JP2019220489A - 波長変換装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる波長変換装置等を提供する。【解決手段】紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源１１と、入射面に入射された光源１１からの光を波長変換する蛍光体層１３と、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に出射する光学部材１２とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換装置及び照明装置に関する。

レーザーなどの固体光源を用いた照明がある。このような照明では、固体光源が発する青色光を蛍光体に照射することで白色光を作り出す。蛍光体は、青色光の一部により励起された黄色光と透過した青色光の他部とを散乱させるので、これらが混色された白色光を作り出すことができる。

一方で、レーザーなどの固体光源は、指向性が強くエネルギー密度が高い。そのため、蛍光体に、固体光源の発する青色光が直接的に照射されたときには、蛍光体は、照射された領域で多くの熱が発生し高温となる。蛍光体は温度が高くなると波長変換効率が下がる温度消光特性を有するので、蛍光体の温度上昇を抑制する必要がある。

そこで、例えば特許文献１には、固体光源からの光を拡散させる拡散手段を蛍光体層上に形成する照明装置について開示されている。特許文献１によれば、拡散手段により、固体光源からの光のエネルギー分布を拡散させることで、蛍光体層へのエネルギー集中を防ぎ（熱負荷を軽減し）、蛍光体層の温度上昇を抑制することができる。

特開２０１２−１０４２６７号公報

しかしながら、上記の従来技術では、蛍光体層への熱負荷を軽減できるものの、固体光源からの光の一部が拡散により散乱ロスされてしまうという問題がある。つまり、上記の従来技術では、照明装置の高出力化を図るのが難しいという問題がある。

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたもので、蛍光体層への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる波長変換装置及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る波長変換装置は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源と、入射面に入射された前記光源からの光を波長変換する蛍光体層と、前記光源と前記蛍光体層との間に配置され、前記光源が発する光を分割かつ分離して、分割かつ分離した前記光を前記蛍光体層の前記入射面に直接入射させる光学部材とを備え、前記光学部材は、マイクロレンズアレイである。

本発明の一態様に係る波長変換装置では、蛍光体層への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる。

実施の形態における波長変換装置が用いられる照明装置の一例を示す図である。 実施の形態における波長変換装置の構成の一例を示す図である。 実施の形態における光学部材の構成の斜視図を示す図である。 図３Ａに示す回折型レンズアレイの上面図を示す図である。 図３ＡのＺ平面における光学部材の断面図を示す図である。 実施の形態における波長変換装置の動作を説明するための図である。 比較例の動作を説明するための図である。 実施の形態における波長変換装置のシミュレーションモデル図である。 一次回折効率と格子高さとの関係のシミュレーション結果を示す図である。 変形例における波長変換装置の構成の一例を示す図である。 変形例におけるマイクロレンズアレイの断面図である。 図９に示すマイクロレンズアレイの上面図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序等は、一例であって本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

（実施の形態）
［照明装置］
以下では、まず、本実施の形態における波長変換装置が用いられる応用製品として、照明装置を例に挙げて説明する。

図１は、本実施の形態における波長変換装置１が用いられる照明装置４の一例を示す図である。

図１に示される照明装置４は、例えば内視鏡やファイバースコープなどであり、波長変換装置１と、光ファイバ２と、灯具３とを備える。

光ファイバ２は、離れた場所に光を伝える伝送路である。光ファイバ２は、高屈折率のコアをコアより低屈折率のクラッド層が包んだ二重構造で構成される。コアおよびクラッド層はともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックからなる。

灯具３は、光ファイバ２を介して伝送された波長変換装置１からの光を、観察対象物に照射するために用いられる。灯具３は、例えば、ステンレス製のファイバカップリング、ステンレス製のフェルール、ガラス製のレンズ、アルミ製のホルダー、およびアルミ製の外郭で構成される。

波長変換装置１は、照明装置４においてはレーザーを用いた光源手段に該当し、光ファイバ２に光を入射する。以下、波長変換装置１の詳細について説明する。

［波長変換装置］
図２は、本実施の形態における波長変換装置１の構成の一例を示す図である。

波長変換装置１は、図２に示すように、光源１１と、光学部材１２と、蛍光体層１３とを備える。

（光源１１）
光源１１は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する。本実施の形態では、光源１１は、青色光を発するレーザーである。

（光学部材１２）
図３Ａは、本実施の形態における光学部材１２の構成の斜視図を示す図である。図３Ｂは、図３Ａに示す回折型レンズアレイ１２２の上面図を示す図である。図３Ｃは、図３ＡのＺ平面における光学部材１２の断面図を示す図である。

光学部材１２は、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に入射させる。光学部材１２は、分割かつ分離した光源１１が発する光を、蛍光体層１３の入射面の領域であって光源１１の光軸を中心とした光源１１が発する光の径よりも大きな領域に重ならずに入射させる。光学部材１２は、例えばマイクロレンズアレイの一例であり、例えば図３Ａに示すように、基材１２１と、回折型レンズアレイ１２２とを備える。

基材１２１は、マイクロレンズアレイの基材である。基材１２１上には、回折型レンズアレイ１２２が形成されている。

なお、基材１２１を形成する材料としては、例えば、ガラス、プラスチックなど任意のものを用いることができる。ここで、ガラスとしては、例えば、ソーダガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。また、プラスチックとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などを用いることができる。また、基材１２１の材料は、耐熱性を考慮して選ぶ必要がある。さらに、基材１２１は、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

回折型レンズアレイ１２２は、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に向けて出射する。回折型レンズアレイ１２２の、蛍光体層１３の入射面に垂直な面における断面形状は、鋸歯状である。また、回折型レンズアレイ１２２は、同一領域では鋸歯の並び方向が同じであり、異なる領域では鋸歯の並び方向がそれぞれ異なる複数の領域を有する。

本実施の形態では、回折型レンズアレイ１２２は、例えば図３Ａおよび図３Ｂに示すように並び方向がそれぞれ異なる３つの領域（領域１２１ａ、１２１ｂ、１２２ｃ）を有する例が示されている。図３Ａおよび図３Ｂでは、３つの領域（領域１２１ａ、１２１ｂ、１２２ｃ）それぞれの同一領域内では、直線状に並ぶレンズアレイが複数あり、複数のレンズアレイそれぞれの並び方向は同一である。ここで、光源１１の青色光の波長が例えば４６０ｎｍである場合、複数のレンズアレイの格子ピッチは、例えば５μｍであり、格子高さは１μｍである。また、図３ＡのＺ平面または図３ＢのＺ１における回折型レンズアレイ１２２の断面形状は、図３Ｃに示すように鋸歯状である。ここで、Ｚ平面は、上記の蛍光体層１３の入射面に垂直な面に該当する。図３Ｃでは、領域１２２ａにおける回折型レンズアレイ１２２の断面形状が示されているが、他の領域１２２ｂおよび領域１２２ｃも同様に、鋸歯状である。つまり、回折型レンズアレイ１２２は、いわゆるブレーズド回折格子に該当する。これにより、回折型レンズアレイ１２２は、一次回折効率を高くでき、光源１１が発する光のロス（光学ロス）を少なくすることができる。

また、回折型レンズアレイ１２２は、例えば図３Ｂの上面図に示されているように、３つの領域（領域１２２ａ、領域１２２ｂ、領域１２２ｃ）それぞれにおける鋸歯の並び方向が異なる。このように構成されることで、回折型レンズアレイ１２２は、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に入射させたときに、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。

なお、回折型レンズアレイ１２２の材料は、回折型レンズアレイ１２２の形成方法や耐熱性、屈折率によって選択される。回折型レンズアレイ１２２の形成方法としては、ナノインプリント、印刷、フォトリソ、ＥＢリソ、粒子配向などが挙げられる。回折型レンズアレイ１２２の材料は、回折型レンズアレイ１２２を、例えばナノインプリントや印刷により形成する場合、ＵＶ硬化樹脂としてエポキシ樹脂やアクリル樹脂など、熱可塑性樹脂としてポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などを選択すればよい。また、回折型レンズアレイ１２２の材料は、耐熱性を考慮して、ガラスや石英を選択し、フォトリソやＥＢリソにより回折型レンズアレイ１２２を形成してもよい。また、回折型レンズアレイ１２２は、基材１２１からの光が入射しやすいように基材１２１と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。さらに、回折型レンズアレイ１２２は、基材１２１と同様に、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

（蛍光体層１３）
蛍光体層１３は、光源１１が発する青色光から白色光を作り出し、作り出した白色光を光ファイバ２に入射する。

より具体的には、蛍光体層１３は、図２に示す下面（入射面）から入射された光の一部を波長変換する機能を有する。本実施の形態では、蛍光体層１３は、光源１１からの青色光が入射され、入射された青色光の一部により励起された黄色光を出射する。また、蛍光体層１３は、入射された青色光の他部を出射（透過）する。蛍光体層１３では、これら青色光および黄色光が混色されて出射されることになるので、蛍光体層１３は白色光を出射することになる。

蛍光体層１３は、図２に示すように例えば平板状に形成される。蛍光体層１３は、蛍光体を含み、当該蛍光体をシリコン、エポキシ等の樹脂で覆って形成される。なお、波長変換に伴う損失は熱に変わる。蛍光体層１３は温度が高くなると波長変換効率が下がる温度消光特性を有するため、蛍光体層１３の放熱は非常に重要である。ここでは特に図示しないが、蛍光体層１３は、例えばＡｌなどの高熱伝導率を持つ材料で形成された放熱プレートで支持されることが望ましい。また、蛍光体層１３を形成する樹脂に熱伝導率の高い材料、例えばZnO等の無機酸化物を混合することで放熱性を高めてもよい。また、蛍光体層
１３の入射面に微小構造を設け、蛍光体層１３に光が入射しやすいように、または入射面から放熱されやすいようにしてもよい。

［波長変換装置１の動作］
次に、以上のように構成される波長変換装置１の動作について説明する。

図４は、本実施の形態における波長変換装置１の動作を説明するための図である。図５は、比較例の動作を説明するための図である。

図４に示すように、本実施の形態における波長変換装置１は、光源１１と蛍光体層１３との間に配置された光学部材１２を備えることにより、光源１１が発する光１１ａを３つ（光１２ａ、光１２ｂ、光１２ｃ）に分割かつ分離して蛍光体層１３の入射面に向けて出射することができる。このようにして、光源１１の光１１ａのスポット径を大きく変えることなく光１２ａ、光１２ｂおよび光１２ｃに分割かつ分離して、蛍光体層１３に入射させることができる。また、蛍光体層１３では、入射面の異なる領域に、分割かつ分離された光（光１２ａ、光１２ｂ、光１２ｃ）が入射されていることから、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができているのがわかる。そして、蛍光体層１３は、入射面の異なる領域に、入射された光（光１２ａ、光１２ｂ、光１２ｃ）から、それぞれ白色光１３ｅを作りだすことができる。

このように、本実施の形態における波長変換装置１は、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぎ、蛍光体層１３の温度上昇を抑制することができるので、光源１１が発する光をロスすることなく蛍光体層１３に全量出射することができる。つまり、本実施の形態における波長変換装置１によれば、光源１１が発する光のエネルギーを大きくしても蛍光体層１３の温度上昇を抑制できるので、高出力化を図ることができる。

一方、図５に示す比較例では、本実施の形態の光学部材１２を備えない波長変換装置５０について示されている。

図５に示す比較例における波長変換装置５０では、光源１１が発する光１１ａが分割かつ分離されず、そのまま蛍光体層１３の入射面の一つの領域５２ａに向けて出射され、領域５２ａにおいて白色光５２ｂを作りだす。しかし、蛍光体層１３の一つの領域５２ａに、光１１ａのエネルギーが集中しているため、領域５２ａの温度上昇が抑制できない。つまり、比較例における波長変換装置５０を使用すればするほど、領域５２ａの温度が上昇し、波長変換効率が下がっていってしまうので、光１１ａのエネルギーを減らすために光源１１の出力を絞る必要が発生する。

［波長変換装置１の動作シミュレーション］
次に、本実施の形態の波長変換装置１の動作シミュレーションについて説明する。

図６は、本実施の形態における波長変換装置１のシミュレーションモデル図である。図７は、一次回折効率と格子高さとの関係のシミュレーション結果を示す図である。

図６には、本実施の形態の波長変換装置１の図４に示すｚ平面における断面のシミュレーションモデルが示されている。図６にシミュレーションモデルでは、光源１１と蛍光体層１３との距離を５．５ｍｍとし、領域１２２ａの回折型レンズアレイ１２２の格子ピッチを５μｍとし、光源１１の光１１ａが回折された光１２ａと光１１ａとの角度θ（回折角）を５．２ｄｅｇとした。そして、図６に示すシミュレーションモデルを用いて一次回折効率と格子高さと関係をシミュレーションした。その結果は図７に示されている。なお、光源１１の青色光の波長は４６０ｎｍとしている。また、一次回折効率は、入射光である光源１１の光１２ａのエネルギーのうち、回折光としてどの程度のエネルギーを取り出せるかを示す値である。

図７に示すように、格子高さが０．８μｍ〜１．１μｍの範囲で、一次回折効率は、８０％以上あり、格子高さが１．０μｍ付近では、一次回折効率は８８％である。これにより、回折型レンズアレイ１２２は、格子ピッチを５μｍかつ格子高さを１．０μｍで鋸歯状のレンズアレイが形成されることにより、一次回折効率が高くでき、光源１１が発する光のロス（光学ロス）が少なくすることができるのがわかる。

［効果等］
以上のように、本実施の形態の波長変換装置１によれば、光源１１と蛍光体層１３との間に光源１１より入射された光を回折により分離かつ分割する光学部材を備える。これにより、蛍光体層１３への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる。

より具体的には、本発明の一態様に係る波長変換装置は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源１１と、入射面に入射された光源１１からの光を波長変換する蛍光体層１３と、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に入射させる光学部材と１２を備える。

これにより、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に向けて出射しても、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。それにより、光源１１が発する光のエネルギーを大きくしても蛍光体層１３の温度上昇を抑制できるので、波長変換装置１の高出力化を図ることができる。

ここで、例えば、光学部材１２により分割かつ分離された光源１１が発する光は、入射面の領域であって光源１１の光軸を中心とした光源１１が発する光の径よりも大きな領域に重ならずに入射される。

また、例えば、光学部材１２は、マイクロレンズアレイである。

これにより、入射光を回折するマイクロレンズアレイにより光学ロスを少なくし高出力化できる。

ここで、例えば、マイクロレンズアレイ（回折型レンズアレイ１２２）の入射面に垂直な面における断面形状は、鋸歯状である。

これにより、回折型レンズアレイ１２２は、いわゆるブレーズド回折格子に相当するので、一次回折効率が高くでき、光源１１が発する光のロス（光学ロス）が少なくすることができ、波長変換装置１の高出力化を図ることができる。

また、例えば、マイクロレンズアレイ（回折型レンズアレイ１２２）は、同一領域では鋸歯の並び方向が同じであり、異なる領域では鋸歯の並び方向がそれぞれ異なる複数の領域を有する。ここで、例えば、複数の領域は、３つの領域である。

これにより、光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に向けて出射しても、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。それにより、光源１１が発する光のエネルギーを大きくしても蛍光体層１３の温度上昇を抑制できるので、波長変換装置１の高出力化を図ることができる。

（変形例）
なお、本発明の波長変換装置１の構成は、上記実施の形態で説明したものに限らない。蛍光体層１３上に、上述した回折型レンズアレイ１２２とは異なる回折型レンズアレイを有するマイクロレンズアレイをさらに備えるとしてもよい。以下、この場合の例を変形例として説明する。

図８は、本変形例における波長変換装置の構成の一例を示す図である。図９は、本変形例におけるマイクロレンズアレイ１４の断面図である。図１０は、図９に示すマイクロレンズアレイ１４の上面図である。図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

マイクロレンズアレイ１４は、基材１４１と回折型レンズアレイ１４２とを備える。

基材１４１は、マイクロレンズアレイ１４の基材であり、平板状に形成されている。本変形例では、基材１４１は、蛍光体層１３上に形成されている。基材１４１上には、回折型レンズアレイ１４２が形成される。

基材１４１を形成する材料としては、基材１２１と同様であるため詳細な説明は省略するが、基材１４１は、蛍光体層１３からの光が入射しやすいように蛍光体層１３と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。ここで、同程度の屈折率とは両者の屈折率差が±０．２以下であることを意味する。また、蛍光体層１３と基材１４１の間は、特に図示していないが、両者と同程度の屈折率を持つ接着層で接着されることが好ましい。接着層の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂などが挙げられる。また、基材１４１および接着層は、光の吸収が無く透明であることが好ましいく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

回折型レンズアレイ１４２は、蛍光体層１３で波長変換された光の一部と蛍光体層１３を透過した光の他部とを出射面から出射する。回折型レンズアレイ１４２の出射面には、図９に示すように、波長変換された光の一部と透過した光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられている。複数の回折レンズは、例えば図１０に示すように、出射面において同心円状に設けられている。本実施の形態では、出射面に垂直な面における回折レンズの断面は、鋸歯状であるとして説明するが、それに限らず、矩形状、三角形状または半球状でもよい。

また、複数の回折レンズは、蛍光体層１３で黄色光に波長変換された青色光の一部と蛍光体層１３を透過した青色光を回折させて、予め定めた領域である光ファイバ２の開口部に集光させるように設けられている。そのため、複数の回折レンズのピッチは、所定の区域（ゾーン）ごとに異なる。また、複数の回折レンズのピッチは、回折型レンズアレイ１４２の中心から周辺に向かって狭くなっている。

回折型レンズアレイ１４２の材料は、回折型レンズアレイ１２２と同様であるため詳細な説明は省略するが、回折型レンズアレイ１４２は、基材１４１からの光が入射しやすいように基材１４１と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。さらに、回折型レンズアレイ１４２は、基材１４１と同様に、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

なお、蛍光体層１３から回折型レンズアレイ１４２に光が入射しやすいように、蛍光体層１３に直接マイクロレンズアレイ１４を形成（一体的に形成）してもよい。この場合、蛍光体層１３を構成する樹脂によってマイクロレンズアレイ１４を形成してもよいし、蛍光体層１３と同程度の屈折率を持つ材料で形成してもよい。

（他の実施の形態等）
上述した実施の形態は一例にすぎず、各種の変更、付加、省略等が可能であることは言うまでもない。

また、上述した実施の形態で示した構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明の範囲に含まれる。その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

例えば、上記実施の形態における波長変換装置１を用いた照明装置も本発明に含まれる。上記実施の形態における波長変換装置１を照明装置に用いることでLED光源を用いた照
明装置よりも小型化できる。

なお、上記実施の形態および変形例では、回折型レンズアレイ１２２は、例えば図３Ａおよび図３Ｂに示すように並び方向がそれぞれ異なる３つの領域（領域１２１ａ、１２１ｂ、１２２ｃ）を有するとして説明したが、これに限らない。光源１１が発する光を分割かつ分離して、蛍光体層１３の入射面に向けて出射しても、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができるのであれば、２つの領域でも４つの領域でもよい任意の数でよいのはいうまでもない。

また、回折型レンズアレイ１２２の大きさは、光源１１の光のスポット径よりも大きければよく、光源１１が発する光の光束を変化させないことを条件に任意の値を取ることができる。

１１ 光源
１２ 光学部材
１３ 蛍光体層

Claims (6)

1. 紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源と、
   入射面に入射された前記光源からの光を波長変換する蛍光体層と、
   前記光源と前記蛍光体層との間に配置され、前記光源が発する光を分割かつ分離して、分割かつ分離した前記光を前記蛍光体層の前記入射面に直接入射させる光学部材とを備え、
   前記光学部材は、マイクロレンズアレイである、
   波長変換装置。
2. 前記光学部材により分割かつ分離された前記光源が発する光は、前記入射面の領域であって前記光源の光軸を中心とした前記光源が発する光の径よりも大きな領域に重ならずに入射される、
   請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記マイクロレンズアレイの前記入射面に垂直な面における断面形状は、鋸歯状である、
   請求項１に記載の波長変換装置。
4. 前記マイクロレンズアレイは、同一領域では鋸歯の並び方向が同じであり、異なる領域では鋸歯の並び方向がそれぞれ異なる複数の領域を有する、
   請求項３に記載の波長変換装置。
5. 前記複数の領域は、３つの領域である、
   請求項４に記載の波長変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長変換装置を用いた、照明装置。

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