JP2017219817A

JP2017219817A - 光学部品

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Publication number: JP2017219817A
Application number: JP2016116619A
Authority: JP
Inventors: 柴田　和義; Kazuyoshi Shibata; 和義柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-12-14

Abstract

【課題】光の拡散性を重視しながらも、出射光の光束を向上することができる光学部品を提供する。【解決手段】光源１８からの励起光２０を波長変換して、励起光２０とは異なった発光色を得る光学部品１０であって、透光性と光拡散性を有するセラミック基板１２と、セラミック基板１２に設けられたダイクロイック膜１４及び蛍光体層１６とを少なくとも構成要因として有しており、これら構成要因に対して、光源１８からの励起光２０が必ずダイクロイック膜１４から入射するように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの励起光を波長変換して、前記励起光とは異なった発光色を得る光学部品に関する。

従来、例えば特許文献１には、光源の光の色（波長）を変換する光変換部材についての記載がある。この光変換部材は、セラミック板と、セラミック板の一主面に形成された蛍光体層とを有する。

国際公開第２０１２／０５３１３４号

ところで、セラミック板（透光性基板）と蛍光体層より構成される、いわゆるリモートフォスファー技術において、発光色、すなわち、出射光の光束を上げるには、光学部品の透過率（入射光の光束に対する透過光の光束の比）を上げるために、透光性基板の種類を変更したり、透光性基板の厚みを薄くしたり、透光性基板の表面を鏡面研磨する、透光性基板を構成する結晶粒子の粒子径を大きくすること等、種々の方策が考えられる。

しかし、透過率の向上は改良前に比較して、透光性基板の光拡散性が低下する傾向となる。すなわち、透過率を向上させると光の直進性が強くなり、光の拡がり、すなわち、拡散性が低下する傾向となる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、光の拡散性を重視しながらも、出射光の光束を向上することができる光学部品を提供することを目的とする。

［１］本発明に係る光学部品は、光源からの励起光を波長変換して、前記励起光とは異なった発光色を得る光学部品であって、透光性と光拡散性を有するセラミック基板と、前記セラミック基板に設けられたダイクロイック膜及び蛍光体層とを少なくとも構成要因として有しており、これらの構成要因に対して、前記光源からの前記励起光が必ず前記ダイクロイック膜から入射するように配置されていることを特徴とする。

［２］本発明において、前記ダイクロイック膜、前記セラミック基板及び前記蛍光体層の順番で相互に接して積層されていることが好ましい。

［３］本発明において、前記ダイクロイック膜、前記蛍光体層及び前記セラミック基板の順番で相互に接して積層されていることが好ましい。

［４］本発明において、前記セラミック基板は、該セラミック基板を構成する結晶粒子の平均粒子径が１０μｍ以下であることが好ましい。

［５］本発明において、前記セラミック基板の厚みが２ｍｍ以下であることが好ましい。

［６］本発明において、前記セラミック基板の表面が焼成面（Ａｓ−Ｆｉｒｅｄ面）であることが好ましい。

本発明に係る光学部品によれば、光の拡散性を重視しながらも、出射光の光束を向上することができる。

図１Ａは第１光学部品の構成を示す断面図であり、図１Ｂは第２光学部品の構成を示す断面図である。図２Ａは第１実験例（透過率）で使用したサンプル１及び３の構成を示す断面図であり、図２Ｂはサンプル２及び４の構成を示す断面図である。図３はサンプル１及び２の測定結果を示す特性図である。図４はサンプル３及び４の測定結果を示す特性図である。第２実験例（ダイクロイック膜の透過特性）の計算方法を示す説明図である。図６Ａは入射角が０度及び１０度の計算結果を示す特性図であり、図６Ｂは入射角が２０度及び３０度の計算結果を示す特性図である。第３実験例（ダイクロイック膜の反射特性）の計算方法を示す説明図である。図８Ａは入射角が０度及び１０度の計算結果を示す特性図であり、図８Ｂは入射角が２０度及び３０度の計算結果を示す特性図である。入射角が４０度及び５０度の計算結果を示す特性図である。第４実験例（ダイクロイック膜の表面粗さによる前方透過率の影響）で使用したサンプル１１〜１４の構成を示す断面図である。第４実験例の測定結果を示す特性図である。図１２Ａは比較例１の構成を示す断面図であり、図１２Ｂは参考例１の構成を示す断面図である。

以下、本発明に係る光学部品の実施の形態例を図１Ａ〜図１２Ｂを参照しながら説明する。なお、本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係る光学部品１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、透光性と光拡散性を有するセラミック基板１２と、該セラミック基板１２に設けられたダイクロイック膜１４及び蛍光体層１６とを有し、光源１８からの励起光２０を波長変換して、励起光２０とは異なった発光色の出射光２２を得る。特に、この光学部品１０は、光源１８からの励起光２０がこの構成要因では必ずダイクロイック膜１４から入射するように配置されている。

具体的には、第１光学部品１０Ａは、図１Ａに示すように、光源１８側からダイクロイック膜１４、セラミック基板１２及び蛍光体層１６の順番で相互に接して積層されている。第２光学部品１０Ｂは、光源１８側からダイクロイック膜１４、蛍光体層１６及びセラミック基板１２の順番で相互に接して積層されている。

セラミック基板１２は、主成分が例えばアルミナである透光性基板であって、且つ、セラミック基板１２を構成する結晶粒子の以下で定義される平均粒子径が１０μｍ以下であり、さらに好ましくは５μｍ以下である。

セラミック基板１２は、光源１８側の面（一主面１２ａ）と該一主面１２ａと対向する他主面１２ｂとを有する平板形状を有することが好ましい。セラミック基板１２の厚さは、例えば０．０５〜２ｍｍであり、面積は、四角相当の場合０．１ｍｍ×０．１ｍｍ以上程度であり、強度確保のため、面積が大きいほど厚さを大きくすることが好ましい。

なお、セラミック基板１２は、平板形状を有するものに限定されるものではない。セラミック基板１２は、例えば両主面、一主面１２ａあるいは他主面１２ｂに三次元的な形状を有してもよい。このような形状として、例えば曲面形状(凹凸レンズ状)又はその集合体が用いられてもよい。また、放熱を目的に、セラミック基板１２に、冷却フィンの形状が設けられたり、孔部又は突起部が設けられてもよい。

セラミック基板１２は、直線透過率（試料を測定器である積分球の入射口から１００ｍｍ離して配置して測定した透過率）が１％程度以上であることが好ましく、５％程度以上であることがより好ましい。また、前方透過率（試料を測定器である積分球の入射口に直接当てて測定した透過率）が１０％程度以上であることが好ましい。ここで拡散性を、以下のように定義する。
拡散性＝１−直線透過率／前方透過率

拡散性として０．０５以上であることが好ましい。拡散性をアップすることにより、セラミック基板１２からの透過光径が入射光径よりも広がるので広範囲に照射される効果が得られる、また、セラミック基板１２を通過した励起光２０（＝透過光）を蛍光体層１６に照射する場合、透過光が蛍光体層１６中の蛍光体粒子に効率よく照射されるので出射光２２の光束がアップする効果が得られる。

セラミック基板１２は、内部にごく少量、例えば体積で１〜１０００ｐｐｍの気孔を含有することが好ましい。気孔は、光の透光性に対して悪影響があるが、少量の気孔は、セラミック基板１２内での光の拡散性を向上させる。透光性セラミック材料の種類は、特に限定されず、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、スピネル、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＹＡＧ、Ｓｉ₃Ｎ₄、石英、サファイア、ＡｌＯＮ、硬質ガラス（例えばパイレックス（登録商標））等が挙げられるが、このうち主成分としてアルミナを含有する透光性アルミナが好ましい。具体的には、アルミナを９０％以上含有することが好ましく、９９％以上含有することがより好ましい。この場合、セラミック基板１２の屈折率は、例えば１．７３以上１．７７以下程度、熱膨張係数は、例えば７×１０^-6／Ｋ程度である。透光性アルミナの結晶の平均粒子径は１０μｍ以下であり、さらに好ましくは５μｍ以下が好ましい。平均粒子径の測定は、例えば次のように行われる。試料の任意の箇所が光学顕微鏡によって２００倍の倍率で観察される。観察された像において、０．７ｍｍの線分上に位置する結晶数Ｎが数えられる。この場合、平均粒子径は、
０．７×（４／π）／Ｎ
によって算出され得る。

ダイクロイック膜１４は、特定の波長の光（例えば励起光２０）を透過（通過）し、その他の波長の光（例えば波長変換後の光や混色光）を反射する鏡の一種で、通常は誘電体の多層膜等の薄膜をコーティングさせて形成する。

すなわち、ダイクロイック膜１４は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された構造を有する。高屈折率層の材質としては、ＴｉＯ₂（屈折率＝２．２〜２．５）やＴａ₂Ｏ₃（屈折率＝２．０〜２．３）等が挙げられ、低屈折率層の材質としては、ＳｉＯ₂（屈折率＝１．４５〜１．４７）やＭｇＦ₂（屈折率＝１．３８）等が挙げられる。また、ダイクロイック膜１４の層数は、高屈折率層と低屈折率層とでそれぞれ５〜１００層であり、膜厚は、１層につき、５０〜５００ｎｍである。このようにすることで、透過波長領域と反射波長領域とを任意に設計することが可能となる。

ここで、４つの実験例（第１実験例〜第４実験例）を示す。
＜第１実験例＞
第１実験例は、サンプル１〜４について、それぞれ透過率を確認した実験である。

サンプル１は、図２Ａに示すように、セラミック基板１２の光源１８側の面（一主面１２ａ）にダイクロイック膜１４を形成した。サンプル２は、図２Ｂに示すように、セラミック基板１２の他主面１２ｂにダイクロイック膜１４を形成した。サンプル１及び２は、セラミック基板１２を構成する結晶粒子の平均粒子径が２０μｍである。ダイクロイック膜１４の透過波長領域の主たる波長範囲は３５０〜５２５ｎｍである。なお、蛍光体層１６は形成していない。

サンプル３は、サンプル１と同様に、セラミック基板１２の光源１８側の面（一主面１２ａ）にダイクロイック膜１４を形成した。サンプル４は、サンプル２と同様に、セラミック基板１２の他主面１２ｂにダイクロイック膜１４を形成した。サンプル３及び４は、サンプル１及び２とは異なり、セラミック基板１２を構成する結晶粒子の平均粒子径が３μｍである。

そして、サンプル１〜４について、それぞれ光源１８から入射光２６を照射し、サンプル１〜４からの透過光２８を積分球に入射して、入射光２６の波長に対する透過率を測定した。その結果を図３及び図４に示す。図３において、サンプル１の測定結果を実線Ｌ１、サンプル２の測定結果を破線Ｌ２で示す。同様に、図４において、サンプル３の測定結果を実線Ｌ３、サンプル４の測定結果を破線Ｌ４で示す。

この第１実験例の結果から、平均粒子径が２０μｍのサンプル１及び２は、透過率（ピーク値）が共に８０％で、両者の透過率曲線はほとんど変わらなかった。一方、平均粒子径が３μｍのサンプル４は、透過率（ピーク）が４５％、サンプル３では、５５％となり、配置の順序が光源１８／ダイクロイック膜１４／セラミック基板１２の場合と、配置の順序が光源１８／セラミック基板１２／ダイクロイック膜１４の場合とで異なる透過率曲線となった。

＜第２実験例＞
第２実験例は、ダイクロイック膜１４の透過特性を確認した。図５に示すように、ダイクロイック膜１４の一主面１４ａ側の第１媒質２４ａの屈折率を１．７５、ダイクロイック膜１４の他主面１４ｂ側の第２媒質２４ｂの屈折率を１．５２とした。そして、ダイクロイック膜１４の一主面１４ａに対して入射光２６を入射させ、ダイクロイック膜１４に対する入射光２６の入射角を０度、１０度、２０度及び３０度としたときの透過光２８の透過率を計算した。その結果を図６Ａ及び図６Ｂに示す。図６Ａにおいて、０度の結果を実線Ｔ０、１０度の結果を破線Ｔ１０で示す。同様に、図６Ｂにおいて、２０度の結果を実線Ｔ２０、３０度の結果を破線Ｔ３０で示す。

この第２実験例の結果から、入射角が０度〜２０度ではほとんど透過特性に変化はないが、入射角が３０度において透過特性が劣化していることがわかる。

＜第３実験例＞
第３実験例は、ダイクロイック膜１４の反射特性を確認した。図７に示すように、ダイクロイック膜１４の一主面１４ａ側の第１媒質２４ａの屈折率を１．７５、ダイクロイック膜１４の他主面１４ｂ側の第２媒質２４ｂの屈折率を１．５２とした。そして、ダイクロイック膜１４の他主面１４ｂに対して入射光２６を入射させ、入射光２６の入射角を０度、１０度、２０度、３０度、４０度及び５０度としたときの反射光３０の反射率を計算した。その結果を図８Ａ〜図９に示す。図８Ａにおいて、０度の結果を実線Ｒ０、１０度の結果を破線Ｒ１０で示す。同様に、図８Ｂにおいて、２０度の結果を実線Ｒ２０、３０度の結果を破線Ｒ３０で示す。図９において、４０度の結果を実線Ｒ４０、５０度の結果を破線Ｒ５０で示す。

この第３実験例の結果から、入射角が０度〜４０度ではほとんど反射特性に変化はないが、入射角が５０度において反射特性が劣化していることがわかる。

＜第４実験例＞
第４実験例は、サンプル１１〜１４について、それぞれダイクロイック膜１４の表面粗さ（セラミック基板１２の表面粗さ）による前方透過率の影響を確認した。

サンプル１１〜１４は、図１０に示すように、セラミック基板１２の他主面１２ｂ（光源１８側とは反対の面）にダイクロイック膜１４を形成した。また、サンプル１１〜１４に使用する各セラミック基板１２の表面粗さは、サンプル１１が最も粗く、サンプル１４が鏡面に近い状態である。つまり、表面粗さが粗い順に、サンプル１１＞サンプル１２＞サンプル１３＞サンプル１４となっている。

そして、サンプル１１〜１４について、それぞれ光源１８から入射光２６を照射し、サンプル１１〜１４からの透過光２８を積分球に入射して、入射光２６の波長に対する前方透過率を測定した。その結果を図１１に示す。図１１において、サンプル１１、１２、１３及び１４の測定結果を実線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３及びＬ１４で示す。なお、青色レーザの波長４５０ｎｍを一点鎖線Ｋａで示し、青色レーザダイオードの波長４６０ｎｍを二点鎖線Ｋｂで示す。

この第４実験例の結果から、入射光２６の透過波長領域Ｚａでは、ダイクロイック膜１４が形成されるセラミック基板１２の表面粗さによって前方透過率が大きく変化しているが、反射波長領域Ｚｂでは、前方透過率は上述のセラミック基板１２の表面粗さによってほとんど変化していないことがわかる。つまり、ダイクロイック膜１４におけるセラミック基板１２の表面粗さの影響は、透過波長領域Ｚａの方が、反射波長領域Ｚｂよりも影響を受けやすいことがわかる。

＜考察＞
先ず、第１実験例から、セラミック基板１２において光の拡散性を重視した場合、透過率が大きく低下することが判明した。これは、セラミック基板１２を構成する結晶粒子の平均粒子径が小さくなる、すなわち、光の拡散性が大きくなると、セラミック基板１２に垂直に入射した入射光２６が結晶粒界において屈折し、その結果、ダイクロイック膜１４に対する入射角度が大きくなり、透過率が低下したものと考えられる。特に、第２実験例からもわかるように、入射角が３０度において透過特性が劣化しており、ダイクロイック膜１４の透過率の変化は、入射角依存性が大きい。すなわち、平均粒子径が大きい場合は、ダイクロイック膜１４とセラミック基板１２の位置関係が光学特性に影響する度合いが小さい。しかし、平均粒子径が小さくなると、そのダイクロイック膜１４とセラミック基板１２の位置関係が光学特性に大きく影響し、セラミック基板１２を通過することにより光の角度分布が広がることになる。その結果、平均粒子径の小さなセラミック基板１２を通過した後の光は、ダイクロイック膜１４を通過し難くなる。

このことから、本実施の形態に係る光学部品１０では、ダイクロイック膜１４をセラミック基板１２の光源１８側の面（一主面１２ａ）に形成するようにしたので、励起光２０はダイクロイック膜１４に対し、ほぼ垂直に入射し、ダイクロイック膜１４による透過率の劣化を抑制し、且つ、セラミック基板１２の平均粒子径が小さいことによる拡散性を大きくすることができる。これに対して、上述した第３実験例にも示すように、ダイクロイック膜１４の反射率の変化は、入射角依存性が小さいことから、反射率の低下も抑えることができるので、平均粒子径の小さなセラミック基板１２を通過した後の光であっても、ダイクロイック膜１４によって効率よく反射されることになる。

なお、第４実験例の結果から、セラミック基板１２の表面を焼成面（Ａｓ−Ｆｉｒｅｄ面）にしても反射波長領域Ｚｂでは実線Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４と同様な結果が得られる。これにより、セラミック基板１２の表面をさらに研磨加工を施す必要がなくなり、製造工程の簡略化、コストの低減化を図ることができる。上述の効果は、光源１８、ダイクロイック膜１４、セラミック基板１２の位置関係がポイントであるので、図１Ｂに示す第２光学部品１０Ｂについても同様な効果が得られる。

実施例１、２、比較例１及び参考例１について、蛍光体発光特性を確認した。

（実施例１）
特開２００１−３３５３７１号公報記載のゲルキャスト法にて成形を行い、純度９９．９８％、平均結晶粒径３μｍ、外寸３０×３０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの透光性アルミナ基板、すなわち、セラミック基板１２を作製した。

そして、図１Ａに示すように、セラミック基板１２の一主面１２ａ（光源１８側の面）に、厚み３μｍのダイクロイック膜１４を形成し、セラミック基板１２の一主面１２ａと反対側の面（他主面１２ｂ）に厚み５０μｍの蛍光体層１６を形成した。

（実施例２）
図１Ｂに示すように、セラミック基板１２の一主面１２ａ（光源１８側の面）に、厚み５０μｍの蛍光体層１６を形成し、該蛍光体層１６の光源１８側の面に厚み３μｍのダイクロイック膜１４を形成した。

（比較例１）
図１２Ａに示すように、セラミック基板１２の他主面１２ｂに、厚み３μｍのダイクロイック膜１４を形成し、該ダイクロイック膜１４の他主面に厚み５０μｍの蛍光体層１６を形成した。

（参考例１）
図１２Ｂに示すように、セラミック基板１２の他主面１２ｂに、厚み５０μｍの蛍光体層１６を形成した。

＜蛍光体発光特性の評価＞
励起光波長４４０〜４８０ｎｍに対する参考例１の蛍光体発光特性、すなわち、出射光の光束（出射光波長４８０〜７８０ｎｍ）を１として、実施例１、２及び比較例１を相対評価した。蛍光体発光特性の評価結果（出射光の光束比率）を、下記表１に示す。

表１から、比較例１は、蛍光体発光特性が参考例１よりも低く、０．８であった。これは、＜考察＞の欄でも述べたように、セラミック基板１２を構成する結晶粒子の平均粒子径を３μｍに小さくして、光の拡散性を重視すると、セラミック基板１２に垂直に入射した励起光２０が結晶粒界において屈折し、その結果、ダイクロイック膜１４に対する入射角度が大きくなり、透過率が低下したことにより、発光特性が小さくなったものと考えられる。

これに対して、実施例１及び２は、評価結果がいずれも２で、参考例１の約２倍で非常に高かった。これは、ダイクロイック膜１４をセラミック基板１２の光源１８側の面（一主面１２ａ）に形成するようにしたので、以下のような理由によるものと考えられる。
（１）励起光２０はほぼ垂直に入射し、ダイクロイック膜１４による透過率の劣化を抑制し、光の拡散性を維持した上で、蛍光体層１６への励起光２０の量を参考例１と同程度にすることができたものと考えられる。
（２）蛍光体層１６からの反射光についても、入射角依存性が小さいことから、ダイクロイック膜１４での反射率の低下が抑えられたものと考えられる。
（３）参考例１では、蛍光体層１６からセラミック基板１２に向かう出射光がそのまま光源１８側に散逸していたが、実施例１及び２では、蛍光体層１６からセラミック基板１２に向かう出射光がダイクロイック膜１４にて反射し、この反射光が蛍光体層１６からの出射光に重畳されたものと考えらえる。

なお、本発明に係る光学部品は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…光学部品１０Ａ…第１光学部品
１０Ｂ…第２光学部品１２…セラミック基板
１２ａ…一主面１２ｂ…他主面
１４…ダイクロイック膜１６…蛍光体層
１８…光源２０…励起光
２２…出射光２６…入射光

Claims

光源からの励起光を波長変換して、前記励起光とは異なった発光色を得る光学部品であって、
透光性と光拡散性を有するセラミック基板と、
前記セラミック基板に設けられたダイクロイック膜及び蛍光体層とを少なくとも構成要因として有しており、
これら構成要因に対して、前記光源からの前記励起光が必ず前記ダイクロイック膜から入射するように配置されていることを特徴とする光学部品。
請求項１記載の光学部品において、
前記ダイクロイック膜、前記セラミック基板及び前記蛍光体層の順番で相互に接して積層されていることを特徴とする光学部品。
請求項１記載の光学部品において、
前記ダイクロイック膜、前記蛍光体層及び前記セラミック基板の順番で相互に接して積層されていることを特徴とする光学部品。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記セラミック基板は、該セラミック基板を構成する結晶粒子の平均粒子径が１０μｍ以下であることを特徴とする光学部品。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記セラミック基板の厚みが２ｍｍ以下であることを特徴とする光学部品。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学部品において、
前記セラミック基板の表面が焼成面（Ａｓ−Ｆｉｒｅｄ面）であることを特徴とする光学部品。