JP2013157166A

JP2013157166A - 光源装置および照明装置

Info

Publication number: JP2013157166A
Application number: JP2012016169A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Abe; 喜行阿部
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-08-15

Abstract

【課題】可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備えている光源装置において、蛍光体層の光取り出し面に生じる色ムラを低減し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑える。
【解決手段】蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分に、蛍光体層２の光取り出し面２ａからの蛍光の一部を前記蛍光の波長よりも短い波長の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７が設けられている。
【選択図】図６

Description

本発明は、光源装置および照明装置に関する。

従来、例えば特許文献１や特許文献２には、図１に示すように、青色光を励起光として出射する青色ＬＥＤ１０３と、青色ＬＥＤ１０３からの励起光により励起され黄色光の蛍光を発する黄色蛍光体層１０４とを備え、励起光により励起された蛍光（黄色光）と黄色蛍光体層１０４を透過した励起光（青色光）との混色により白色光を生成することを意図した光源装置が提案されている。なお、図１において、符号１０７は黄色蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａから取り出される出射光（励起光（青色光）、蛍光（黄色光））を示している。

特開平５−１５２６０９号公報特開平７−９９３４５号公報

ところで、図１の構成において、青色ＬＥＤ１０３からの青色光は、その全てが光軸方向Ｘに揃って黄色蛍光体層１０４に入射するのではなく、光軸方向Ｘに対してある角度分布（例えばランバーシアン分布）をもって黄色蛍光体層１０４に入射する。従って、この場合、図２に示すように、黄色蛍光体層１０４に入射した青色光のうち、光軸方向Ｘに入射した青色光の黄色蛍光体層１０４内における光路長Ｌ１よりも、光軸方向Ｘに対してある角度をもって入射した青色光の黄色蛍光体層１０４内における光路長Ｌ２の方が、黄色蛍光体層１０４内における青色光の光路長が長くなる。このように、光軸方向Ｘに入射した光路長Ｌ１の青色光よりも、光軸方向Ｘに対してある角度をもって入射した光路長Ｌ２の青色光の方が黄色蛍光体層１０４を長く通ることで、蛍光（黄色光）を多く励起する。この結果、図３に示すように、黄色蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａから見たときに、青色ＬＥＤ１０３が配置された中心部Ｃは青色っぽい白色となる一方で、その外周部Ｒはリング状に黄色っぽい白色となり、イエローリングと呼ばれる色ムラが生じてしまう。

上述の例は固体光源（発光素子）が青色ＬＥＤの場合であるが、固体光源が青色ＬＤ（半導体レーザー）である場合には、図４に示すように、青色ＬＤ２０３からの青色光は、ほぼ光軸方向Ｘに黄色蛍光体層１０４に入射し、一部はほぼ光軸方向Ｘに黄色蛍光体層１０４を通過するが（光路長はＬ１）、他の一部は反射、拡散などによって黄色蛍光体層１０４内を導光し、光路長はＬ１に比べて長くなる。このように、ほぼ光軸方向Ｘに黄色蛍光体層１０４を通過する光路長Ｌ１の青色光よりも、反射、拡散などによって黄色蛍光体層１０４内を導光する青色光の方が黄色蛍光体層１０４を長く通ることで、蛍光（黄色光）を多く励起する。この結果、固体光源が青色ＬＤ２０３である場合にも、図３に示したと同様に、黄色蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａから見たときに、青色ＬＤ２０３が配置された中心部は青色っぽい白色となる一方で、その外周部はリング状に黄色っぽい白色となり、イエローリングと呼ばれる色ムラが生じてしまう。

このように、固体光源が青色ＬＥＤ１０３、青色ＬＤ２０３のいずれであっても、イエローリングと呼ばれる色ムラが生じてしまう。また、上述の例では、蛍光体層１０４が黄色蛍光体層であるとし、この場合には、蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａから見たときに、外周部はリング状に黄色っぽい白色となるが、蛍光体層１０４が緑色蛍光体層や赤色蛍光体層の場合にも、同様の色ムラが生じる。すなわち、蛍光体層１０４が緑色蛍光体層や赤色蛍光体層の場合には、外周部はリング状に緑色っぽい白色、赤色っぽい白色となる。

また、上述した例では、固体光源が青色ＬＥＤ、青色ＬＤであるとしたが、青色光に限らず、可視光を出射する固体光源であれば、上述したと同様の色ムラが生じる。

また、上述した例では、固体光源と蛍光体層１０４とが接して配置されているが、固体光源と蛍光体層１０４とが空間的に離れて配置されている場合にも、上述したと同様の原理で、上述したと同様の色ムラが生じる。

このような蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａを直視することによって生ずる色ムラは、品質上好ましくないばかりでなく、表示装置に利用したときの表示面における色ムラや、光センサーなど精密機器における誤差を生ずることにもなる。

そこで、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、蛍光体層１０４の光取り出し面１０４ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）を遮光膜１０５で覆い、色ムラを隠す手法も考えられる。なお、図５（ａ）は概略断面図、図５（ｂ）は平面図（蛍光体層の光取り出し面から見た図）である。しかしながら、この場合には、遮光膜１０５で覆うために光（励起光、蛍光）の取り出し効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備えている光源装置において、蛍光体層の光取り出し面に生じる色ムラを低減し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑えることの可能な光源装置および照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備えている光源装置であって、
前記蛍光体層の光取り出し面の色ムラが生じる部分に、前記蛍光の一部を前記蛍光の波長よりも短い波長の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層が設けられていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置である。

請求項１、請求項２記載の発明によれば、可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備えている光源装置であって、前記蛍光体層の光取り出し面の色ムラが生じる部分に、前記蛍光の一部を前記蛍光の波長よりも短い波長の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層が設けられているので、蛍光体層の光取り出し面に生じる色ムラを低減し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑えることができる。

従来の光源装置を示す図である。固体光源が青色ＬＥＤの場合におけるイエローリングの発生メカニズムを説明するための図である。従来の光源装置において生ずるイエローリング（色ムラ）を示す図である。固体光源が青色ＬＤの場合におけるイエローリングの発生メカニズムを説明するための図である。従来の光源装置において生ずるイエローリング（色ムラ）を防止するための一例を示す図である。本発明の光源装置の一構成例を示す図である。本発明の照明装置の一例を示す図である。本発明の光源装置の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の光源装置の一構成例を示す図である。なお、図６（ａ）は概略断面図、図６（ｂ）は平面図（蛍光体層の光取り出し面から見た図）である。図６（ａ）を参照すると、この光源装置１０は、可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源５と、該固体光源５からの励起光により励起され該固体光源５の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層２とを備えている。

なお、図６（ａ）、（ｂ）の例では、固体光源５と蛍光体層２とは空間的に離れて配置されている。

また、図６（ａ）、（ｂ）の光源装置１０は、蛍光体層２の励起光が入射する側の面とは反対の側から光（励起光、蛍光）を取り出す方式（以下、これらを透過方式または透過型と称す）が採用されており、固体光源５と蛍光体層２とを空間的に離して配置することにより、従来に比べて十分な高輝度化を図ることが可能となる。なお、透過方式または透過型の光源装置とは、より正確には、図６（ａ）、（ｂ）のように蛍光体層２に固体光源５からの励起光を照射した場合に、蛍光体層２から発せられる蛍光成分のうち、固体光源５とは反対の側に出てくる成分を利用する光源装置のことであり、このとき、励起光の透過成分も利用し、蛍光成分と励起光の透過成分との混合光を出射光（照明光）として取り出すことができる。

ここで、固体光源５には、可視光領域に発光波長をもつ発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）などが使用可能である。

具体的に、固体光源５には、例えば、ＧａＮ系の材料を用いた発光波長が約４６０ｎｍ程度の青色光を発光する発光ダイオードや半導体レーザーなどを用いることができる。この場合、蛍光体層２の蛍光体としては、波長が約４４０ｎｍ乃至約４７０ｎｍの青色光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋、ＫＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋、ＫＴｉＦ_６：Ｍｎ^４＋等が用いられ、黄色蛍光体には、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋等が用いられ、緑色蛍光体には、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、（Ｌｕ，Ｙ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｙ_３（Ｇａ，Ａｌ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、Ｃａ_３Ｓｃ_２Ｓｉ_３Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋、ＣａＳｃ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｂａ_３Ｓｉ_６Ｏ_１２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）_６（Ｏ，Ｎ）_８：Ｅｕ^２＋等を用いることができる。

蛍光体層２としては、これらの蛍光体粉末をガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をＰ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ｃｅ^３＋やＥｕ^２＋を付活剤として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため蛍光体層として利用した場合には励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光体層から取り出して利用でき、さらに蛍光体層で発生した熱を効率良く放散することができる。透光性を示さない焼結体でも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが望ましい。

ところで、前述したと同様に、図６（ａ）、（ｂ）の光源装置１０では、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部にイエローリングのような色ムラが生じる。このような色ムラを低減するため、図６（ａ）、（ｂ）の光源装置１０では、蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）に、蛍光の一部を該蛍光の波長よりも短い波長（例えば、励起光と同程度の波長）の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７が設けられている。

このように、蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）に、蛍光の一部を該蛍光の波長よりも短い波長（例えば励起光と同程度の波長）の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７を設けることで、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部にイエローリングのような色ムラが生じるのを防止し、この場合にも、光の取り出し効率の低下を抑えることができる（イエローリングのような色ムラが生じる部分からの光を有効に活用することができる）。

なお、アップコンバージョン蛍光体としては、例えば、黄色光を青色光に波長変換するＡｌＦ_３；Ｐｒ^３＋などがある。

具体的に、図６（ａ）、（ｂ）の光源装置１０において、固体光源５が励起光として青色光を出射するものであり、蛍光体層２が黄色蛍光体層である場合には、黄色蛍光体層２の光取り出し面２ａから見たときに、固体光源５が配置された中心部（図３に示した部分Ｃ）は青色っぽい白色となる一方で、その外周部（図３に示した部分Ｒ）はリング状に黄色っぽい白色となり、イエローリングと呼ばれる色ムラが生じる。図６（ａ）、（ｂ）の光源装置１０では、イエローリングが生じる部分の直上に黄色光を青色光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体（ＡｌＦ_３；Ｐｒ^３＋）を含有する材料層７を設けることによって、黄色光の一部を青色光に波長変換し、イエローリングが生じる部分（図３に示した部分Ｒ）をより白色に近い色へと変えることができる。そして、アップコンバージョン蛍光体を用いて波長変換をすることにより、イエローリングが生じる部分（図３に示した部分Ｒ）からの光を有効に活用することができ、光源全体の発光効率の低下を抑えることができる。

次に、本発明の実施例を説明する。

この実施例では、蛍光体層２として、Ｃｅ濃度を３ｍｏｌ％に調整して作製したＹＡＧ蛍光体（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）を含有したセラミックスを直径４．０ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍに加工したプレートを用意した。また、固体光源５として、１Ａ通電時に約９００ｍＷの光出力が得られるＧａＮ系青色半導体レーザー（発光波長ピーク４５５ｎｍ）を用意した。そして、蛍光体層２の発光色度を、光取り出し面２ａの方向から、ＲａｄｉａｎｔＩｍａｇｉｎｇ社製の輝度・照度・色度測定システムＰｒｏＭｅｔｒｉｃを用いて測定した。穴加工を施さないＹＡＧ蛍光体セラミックス製プレートの中心部に直径１．０ｍｍの照射範囲で、発光波長ピークが４５５ｎｍの青色半導体レーザー光を照射したところ、中心部である直径１．０ｍｍの照射部分の平均色度は、ｘ＝０．３２９２，ｙ＝０．３５０７で、中心部である直径１．０ｍｍの照射範囲の外周部の平均色度は、ｘ＝０．４１８３，ｙ＝０．５０２６であった。

このような構成に対し、外周部の色度を照射部分の平均色度に近づけることを目的とし、外周部に対してアップコンバージョン蛍光体ＡｌＦ_３：Ｐｒ^３＋を含有したセラミックスを塗布した。セラミックス中のアップコンバージョン蛍光体濃度は２０ｗｔ％とし、セラミックスの平均膜厚が１００μｍとなるように塗布した。このように外周部に対してアップコンバージョン蛍光体ＡｌＦ_３：Ｐｒ^３＋を含有したセラミックスを塗布したことにより、外周部の色度を照射部分の平均色度に近づけることができた。

なお、上述した構成例では、固体光源５と蛍光体層２とが空間的に離れて配置されているが、固体光源５と蛍光体層２とが接して配置されていても良く、この場合にも、蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）に、蛍光の一部を該蛍光の波長よりも短い波長（例えば励起光と同程度の波長）の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７を設けることで、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部にイエローリングのような色ムラが生じるのを防止し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑えることができる（イエローリングのような色ムラが生じる部分からの光を有効に活用することができる）。

また、上記光源装置１０は、所定のレンズ系、あるいは、ミラー、リフレクタなどと組み合わせることで照明装置として構成することができる。図７は上記光源装置１０とレンズ系とを組み合わせた照明装置を示す図である。図７の照明装置は、筐体５１内に、上記光源装置１０と、上記光源装置１０からの光を前方に所定の配光特性を持って照射するレンズ系５２とが格納されている。この照明装置では、光源装置１０が用いられることにより、レンズ系５２を用いた時でも、イエローリングなどの色ムラを生じない照明光を得ることができる。

また、上述した例の光源装置１０は、蛍光体層２に固体光源５からの励起光を入射させたときに、蛍光体層２の励起光が入射する側の面とは反対の側から蛍光などの光を取り出す透過方式（透過型）を採用したものとなっているが、本発明は、これに限定されるものではなく、光源装置が反射方式（反射型）のもの（すなわち、蛍光体層２の励起光が入射する側の面と同じ側から蛍光などの光を取り出す反射方式（反射型）のもの）である場合も、本発明の範囲に含まれる。すなわち、光源装置が反射方式（反射型）のものである場合にも、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部（図３に示した外周部Ｒ）にイエローリングのような色ムラが生じるので、透過方式（透過型）と同様に、蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）に、蛍光の一部を該蛍光の波長よりも短い波長（例えば励起光と同程度の波長）の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７を設けることで、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部にイエローリングのような色ムラが生じるのを防止し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑えることができる（イエローリングのような色ムラが生じる部分からの光を有効に活用することができる）。

図８（ａ）、（ｂ）は反射方式（反射型）のものとなっている光源装置の一例を示す図（概略断面図）である。なお、図８（ａ）は概略断面図、図８（ｂ）は平面図（蛍光体層の光取り出し面から見た図）であり、図８（ａ）、（ｂ）において、図６（ａ）、（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。図８（ａ）、（ｂ）の光源装置２０では、蛍光体層２の励起光（固体光源５からの励起光）が入射する側の面とは反対の側に、光（蛍光、励起光）を反射する（光（蛍光、励起光）を固体光源５側に出射光として出射させる）反射面を有する基板２５が設けられている。ここで、基板２５としては、これ自体を金属製とするか、あるいは、例えば透明な基板上に金属膜を配置したものを用いることができる。

図８（ａ）、（ｂ）の光源装置２０のように、光源装置が反射方式（反射型）のものとして構成されている場合にも、蛍光体層２の光取り出し面２ａの色ムラが生じる部分（図３に示した外周部Ｒ）に、蛍光の一部を該蛍光の波長よりも短い波長（例えば励起光と同程度の波長）の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層７を設けることで、蛍光体層２の光取り出し面２ａの外周部にイエローリングのような色ムラが生じるのを防止し、かつ、光の取り出し効率の低下を抑えることができる（イエローリングのような色ムラが生じる部分からの光を有効に活用することができる）。

また、図８（ａ）、（ｂ）に示すような反射方式（反射型）の光源装置２０を用いて、図７に示したような照明装置を構成することもできる。

本発明は、ヘッドランプなどの自動車用照明、プロジェクタ、一般照明などに利用可能である。

２蛍光体層
５固体光源
７アップコンバージョン蛍光体を含有する材料層
１０、２０光源装置
２５反射面を有する基板
５１筐体
５２レンズ系

Claims

可視光の波長領域のうちの所定の波長の光を励起光として発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層とを備えている光源装置であって、
前記蛍光体層の光取り出し面の色ムラが生じる部分に、前記蛍光の一部を前記蛍光の波長よりも短い波長の光に波長変換するアップコンバージョン蛍光体を含有する材料層が設けられていることを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置が用いられていることを特徴とする照明装置。