微小透镜312。

第一基板311可设为硅基板等。反射层314可设为银或者铝等可见光的反射率高的金属材料。荧光体层313具有：由荧光体粒子和粘合剂材料混合后的荧光体含有材料构成的第一区域313A、和形成为包围第一区域313A的第二区域313B。荧光体可设为以YAG：Ce3+为首的稀土类荧光体或量子点荧光体等。粘合剂材料可设为树脂或者透明无机材料等。在为树脂的情况下，可设为硅酮树脂或者环氧树脂等的透明树脂，在为透明无机材料的情况下，可设为低熔点玻璃等的玻璃材料。第二区域313B可设为石墨烯、金刚石或ZnO等的热传导率比第一区域313A高的材料。微小透镜312由玻璃等构成，被形成为焦点与荧光体层313中的第一区域313A一致。

图19示出利用了实施方式的光学元件310的发光装置300的构成以及动作方法。发光装置300具有：发光元件340、将从发光元件340出射的光变为平行光的准直透镜352、和使平行光反射而入射至光学元件310的分色镜360。

通过分色镜360反射而入射至光学元件310的光，通过光学元件310的微小透镜312而在荧光体层313的第一区域313A进行聚光。在第一区域313A进行聚光的光，通过荧光体而变换为规定波长的光，且被进行朗伯反射。被反射的光通过微小透镜312而成为平行光，从光学元件310进行出射。从光学元件310出射的光透过分色镜360，作为平行光而从发光装置300进行出射。

在荧光体层313中，变换光的波长时所产生的热将通过荧光体层313的第二区域310B以及反射层314而效率良好地传达至光学元件310的周缘部，被进行放热。

本实施方式的光学元件310如以下那样地形成即可。首先，如图20(a)所示，通过蒸镀法、溅射法或CVD法等，在作为硅基板等的第一基板311之上形成由银或者铝等构成的反射层314。接着，在形成了成为荧光体层313的第二区域313B的由石墨烯、金刚石或者ZnO等构成的层后，利用光刻、蚀刻以及剥离等的半导体工艺技术来形成多个开口部313a。接下来，如图20(b)所示，采用旋涂法等涂敷成为第一区域313A的包含荧光体的树脂以填埋开口部313a。接下来，如图20(c)所示，在将作为透明基板的第二基板312A粘接到荧光体层313之上后，在第二基板312A之上形成抗蚀剂掩模351。抗蚀剂掩模351与第一区域313A相一致地形成。接下来，如图20(d)所示，通过利用了氟酸等的湿式蚀刻，对第二基板312A进行选择性蚀刻来形成微小透镜312。

图20示出了各自形成已独立的微小透镜312的示例，但也可以是根据第二基板312A的厚度以及成为必要的微小透镜312的曲率等，在第二基板312A的一面形成成为一体的微小透镜312这样的构成。在该情况下，优选尽可能使微小透镜312的接合部的厚度变薄。

此外，已说明了通过湿式蚀刻来形成微小透镜312的方法，但也可以在进行了微小透镜312和第一区域313A的位置对准的基础上，将预先利用模具等形成了微小透镜312的第二基板312A与荧光体层313进行粘接。

在第一实施方式以及第二实施方式中，主要说明了发光元件为半导体激光元件的情况，但只要是指向性优良的光源，可以利用任意的光源。例如，也可利用超辐射发光二极管等。

此外，在第一实施方式以及第二实施方式中，将第一波长的光的波长设为430nm～480nm，但只要是能够激励荧光体的波长的光即可，可为任意波长。例如，也可以是波长350nm～390nm的紫外光以及波长390nm～430nm的近紫外光。

另外，在第一实施方式以及第二实施方式中，以YAG：Ce3+为中心而说明了荧光体，但并不限于此。例如，在想将波长530nm附近的绿色的荧光设为第二波长的光的情况下，可以是铕添加的β硅铝氧氮聚合结晶、硅酸盐结晶。另外，由于Ce添加Ca₃Sc₂Si₃O₁₂或者Ce添加CaSc₂O₄等，也能够以高的变换效率来获得波长520nm附近的绿色的第二波长的光。另外，在想将波长640nm附近的红色的荧光设为第二波长的光的情况下，也可利用铕添加的(Sr，Ca)AlSiN₃或者CaAlSiN₃等。

此外，在第一实施方式以及第二实施方式中，仅说明了利用一个种类的荧光体作为荧光体层的方法，但并不限于此。例如，通过在面内改变荧光体层的荧光体，从而能够使多个波长的光作为第二波长的光进行出射。例如，通过将波长430nm～430nm的第一波长的光和发出绿色以及红色的荧光体进行组合来构成光学元件，从而能够构成可发出白色光的半导体发光装置。另外，通过将发出绿色以及红色的荧光体和诸如(Ba，Sr)MgAl₁₀O₁₇：Eu或者(Sr，Ca，Ba，Mg)₁₀(PO₄)₆C₁₂：Eu等的发出蓝色的荧光体进行组合来构成光学元件，从而能构成可通过紫外光或者近紫外光等的激励光而发出白色光的半导体发光装置。

产业上的可利用性

本发明所涉及的光学元件作为即便在进行了波长变换的情况下也可获得具有指向性的光、且能量损失小的光源装置等中所利用的光学元件等，是有用的。

标号说明

110  光学元件

110A 光学元件

110B 光学元件

110C 光学元件

110D 光学元件

111  第一光学部件

111A 第一透明基板

111B 微小透镜

112  第二光学部件

112A 第二透明基板

112B 微小透镜

113  荧光体层

113A 树脂

113a 第一面

113b 第二面

113c 微小区域

114  热传导层

121  光

122  光

130  放热板

140  发光元件

141  次安装基台

142  基台

150  导光元件

151  光分支部

152  准直透镜

161  掩模图案

162  掩模图案

173  荧光体层

173A 第一区域

173B 第二区域

173a 开口部

181  第一光学部件

181A 第一透明基板

181B 衍射光栅

191  反射镜

191A 第一透明基板

191B 衍射光栅

191C 反射镜

192  第二透明基板

193  荧光体层

194  热传导层

200  图像显示装置

210  光源

212  导光板

214  图像显示部

250  图像显示装置

251  发光元件

252  准直透镜

253  光调制元件

254  投影透镜

255  投影图像

261  发光元件

262  准直透镜

300  发光装置

310  光学元件

310A 第一区域

310B 第二区域

311  第一基板

312  微小透镜

312A 第二基板

313  荧光体层

313A 第一区域

313B 第二区域

313a 开口部

314  反射层

340  发光元件

351  抗蚀剂掩模

352  准直透镜

360  分色镜

Claims (16)

1.一种光学元件，具备：

荧光体层，其包含被第一波长的光所激励而辐射与所述第一波长不同的第二波长的光的荧光体；

第一光学部件，其形成于所述荧光体层的第一面之上，且使光在所述荧光体层进行聚光；和

第二光学部件，其形成于所述荧光体层的与所述第一面相反侧的第二面之上，且将从所述荧光体层所辐射的光变换为平行光。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

所述第一光学部件是具有聚光透镜的第一透明基板。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

所述第一光学部件是具有衍射光栅的第一透明基板。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学元件，其中，

所述第二光学部件是形成于所述第二面之上且具有准直透镜的第二透明基板。

5.一种光学元件，具备：

荧光体层，其包含被第一波长的光所激励而辐射与所述第一波长不同的第二波长的光的荧光体；和

第三光学部件，其形成于所述荧光体层的第一面之上，使光在所述荧光体层进行聚光且将从所述荧光体层所辐射的光变换为平行光。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

所述第三光学部件是具有设于与所述荧光体层相反侧的面上的衍射光栅和设于与所述荧光体层对置的面上的反射镜的第三透明基板。

7.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

所述光学元件还具备：反射层，其形成于所述荧光体层的与第一面相反侧的第二面，

所述第三光学部件是凸透镜。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的光学元件，其中，

所述光学元件还具备：热传导层，其形成于所述荧光体层与所述第一光学部件之间、或者所述荧光体层与所述第二光学部件之间，且热传导率比所述荧光体层高。

9.根据权利要求5～7中任一项所述的光学元件，其中，

所述光学元件还具备：热传导层，其形成于所述荧光体层的与所述第一面相反侧的第二面，且热传导率比所述荧光体层高。

10.根据权利要求8或9所述的光学元件，其中，

所述热传导层由氧化锌、氮化铝或者金刚石构成。

11.根据权利要求8所述的光学元件，其中，

所述热传导层是多层膜。

12.根据权利要求1～4中任一项所述的光学元件，其中，

所述荧光体层具有：

多个第一区域，各自包含所述荧光体；和

第二区域，其包围所述多个第一区域，且热传导率比所述第一区域高，

所述第一光学部件使光在多个所述第一区域的各区域进行聚光。

13.根据权利要求5～7中任一项所述的光学元件，其中，

所述荧光体层具有：

多个第一区域，各自包含所述荧光体；和

第二区域，其包围所述多个第一区域，且热传导率比所述第一区域高，

所述第三光学部件使光在多个所述第一区域的各区域进行聚光。

14.根据权利要求12或13所述的光学元件，其中，

所述第二区域由氧化锌、氮化铝或者金刚石构成。

15.一种半导体发光装置，具备：

权利要求1～14中任一项所述的光学元件；和

发光元件，其出射所述第一波长的光。

16.根据权利要求15所述的半导体发光装置，其中，

所述半导体发光装置还具备：光分支部，其将从所述发光元件出射的光分割为具有相互平行的光轴的多个光路并入射至所述光学元件。

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