JP2015065142A

JP2015065142A - 固体照明装置および波長変換部材

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Publication number: JP2015065142A
Application number: JP2014001078A
Authority: JP
Inventors: 慶暁松葉; Yoshiaki Matsuba; 昭男渡邊; Akio Watanabe; 善久池田; Yoshihisa Ikeda
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2015-04-09

Abstract

【課題】光取り出し効率が高められ、小型化が容易な固体照明装置および波長変換部材を提供する。【解決手段】固体照明装置は、レーザー光を励起光として放出する光源部と；入射面と出射面とを有する透明基板と、前記入射面に設けられ、前記励起光を透過するフィルタ膜と、前記出射面に設けられ前記励起光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、を有する波長変換部材であって、前記波長変換層から放出された前記波長変換光のうち前記フィルタ膜に向かう一部は、前記フィルタ膜により反射される、波長変換部材と；を具備し、前記波長変換光のうち前記出射面の上方へ向かう他の一部と、前記励起光のうち前記波長変換層内で吸収されずに散乱され前記出射面の上方へ向かう散乱光と、前記フィルタ膜により反射された前記波長変換光の前記一部のうち前記波長変換層を通過して前記出射面の上方へ向かう光と、が、前記波長変換部材から放出される。【選択図】図１

Description

後述する実施形態は、概ね、固体照明装置および波長変換部材に関する。

固体発光素子を用いた白色固体照明（ＳＳＬ：Solid State lighting）装置の光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)が主流である。

その場合、放熱と給電のための基板にＬＥＤチップを実装し、蛍光体を有する白色発光部がＬＥＤチップを覆うように設けることが多い。これに対して、もし、白色発光部が光学系のみで構成されれば、発熱も少なく、小型軽量化され、照明装置のデザインの自由度を高めることができる。

そのためには、たとえば、青紫色〜青色の波長範囲の半導体レーザーからのレーザー光を導光体などに効率よく結合させ、固体発光素子から離間した蛍光体などの波長変換層に照射して白色発光を得る構造とすればよい。

線状光源は、長い導光体に沿ってレーザー光を導光する。しかし、スポット光源や一般光源に長い導光体を用いると、高い光取り出し効率および小型化を実現することが容易ではない。

特開２０１２−９３８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、光取り出し効率が高められ、小型化が容易な固体照明装置および波長変換部材を提供することである。

実施形態の固体照明装置は、レーザー光を励起光として放出する光源部と；入射面と出射面とを有する透明基板と、前記入射面に設けられ、前記励起光を透過するフィルタ膜と、前記出射面に設けられ前記励起光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、を有する波長変換部材であって、前記波長変換層から放出された前記波長変換光のうち前記フィルタ膜に向かう一部は、前記フィルタ膜により反射される、波長変換部材と；を具備し、前記波長変換光のうち前記出射面の上方へ向かう他の一部と、前記励起光のうち前記波長変換層内で吸収されずに散乱され前記出射面の上方へ向かう散乱光と、前記フィルタ膜により反射された前記波長変換光の前記一部のうち前記波長変換層を通過して前記出射面の上方へ向かう光と、が、前記波長変換部材から放出される。

本発明の実施形態によれば、光取り出し効率が高められ小型化が容易な固体照明装置および波長変換部材を提供することができる。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図２（ａ）は第１の実施形態の固体照明装置の作用を説明する模式図、図２（ｂ）は波長変換部材の作用を説明する模式図、図２（ｃ）はヒートシンクが設けられた波長変換部材の模式断面図、である。波長に対するフィルタ膜の透過率依存性の一例を表すグラフ図である。図４（ａ）は光ファイバ出射端の発光パターン、図４（ｂ）は光拡散板により断面形状を円形に広げた発光パターン、図４（ｃ）は光拡散板により断面形状を矩形状に広げた発光パターン、を表す模式図である。図５（ａ）は四角錐台形状の透明基板の模式斜視図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は円錐台形状の透明基板の模式斜視図、図５（ｄ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図５（ｅ）は凸形断面の模式図、である。図６（ａ）は入射面に凹部が設けられた透明基板の模式断面図、図６（ｂ）は出射面に凸部が設けられた透明基板の模式断面図、である。図７（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図７（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った模式断面図、である。図８（ａ）は第２の実施形態の固体照明装置の作用を説明する模式図、図８（ｂ）は波長変換部材の作用を説明する模式図、である。図９（ａ）は第２の実施形態の変形例の模式斜視図、図９（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図９（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った模式断面図、である。図１０（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図１０（ｂ）はその外観の模式斜視図、である。波長変換部材の第１変形例を表す模式断面図である。図１２（ａ）は比較例にかかる蛍光体粒子の外観写真図、図１２（ｂ）はその断面写真図、図１２（ｃ）は本実施形態の蛍光体粒子の変形例にかかる外観写真図、図１２（ｄ）はその断面写真図、である。図１３（ａ）は本実施形態の波長変換層のドットパターンの第１の配置例の模式平面図、図１３（ｂ）はその発光スペクトル図、図１３（ｃ）は波長変換層の第２の配置例の模式平面図、図１３（ｄ）はその発光スペクトル図、である。図１４（ａ）は波長変換部材の第２変形例の模式断面図、図１４（ｂ）はその作用を説明する模式図、である。図１５（ａ）は第１フィルタ膜の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１５（ｂ）は赤色光の発光スペクトルのグラフ図、である。図１６（ａ）は第２フィルタ膜の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１６（ｂ）は緑色光の発光スペクトルのグラフ図、である。図１７（ａ）は波長変換部材の第３変形例の模式断面図、図１７（ｂ）は上方からみた模式斜視図、図１７（ｃ）は下方からみた模式斜視図、である。図１８（ａ）は第３変形例の第２フィルタ膜の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１８（ｂ）は波長に対する反射率依存性を表すグラフ図、である。図１９（ａ）は波長変換部材の第４変形例の模式斜視図、図１９（ｂ）は透明基板の第１および第２の面の模式斜視図、図１９（ｃ）は模式断面図、である。

第１の発明は、レーザー光を励起光として放出する光源部と；入射面と、出射面と、を有する透明基板と、前記入射面に設けられ、前記励起光を透過するフィルタ膜と、前記出射面に設けられ前記励起光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、を有する波長変換部材であって、前記波長変換層から下方へ放出された前記波長変換光の一部は、前記フィルタ膜により反射される、波長変換部材と；を具備し、前記波長変換光のうち前記波長変換層から上方へ放出された前記波長変換光の他の一部と、前記波長変換層内で吸収されずに散乱されたのち上方へ放出された散乱光と、前記フィルタ膜により反射された前記波長変換光の前記一部のうち前記波長変換層を通過して前記出射面の上方へ向かう光と、が、上方へ放出される、固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、波長変換層から下方に向かう光は、フィルタ膜により反射され、上方へ放出される。この結果、光取り出し効率を高め、高輝度とすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記透明基板の出射面は、前記入射面とは反対の側に設けられた固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、透明基板を挟んで、フィルタ膜と、波長変換層と、が対向する。この結果、固体照明装置の小型化が容易である。

第３の発明は、第２の発明において、前記波長変換部材は、前記前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた前記透明基板の側面を覆う反射膜をさらに有する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、光取り出し効率をさらに高めることができる。

第４の発明は、第１の発明において、前記透明基板は、前記入射面と前記出射面とにそれぞれ交差する傾斜面または曲面をさらに有し、前記入射面と前記出射面とは、隣接する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、波長変換部材からフィルタ膜を通って光源部に向かって戻る励起光を低減できる。この結果、光取り出し効率をさらに高めることができる。

第５の発明は、第４の発明において、前記波長変換部材は、前記傾斜面または前記曲面に設けられた反射膜をさらに有する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、光取り出し効率をさらに高めることができる。

第６の発明は、第１〜第５の発明において、入射した前記励起光を所定の角度に広げて前記フィルタ膜に向けて放出する出射口を有する光拡散部をさらに具備した固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、励起光を所定の角度に広げることが容易となる。この結果、輝度ムラを低減できる。

第７の発明は、第６の発明において、前記光源部は、前記励起光を前記拡散部の内部に導入する光ファイバを有し、前記光拡散部は、前記光ファイバの一方の端部が介挿される凹部が設けられた透光性アルミナセラミックス材と、前記凹部と、前記光拡散部の前記出射部と、を除く外表面を覆う反射膜と、を有する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、光取り出し効率を高めつつ、輝度ムラを低減できる。

第８の発明は、第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、を有する透明基板と、前記第１の面に設けられ、第１の波長を有する第１の光を透過し、前記第１の波長よりも長い波長の光を反射する第１フィルタ膜と、前記第２の面に設けられ、前記第１の光の一部を吸収し前記第１の波長よりも長い第２の波長を有する第２の光を放出する第１蛍光体層と、前記第１蛍光体層の上に設けられ、前記第１および第２の光を透過し、前記第１の波長よりも長くかつ前記第２の波長よりも短い第３の波長の光を反射する第２フィルタ膜と、前記第２フィルタ膜の上に設けられ、前記第１の光の他の一部を吸収し前記第３の波長を有する第３の光を放出する第２蛍光体層と、を具備し、前記第２蛍光体層から放出された前記第３の光のうち前記第２フィルタ膜に向かう一部は、前記第２フィルタ膜により反射される、波長変換部材である。
この波長変換部材によれば、第２フィルタ膜は、第１および第２の光を透過し、かつ第３の光を反射できる。この結果、光取り出し効率が高められ、３色の混合光を得ることができる。

第９の発明は、第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、側面と、を有し、セラミックスからなる透明基板と、前記第２の面に設けられ、第１の光の一部を吸収し、前記第１の光の波長よりも長い波長の第２の光を放出する蛍光体層と、前記第１の面の中央部に設けられ、前記第１の光を透過可能な第１フィルタ膜と、前記第１の面のうち前記中央部の外側を囲む外周部と、前記側面と、に設けられ、前記第１および第２の光を反射可能な第２フィルタ膜と、を具備した波長変換部材である。
この波長変換部材によれば、透明基板の側面および第１の面の外周部で第１および第２の光を反射させることができる。この結果、光取り出し効率を高めることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、励起光を放出する光源部１０と、波長変換部材（光変換部）３０と、を有する。

光源部１０は、たとえば、青紫〜青色（４３０〜４９０ｎｍ）波長のレーザー光を励起光として放出する半導体レーザー１１を有する。また、光源部１０は、半導体レーザー１１からの励起光を波長変換部材３０へ導光する光ファイバ１２をさらに有することができる。

波長変換部材３０は、透明基板３１と、フィルタ膜３２と、波長変換層（蛍光体層）３３と、を有する。透明基板３１は、入射面（第１の面）３１ａと、出射面（第２の面）３１ｂと、を有する。フィルタ膜３２は、透明基板３１の入射面３１ａに設けられ、励起光を透過する。波長変換層３３は、透明基板３１の出射面３１ｂに設けられ、照射された励起光を吸収し波長変換光を放出する。波長変換層３３から放出された波長変換光のうち下方へ向かう光は、フィルタ膜３２により反射され、上方へ向かう。

透明基板３１の材質は、サファイヤ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet)セラミックス、アルミナセラミックスなどとすることができる。フィルタ膜や波長変換層を形成するプロセスは、高温となることなどから、耐熱性のあるこれらの材料が好ましい。

また、固体照明装置は、入射した励起光を所定の角度に広げて波長変換部材３０に向けて放出する出射面２０ａを有する光拡散部２０をさらに含むことができる。光拡散部２０は、光透過性および耐熱性の高いガラスや、アルミナセラミックスなどを含むことができる。

光拡散部２０は、光ファイバ１２の先端部から放出された励起光を、所定の角度に広げる。レーザー光の半値半角は、たとえば４度のように狭いガウス分布に近い配光特性を有する。このため、励起光を波長変換部材３０に直接入射すると、透明基板３１の出射面３１ｂ上の輝度分布は、均一とならず、輝度ムラを生じる。また、励起光の強度が高い領域の温度が局所的に上昇し、波長変換効率が低下することがある。

図２（ａ）は固体照明装置の作用を説明する模式図、図２（ｂ）は波長変換部材の作用を説明する模式図、図２（ｃ）はヒートシンクが設けられた波長変換部材の模式断面図、である。
励起光は、光拡散部２０を通過するうちに、所定の角度に広げられ、近接して配置されたフィルタ膜３２に入射する。

波長変換層３３から下方へ放出された波長変換光の一部は、フィルタ膜３２により反射される。波長変換光のうち波長変換層３３から上方へ放出された他の一部Ｌ２と、波長変換層３３内で吸収されずに散乱されたのち上方へ放出された散乱光Ｌ１ｓと、フィルタ膜３２により反射され、波長変換層３３を通過して上方へ向かう光Ｌ２ｒと、が、上方へ放出され、混合光ＧＴとなる。

図３は、フィルタ膜の波長に対するフィルタ膜の透過率依存性の一例を表すグラフ図である。
フィルタ膜３２は、誘電体多層膜などからなり青紫〜青色波長において透過率が９５％以上にすることができる。また、青紫〜青色波長の外側では、透過率が低く、殆ど反射される。フィルタ膜３２に向かう波長変換光の一部Ｌ２ｒは、たとえば、高い反射率で反射される。

励起光Ｌ１を青色レーザー光とし、波長変換層３３を黄色蛍光体とすると、混合光ＧＴとして白色光などを放出することができる。

また、光拡散部２０は、たとえば、フィルタ膜３２の側に、マイクロレンズアレイまたはレンズ拡散板（ＬＳＤ：Light Shaping Diffusers）２１を有してもよい。レンズ拡散板２１の表面には、ホログラムなどの微細凹凸パターンが転写され、マイクロレンズアレイと同じように励起光の広がりを制御する。なお、微小凹凸は、規則的でも不規則でもよい。

図４（ａ）は光ファイバ出射端の発光パターン、図４（ｂ）はレンズ拡散板により断面形状を円形に広げた発光パターン、図４（ｃ）はレンズ拡散板により断面形状を矩形に広げた発光パターン、を表す模式図である。
レンズ拡散板２１は、ガウス分布に近い励起光の分布を、波長変換部材３３の形状に対応した光パターンに整形することができる。この結果、所定の広がり角度でかつ均一に光を放出し、波長変換層３３を照射できる。このため、混合光の輝度ムラをより低減できる。

また、図２のように、フィルタ膜３２の入射面のうち励起光が入射しない領域と、透明基板３０の側面と、を反射膜３４で覆うと、励起光Ｌ１と、波長変換光のうちの一部Ｌ２ｒと、が、外部に漏れることが抑制される。もしフィルタ膜３２を設けないと、波長変換光のうちの略半分の下方へ向かう光は混合光として用いることができず光取り出し効率が低下する。これに対して、第１の実施形態では、励起光に対する透過率が高く、波長変換光に対する反射率が高いフィルタ膜３２を用いることにより、光取り出し効率を高め、高輝度とすることができる。

また、図２（ｃ）のように、波長変換部材３０は、ヒートシンク３８をさらに有することができる。ヒートシンク３８には、金属などの熱伝導材からなり、凹部が設けられる。反射膜３４を挟んで、透明基板３０を、凹部に介挿すると波長変換層３３で発生した熱を逃し、波長変換層３３の温度を低下させることができる。

図５（ａ）は四角錐台形状の透明基板の模式斜視図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は円錐台形状の透明基板の模式斜視図、図５（ｄ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図５（ｅ）は凸形断面の模式図、である。
台形断面とすることにより、ヒートシンク３８との接触面積を広くし、放熱効果をさらに高めることができる。

図６（ａ）は入射面に凹部が設けられた透明基板の模式断面図、図６（ｂ）は出射面に凸部が設けられた透明基板の模式断面図、である。
図６（ａ）のように、入射面３１ａに凹部を設けると、入射面３１ａでの屈折効果を低減できる。このため、励起光を波長変換層３３の外周領域まで均一に照射できる。また、図６（ｂ）のように出射面３１ｂに凸部を設けると、励起光および波長変換光の光取り出し効率をさらに高めることができる。

図７（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図７（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、励起光を放出する光源部１０と、光拡散部２０と、波長変換部材３０と、を有する。

光源部１０は、たとえば、青紫〜青色波長のレーザー光を励起光として放出する半導体レーザー１１と、光ファイバ１２と、を有する。

光拡散部２０は、光透過性が高く、耐熱性の高いガラスなどからなるものとする。光拡
散部２０は、光ファイバ１２の先端部から放出された励起光を、所定の角度に広げる。

波長変換部材３０は、透明基板３１と、フィルタ膜３２と、波長変換層３３と、を有する。図７（ｂ）に表すように、透明基板３１は、入射面３１ｃと、出射面３１ｄと、傾斜面３１ｅと、側面３１ｆ、３１ｇを有する。フィルタ膜３２は、入射面３１ｃに設けられ、励起光を透過する。波長変換層３３は、出射面３１ｄに設けられ、励起光を吸収し波長変換光を放出する。波長変換層３３から放出された波長変換光のうち下方へ向かう一部は、フィルタ膜３２により反射される。反射膜３４は、傾斜面３１ｅに設けられる。また、図７（ｃ）に表すように、反射膜３４を、側面３１ｆ、３１ｇにさらに設けることができる。可視光に対する反射膜３４の反射率は、８０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。

なお、波長変換部材３０は、ヒートシンクをさらに有することができる。ヒートシンクには、金属など、熱伝導率が高い材料に凹部が設けられる。透明基板３１の傾斜面３１ｅ、側面３１ｆ、３１ｇは、反射膜３４を挟んで、ヒートシンクの凹部に接触し、波長変換層３３で発生した熱を逃すことができる。

図８（ａ）は固体照明装置の作用を説明する模式図、図８（ｂ）は波長変換部材の作用を説明する模式図、である。
図８（ａ）に表すように、光ファイバ１２から放出された励起光は、光拡散部２０を通過し、レンズ拡散板２１により所定の角度に広げられ、フィルタ膜３２に入射する。

図８（ｂ）に表すように、フィルタ膜３２を透過した励起光Ｌ１の一部は、波長変換部３３を直接照射する。他の一部は、傾斜面３１ｅに設けられた反射膜３４により反射されたのち波長変換層３３を照射する。波長変換光のうち、フィルタ膜３２へ向かう光は、反射膜３２により反射され、透明基板３１の内部に向かう光Ｌ２ｒとなり、多くは出射面３１ｄから出射することができる。また、励起光Ｌ１のうち、波長変換層３３に吸収されず散乱された光は、散乱光Ｌ１ｓとなる。この結果、波長変換光Ｌ２と、散乱光Ｌ１ｓと、の混合光ＧＴが上方へ放出される。

また、傾斜面３１ｅと出射面３１ｄとの交差角αを３０度以下とすると、傾斜面３１ｅで反射されたのち、フィルタ膜３２から光拡散部２０に戻る光を低減し、光取り出し効率を高めることができる。

図９（ａ）は第２の実施形態の変形例の模式斜視図、図９（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った模式断面図、図９（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った模式断面図、である。
波長変換層３３は、出射面３１ｄと傾斜面３１ｅとにそれぞれ設けられる。このため、波長変換層３３に生じる熱を分散して逃すことができる。

波長変換光のうち波長変換層３３から上方へ放出された波長変換光の成分Ｌ２と、波長変換層３３内で吸収されずに散乱されたのち上方へ放出された散乱光Ｌ１ｓと、フィルタ膜３２により反射され、波長変換層３３内を散乱された波長変換光の光Ｌ２ｒと、が、上方へ放出され、混合光ＧＴとなる。

図１０（ａ）は第３の実施形態にかかる固体照明装置の内部の模式斜視図、図１０（ｂ）はその外観の模式斜視図、である。
光源部１０は、励起光を光拡散部２０の内部に導入する光ファイバ１２を有する。また、光拡散部２０は、光ファイバ１２の一方の端部が介挿される凹部が設けられた透光性アルミナセラミックス材２２と、凹部と、光拡散部２０の出射面２０ａと、を除く外表面の領域を覆う反射膜２３と、を有する。

透光性アルミナセラミックス材２２の外表面にＡｇやＡｌなどの金属を含む反射膜２３を設けると、励起光のうち透光性アルミナセラミックス材２２により散乱された成分が反射されて、波長変換層へ向かう。

励起光の進行方向への透光性アルミナセラミックス材２２の拡散透過率が４０％よりも低い場合、励起光は後方へ向かって散乱される割合が増加する。このため、透光性アルミナセラミックス材２２の凹部および光ファイバ１２から漏れる励起光が増加し、光取り出し効率が低下する。他方、拡散透過率が８０％よりも高い場合、励起光が十分には拡散されず、波長変換層３３へ入射する励起光の密度分布が不均一となる。このため、輝度ムラを生じる。すなわち、透光性アルミナセラミックス材２２の拡散透過率は、４０％以上かつ８０％以下とすることが好ましい。

図１１は、波長変換部材の第１変形例を表す模式断面図である。
透明基板３１の出射面３１ｂには、凹凸が設けられ、波長変換層３３は、凹凸を覆うように設けられる。
波長変換層３３が蛍光体ガラスである場合、その屈折率は略１．９である。他方、透明基板３１が透光性アルミナセラミックスやサファイヤであると、その屈折率は略１．７である。透明基板と、蛍光体ガラスと、の境界に設けられた凹凸により、蛍光体ガラスに入射する励起光の強度を増加することができる。

図１２（ａ）は比較例にかかる蛍光体粒子の外観写真図、図１２（ｂ）はその断面写真図、図１２（ｃ）は本実施形態の蛍光体粒子の変形例にかかる外観写真図、図１２（ｄ）はその断面写真図、である。
図１２（ａ）、（ｂ）に表す比較例の蛍光体粒子は、単結晶粒子の集合体である。単結晶粒子の体積散乱効果により低コヒーレンスとする。これに対して、図１２（ｃ）、（ｄ）にでは、１つの蛍光体粒子は、多結晶粒子の集合体である。多結晶粒子がさらに集合されると、体積散乱効果に加えて、多結晶粒子内の内部散乱効果により、さらにコヒーレンスを低減し、安全性をさらにたかめることが容易となる。

図１３（ａ）は本実施形態の波長変換層のドットパターンの第１の配置例の模式平面図、図１３（ｂ）はその発光スペクトル図、図１３（ｃ）は本実施形態の波長変換層の第２の配置例の模式平面図、図１３（ｄ）はその発光スペクトル図、である。
図１３（ａ）に表す第１の配置例では、蛍光体層のドットパターンのサイズは５０μｍ×５０μｍである。また、面積比は、緑（Ｇ）：赤（Ｒ）＝４：５である。このとき、発光スペクトルは図１３（ｂ）のようになり、色温度は５０００Ｋである。また、図１３（ｃ）に表す第２に配置例では、Ｇ：Ｒ＝３：６である。このとき、発光スペクトルは図１３（ｄ）のようになり、色温度は３０００Ｋである。

ドットパターンの幅は、たとえば、１０〜１００μｍ、厚さは１０〜１００μｍなどとすることができる。もし、ドットパターンの幅が１０μｍよりも狭いと、赤（Ｒ）蛍光体が、緑色（Ｇ）を吸収して発光効率が低下する。他方、ドットパターンの幅が１００μｍよりも広いと、発光色の色分離が目立つようになる。本実施形態によれば、発光効率の低減および色分離が抑制された固体照明装置が可能となる。

図１４（ａ）は波長変換部材の第２変形例の模式断面図、図１４（ｂ）はその作用を説明する模式図、である。
図１４（ａ）に表すように、波長変換部材３０は、透明基板３１と、第１フィルタ膜３２と、第１蛍光体層３３と、第２フィルタ膜４２と、第２蛍光体層４３と、を有する。

第１フィルタ膜３２は、透明基板３１の第１の面３１ａに設けられ、光源部１０から放出された励起光である第１の光Ｌ１を透過し、第１の光Ｌ１の波長よりも長い波長の光（緑〜赤色光）を反射する。第１蛍光体層３３は、透明基板３１の第２の面３１ｂに設けられ、第１の光Ｌ１の一部を吸収し、波長変換された第２の光Ｌ２を放出する。

図１４（ｂ）は、波長変換部材３０の作用を説明するために、第２フィルタ膜４２と、第２蛍光体層４３と、の間に透明基板３１ｂがあるものとする（実際には、図１４（ａ）のように、透明基板を省略できる）。第２蛍光体層４３は、第２フィルタ膜４２の上に設けられ、第１の光Ｌ１の他の一部を吸収し、波長変換された第３の光Ｌ３を放出する。また、第２フィルタ膜４２は、第１蛍光体層３３の上に設けられ、第２の光Ｌ２および第１の光Ｌ１を透過し、第３の光を反射し反射光Ｌ３ｒとする。この結果、第１の光Ｌ１の散乱光Ｌ１ｓと、第２の光Ｌ２と、第３の光Ｌ３と、は、第２の面３１ｂの上方で混合されて、白色などの混合光ＧＴとなる。

図１５（ａ）は第１フィルタ膜の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１５（ｂ）は赤色光の発光スペクトルのグラフ図、である。
図１５（ａ）において、縦軸は透過率（％）であり、横軸は波長（ｎｍ）である。第１フィルタ膜３２を、誘電体多層膜からなる干渉膜とすると、波長３８０〜４９０ｎｍにおいて、青色光ＢＬの透過率を９０％以上にできる。また、図１５（ｂ）において、縦軸はスペクトル強度（Ｗ／ｎｍ）、横軸は波長（ｎｍ）である。赤色蛍光体層３３による発光スペクトルを、６２０ｎｍ近傍にピーク値を有する赤色光ＲＬとすることができる。すなわち、緑色〜赤色光に反射率を高めることができる。

図１６（ａ）は第２フィルタ膜４２の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１６（ｂ）は緑色光の発光スペクトルのグラフ図、である。
第２フィルタ膜４２を、誘電体多層膜からなる干渉膜とすると、波長３８０〜４９０ｎｍにおいて青色光ＢＬの透過率を９０％以上にできる。また、波長６２０ｎｍ以上において、赤色光ＲＬの透過率を９０％以上にできる。他方、波長５１０〜５８０ｎｍにおいて、緑色光ＧＬの透過率を５％以下とし、反射率を高めることができる。誘電体多層膜は、レーザー光に対する耐性が高い酸化金属（ＳｉＯ_２とＴａ_３Ｏ_５との積層膜）が好ましい。

図１７（ａ）は波長変換部材の第３変形例の模式断面図、図１７（ｂ）は上方からの模式斜視図、図１７（ｃ）は下方からの模式斜視図、である。
波長変換部材３０は、透明基板３１と、第１フィルタ膜３２と、第２フィルタ膜４２と、蛍光体層４５と、を有する。

透明基板３１は、第１の面３１ａと、第１の面３１ａとは反対の側の第２の面３１ｂと、を有する。第１フィルタ膜３２は、第１の面３１ａに設けられ低反射率を有し、第１の波長を有する第１の光を透過する。第２フィルタ膜４２は、第２の面３１ｂに設けられ、第１の光を透過し、かつ第１の波長よりも長い波長を有する光を反射する。蛍光体層４５は、第２フィルタ膜４２の上方に設けられ、第１の光の一部を吸収し第１の波長よりも長い第２の波長を有する第２の光を放出する。

たとえば、第１の光を青色光とし、蛍光体層４５を黄色蛍光体とすると、第２フィルタ膜４２は、黄色光を反射する。このため、反射された黄色光と、蛍光体層４５から放出された黄色光と、蛍光体層４５により吸収されなかった青色光と、外方に向かって放出され、白色光などとなる。

蛍光体層４５は、無機接着材と、無機接着材に分散された蛍光体と、を含むことができる。蛍光体層４５の形成方法として、蛍光体にシリカアルコキシドを混合しゾルゲル法を用いてガラス接着材として固定するか、または蛍光体に水ガラス（珪酸ナトリウム：Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２・ｍＨ_２Ｏ）を混合し、加熱乾燥し固めるかなどとする。どちらの方法を用いても、加熱温度を２００℃以下とすることにより、フィルタ膜の特性に与える影響は少ない。

ガラスなどの無機接着材を用いると、樹脂層に蛍光体を分散した構造と比較して樹脂の劣化などが抑制され、信頼性を高めることが容易となる。しかしながら、このようなガラス蛍光体を用いた波長変換部材では、空気とガラス蛍光体との間の屈折率差により反射を生じやすい。たとえば、Ｂｉ_２Ｏ_３を含む低融点ガラスでは、屈折率が略１．９であり、垂直入射光の略９．５％が反射されることがあるので、屈折率は１．９以下とすることが好ましい。

また、図１７（ｂ）、（ｃ）に表すように、第２フィルタ膜４２と、蛍光体層４５との間にガラス層４６を設けることができる。ガラス層４６のガラス化温度を２００℃以下とすると、温度上昇による誘電体多層膜の劣化を抑制することができる。また、照明光を発生させるために、可視光波長における透過率が高いことが要求される。たとえば、ＳｉＯ_２などを主成分とする無機材料が好ましい。

ガラス層４６の形成方法としては、たとえば、シリカアルコキシド（または珪酸ナトリウム）溶液を誘電体多層膜の上に塗布し、所定の温度で加熱することにより、数μｍの均一な厚さを有するガラス層４６とすることができる。ガラス層４６の屈折率は、アルミナ、ＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet)、サファイヤなどからなる透明セラミックスからの光取り出し効率を高めるため、透明セラミックスの屈折率１．７〜１．９に近い値を保ちつつ、空気（屈折率：１）への出射効率を高く保つことが容易な屈折率１．４〜１．６などの範囲とすることがより好ましい。また、蛍光体層４５の無機接着材として、ガラス層４６と同一の材料を用いると、ガラス層４６と蛍光体層４５との接合力が高まるとともに、光取り出し効率を高まる。

図１８（ａ）は第３変形例の第２フィルタ膜の波長に対する透過率依存性を表すグラフ図、図１８（ｂ）は波長に対する反射率依存性を表すグラフ図、である。
図１８（ａ）の縦軸は透過率（％）、図１８（ｂ）の縦軸は反射率（％）、である。第２フィルタ膜４２への入射角が、０、３０、６０度と増加するのに応じて、透過率は減少し、反射量が増大する。なお、図１８（ｂ）は、入射角が０度のときの反射率を表す。

図１９（ａ）は波長変換部材の第４変形例の模式斜視図、図１９（ｂ）は透明基板の第１の面および第２の面の模式斜視図、図１９（ｃ）は模式断面図、である。
波長変換部材３０は、透明基板３１と、蛍光体層３３と、第１フィルタ膜５０と、第２フィルタ膜５２と、を有する。

透明基板３１は、第１の面３１ａと、第１の面３１ａとは反対の側の第２の面３１ｂと、側面３１ｓと、を有し、ＹＡＧやアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックスからなる。図１９では、基板形状は立方体（５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍなどのサイズ）とするが、本発明はこれに限定されない。

蛍光体層３３は、透明基板３１の第２の面３１ｂに設けられ、第１の光Ｌ１を吸収し、第１の光Ｌ１の波長よりも長い波長の第２の光Ｌ４を放出する。第１フィルタ膜５０は、図１９（ｂ）に表すように、第１の面３１ａの中央部に設けられ、第１の光Ｌ１を透過可能である。

第２フィルタ膜５２は、第１の面３１ａのうち中央部の外側を囲む外周部と、透明基板３１の４つの側面と、に設けられ、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ４を反射したのち、第２の面３１ｂおよび蛍光体層３３とを透過させる。

すなわち、第１フィルタ膜５０は、誘電体膜によるＡＲコート（Anti-Reflection coating）膜であり、５００ｎｍ以下の波長において透過率を略９２％とすることができる。また、第２フィルタ膜５２は、誘電体多層膜によるＨＲ（High-Reflection coating）膜であり、４００〜８００ｎｍの波長において、反射率を１００％に近くにできる。

なお、波長変換部材３０は、凹部が設けられたヒートシンク３８をさらに有してもよい。その場合、フィルタ膜で覆われた透明基板３１の側面と底面とを凹部の内壁に接するように介挿すると発生熱Ｈを効率よく排出できる。

もし、金属膜をＨＲ膜とすると、反射率は９５％以下となる。また、Ａｕ膜では、４５０ｎｍ以下の波長において反射率が低下する。また、レーザー光強度が高くなると、吸収される割合がさらに高まる。これに対して、誘電体多層膜を用いたＨＲ膜は、所定の波長において反射率を１００％近くまで高めることができる。

また、レーザー光などである第１の光Ｌ１は、セラミックスの粒界で散乱されるので、損失が抑制されつつ、散乱光Ｌ１ｓに転換される。このため、たとえば、透過した散乱光Ｌ１ｓによるスペックルコントラストを１０％以下とすることができ、固体照明装置の安全性を高めることができる。

本実施形態に用いた波長変換部材およびこれに付随した第１〜４の変形例を用いても固体照明装置を構成することができる。

第１〜第３の実施形態およびこれに付随した変形例にかかる固体照明装置は、光取り出し効率が高められ、高輝度化および小型化が容易である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０光源部、１２光ファイバ、２０光拡散部、２０ａ（光拡散部の）出射面、２１レンズ拡散板、２２アルミナセラミックス、２３反射膜、３０波長変換部材、３１透明基板、３１ａ入射面（第１の面）、３１ｂ出射面（第２の面）、３１ｓ側面、３２、５０（第１）フィルタ膜、３３波長変換層（第１蛍光体層）、３４反射膜、４２、５２（第２）フィルタ膜、４３第２蛍光体層、４６ガラス層、Ｌ１第１の光（励起光）、Ｌ２、Ｌ４第２の光、Ｌ２ｒ、Ｌ４ｒ反射光、Ｌ３第３の光、Ｌ１ｓ散乱光、ＧＴ混合光

Claims

レーザー光を励起光として放出する光源部と；
入射面と出射面とを有する透明基板と、前記入射面に設けられ、前記励起光を透過するフィルタ膜と、前記出射面に設けられ前記励起光を吸収し波長変換光を放出する波長変換層と、を有する波長変換部材であって、前記波長変換層から放出された前記波長変換光のうち前記フィルタ膜に向かう一部は、前記フィルタ膜により反射される、波長変換部材と；
を具備し、
前記波長変換光のうち前記出射面の上方へ向かう他の一部と、前記励起光のうち前記波長変換層内で吸収されずに散乱され前記出射面の上方へ向かう散乱光と、前記フィルタ膜により反射された前記波長変換光の前記一部のうち前記波長変換層を通過して前記出射面の上方へ向かう光と、が、前記波長変換部材から放出される、固体照明装置。
前記透明基板の前記出射面は、前記入射面とは反対の側に設けられた請求項１記載の固体照明装置。
前記波長変換部材は、前記第１の面と前記第２の面との間に設けられた前記透明基板の側面を覆う反射膜をさらに有する請求項２記載の固体照明装置。
前記透明基板は、前記入射面と前記出射面とにそれぞれ交差する傾斜面または曲面をさらに有し、
前記入射面と前記出射面とは、隣接する請求項１記載の固体照明装置。
前記波長変換部材は、前記傾斜面または前記曲面に設けられた反射膜をさらに有する請求項４記載の固体照明装置。
入射した前記励起光を所定の角度に広げて前記フィルタ膜に向けて放出する出射面を有する光拡散部をさらに具備した請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
前記光源部は、前記励起光を前記拡散部の内部に導入する光ファイバを有し、
前記光拡散部は、前記光ファイバの一方の端部が介挿される凹部が設けられた透光性アルミナセラミックス材と、前記凹部と前記光拡散部の前記出射面とを除く前記透光性アルミナセラミックスの外表面を覆う反射膜と、を有する請求項６記載の固体照明装置。
第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、を有する透明基板と、
前記第１の面に設けられ、第１の波長を有する第１の光を透過し、前記第１の波長よりも長い波長の光を反射する第１フィルタ膜と、
前記第２の面に設けられ、前記第１の光の一部を吸収し前記第１の波長よりも長い第２の波長を有する第２の光を放出する第１蛍光体層と、
前記第１蛍光体層の上に設けられ、前記第１および第２の光を透過し、前記第１の波長よりも長くかつ前記第２の波長よりも短い第３の波長の光を反射する第２フィルタ膜と、
前記第２フィルタ膜の上に設けられ、前記第１の光の他の一部を吸収し前記第３の波長を有する第３の光を放出する第２蛍光体層と、
を具備し、
前記第２蛍光体層から放出された前記第３の光のうち前記第２フィルタ膜に向かう一部は、前記第２フィルタ膜により反射される、波長変換部材。
第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、側面と、を有し、セラミックスからなる透明基板と、
前記第２の面に設けられ、第１の光の一部を吸収し、前記第１の光の波長よりも長い波長の第２の光を放出する蛍光体層と、
前記第１の面の中央部に設けられ、前記第１の光を透過可能な第１フィルタ膜と、
前記第１の面のうち前記中央部の外側を囲む外周部と、前記側面と、に設けられ、前記第１および第２の光を反射可能な第２フィルタ膜と、
を具備した波長変換部材。