JP2013093268A - 波長変換型光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層を冷却することができ、これにより、高い発光効率が得られ、しかも、小型化を図ることができる波長変換型光源装置を提供する。
【解決手段】励起光が入射される励起光入射用窓部材と、励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、蛍光体層からの蛍光が出射される蛍光出射用窓部材と、励起光および蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有し、励起光入射用窓部材、蛍光出射用窓部材および光反射部材における光反射面に包囲されることによって、励起光および蛍光が交錯する波長変換空間が形成され、蛍光体層は、波長変換空間内における光反射部材の光反射面上に形成されており、励起光入射用窓部材は、励起光を透過すると共に蛍光を反射する光学特性を有し、蛍光出射用窓部材は、蛍光を透過すると共に励起光を反射する光学特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光源からの励起光を受けることによって波長変換された光を出射する波長変換型光源装置に関するものである。

従来、液晶プロジェクタなどの画像投影装置の光源としては、ショートアーク型の高圧放電ランプが用いられている。而して、近年、発光ダイオードやレーザダイオードなどの固体発光素子を光源として用いた画像投影装置が提案されており、このような固体発光素子を用いた画像投影装置は、高電圧電源が不要であること、光源である固体発光素子の使用寿命が長いこと、耐衝撃性が優れていることなどの点で、高圧放電ランプを用いた画像投影装置と比較して有利である。
然るに、上記の画像投影装置においては、それぞれ赤色、緑色および青色の光を発する３種類の固体発光素子を用いることが必要となるが、発光量の高い緑色光を放射する固体発光素子がないため、画像投影装置の光源として十分な光量を得ることが困難である。
このような事情から、緑色の光を発する固体発光素子の代わりに、励起光源からの励起光（例えば青色の光）を受けて緑色の蛍光を発する蛍光体物質を含有する蛍光体層が透光性基板上に形成されてなる波長変換型光源装置が用いられている。

然るに、蛍光体物質は、励起光を受けたときにその光エネルギーの一部を熱エネルギーに変換するものであるため、波長変換型光源装置においては、蛍光体層に局所的に励起光が照射されると、当該蛍光体が高い温度に発熱する結果、発光効率が低下する、という問題がある。
このような問題を解決するため、ガラス等よりなる円形基板上に蛍光体層が形成されてなる発光ホイールと、この発光ホイールを回転駆動する回転駆動機構とを備えてなる波長変換型光源装置が提案されている（特許文献１参照）。このような構成によれば、蛍光体層に局所的に励起光が照射されることが回避されるため、発光効率が低下することを抑制することができる。

しかしながら、上記の変換型光源装置においては、面積の大きい発光ホイールや、これを回転駆動させるための回転駆動機構を搭載することが必要であるため、装置全体の構造が複雑で大型のものになる、という問題がある。

特開２０１０−２３７４４３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、蛍光体層を冷却することができ、これにより、高い発光効率が得られ、しかも、小型化を図ることができる波長変換型光源装置を提供することにある。

本発明の波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
励起光源からの励起光が入射される励起光入射用窓部材と、この励起光入射用窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、この蛍光体層からの蛍光が出射される蛍光出射用窓部材と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記励起光入射用窓部材、前記蛍光出射用窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記励起光入射用窓部材は、前記励起光を透過すると共に前記蛍光を反射する光学特性を有し、前記蛍光出射用窓部材は、前記蛍光を透過すると共に前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする。

このような波長変換型光源装置においては、前記光反射部材は、内周面に光反射面が形成された筒状のものであり、当該光反射部材における両端の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材および前記蛍光出射用窓部材が配置されていることが好ましい。
また、前記光反射部材は、内面に光反射面が形成された凹部を有すると共に当該凹部に通ずる貫通孔を有し、当該光反射部材の貫通孔の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材が配置され、当該光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう、前記蛍光出射用窓部材が配置されていることが好ましい。

また、本発明の波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
内面に光反射面が形成された凹部を有する光反射部材と、この光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう配置された、励起光源からの励起光が入射されると共に後記蛍光体層からの蛍光が出射される窓部材と、この窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
前記窓部材は、特定の入射角以上の角度範囲において前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする。

このような波長変換型光源装置においては、前記窓部材は、他の特定の入射角以上の角度範囲において前記蛍光を反射する光学特性を有するものであることが好ましい。

本発明の波長変換型光源装置においては、前記光反射部材は、熱伝導性を有することが好ましい。
また、前記蛍光体層を構成する蛍光体物質は、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の励起光を受けて蛍光を放射するものであることが好ましい。

本発明の波長変換型光源装置によれば、励起光および蛍光が交錯する波長変換空間を形成する光反射部材における光反射面上に、蛍光体層が形成されているため、光反射部材を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層に生じた熱を光反射部材を介して外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。 励起光入射用窓部材の一例における分光反射特性を模式的に示す分光反射率曲線図である。 β−サイアロン系蛍光体およびシリケート系蛍光体の各々における温度特性を示す曲線図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波長変換型光源装置の構成を示す説明図であり、（ａ）は波長変換型光源装置の斜視図、（ｂ）は波長変換型光源装置における要部の側面図、（ｃ）は波長変換型光源装置における要部を切断して示す正面部分断面図、（ｄ）は波長変換型光源装置における要部を切断して示す側面断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。 窓部材の一例における分光反射特性を模式的に示す分光反射率曲線図である。 実施例に係る波長変換型光源装置に使用した窓部材における分光反射特性を示す分光反射率曲線図である。 実施例に係る波長変換型光源装置における窓部材から出射される蛍光の光量を測定するための測定系の構成を示す説明図である。 実施例に係る波長変換型光源装置に基づき、熱構造解析により、蛍光体層の厚みを変化させたときの蛍光体層の表面温度のシミュレーションを行うことにより得られた、蛍光体層の表面温度と蛍光体層との厚みとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の波長変換型光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて波長変換するものであって、内周面に励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を反射する光反射面１０ａが形成された矩形の筒状の光反射部材１０を備えている。この例の光反射部材１０においては、筒状の基体１１の内周面に光反射層１２が形成されており、この光反射層１２によって光反射面１０ａが形成されている。
光反射部材１０の両端には、励起光源からの励起光Ｌ１が入射される矩形の板状の励起光入射用窓部材１５および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が出射される矩形の板状の蛍光出射用窓部材１６が、当該光反射部材１０の筒孔を介して互いに対向した状態で、当該光反射部材１０における両端の開口を塞ぐよう配置されている。

そして、励起光入射用窓部材１５、蛍光出射用窓部材１６および光反射部材１０における光反射面１０ａに包囲されることによって、励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓが形成されている。この波長変換空間Ｓ内における光反射部材１０の光反射面上には、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて蛍光Ｌ２を放射する蛍光体層２０が形成されている。
また、光反射部材１０の外周面を形成する４つの平面のうち、１つの平面（図１において下面）には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材２５が当該光反射部材１１に接するよう設けられている。

光反射部材１０における筒状基体１１を構成する材料としては、良好な熱伝導性を有するもの、例えば熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いることが好ましく、その具体例としては、アルミニウム、銅などの高熱伝導性金属材料、ＡｌＮなどのセラミックス材料を用いることが好ましい。
光反射層１２としては、銀、アルミニウムなどの高光反射性金属材料よりなるもの、ＡｌＮよりなる粒径がミクロンオーダーの微粒子が堆積されてなるものを用いることができる。光反射層１２を形成する方法としては、電解メッキ法、蒸着法などを利用することができる。

励起光入射用窓部材１５に入射される励起光Ｌ１としては、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の光を用いることが好ましい。このような励起光Ｌ１を放射する励起光源としては、青色発光ダイオード、青色レーザダイオードを用いることができる。

励起光入射用窓部材１５は、励起光源からの励起光Ｌ１を透過すると共に蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有するものである。このような励起光入射用窓部材１５としては、板状の透光性基体の表面にＴｉＯ₂ およびＳｉＯ₂ よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。
例えば励起光Ｌ１が、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の光で、蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が、波長５００〜５７０ｎｍの緑色領域の光である場合において、用いられる励起光入射用窓部材１５の分光反射特性を模式的に示すと、図２（ａ）の通りである。図２（ａ）の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率（％）を示し、横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示す。この励起光入射用窓部材１５は、波長４４５ｎｍの光に対して良好な透過性を示し、波長５００〜５７０ｎｍの光に対して良好な反射性を示すものである。

蛍光出射用窓部材１６は、蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を透過すると共に励起光源からの励起光Ｌ１を反射する光学特性を有するものである。このような蛍光出射用窓部材１６としては、板状の透光性基体の表面にＴｉＯ₂ およびＳｉＯ₂ よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。
例えば励起光Ｌ１が、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の光で、蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が、波長５００〜５７０ｎｍの緑色領域の光である場合において、用いられる蛍光出射用窓部材１６の分光反射特性を模式的に示すと、図２（ｂ）の通りである。図２（ｂ）の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率（％）を示し、横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示す。この蛍光出射用窓部材１６は、波長４４５ｎｍの光に対して良好な反射性を示し、波長５００〜５７０ｎｍの光に対して良好な透過性を示すものである。

蛍光体層２０としては、例えばシリコーン樹脂よりなるバインダ樹脂中に蛍光体物質が含有されてなるものを用いることができる。
蛍光体層２０を構成する蛍光体物質としては、励起光源からの励起光Ｌ１、例えば波長４４５ｎｍ以下の青色領域の光を受けて蛍光Ｌ２を放射するものが用いられ、特に波長５００〜５７０ｎｍの緑色領域の蛍光Ｌ２を放射するものが好ましい。このような蛍光体物質としては、比較的高い温度においても高い強度の蛍光Ｌ２が放射される耐熱安定性を有する点で、β−サイアロン系蛍光体、シリケート系蛍光体、ＹＡＧ系蛍光体を用いることが好ましく、特にβ−サイアロン系蛍光体が好ましい。

図３は、β−サイアロン系蛍光体およびシリケート系蛍光体の各々における温度特性を示す曲線図である。図３において、縦軸は蛍光体による発光強度（相対値）、横軸は蛍光体の温度（℃）を示し、曲線ａはβ−サイアロン系蛍光体に係るもの、曲線ｂはシリケート系蛍光体に係るものを示す。この図に示すように、β−サイアロン系蛍光体およびシリケート系蛍光体は、いずれも１００℃以下の温度であれば、強度の高い蛍光が放射されることが理解される。

蛍光体層２０の厚みは、７５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３０〜５５μｍである。蛍光体層２０の厚みが過小である場合には、高い強度の蛍光Ｌ２を放射することが困難となることがある。一方、蛍光体層２０の厚みが過大である場合には、蛍光体層２０における厚み方向の熱抵抗が大きくなるため、当該蛍光体層２０に発生した熱を効率よく光反射部材１０に伝達することが困難となることがある。
また、蛍光体層２０中には、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯなどよりなる熱伝導性粒子が含有されていてもよく、これにより、蛍光体層２０に発生した熱を高い効率で光反射部材１０に伝達することができる。

上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光Ｌ１が、例えば集束レンズ３を介して励起光入射用窓部材１５に入射され、波長変換空間Ｓを介して直接、または蛍光出射用窓部材１６若しくは光反射部材１０における光反射面１０ａに反射された後、蛍光体層２０に照射される。 そして、励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されることにより、当該蛍光体層２０から励起光Ｌ１より波長が長い蛍光Ｌ２が放射される。この蛍光Ｌ２のうち、蛍光出射用窓部材１６に向かって進む光は、当該蛍光出射用窓部材１６から外部に出射され、光反射部材１０に向かって進む光は、当該光反射部材１０または励起光入射用窓部材１５によって反射された後、蛍光出射用窓部材１６から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されると、蛍光体層２０において励起光Ｌ１によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層２０に熱が発生するが、この蛍光体層２０に生じた熱は、蛍光体層２０から光反射部材１０を介して排熱用部材２５に伝達され、当該排熱用部材２５によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層２０が冷却される。
以上において、蛍光体層２０を構成する蛍光体物質として、β−サイアロン系蛍光体またはシリケート系蛍光体等を用いる場合には、当該蛍光体層２０の温度が１００℃以下に保持されるよう、光反射部材１０、蛍光体層２０および排熱用部材２５が設計されていることが好ましい。

上記の波長変換型光源装置によれば、励起光Ｌ１および蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓを形成する光反射部材１０における光反射面１０ａ上に、蛍光体層２０が形成されているため、光反射部材１０を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層２０に生じた熱を光反射部材１０を介して排熱用部材２５から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層２０を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、励起光入射用窓部材１５は、励起光Ｌ１を透過すると共に蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有し、蛍光出射用窓部材１６は、蛍光Ｌ２を透過すると共に励起光を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る波長変換型光源装置の構成を示す説明図であり、（ａ）は波長変換型光源装置の斜視図、（ｂ）は波長変換型光源装置における要部の側面図、（ｃ）は波長変換型光源装置における要部を切断して示す正面部分断面図、（ｄ）は波長変換型光源装置における要部を切断して示す側面断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて波長変換するものであって、略直方体状の基体１１の一面に、内面に励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を反射する光反射面１０ａが形成された四角錐台状の凹部Ｄを有すると共に、当該基体１１の一面に垂直な一側面から凹部Ｄに通ずる貫通孔Ｋを有する光反射部材１０を備えている。この例の光反射部材１０においては、基体１１の凹部Ｄの内面に光反射層（図示省略）が形成されており、この光反射層によって光反射面１０ａが形成されている。 光反射部材１０における基体１１の一側面には、励起光源からの励起光Ｌ１が入射される矩形の板状の励起光入射用窓部材１５が当該基体１１の貫通孔Ｋを塞ぐよう配置され、基体１１の一面には、後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が出射される矩形の板状の蛍光出射用窓部材１６が、当該基体１１の凹部Ｄの開口を塞ぐよう配置されている。励起光入射用窓部材１５は、励起光源からの励起光Ｌ１を透過すると共に蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有するものであり、蛍光出射用窓部材１６は、後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を透過すると共に励起光源からの励起光Ｌ１を反射する光学特性を有するものである。

そして、励起光入射用窓部材１５、蛍光出射用窓部材１６および光反射部材１０における光反射面１０ａに包囲されることによって、励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓが形成されており、この波長変換空間Ｓ内における光反射部材１０の光反射面１０ａ上には、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて蛍光Ｌ２を放射する蛍光体層２０が形成されている。また、光反射部材１０における励起光入射用窓部材１５が配置された一側面とは反対側の他側面には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材２５が当該光反射部材１０に接するよう設けられている。

この第２の実施の形態に係る波長変換型光源装置において、光反射部材１０における筒状基体１１および光反射層を構成する材料、励起光入射用窓部材１５および蛍光出射用窓部材１６を構成する材料、並びに蛍光体層２０を構成する材料および厚みは、第１の実施の形態に係る波長変換型光源装置におけるものと同様である。

上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光Ｌ１が、励起光入射用窓部材１５に入射され、波長変換空間Ｓを介して直接、または蛍光出射用窓部材１６若しくは光反射部材１０における光反射面１０ａに反射された後、蛍光体層２０に照射される。 そして、励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されることにより、当該蛍光体層２０から励起光Ｌ１より波長が長い蛍光Ｌ２が放射される。この蛍光Ｌ２のうち、蛍光出射用窓部材１６に向かって進む光は、当該蛍光出射用窓部材１６から外部に出射され、光反射部材１０に向かって進む光は、当該光反射部材１０または励起光入射用窓部材１５によって反射された後、蛍光出射用窓部材１６から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されると、蛍光体層２０において励起光Ｌ１によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層２０に熱が発生するが、この蛍光体層２０に生じた熱は、蛍光体層２０から光反射部材１０を介して排熱用部材２５に伝達され、当該排熱用部材２５によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層２０が冷却される。

上記の波長変換型光源装置によれば、励起光Ｌ１および蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓを形成する光反射部材１０における光反射面１０ａ上に、蛍光体層２０が形成されているため、光反射部材１０を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層２０に生じた熱を光反射部材１０を介して排熱用部材２５から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層２０を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、励起光入射用窓部材１５は、励起光Ｌ１を透過すると共に蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有し、蛍光出射用窓部材１６は、蛍光Ｌ２を透過すると共に励起光を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る波長変換型光源装置の要部の構成を示す説明用断面図である。この波長変換型光源装置は、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて波長変換するものであって、略直方体状の基体１１の一面に、内面に励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２を反射する光反射面１０ａが形成された部分球面状または部分楕円球面状の凹部Ｄを有する光反射部材１０を備えている。この例の光反射部材１０においては、基体１１の凹部Ｄの内面に光反射層（図示省略）が形成されており、この光反射層によって光反射面１０ａが形成されている。
光反射部材１０における基体１１の一面には、励起光源からの励起光Ｌ１が入射されると共に、後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が出射される矩形の板状の窓部材１７が、当該基体１１の凹部Ｄの開口を塞ぐよう配置されている。

そして、窓部材１７および光反射部材１０における光反射面１０ａに包囲されることによって、励起光源からの励起光Ｌ１および後述する蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓが形成されており、この波長変換空間Ｓ内における光反射部材１０の光反射面１０ａ上には、励起光源からの励起光Ｌ１を受けて蛍光Ｌ２を放射する蛍光体層２０が形成されている。また、光反射部材１０における窓部材１７が配置された一面とは反対側の他面には、放熱フィンなどよりなる排熱用部材２５が当該光反射部材１０に接するよう設けられている。

この第３の実施の形態に係る波長変換型光源装置において、光反射部材１０における筒状基体１１および光反射層を構成する材料、並びに蛍光体層２０を構成する材料および厚みは、第１の実施の形態に係る波長変換型光源装置におけるものと同様である。

窓部材１７は、蛍光体層２０から放射される蛍光Ｌ２を透過すると共に、特定の入射角以上の角度範囲において励起光源からの励起光Ｌ１を反射し、かつ、特定の入射角未満の角度範囲においてレーザ光による励起光Ｌ１を透過する光学特性を有するものである。ここで、特定の入射角以上の角度範囲、すなわち励起光源からの励起光Ｌ１を反射し得る入射角の範囲は、３０〜９０°であることが好ましく、より好ましくは２０〜９０°である。特定の入射角すなわち励起光源からの励起光Ｌ１を反射し得る入射角の下限が過大である場合には、窓部材１７を介して出射される励起光Ｌ１の光量が大きくなるため、励起光Ｌ１を高い効率で波長変換することが困難となることがある。
このような窓部材１７としては、板状の透光性基体の表面にＴｉＯ₂ およびＳｉＯ₂ よりなる誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。

また、窓部材１７は、他の特定の入射角以上の角度範囲において蛍光体層２０から放射される蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有するものであることが好ましい。ここで、他の特定の入射角以上の角度範囲、すなわち蛍光体層２０から放射される蛍光Ｌ２を反射し得る入射角の範囲は、例えば５５〜９０°であることが好ましい。このような構成によれば、蛍光体層２０から放射される蛍光Ｌ２のうち、窓部材１７に対して他の特定の入射角未満の角度範囲で入射されたもののみが当該窓部材１７を介して外部に出射されるため、指向性の高い光が得られる。

例えば励起光Ｌ１が、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の光で、蛍光体層２０からの蛍光Ｌ２が、波長５００〜５７０ｎｍの緑色領域の光である場合において、用いられる窓部材１７の分光反射特性を模式的に示すと、図６の通りである。図６の分光反射率曲線図において、縦軸は分光反射率（％）、横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示し、実線ａ，ａ’は、入射角が０°のときの分光反射率曲線、破線ｂ，ｂ’は、入射角が３０°のときの分光反射率曲線、破線ｃ，ｃ’は、入射角が５５°のときの分光反射率曲線を示す。この窓部材１７は、入射角が０°のときに、波長４４５ｎｍの光および波長５００〜５７０ｎｍの光に対して良好な透過性を示し、入射角が３０°のときに、波長４４５ｎｍの光に対して良好な反射性を示すと共に波長５００〜５５０ｎｍの光に対して良好な透過性を示し、入射角が５５°のときに、波長５２０〜５７０ｎｍの光に対して良好な反射性を示すものである。

上記の波長変換型光源装置においては、励起光源からの励起光Ｌ１が、特定の入射角未満の角度範囲で窓部材１７に入射され、波長変換空間Ｓを介して直接、または窓部材１７若しくは光反射部材１０における光反射面１０ａに反射された後、蛍光体層２０に照射される。そして、励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されることにより、当該蛍光体層２０から励起光Ｌ１より波長が長い蛍光Ｌ２が放射される。この蛍光Ｌ２のうち、他の特定の入射角未満の角度範囲で窓部材１７に入射した光は、当該窓部材１７から外部に出射され、蛍光Ｌ２のうち、他の特定の入射角以上の角度範囲で窓部材１７に入射した光は、当該窓部材１７および光反射部材１０の光反射面１０ａによって反射された後、窓部材１７から外部に出射される。
一方、励起光源からの励起光Ｌ１が蛍光体層２０に照射されると、蛍光体層２０において励起光Ｌ１によるエネルギーの一部が熱エネルギーに変換されるため、当該蛍光体層２０に熱が発生するが、この蛍光体層２０に生じた熱は、蛍光体層２０から光反射部材１０を介して排熱用部材２５に伝達され、当該排熱用部材２５によって外部に排熱され、これにより、蛍光体層２０が冷却される。

上記の波長変換型光源装置によれば、励起光Ｌ１および蛍光Ｌ２が交錯する波長変換空間Ｓを形成する光反射部材１０における光反射面１０ａ上に、蛍光体層２０が形成されているため、光反射部材１０を構成する材料として熱伝導性を有するものを用いることにより、蛍光体層２０に生じた熱を光反射部材１０を介して排熱用部材２５から外部に排熱することが可能であり、従って、蛍光体層２０を冷却することができるので、高い発光効率が得られる。しかも、発光ホイールやこれを回転させるための回転機構を搭載することが不要であるため、装置の小型化を図ることができる。
また、窓部材１７は、特定の入射角以上の角度範囲において励起光Ｌ１を反射する光学特性を有するため、高い光の利用率が得られる。
また、窓部材１７が、他の特定の入射角以上の角度範囲において蛍光Ｌ２を反射する光学特性を有することにより、指向性の高い光を出射することができる。

以下、本発明の波長変換型光源装置の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図５に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換型光源装置を作製した。
〔励起光源〕
励起光源は、波長４４５ｎｍの光を放射する青色発光ダイオードで、その出力が３０Ｗのものである。
〔光反射部材〕
基体の材質は銅で、基体全体の寸法は、縦幅が２０ｍｍ、横幅が１０ｍｍ、奥行きが５ｍｍである。凹部は、長軸の長さが７．９ｍｍ、短軸の長さが５．４ｍｍの楕円球による部分楕円球面を有し、長軸に沿った断面において、楕円球の中心点から凹部の開口縁を結ぶ２つの直線のなす角が１２０°のものである。また、凹部の内面（光反射面）は、銀よりなる厚みが数百ナノメートルの光反射層によって形成されている。
〔窓部材〕
窓部材は、図７に示す分光反射特性を有するものである。図７において、縦軸は入射光の分光反射率（％）、横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示し、曲線ａは、入射角が０°のときの分光反射率曲線、曲線ｂは、入射角が２０°のときの分光反射率曲線、曲線ｃは、入射角が３０°のときの分光反射率曲線を示す。
〔蛍光体層〕
蛍光体層は、シリコーン樹脂中にβ−サイアロン系蛍光体が含有されてなり、その厚みが４０μｍである。

上記の波長変換型光源装置における窓部材から出射される蛍光の光量を、図８に示す測定系を用い、以下のようにして測定した。
ファン７によって、波長変換型光源装置における排熱用部材２５に冷却風を供給しながら、励起光源からの励起光を、その光路上に配置された、コリメータレンズ１、４５°の角度に傾斜した光フィルタ２および集束レンズ３を介して波長変換型光源装置における窓部材１７に入射した。ここで、光フィルタ２は、励起光源からの励起光を透過し、蛍光体層２０からの蛍光を反射する光学特性を有するものである。そして、波長変換型光源装置における窓部材１７から出射した蛍光を、光フィルタ２および集束レンズ系４を介して積分球５内に入射し、当該積分球５に設けられた受光器（図示省略）により、当該蛍光の光量を測定したところ、４０００Ｌｍ（発光効率が１３３Ｌｍ／Ｗ）であり、高い効率で蛍光が放射されることが確認された。また、窓部材１７への励起光の入射を開始してから１０分間経過した後に、窓部材１７から出射した蛍光の光量を測定したところ、蛍光の光量は大きな変化がなく安定に維持されていることが確認された。

上記の波長変換型光源装置に基づき、熱構造解析により、蛍光体層の厚みを変化させたときの蛍光体層の表面温度のシミュレーションを行い、蛍光体層の表面温度と蛍光体層との厚みとの関係を調べた。結果を図９に示す。図９において、縦軸は蛍光体層の表面温度（℃）、横軸は蛍光体層の厚みを示し、ａは光反射部材の背面（図８において右面）の温度が３０℃のときのもの、ｂは光反射部材の背面の温度が０℃のときのものである。この図から、蛍光体層の表面温度は、蛍光体層の厚みによって変化することが理解される。
また、光反射部材の背面の温度が３０℃のときの蛍光体層の表面温度のシミュレーションを行ったところ、厚みが５５μｍ以下の蛍光体層を形成することにより、蛍光体層の表面温度が１００℃以下に維持されることが確認された。

１ コリメータレンズ
２ 光フィルタ
３ 集束レンズ
４ 集束レンズ系
５ 積分球
７ ファン
１０ 光反射部材
１０ａ 光反射面
１１ 基体
１２ 光反射層
１５ 励起光入射用窓部材
１６ 蛍光出射用窓部材
１７ 窓部材
２０ 蛍光体層
２５ 排熱用部材
Ｄ 凹部
Ｋ 貫通孔
Ｌ１ 励起光
Ｌ２ 蛍光
Ｓ 波長変換空間

Claims (7)

1. 励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
   励起光源からの励起光が入射される励起光入射用窓部材と、この励起光入射用窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、この蛍光体層からの蛍光が出射される蛍光出射用窓部材と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記励起光入射用窓部材、前記蛍光出射用窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
   前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
   前記励起光入射用窓部材は、前記励起光を透過すると共に前記蛍光を反射する光学特性を有し、前記蛍光出射用窓部材は、前記蛍光を透過すると共に前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする波長変換型光源装置。
2. 前記光反射部材は、内周面に光反射面が形成された筒状のものであり、当該光反射部材における両端の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材および前記蛍光出射用窓部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換型光源装置。
3. 前記光反射部材は、内面に光反射面が形成された凹部を有すると共に当該凹部に通ずる貫通孔を有し、当該光反射部材の貫通孔の開口を塞ぐよう、前記励起光入射用窓部材が配置され、当該光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう、前記蛍光出射用窓部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換型光源装置。
4. 励起光源からの励起光を受けて波長変換する波長変換型光源装置において、
   内面に光反射面が形成された凹部を有する光反射部材と、この光反射部材の凹部の開口を塞ぐよう配置された、励起光源からの励起光が入射されると共に後記蛍光体層からの蛍光が出射される窓部材と、この窓部材を介して入射された励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層と、前記励起光および前記蛍光を反射する光反射面が形成された光反射部材とを有すると共に、前記窓部材および前記光反射部材における光反射面に包囲されることによって、前記励起光および前記蛍光が交錯する波長変換空間が形成されてなり、
   前記蛍光体層は、前記波長変換空間内における前記光反射部材の光反射面上に形成されており、
   前記窓部材は、特定の入射角以上の角度範囲において前記励起光を反射する光学特性を有することを特徴とする波長変換型光源装置。
5. 前記窓部材は、他の特定の入射角以上の角度範囲において前記蛍光を反射する光学特性を有することを特徴とする請求項４に記載の波長変換型光源装置。
6. 前記光反射部材は、熱伝導性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の波長変換型光源装置。
7. 前記蛍光体層を構成する蛍光体物質は、波長４４５ｎｍ以下の青色領域の励起光を受けて蛍光を放射するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の波長変換型光源装置。

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