JP2019096689A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点光源とするためにＬＥＤと板状の蛍光体とを近接させたとき、発光効率の向上がはっきり確認できる発光装置を提供する。【解決手段】発光装置１０ｇは、ＬＥＤ１２と、ＬＥＤ１２の発光面に近接して配置される板状の蛍光体１１とを備える。ＬＥＤ１２は、青色発光ＬＥＤである。蛍光体１１は、透明な単結晶蛍光体であり、蛍光体１１の側面は鏡面となっている。蛍光体１１で波長変換され、蛍光体１１の内部を伝搬し続けるようなった光の短波長成分は、蛍光体を再励起し、この励起による発光が発光効率向上に寄与する。【選択図】図１

Description

本発明は、板状の蛍光体を用いてＬＥＤの発光を波長変換する発光装置に関する。

赤色光、緑色光、青色光の平行光を使ってスクリーン上に画像を投影するプロジェクターでは、光源としてＬＥＤを備えた発光装置を使用することがある。この発光装置は、青色ＬＥＤの青色発光を蛍光体により波長変換し、赤色光及び緑色光を得ることがある。また、平行光を得るためには光源が点状（以下「点光源」という）でなければならないので、青色ＬＥＤや蛍光体を含む発光装置は、レンズなど他の光学部品に比べ著しく小型でなければならない。

このような事情があるため、青色ＬＥＤと蛍光体を使用する発光装置では、青色ＬＥＤに蛍光体を近接させざるを得なくなる。ところが、青色ＬＥＤと蛍光体が近接し、青色ＬＥＤを発した光線が蛍光体の小さな領域に集中すると、蛍光体の自己発熱により発光効率が低下してしまう。このため、プロジェクター用の発光装置では、粒状の蛍光体を樹脂からなるバインダーで連結させた蛍光体より、熱伝導性の良い蛍光体粒子を板状に焼結させた蛍光体や単結晶で板状の蛍光体が広く採用されるようになってきた。

特許文献１には、透明で板状の蛍光体の側面を反射部材で覆い、側面から外部に出射しようとする光線を蛍光体に戻し、発光効率を向上させようとする蛍光光源装置（発光装置）が記載されている。なお、特許文献１では、光源として主にレーザー発光を用いて説明しているが、光源にＬＥＤも適用できる旨が記載されている。

特開２０１４−１９４８９５（図３）

しかしながら、本願発明者は、特許文献１に示されたように板状の蛍光体の側面に反射部材を配してみたが、はっきりとした発光効率の向上が確認できなかった。

そこで、本発明のＬＥＤ発光装置は、これらの課題に鑑みて為されたものであり、点光源とするためＬＥＤと板状の蛍光体とを近接させたとき、発光効率の向上がはっきり確認できる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を解決するため、本発明の発光装置は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤの発光面に近接して配置される板状の蛍光体とを備える発光装置において、前記蛍光体は、側面が鏡面であることを特徴とする。

本発明の発光装置では、先ず、板状の蛍光体の一方の主面に入射するＬＥＤの発光の一部又は全部が波長変換される。次に、波長変換された光は、等方的に放射されるため、蛍光体の一方の主面と他方の主面の間で全反射を繰り返しながら、蛍光体の内部を伝搬する成分を発生する。この蛍光体の内部を伝搬する光は、鏡面となっている蛍光体の側面に達すると、一部が側面から蛍光体外に放射され、残りの一部が側面で全反射し再び蛍光体の内部を伝搬する。この伝搬を繰り返す光に含まれる比較的短い波長の成分は、蛍光体を再
励起する。最後に、この再励起による発光の一部が、他方の主面から出射し、発光装置の発光量増加に寄与する。

回路基板を備え、前記回路基板上に前記ＬＥＤがフリップチップ実装されるとともに、前記蛍光体と前記ＬＥＤとの間に透明接着剤が配されていても良い。

前記蛍光体の前記側面の外側に反射層が設けられていても良い。

以上のように、本発明の発光装置では、鏡面とした板状の蛍光体の側面で反射した光が蛍光体を再励起し、この蛍光体により発せられた光が発光装置の発光に加わるので、発光効率が向上する。

本発明の第１実施形態として示す発光装置の断面図である。 図１に示す発光装置に含まれる蛍光体の側面の写真である。 比較例として示す発光装置に含まれる蛍光体の側面の写真である。 図２に示す蛍光体の内部を伝搬する光線の説明図である。 図３に示す蛍光体の内部を伝搬する光線の説明図である。 図１及び比較例の発光装置の発光スペクトルを示すグラフである。 図１に示す発光装置を含むプロジェクターの構成の一例を示す概略図である。 本発明の第２実施形態として示す発光装置の断面図である。

以下、図１〜８を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態として示す発光装置１０ｇの断面図である。なお、符号に含まれる「ｇ」はプロジェクターの緑色光用光源であることを意味している。図１に示すように、発光装置１０ｇは、複数のＬＥＤ１２と、ＬＥＤ１２の発光面に近接して配置される板状の蛍光体１１とを備えている。蛍光体１１は、下面が平坦な入射面１１ｂ（一方の主面）、上面が平坦な出射面１１ｃ（他方の主面）であり、側面１１ａが鏡面となっている。ここで鏡面とは、大判の蛍光体（板）から蛍光体１１を切り出した状態の側面１１ａを、研磨剤などで平滑に加工処理し、鏡のように光沢のある表面に仕上げられたものである。さらに、発光装置１０ｇは、回路基板１５を備えている。回路基板１５上にはＬＥＤ１２がフリップチップ実装される。ＬＥＤ１２の発光面は、蛍光体１１の入射面１１ｂと透明接着剤１４で接着している。

図１では、３個のＬＥＤ１２が観察される。しかしながら、仕様に応じてＬＥＤ１２は、平面的に、２行２列、２行３列、３行３列というような配置をとっても良い。ＬＥＤ１２は、平面サイズが約０．６ｍｍ×０．６ｍｍ、厚さが約０．３ｍｍの青色発光ＬＥＤであり、ＧａＮ基板の下面に半導体層が形成されており、バンプ電極１３により回路基板１５と電気的及び機械的に接続されている。蛍光体１１は、厚さが約０．６ｍｍであり、ＬｕＡＧ（セリウムを付活したルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体）の単結晶体である。

図２は、発光装置１０ｇに含まれる蛍光体１１の側面１１ａの写真である。側面１１ａ
は、鏡面となるように手作業で磨かれたものであり、Ｒａが０．３１μｍ、Ｒｚ（ＰＶ値、Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ｖａｌｌｅｙ）が３．９μｍであった。図３は、比較例の発光装置に含まれる蛍光体２１の側面２１ａの写真である（比較例の発光装置の断面は、図１と同じであることから、その断面図を省略し、比較例の発光装置を「発光装置２０ｇ」という。符号「２０ｇ」は、図示されていない）。蛍光体２１は、ダイシングブレードで切断しただけの側面２１ａ（粗面）を備えている。側面２１ａは、Ｒａが０．２９μｍ、Ｒｚ（ＰＶ値）が８．５μｍであった。なお、蛍光体２１は、側面１１ａ、２１ａの違いを除いて蛍光体１１と同じものである。機械研磨面であれば、Ｒａを０．２３μｍ、Ｒｚ（ＰＶ値）を１．５μｍ程度にできる。Ｒａは、平均化が行われるので、粗面と鏡面の区別がつけられなかった。

図４は、図１に示した発光装置１０ｇに含まれる蛍光体１１の内部を伝搬する光線Ｌ１説明図である。光線Ｌ１は、入射面１１ｂと出射面１１ｃの間で全反射を繰り返しながら蛍光体１１の内部を伝搬し、側面１１ａで反射して、さらに全反射を繰り返しながら蛍光体１１の内部を伝搬する光線である。

光線Ｌ１についてさらに詳しく説明する。先ず、板状の蛍光体１１の入射面１１ｂ（一方の主面）にＬＥＤ１２（図１参照）の発光が入射し、この発光の一部が波長変換される。波長変換されなかったＬＥＤ１２に発光は、吸収や散乱がなければスネルの法則に従って出射面１１ｃから全て出射する（ＬＥＤ１２を発し、入射面で屈折してから直接的に側面１１ａに到達する光は無視する。以下同様）。すなわち、波長変換されなかったＬＥＤ１２の発光は、蛍光体１１の内部を伝搬する光線Ｌ１になり得ない。さらに、波長変換されなかったＬＥＤ１２の発光は、蛍光体１１を備えた発光装置１０ｇと、蛍光体２１を備えた発光装置２０ｇ（比較例）で差はなかった。つまり、波長変換されなかったＬＥＤ１２の発光は、側面１１ａの影響を受けるはずの光線Ｌ１ではないことが確認されている。

波長変換された光は、波長変換された場所から等方的に放射される。この等方的に放射された光の一部は、蛍光体１１の入射面１１ｂと出射面１１ｃの間で全反射を繰り返しながら、蛍光体１１の内部を伝搬する成分となる。この蛍光体１１の内部を伝搬する光は、蛍光体１１の側面１１ａに達すると、一部が側面１１ａで反射し、残りの一部が側面１１ａから蛍光体１１の外に放射される。この側面１１ａで反射した光は、再び蛍光体１１の内部を伝搬する。すなわち、この側面１１ａで反射した光が光線Ｌ１である。

光線Ｌ１のスペクトルは、比較的広い波長帯域を示す（図６参照）。この波長帯域のなかで比較的短い波長の成分（図６において５１５ｎｍ以下になる部分）は、蛍光体１１を励起することができる（以下、光線Ｌ１による励起を「再励起」という）。すなわち、光線Ｌ１のなかでこの比較的短い波長の成分は、蛍光体１１の内部を伝搬しているうちに蛍光体１１を再励起する。この再励起による発光は、等方的に放射されるので、一部が出射面から出射し、発光装置１０ｇの発光量増加に寄与する。

図５は、図３に示す比較例の発光装置２０ｇに含まれる蛍光体２１の内部を伝搬する光線Ｌ２の説明図である。光線Ｌ２は、入射面２１ｂと出射面２１ｃの間で全反射を繰り返しながら蛍光体２１の内部を伝搬し、側面２１ａで乱反射する光線である。

光線Ｌ２の発生過程は、光線Ｌ１と同じである。しかしながら、光線Ｌ２は、蛍光体２１の側目２１ａが粗面となっているため、側面２１ａで乱反射するところが光線Ｌ１と異なる。光線Ｌ２は、乱反射により、大部分が短い光路で蛍光体２１の外部に出射してしまうため、再励起を起こす確率が低い。このため、光線Ｌ２の比較的短い波長の成分は、光線Ｌ１の比較的短い波長の成分より多くなる一方で、視感度の高い領域（図６の５５５ｎｍ周辺）の成分は光線Ｌ２より少なくなる。この結果、発光装置２０ｇは、発光装置１０
ｇより発光効率が低くなる。なお、プロジェクターの緑色光源は、色再現性を高めるため最終的な発光スペクトルを５５５ｎｍ周辺の狭い帯域に制限する必要があり、これからも、発光装置２１ｇは発光装置１０ｇよりも有効性が低い。

以上の結果を図６に示す。図６は、発光装置１０ｇの発光スペクトル６１（実線）及び発光装置２０ｇ（比較例）の発光スペクトル６２（点線）を示している。図中、縦軸は強度（Ｗ／ｎｍ）、横軸は波長（ｎｍ）を示している。線分ＡＡ´より左側の波長領域では、発光装置２０ｇの発光スペクトル６２が発光装置１０ｇの発光スペクトル６１より高くなっている。反対に、線分ＡＡ´より右側の波長領域では、発光装置１０ｇの発光スペクトル６１が発光装置２０ｇの発光スペクトル６２より高くなっている。

このことは、線分ＡＡ´より左側の波長領域の光が蛍光体の再励起を誘発できることを示している。前述のように、プロジェクター用の光源である発光装置１０ｇ、２０ｇは、色再現性を高めるため最終的な発光スペクトルを狭帯域化するので、光路のなかでフィルターにより帯域が５５５ｎｍ周辺に絞りこまれる。つまり、発光装置２０ｇは、線分ＡＡ´より左側の波長領域で発光スペクトル６２が高くなっていても有効とはいえず、反対に、発光装置１０ｇは、線分ＡＡ´より右側の領域で発光スペクトル６１が高くなっているので有効であるといえる。

図７は、発光装置１０ｇを含むプロジェクター７０の構成の一例を示す概略図である。プロジェクター７０には、緑色発光する発光装置１０ｇの他に、赤色発光する発光装置１０ｒ、青色発光する発光装置１０ｂを備えている。発光装置１０ｒは、青色ＬＥＤとＣＡＳＮなど赤発光する蛍光体を組み合わせたものであり、発光装置１０ｂは、青色ＬＥＤの発光をそのまま使用するものである。各発光装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂの後側には反射鏡７１ｒ、７１ｇ、７１ｂが備えられている。反射鏡７１ｒ、７１ｇ、７１ｂは、発光装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂの発光を平行光にする。反射鏡７１ｒ、７１ｇ、７１ｂの前部には、赤画像、緑画像、青画像を表示する透過型の液晶パネル７３ｒ、７３ｇ、７３ｂが備えられている。液晶パネル７３ｒ、７３ｇ、７３ｂには色純度を上げるためのフィルターが組み込まれている。発光装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂの赤、緑、青色発光は、液晶パネル７３ｒ、７３ｇ、７３ｂを透過するとき変調され、ダイクロイックプリズム７４で合成されたのち、投影レンズ７５により図示していないスクリーン上で結像する。

なお、発光装置１０ｇは緑色発光用の光源であった。しかしながら、蛍光体の側面を鏡面にすることにより発光効率又は有効性を向上させられる発光装置は緑色用光源に限られない。例えば、発光装置１０ｒでも、蛍光体の発光スペクトルの中に当該蛍光体を再励起できる成分が存在するとき、蛍光体の側面を鏡面にすれば、再励起を利用して、発光装置１０ｇと同様に発光効率又は有効性を向上させられる。

（第２実施形態）
図８により本発明の第２実施形態として示す発光装置８０ｇについて説明する。図８は、発光装置８０ｇの断面図である。図８に示すように、発光装置８０ｇは、図１に示す発光装置１０ｇに対し、蛍光体１１の側面に金属からなる反射層８１が設けられている点のみ異なる。

発光装置８０ｇでは、全反射を繰り返しながら蛍光体１１の内部を伝搬する光（光線Ｌ１、図４参照）が蛍光体１１の側面１１ａで全て反射し、再び全反射を繰り返しながら蛍光体１１の内部を伝搬する。すなわち、発光装置１０ｇでは蛍光体１１の側面１１ａから外部に出射してしまう光が存在していたのに対し、発光装置８０ｇでは反射層８１があるため蛍光体１１の側面１１ａから外部に出射してしまう光が存在しない。この結果、発光装置８０ｇはより多くの再励起を誘発できるため、発光装置１０ｇよりも発光効率が高く
なる。

１０ｒ、１０ｇ、１０ｂ、２０ｇ、８０ｇ…発光装置、
１１、２１…蛍光体、
１１ａ、２１ａ…側面、
１１ｂ、２１ｂ…入射面、
１１ｃ、２１ｃ…出射面、
１２…ＬＥＤ、
１３…バンプ電極、
１４…透明接着剤、
１５…回路基板、
６１、６２…発光スペクトル、
７０…プロジェクター、
７１ｒ、７１ｇ、７１ｂ…反射鏡、
７３ｒ、７３ｇ、７３ｂ…液晶パネル、
７４…ダイクロイックプリズム、
７５…投影レンズ、
８１…反射層、
Ｌ１、Ｌ２…光線。

Claims (3)

1. ＬＥＤと、前記ＬＥＤの発光面に近接して配置される板状の蛍光体とを備える発光装置において、前記蛍光体は、側面が鏡面であることを特徴とする発光装置。
2. 回路基板を備え、前記回路基板上に前記ＬＥＤがフリップチップ実装されるとともに、前記蛍光体と前記ＬＥＤとの間に透明接着剤が配されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記蛍光体の前記側面の外側に反射層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。