CN103717963A - 荧光体光学元件以及利用荧光体光学元件的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的荧光体光学元件，其具备：在对于来自激励光源的入射光的波长为透明的透明基材(10)上所顺次形成的、基底部件(20)、和由包含荧光体微粒子(32)的透明部件(31)构成的含荧光体部件(30)、以及罩部件(40)，荧光体微粒子(32)的粒子径为入射光的波长以下，在含荧光体部件(30)的在与透明基材(10)的主面垂直的方向上的由任意的截面线而成的截面中、在与透明基材(10)的主面垂直的方向上的含荧光体部件(30)的厚度，为入射光的波长以下。

Description

荧光体光学元件以及利用荧光体光学元件的发光装置
技术领域
本发明涉及荧光体光学元件以及利用荧光体光学元件的发光装置，尤其涉及作为投影仪用光源以及液晶显示装置的背光灯用光源所利用的发光装置中的荧光体光学元件。
背景技术
近几年，薄型电视机以及投影仪等的显示装置的市场急速进展。这样的显示装置内具备液晶面板。在液晶面板的背面具备放射白色的光的发光装置以作为白色光源装置。就液晶面板而言，作为透射型的光调制元件而加以利用，对从发光装置所照射的光的透射率进行控制，从而形成图像。就这样的发光装置而言，以往，利用冷阴极荧光灯(CCFL：Cold CathodeFluorescent Lamp)以及超高压水银(UHP：Ultra High Performance)灯，但近几年，在节能化以及从环境方面的无汞化的潮流中，对于这样的的光源，使LED(Light Emitting Diode)等的半导体发光元件、和将来自半导体发光元件的光由荧光体转换来提取荧光的荧光体光学元件加以组合而成的发光装置的开发正在进展。
发光装置的结构，具有：在同一封装体上配置半导体发光元件和荧光体光学元件的荧光体一体型的结构、以及将半导体发光元件和荧光体光学元件配置在显示装置内的离开的位置的荧光体分离型的结构。
在任一发光装置中都具有：由于在荧光体光学元件中来自荧光体的发光即荧光向全方位方向放射，因此要使荧光高效率地提取的光学系统以及荧光指向性的提高的问题。
就现有技术而言，例如，在专利文献1中公开了以下技术，即，在含有荧光体的树脂和LED元件之间配置双向分色镜，对全方位放射的荧光之中的向LED元件侧的光进行反射，而使荧光的利用效率得以改善的技术。以下，利用图14说明以往的发光装置1000。
如图14示出，以往的发光装置1000具备：具有开口部1042的凹型的壳体1004、在作为壳体1004的凹部底面的元件搭载面1040上所安装的作为荧光体激励用光源的LED元件1002、以及在LED元件1002的上部所设置的双向分色镜1003。并且，在LED元件1002的上方经由硅树脂1007而形成：粒子径为10至20μm左右的YAG：Ce等的稀土族赋活荧光体被包含在硅树脂中的含荧光体硅树脂1008。壳体1004的凹部侧面，是按照相对于LED元件1002的光出射方向而倾斜的方式所形成的倾斜面1041，且具有以下的功能，即，使来自LED元件1002的光与从含荧光体硅树脂1008放射的荧光一起、向发光装置1000的前方向反射。
在这样的结构的发光装置1000中，从LED元件1002放射的光，透射硅树脂1007，入射到含荧光体硅树脂1008。就入射到含荧光体硅树脂1008的光而言，其一部分的光反射，其他的一部分的光由荧光体吸收而作为荧光被放射。基于含荧光体硅树脂1008的荧光，向全方位放射，且由倾斜面1041以及双向分色镜1003等多重反射，并从开口部1042全面放射到发光装置1000的外部。
并且，在专利文献2中公开了一种发光装置，其向使双向分色镜和荧光体组合而成的荧光体发光元件入射激励光源的光，将得到的荧光作为投影仪的光源来利用。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特开2006-186022号公报
专利文献2：日本特开2010-198805号公报
然而，以往的荧光体光学元件中，难以将得到的荧光以所希望的发光面积向规定的方向有效地放射的问题存在。具体而言，通过含有荧光体的部件(荧光体含有部件)和双向分色镜的组合，能够使荧光向规定的方向出射，但是，在含荧光体部件的层的平面方向荧光能够自由传播，因此，从含荧光体部件的全面放射荧光，而使荧光的发光面积变大的问题存在。在此情况下，在利用透镜等将从荧光体光学元件出射的荧光转换为平行光的情况下，倾斜光成分增加，成为后级的光学系统中的损失，导致光学系统的效率降低。针对这样的问题，可以考虑例如将含荧光体部件的面积减小，但是，在此情况下，需要提高含荧光体部件和发光元件的对位精度，就导致荧光体光学元件的成本提高。
发明内容
为了解决所述的问题，本发明的目的在于提供一种荧光体光学元件以及发光装置，能够在含荧光体部件的面积不减小下容易地将荧光的发光面积减小。
针对上述的问题，本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一的特征为，具备：在对于从激励光源放射的入射光的波长为透明的透明基材上所顺次形成的基底部件、含荧光体部件、及罩部件，该含荧光体部件由包含荧光体微粒子的透明部件构成，所述荧光体微粒子的粒子径是所述入射光的波长以下，在所述含荧光体部件的在与所述透明基材的主面垂直的方向上的由任意的截面线而成的截面图中、在与所述透明基材的主面垂直的方向以及水平的方向的至少一个方向上的所述含荧光体部件的厚度，是所述入射光的波长以下。
根据该结构，能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少。因此，能够将荧光的发光面积设为与从激励光源放射的入射光的入射面积相同程度。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，所述基底部件以及所述罩部件的至少一方，采用由在与所述透明基材垂直的方向上层叠的多层膜构成的结构也可。在此情况下，作为优选，所述多层膜是电介质多层膜。
根据该结构，能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，作为优选，所述基底部件使所述入射光透射、且将从所述含荧光体部件放射的荧光进行反射。
根据该结构，能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，按照所述含荧光体部件，在作为与所述透明基材的主面的平行的方向的二维平面方向上，具有基于二维周期结构的折射率分布的方式构成也可。在此情况下，所述二维周期结构能够由光子晶体构成。
根据该结构，能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，所述含荧光体部件由折射率不同的两种透明材料构成，所述荧光体微粒子被包含在所述折射率不同的两种透明材料的至少一方中也可。
根据该结构，能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，所述折射率不同的两种透明材料的至少一方由ZnO构成也可。
根据该结构，能够容易构成荧光体光学元件，其能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，在本发明涉及的荧光体光学元件的实施方案之一中，所述基底部件的最上层由ZnO膜构成也可。
根据该结构，能够容易地构成荧光体光学元件，其能够使荧光体微粒子所生成的荧光的一部分在与透明基材的主面平行的方向上的传播减少，能够将荧光引导到规定的出射方向。
并且，本发明涉及的发光装置的实施方案之一的特征为，具备：所述荧光体光学元件、以及作为激励光源的发光元件，并且所述发光元件的光轴，相对于所述荧光体光学元件的所述透明基材的表面是垂直的。
根据该结构，能够将发光元件出射的光的波长由简单的结构容易地变换，并且，能够维持光的传播方向。
根据本发明，能够在含荧光体部件的面积不减小下容易地将荧光的发光面积减小。据此，经由后级的光学系统等能够自由控制光的行进方向。
附图说明
图1是示出本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图2是用于说明本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件的工作的图。
图3A是示出用于说明本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件的功能的计算参数的图。
图3B是示出基于图3A的计算参数求出的本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件的基底部件以及罩部件的透射率的图。
图3C是示出本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件的激励光及荧光的光强度的图。
图4是用于说明本发明的实施例1涉及的利用荧光体光学元件的发光装置的结构以及工作的图。
图5是示出本发明的实施例1的变形例涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图6A是示出本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图6B是示出图6A的A-A线上的本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图7是用于说明本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的工作的图。
图8A是用于说明本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的功能的计算参数的说明图。
图8B是示出基于图8A的计算参数求出的本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的含荧光体层的透射率的图。
图8C是示出本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的激励光及荧光的光强度的图。
图9是用于说明本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件的制造方法的各工序的截面图。
图10是示出本发明的实施例2的变形例1涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图11是示出本发明的实施例2的变形例2涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图12A是示出本发明的实施例2的变形例3涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图12B是示出图12A的A-A线上的本发明的实施例2的变形例3涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
图13是用于说明本发明的实施例2涉及的利用荧光体光学元件的发光装置的结构以及工作的图。
图14是示出现有例中的发光装置的结构的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选的实施例。而且，以下说明的实施例，都示出本发明的优选的一个具体例，以下的实施例所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等，是一个例子，而不是限定本发明的宗旨。本发明，根据权利要求书的记载确定。因此，对于以下的实施例的构成要素中的、本发明的示出最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，为了实现本发明的问题而并不一定需要，但是，被说明为构成更优选的形态的要素。并且，在附图中，对于表示实质相同的结构、工作、以及效果的要素，附上相同的符号。
(实施例1)
以下，说明本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件以及发光装置。首先，对于本发明的实施例1涉及的荧光体光学元件，利用图1进行说明。图1是示出本实施例涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。
如图1示出，本实施例的荧光体光学元件1，是借助来自激励光源的入射光而发出荧光的发光元件，其具备：透明基材10；由在透明基材10上所顺次形成的基底部件20、含荧光体部件30及罩部件40构成的层叠结构体。
就透明基材10而言，其由对于来自激励光源的入射光的波长为透明的材料构成，且能够利用例如玻璃以及透明树脂薄膜等的透明基板。
就基底部件20而言，其是由第一基底层21(第一层)、和例如包括SiO2的第二基底层22(第二层)所形成的电介质多层膜，该第一基底层21的结构中使例如包括TiO2的第二折射率层21b由包括ZnO的第一折射率层21a夹持，且将各层在相对于透明基材10的主面(表面)为垂直的方向上层叠。基底部件20是将第一基底层21和第二基底层22交替层叠的、且使多个第一基底层21和多个第二基底层22层叠例如5层以上的多层膜。本实施例的基底部件20，由4层的第一基底层21和3层的第二基底层22这样的7层构成。而且，基底部件20的最下层和最上层均为包括ZnO膜的第一基底层21。
并且，就基底部件20而言，其对于来自激励光源的入射光(激励光)的波长为透明，并且其对于从含荧光体部件30放射的荧光的波长的光而为反射镜。也就是说，基底部件20作为使激励光透射且对来自含荧光体部件30的荧光进行反射的第一双向分色镜发挥功能。
就含荧光体部件30而言，其是在基底部件20上所层叠的含荧光体层，且由透明材料的透明部件31、和包含在透明部件31中的经由来自激励光源的入射光(激励光)而发出荧光的荧光体微粒子32构成。就荧光体微粒子32而言，能够利用例如InP/ZnS的核壳型量子点荧光体那样的粒子直径为100nm以下的半导体微粒子。就量子点荧光体而言，根据量子尺寸效应，即使是同一材料的微粒子，通过对粒径进行控制，从而也能够得到可见光区域的所希望的波长域的荧光谱。并且，就透明部件31而言，例如，能够利用折射率为1.4的硅树脂等的透明树脂材料。
就罩部件40而言，其是在含荧光体部件30上所形成的、由第一罩层41(第三层)和例如包括SiO2的第二罩层42(第四层)构成的电介质多层膜，该第一罩层41的结构中使例如包括TiO2的第四折射率层41b由包括ZnO的第三折射率层41a夹持，且将各层在相对于透明基材10的主面(表面)为垂直的方向上交替层叠。罩部件40是将第一罩层41和第二罩层42交替层叠的、且使多个第一罩层41和多个第二罩层层叠例如5层以上的多层膜。本实施例的罩部件40，由4层的第一罩层41和4层的第二罩层42的这样的8层构成。
并且，就罩部件40而言，其与基底部件20相反，对于来自激励光源的入射光(激励光)的波长的光而为反射镜，并且对于从含荧光体部件30放射的荧光的波长为透明。也就是说，罩部件40作为对激励光进行反射且使来自含荧光体部件30的荧光透射的第二双向分色镜发挥功能。
在如此构成的荧光体光学元件1中，按照含荧光体部件30的荧光体微粒子32的粒子径成为来自激励光源的入射光的波长以下的方式构成。并且，在含荧光体部件30的在与透明基材10的主面垂直的方向上的由任意的截面线而成的截面中、在与透明基材10的主面垂直的方向(层叠方向)上的含荧光体部件30的厚度即含荧光体部件30的膜厚，成为来自激励光源的入射光的波长以下。
根据该结构，例如，含荧光体部件30的荧光体微粒子32，将波长405nm的激励光(入射光)进行长波长转换，由此发出例如峰值波长为540nm、光谱的半峰全宽为50nm的荧光。在此情况下，含荧光体部件30的所述截面的厚度，设为激励光的波长以下、即405nm以下。更具体地说，含荧光体部件30的在所述截面的厚度，设为将例如荧光的峰值波长(540nm)除以透明部件31的折射率(1.4)而成的约390nm以下。
接着，对于如此构成的本实施例涉及的荧光体光学元件1的工作，利用图2进行说明。图2是用于说明本实施例涉及的荧光体光学元件的工作的图。
如图2示出，从透明基材10侧入射的来自激励光源的入射光63，透射透明基材10以及基底部件20，入射到含荧光体部件30。入射到含荧光体部件30的入射光63的一部分，由荧光体微粒子32转换为荧光65并被放射，另一方面，未被荧光体微粒子32吸收的入射光63的其他的一部分，通过含荧光体部件30。通过含荧光体部件30的入射光63，由罩部件40反射后再次入射到含荧光体部件30。再次入射到含荧光体部件30的光，由荧光体微粒子32转换为荧光65。如此，通过含荧光体部件30的光，由罩部件40反射后再次入射到含荧光体部件30，因此，能够有效地将入射光63转换为荧光65。
在含荧光体部件30中所生成的荧光65，向全方位放射。其中，入射到罩部件40的荧光65，通过罩部件40向规定的出射方向放射。另一方面，向基底部件20行进的荧光65，由基底部件20反射，通过含荧光体部件30以及罩部件40向规定的出射方向放射。
在此情况下，在本实施例涉及的荧光体光学元件1中，如上所述按照含荧光体部件30的膜厚成为入射光63(激励光)的波长以下的方式构成，因此，含荧光体部件30的膜厚相对于荧光65而充分薄。据此，荧光65，在含荧光体部件30的平面方向、即与透明基材10的主面平行的二维方向(层叠方向的垂直的方向)几乎不传播。因此，能够将荧光65的发光面积形成得与入射光63(激励光)的入射面积相同程度，因此，能够在含荧光体部件30的面积不减小下容易地将荧光65的发光面积减小。其结果为，经由在荧光体光学元件1的后级所配置的光学系统等就能够自由控制光的行进方向。
接着，对于图2的本实施例涉及的荧光体光学元件1的工作，根据图3A、图3B及图3C的计算结果进行说明。图3A是示出用于说明本实施例涉及的荧光体光学元件的功能的计算参数的图。图3B是示出基于图3A的计算参数求出的本实施例涉及的荧光体光学元件的基底部件及罩部件的透射率的图。图3C是示出本实施例涉及的荧光体光学元件的激励光及荧光的光强度的图。
在此，如图3C示出，激励光(入射光63)的波长设为405nm，本实施例的激励光设为激光。将荧光65设为：峰值波长为540nm的、且来自由量子点荧光体构成的荧光体微粒子32的光。
如图3B示出，根据基于图3A的计算参数求出的基底部件20以及罩部件40的透射率可知，就基底部件20而言，使波长405nm的入射光63透射，另一方面，对中心波长540nm的荧光65的大部分进行反射；就罩部件40而言，对波长405nm的入射光63进行反射，另一方面，使中心波长540nm的荧光65透射。
如此，在本实施例中，含荧光体部件30由基底部件20及罩部件40而成的双向分色镜夹持，因此，如图2中说明，入射光63就透射基底部件20且由罩部件40反射，从而在含荧光体部件30中能够有效地生成荧光65。并且，含荧光体部件30中生成的荧光65，透射罩部件40且由墓底部件20反射，由此能够将得到的荧光65有效地出射到荧光体光学元件1的外部。并且，在本实施例中，按照含荧光体部件30的厚度成为入射光63(激励光)的波长以下的方式构成，因此，荧光65在含荧光体部件30的平面方向几乎不传播。因此，能够在含荧光体部件30的面积不减小下将荧光65的发光面积减小。
接着，对于利用图1示出的荧光体光学元件1的发光装置99的结构以及工作，利用图4进行说明。图4是用于说明本实施例涉及的利用荧光体光学元件的发光装置的结构以及工作的图。
如图4示出，本实施例的发光装置99具备：荧光体光学元件1、以及由多个半导体激光器(半导体发光元件)构成的作为激励光源的发光元件50，发光元件50的光轴相对于荧光体光学元件1的透明基材10的表面是垂直的。并且，发光装置99具备：多个准直透镜52，其被配置在多个发光元件50各自的光出射位置；多个反射镜54，其按照与各个准直透镜52对应的方式，被配置在各个准直透镜52的前方(光行进方向)；以及一个聚光透镜56，其按照对由多个反射镜54反射的所有的光进行聚光的方式，被配置在由反射镜54的反射光的光路。荧光体光学元件1按照荧光体光学元件1的含荧光体部件30被定位在聚光透镜56的聚光位置的方式配置。也就是说，荧光体光学元件1的含荧光体部件30，被配置在聚光透镜56的焦点。而且，在荧光体光学元件1的光出射侧，在与荧光体光学元件1相对的位置配置准直透镜58。
接着，说明发光装置99的工作。首先，从多个发光元件50出射的各个出射光60(激励光)，经由对应的准直透镜52而成为平行光61，进而，经由反射镜54而成为光传播面积被整形的平行光62。平行光62经由聚光透镜56而成为聚光光，作为入射光63入射到荧光体光学元件1，且聚光于含荧光体部件30。在含荧光体部件30中，入射光63经由半导体微粒子而被转换为荧光65，从荧光体光学元件1出射。从荧光体光学元件1出射的荧光65，由准直透镜58转换为平行光67。
根据本实施例涉及的发光装置99，经由荧光体光学元件1能够将荧光65的发光面积减小，因此，能够将从荧光体光学元件1出射的光，经由准直透镜58容易地转换为平行光。如此，根据发光装置99，能够将由荧光体光学元件1生成的荧光65的发光面积减小，因此，经由在荧光体光学元件1的后级所配置的光学系统等能够自由控制光的行进方向。
接着，对于本发明的实施例1的变形例涉及的荧光体光学元件1A，利用图5进行说明。图5是示出本实施例的变形例涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。而且，本变形例涉及的荧光体光学元件1A的结构，与实施例1涉及的荧光体光学元件1的结构几乎相同，因此，在本变形例中，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。而且，在图5中，对于与图1的构成要素相同的构成要素附上相同的符号。
如图5示出，本变形例涉及的荧光体光学元件1A，与图1示出的实施例1涉及的荧光体光学元件1相比，含荧光体部件的结构不同，本变形例的含荧光体部件30A，由包括透明材料的多个层构成。
具体而言，在本变形例涉及的荧光体光学元件1A中，含荧光体部件30A，具有第一含荧光体部件30a以及第二含荧光体部件30b的两个含荧光体部件，还具有在第一含荧光体部件30a与第二含荧光体部件30b之间所形成的透明部件35。
第一含荧光体部件30a及第二含荧光体部件30b，分别与图1的含荧光体部件30同样，由透明部件31和包含在透明部件31中的荧光体微粒子32构成。在此，优选的是，第一含荧光体部件30a及第二含荧光体部件30b的透明部件31、和透明部件35，由折射率不同的透明材料构成。并且，透明部件35仅由透明材料形成、且不包含荧光体微粒子。
在本变形例中，就多个含荧光体部件的各自、即第一含荧光体部件30a以及第二含荧光体部件30b而言，也与实施例1同样，将各个含荧光体部件的厚度设定为荧光以及入射光的波长以下。根据该结构，即使在增加各含荧光体部件的厚度、增加有效的荧光体微粒子的量的情况下，因为各含荧光体部件的厚度设为荧光以及入射光的波长以下，因此也能够抑制荧光的水平方向的传播，也能够将荧光的发光面积减小。
而且，在本变形例中，第一含荧光体部件30a及第二含荧光体部件30b都含有荧光体微粒子32，但是，荧光体微粒子32也可以仅包含在任一方中。
以上，说明实施例1涉及的荧光体光学元件以及发光装置，但是，本发明，不仅限于所述的实施例以及变形例。
例如，在图4示出的本实施例涉及的发光装置99中，作为发光元件50利用半导体激光器，但是，也可以利用超辐射发光二极管作为形成有光波导的端面出射型的发光元件。并且，将作为激励光源的半导体激光器的发光波长设为405nm，但是，例如，也可以是出射420nm至490nm的波长的光的半导体激光器。
并且，在本实施例涉及的荧光体光学元件1中，含荧光体部件30的荧光体微粒子32，是InP/ZnS的核壳型的量子点荧光体，但是，不限于此。作为量子点荧光体的材料，也可以利用例如从作为II-V族化合物半导体的、InN、InP、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、AlAs、AlSb以及BN中选择的至少一个，从作为II-VI族化合物半导体的、HgS、HgSe、HgTe、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe以及ZnTe中选择的至少一个，或者从由这些混晶结晶而成的群中选择的至少一个。
并且，在本实施例中，就荧光体微粒子32而言，利用无掺杂型的量子点荧光体，但是，也可以利用掺杂型的量子点荧光体。就掺杂型的量子点荧光体的构成材料而言，例如，可以利用ZnS：Mn2+、CdS：Mn2+以及YVO4：Eu3+的至少一个。进而，就荧光体微粒子32而言，更广义地说，是荧光体的大小为荧光的波长以下、且基于表面缺陷的非辐射复合损失降低的荧光体微粒子即可，例如，可以利用YAG：Ce的纳米粒子。
并且，在本实施例中，透明部件31的树脂材料为硅树脂，但是，不限于此。就透明部件31的树脂材料而言，除了硅树脂以外，还可以利用丙烯酸树脂以及环氧树脂那样的透明的树脂材料。并且，对于透明部件31，并不需要由树脂材料构成，也可以由例如低熔点玻璃那样的无机透明材料构成。在此情况下，能够通过在无机透明材料中混合荧光的波长以下的粒子径的荧光体微粒子32来构成含荧光体部件30。
并且，在本实施例中，第一基底层21、第二基底层22、第一罩层41以及第二罩层42，是由ZnO、TiO2以及SiO2的组合所形成的多层膜，但是，不限于此。就基底部件20以及罩部件40而言，优选的是低折射率材料和高折射率材料的电介质多层膜，作为折射率低的材料，可以利用例如Bi2O3、Ta2O5、La2O3、Al2O3、SiOx(x≤1)、LaF3、La2O3以及Al2O3的复合氧化物、以及Pr2O3和Al2O3的复合氧化物的任一个，或者由这些两种以上的材料构成的复合氧化物，或者CaF2、MgF2、LiF等的氟化物等的电介质材料。并且，作为折射率高的材料，可以利用例如TiO2、Nb2O5、Ta2O5的任一个，或者以TiO2、Nb2O5、Ta2O5的任一个为主成分的复合氧化物等。
(实施例2)
接着，对于本发明的实施例2涉及的荧光体光学元件，利用图6A及图6B进行说明。图6A是示出本实施例涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。图6B是示出图6A的A-A线上的本实施例涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。而且，在图6A中，对于与图1的构成要素相同的构成要素附上相同的符号，省略或简化其说明。
如图6A以及图6B示出，本实施例的荧光体光学元件100，其是经由来自激励光源的入射光而发出荧光的发光元件，且其具备：由例如玻璃以及透明树脂薄膜等构成的透明基材10；以及由在透明基材10上顺次所形成的基底部件120和含荧光体层130及罩部件240构成的层叠结构体。
就基底部件120而言，其是由第一基底层121、和例如包括SiO2的第二基底层122所形成的电介质多层膜，该第一基底层121的结构中使例如包括TiO2的第二折射率层121b由包括ZnO的第一折射率层121a夹持，且将各层在相对于透明基材10的主面(表面)为垂直的方向上层叠。基底部件120是将第一基底层121和第二基底层122交替层叠的、且使多个第一基底层121和多个第二基底层122层叠例如5层以上的多层膜。本实施例的基底部件120，由4层的第一基底层121和3层的第二基底层122这样的7层构成。而且，基底部件120的最下层和最上层均为包括ZnO膜的第一基底层21。
并且，就基底部件120而言，其对于来自激励光源的入射光(激励光)的波长为透明，并且其对于从含荧光体部件130放射的荧光的波长的光而为反射镜。也就是说，基底部件120作为使激励光透射且对来自含荧光体部件130的荧光进行反射的第一双向分色镜发挥功能。
就含荧光体层130而言，其被形成在基底部件120上，且由含荧光体部件133和透明部件135构成。含荧光体部件133由包括透明材料的透明部件131、和包含在透明部件131中的经由来自激励光源的入射光(激励光)而发出荧光的荧光体微粒子132构成。就荧光体微粒子132而言，可以利用例如InP量子点荧光体那样的粒子直径为100nm以下的半导体微粒子。透明部件131是第一透明部件，例如，可以利用折射率为1.4的硅树脂等的透明材料。
就透明部件135而言，其是由包括透明材料的多个圆柱状的杆构成的第二透明部件，如图6B示出，以相互成为三角格子的位置关系的方式被竖立设置在基底部件120上。在本实施例中，透明部件135仅由透明材料构成。并且，如该图示出，含荧光体层130中的含荧光体部件133，以填充被竖立设置的柱状的透明部件135之间的方式形成。作为透明部件135的透明材料，优选利用与含荧光体部件133中的透明部件131的透明材料不同的折射率的材料，例如可以利用折射率为2.0的ZnO。
如此，在本实施例中，含荧光体层130按照在作为相对于透明基材10的主面为平面的方向的二维平面方向上将含荧光体部件133和透明部件135交替地配置、且具有基于二维周期结构的折射率分布的方式构成。这样的二维周期结构，也可以由例如作为折射率周期变化的纳米结构体的光子晶体构成。
罩部件240是由玻璃等的透明材料构成的透明基板，且被形成在含荧光体层130上。本实施例的罩部件240由一张玻璃基板构成。
在如此构成的荧光体光学元件100中，按照含荧光体部件133中的荧光体微粒子132的粒子径成为来自激励光源的入射光的波长以下的方式构成。并且，在含荧光体层130的在与透明基材10的主面垂直的方向上的由任意的截面线而成的截面中、在与透明基材10的主面水平的方向上的含荧光体部件133的厚度即含荧光体层130的水平方向的厚度中的除了透明部件135的厚度以外的厚度也成为来自激励光源的入射光的波长以下。
根据该结构，例如，含荧光体部件133的荧光体微粒子132，将波长450nm的激励光(入射光)进行长波长转换，由此发出例如峰值波长为540nm的荧光。在此情况下，将含荧光体部件133的所述截面的厚度、即以三角格子状所形成的透明部件135的间距，设为激励光的波长即450nm以下。更具体地说，将含荧光体部件133的在所述截面的厚度，设为将例如荧光的峰值波长(540nm)除以透明部件31的折射率(1.4)而成的约380nm以下。
接着，对于如此构成的本实施例涉及的荧光体光学元件100的工作，利用图7进行说明。图7是用于说明本实施例涉及的荧光体光学元件的工作的图。
如图7示出，从透明基材10侧入射的来自激励光源的入射光163，透射透明基材10以及基底部件120，入射到含荧光体层130。入射到含荧光体层130的入射光163的一部分，经由荧光体微粒子132而转换为荧光165，未被荧光体微粒子132吸收的入射光163的其他的一部分，通过含荧光体层130。通过含荧光体层130的入射光163的一部分，由罩部件240反射，再次入射到含荧光体层130。再次入射到含荧光体层130的光的一部分，经由荧光体微粒子132而转换为荧光165。
在含荧光体层130中被转换的荧光165以及由荧光体微粒子132反射的入射光163，向全方位放射。其中，入射到罩部件240的荧光165，通过罩部件240向规定的出射方向放射。另一方面，向基底部件120行进的荧光165，由基底部件120反射，再次通过含荧光体层130以及罩部件240而向规定的出射方向放射。
在此情况下，本实施例涉及的荧光体光学元件100，如上所述，按照含荧光体部件133的厚度成为入射光163(激励光)的波长以下的方式，在含荧光体层130形成有：相对于荧光165在平面方向荧光165难以传播的周期结构，因此，荧光165在含荧光体层130的平面方向、即与透明基材10的主面平行的二维方向上几乎不传播。因此，能够将荧光165的发光面积形成为与入射光163(激励光)的入射面积相同程度，因此，能够在含荧光体层130的面积不减小下容易地将荧光165的发光面积减小。其结果为，能够通过在荧光体光学元件100的后级所配置的光学系统等来自由地控制光的行进方向。
接着，对于图7的本实施例涉及的荧光体光学元件100的工作，根据图8A、图8B以及图8C的计算结果进行说明。图8A是用于说明本实施例涉及的荧光体光学元件的功能的计算参数的说明图。具体而言，图8A的左侧图是与图6B同样地从截面方向看含荧光体层130的图，将透明部件135间距定义为P，将直径定义为D。并且，假设：在任意的点入射光163被转换为荧光165，该荧光165以角度θ入射到三角格子状的透明部件135，传播了距离L。此时，根据图8A的右侧图的计算参数，在图8B示出本实施例涉及的荧光体光学元件100的含荧光体层130的透射率。而且，图8B中示出角度θ为0度时和15度时的透射率。并且，图8C是用于说明含荧光体层130的透射率的特性的效果的示出入射光163和荧光165的光谱的图。
在此，将激励光(入射光163)的波长设为450nm，将本实施例的激励光设为激光。将荧光165设为峰值波长为540nm的、且来自由量子点荧光体构成的荧光体微粒子132的光。
如图8B示出，根据基于图8A的计算参数求出的含荧光体层130的透射率可知，就含荧光体层130而言，相对于平面方向，波长520nm至波长580nm的光在传播距离3μm以下的范围内几乎不传播。这些的光未被含荧光体层130吸收、且也不能向基底部件120的方向传播，因此，向荧光体光学元件100的上方、即罩部件240的方向行进。如此，能够在不使荧光165的发光面积增大下使荧光165从荧光体光学元件100向同一方向放射。也就是说，能够在含荧光体层130的面积不减小下将荧光165的发光面积减小。
而且，波长450nm的入射光163，虽然由荧光体微粒子132散射后向横方向传播，但由入射位置的近旁的荧光体微粒子132吸收后被转换为荧光，因此，发光面积不会增大。
接着，利用图9，说明本实施例涉及的荧光体光学元件100的制造方法。图9是用于说明本实施例涉及的荧光体光学元件的制造方法的各工序的截面图。
首先，如图9的(a)示出，在由例如玻璃以及透明树脂薄膜等的透明的基材构成的透明基材10上，将例如由以ZnO夹持TiO2的膜构成的第一基底层121和例如由SiO2构成的第二基底层122交替地层叠例如9层来形成基底部件120。此时，按照使基底部件120的最表面成为由ZnO构成的第一基底层121的方式形成。
接着，如图9的(b)示出，在基底部件120(第一基底层121)上，形成按照与含荧光体层130的透明部件135的三角格子状的配置对应的方式所图案化的保护膜136。而且，在本实施例中，在保护膜136，形成有俯视形状为圆形的多个开口。
接着，将在基底部件120上形成有保护膜136的状态的透明基材10，在加热为70℃的由六水合硝酸锌以及六次甲基四胺构成的氧化锌结晶成膜用的水溶液中大致浸渍5个小时，从而形成如图9的(c)示出的、由ZnO构成的柱状的透明部件135。
具体而言，将0.1M的六水合硝酸锌(和光纯药工业株式会社制，和光特级)、以及0.1M的六次甲基四胺(和光纯药工业株式会社制，试药特级)在纯水中溶解而调整，从而准备氧化锌结晶成膜用的水溶液，将该调整后的水溶液的溶液温度设为70℃，将所述的透明基材10浸渍在该水溶液中。据此，在从所图案化的保护膜136的开口部露出的基底部件120(第一基底层121)，生长例如500nm的ZnO结晶。然后，从水溶液中取出透明基材10，进行纯水洗涤以及干燥。
接着，如图9的(d)示出，除去保护膜136。据此，能够形成在基底部件120上以三角格子状竖立的圆柱状的多个透明部件135。
接着，如图9的(e)示出，将例如作为由InP/ZnS构成的核壳型的量子点荧光体的荧光体微粒子132被包含在例如由硅树脂构成的透明部件131中的含荧光体树脂材料，从以三角格子状所配置的透明部件135的上部滴下。然后，放置在真空中，从而包含荧光体微粒子132的含荧光体树脂材料被填充在透明部件135之间。
接着，如图9的(f)示出，例如从透明部件135的上部一边加压一边压住由玻璃构成的罩部件240，从而能够形成由包括含有荧光体微粒子132的透明部件131的含荧光体部件133、和透明部件135构成的含荧光体层130。据此，能够容易制造本实施例涉及的荧光体光学元件100。
接着，对于本发明的实施例2的变形例1涉及的荧光体光学元件100A，利用图10进行说明。图10是示出本发明的实施例2的变形例1涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。而且，本变形例涉及的荧光体光学元件100A的结构，与实施例2涉及的荧光体光学元件100的结构几乎相同，因此，在本变形例中，以与实施例2不同的部分为中心进行说明。而且，在图10中，对于与图6A的构成要素相同的构成要素附上相同的符号。
如图10示出，本变形例涉及的荧光体光学元件100A，与图6A示出的实施例2涉及的荧光体光学元件100相比，罩部件的结构不同。
也就是说，本变形例的罩部件140是由第一罩层141、和例如包括SiO2的第二罩层142构成的电介质多层膜，该第一罩层141按照例如包括TiO2的第四折射率层141b由包括ZnO的第三折射率层141a夹持的方式由例如ZnO/TiO2/ZnO构成。而且，将第一罩层141和第二罩层142在相对于透明墓材10的主而为垂直的方向上交替地层叠。
并且，就罩部件140而言，其与基底部件120相反，对于来自激励光源的入射光(激励光)的波长的光而为反射镜，并且，对于从含荧光体部件130放射的荧光的波长为透明。也就是说，罩部件140作为对激励光进行反射且使来自含荧光体部件130的荧光透射的第二双向分色镜发挥功能。
根据本变形例涉及的荧光体光学元件100A，能够得到含荧光体层130的二维周期结构的效果，并且，能够得到：如实施例1中说明的，由电介质多层膜的基底部件120及罩部件140的双向分色镜夹持荧光体层130的效果。也就是说，本变形例涉及的荧光体光学元件100A，与实施例2涉及的荧光体光学元件100相比，入射光透射基底部件120且由罩部件140反射，因此，在含荧光体层130中能够有效地生成荧光，并且，含荧光体层130中所生成的荧光，透射罩部件140且由基底部件120反射，因此，能够将所生成的荧光有效地出射到荧光体光学元件100A的外部。
接着，对于本发明的实施例2的变形例2涉及的荧光体光学元件100B，利用图11进行说明。图11是示出本发明的实施例2的变形例2涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。而且，本变形例涉及的荧光体光学元件100B的结构，与实施例2涉及的荧光体光学元件100的结构几乎相同，因此，在本变形例中，以与实施例2不同的部分为中心进行说明。而且，在图11中，对于与图6A的构成要素相同的构成要素附上相同的符号。
如图11示出，本变形例涉及的荧光体光学元件100B，与图6A示出的实施例2涉及的荧光体光学元件100相比，柱状的透明部件的结构不同。
也就是说，本变形例的透明部件135B被构成为圆锥台形状，以具有从透明基材10侧(基底部件120侧)向作为光出射侧的表面侧(罩部件140侧)而截面积的大小逐渐变小的锥形构造。
本变形例涉及的荧光体光学元件100B，根据该结构，能够使含荧光体层130中所占的含荧光体部件133的比率，相对于入射光的行进方向而倾斜。据此，能够提高荧光体微粒子132中的荧光转换效率，并且，能够将从荧光体微粒子132放射的荧光、由透明部件135B的侧面反射后引导到荧光体光学元件100B的出射侧。因此，能够将含荧光体层130中所生成的荧光、有效地出射到荧光体光学元件100B的外部。
接着，对于本发明的实施例2的变形例3涉及的荧光体光学元件100C，利用图12A以及图12B进行说明。图12A是示出本发明的实施例2的变形例3涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。图12B是示出图12A的A-A线上的本发明的实施例2的变形例3涉及的荧光体光学元件的结构的截面图。而且，在图12A以及图12B中，对于与图6A以及图6B的构成要素相同的构成要素附上相同的符号。
如图12A以及图12B示出，本变形例涉及的荧光体光学元件100C采用的结构为：将图6A以及图6B示出的荧光体光学元件100的含荧光体层130的含荧光体部件133和透明部件135反转的结构。
也就是说，在本变形例的含荧光体层130C中，含荧光体部件133由多个圆柱状的杆构成，相互配置为三角格子状。并且，按照填充含荧光体部件133之间的方式形成透明部件135。
根据本变形例涉及的荧光体光学元件100C的结构，也能够得到与实施例2涉及的荧光体光学元件100同样的效果。也就是说，按照二维周期结构的设计，能够自由地变更含荧光体部件133以及透明部件135的结构。
接着，利用图13，说明本实施例涉及的利用荧光体光学元件的发光装置199的结构以及工作。图13是用于说明本发明的实施例2涉及的利用荧光体光学元件的发光装置的结构以及工作的图。
如图13示出，本实施例的发光装置199具备：具有凹部的封装体151、在凹部的底面所安装的发光元件150、以及在封装体151的上部所形成的荧光体光学元件100，发光元件150的光轴，相对于荧光体光学元件100的透明基材10的表面是垂直的。以下，说明发光装置199的各结构。
对于封装体151，例如，由白色树脂构成，凹部的内侧面为倾斜的反射面，以使发光元件150发出的光反射到光提取方向(荧光体光学元件100侧)。而且，在封装体151的凹部内，可以填充分散有散射材料的透明树脂。
就发光元件150而言，其是对荧光体光学元件100的激励光源，是例如放射发光波长为350至500nm的紫外光至蓝光的发光二极管(LED)等的半导体发光元件。本实施例的发光元件150，利用发光波长为450nm的LED芯片。而且，在封装体151的凹部的底面所安装的发光元件150，与在封装体151的凹部底面所埋入的引线框架(不图示)电连接。
就荧光体光学元件100而言，在封装体151的上面，按照与发光元件150隔开规定的距离的方式配置。在本实施例中，荧光体光学元件100按照覆盖封装体151的凹部的开口的方式形成。而且，在发光装置199的光出射侧，配置有准直透镜158。
根据如此构成的发光装置199，从发光元件150出射的入射光163(激励光)，入射到荧光体光学元件100，被转换为荧光165。该荧光165，以比从发光元件150出射的规定的朗伯分布的入射光163窄的配光角度，从荧光体光学元件100放射，由准直透镜158转换为平行光167。此时，荧光165，从与发光元件150相同程度的面积小的发光面积放射，因此，由准直透镜158能够得到斜光成分小的良好的平行光。
以上，说明实施例2涉及的荧光体光学元件以及发光装置，但是，本发明，不限于所述的实施例以及变形例。
例如，在本实施例涉及的发光装置199中，作为发光元件150，利用发光二极管，但是，也可以利用作为形成有光波导的端面出射型的发光元件的半导体激光器以及超辐射发光二极管。在此情况下，发光元件的出射光，以与凹部底面平行地出射，因此，优选的是，将该出射光在利用封装体侧面的倾斜面下得以垂直上升。并且，发光元件150的发光波长为450nm，但是，也可以利用例如出射波长380nm至440nm的波长的光的半导体激光器等。
并且，在本实施例涉及的荧光体光学元件100、100A、100B、100C中，含荧光体部件133的荧光体微粒子132，是InP/ZnS的核壳型的量子点荧光体，但是，不限于此。作为量子点荧光体的材料，也可以利用例如从作为II-V族化合物半导体的、InN、InP、InAs、InSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、AlAs、AlSb及BN中选择的至少一个，从作为II-VI族化合物半导体的、HgS、HgSe、HgTe、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe以及ZnTe中选择的至少一个，或者从由这些混晶结晶而成的群中选择的至少一个。
并且，在本实施例中，就荧光体微粒子132而言，利用无掺杂型的量子点荧光体，但是，也可以利用掺杂型的量子点荧光体。作为掺杂型的量子点荧光体的构成材料，例如，可以利用ZnS：Mn2+、CdS：Mn2+以及YVO4：Eu3+的至少一个。进而，就荧光体微粒子132而言，更广义地说，是荧光体的大小为荧光的波长以下、且基于表面缺陷的非辐射复合损失降低的荧光体微粒子即可，例如，可以是YAG：Ce的纳米粒子。
并且，在本实施例中，透明部件131的树脂材料为硅树脂，但是，不限于此。作为透明部件131的树脂材料，除了硅树脂以外，还可以利用丙烯酸树脂以及环氧树脂那样的透明的树脂材料。并且，对于透明部件131，并不需要由树脂材料构成，也可以由例如低熔点玻璃那样的无机透明材料构成。在此情况下，能够通过在无机透明材料中混合荧光的波长以下的粒子径的荧光体微粒子132来构成含荧光体部件133。
并且，在本实施例中，第一基底层121、第二基底层122、第一罩层141以及第二罩层142，是由TiO2、ZnO以及SiO2的组合所形成的多层膜，但是，不限于此。就基底部件120以及罩部件140而言，优选的是低折射率材料和高折射率材料的电介质多层膜，作为折射率低的材料，可以利用例如Bi2O3、Ta2O5、La2O3、Al2O3、SiOx(x≤1)、LaF3、La2O3以及Al2O3的复合氧化物、以及Pr2O3和Al2O3的复合氧化物的任一个，或者由这些两种以上的材料构成的复合氧化物，或者CaF2、MgF2、LiF等的氟化物等的电介质材料。并且，作为折射率高的材料，可以利用例如TiO2、Nb2O5、Ta2O5的任一个，或者以TiO2、Nb2O5、Ta2O5的任一个为主成分的复合氧化物等。
以上，根据实施例以及变形例说明了本发明涉及的荧光体光学元件以及发光装置，但是，本发明不限于所述实施例以及变形例，在不脱离本发明的宗旨的范围内进行了本领域的技术人员想到的各种变形的形态也包含在本发明的范围内。并且，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够任意组合多个实施例中的各个构成要素。
本发明涉及的荧光体光学元件以及发光装置，作为液晶电视机及液晶监视器等中的背光灯的光源、或者投影仪等的投影型显示器的光源有用。
符号说明
1、1A、100、100A、100B、100C 荧光体光学元件
10 透明基材
20、120 基底部件
21、121 第一基底层
21a、121a 第一折射率层
21b、121b 第二折射率层
22、122 第二基底层
30、30A、133 含荧光体部件
30a 第一含荧光体部件
30b 第二含荧光体部件
31、35、131、135、135B 透明部件
32、132 荧光体微粒子
40、140、240 罩部件
41、141 第一罩层
41a、141a 第三折射率层
41b、141b 第四折射率层
42、142 第二罩层
50、150 发光元件
52、58、158 准直透镜
54 反射镜
56 聚光透镜
60 出射光
61、62、67、167 平行光
63、163 入射光
65、165 荧光
99、199 发光装置
130、130C 含荧光体层
136 保护膜
151 封装体

Claims (10)

1.一种荧光体光学元件，其中，
具备：在对于来自激励光源的入射光的波长为透明的透明基材上所顺次形成的基底部件、含荧光体部件、及罩部件，所述含荧光体部件由包含荧光体微粒子的透明部件构成，
所述荧光体微粒子的粒子径是所述入射光的波长以下，
在所述含荧光体部件的在与所述透明基材的主面垂直的方向上的由任意的截面线而成的截面中、在与所述透明基材的主面垂直的方向及水平的方向上的至少一个方向上的所述含荧光体部件的厚度，是所述入射光的波长以下。
2.如权利要求1所述的荧光体光学元件，其中，
所述基底部件及所述罩部件的至少一方，由在与所述透明基材垂直的方向上所层叠的多层膜构成。
3.如权利要求2所述的荧光体光学元件，其中，
所述多层膜是电介质多层膜。
4.如权利要求1至3的任一项所述的荧光体光学元件，其中，
所述基底部件使所述入射光透射、且将从所述含荧光体部件放射的荧光进行反射。
5.如权利要求1至4的任一项所述的荧光体光学元件，其中，
所述含荧光体部件，在作为相对于所述透明基材的主面为平面的方向的二维平面方向上，具有基于二维周期结构的折射率分布。
6.如权利要求5所述的荧光体光学元件，其中，
所述二维周期结构由光子晶体构成。
7.如权利要求1至5的任一项所述的荧光体光学元件，其中，
所述含荧光体部件由折射率不同的两种透明材料构成，
所述荧光体微粒子被包含在所述折射率不同的两种透明材料的至少一方中。
8.如权利要求7所述的荧光体光学元件，其中，
所述折射率不同的两种透明材料的至少一方包含ZnO。
9.如权利要求8所述的荧光体光学元件，其中，
所述基底部件的最上层为ZnO膜。
10.一种发光装置，其中，
具备：权利要求1至9的任一项所述的荧光体光学元件、以及作为激励光源的发光元件，
所述发光元件的光轴，相对于所述荧光体光学元件的所述透明基材的表面是垂直的。
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