JP2022022480A - 光学素子、蛍光ホイール、光源装置、車両用前照灯具、および投影装置 - Google Patents

光学素子、蛍光ホイール、光源装置、車両用前照灯具、および投影装置 Download PDF

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Abstract

【課題】蛍光発光強度および耐久性の向上を実現する。【解決手段】光学素子は、蛍光体層(35)を備え、蛍光体層(35)は、第１のバインダ(31a)と、当該バインダ内に分散した蛍光体粒子(32)と、当該バインダ内に分散した第１の散乱粒子(33)とを含み、蛍光体粒子(32)は、励起されて蛍光を発光し、第１の散乱粒子(33)は中実の粒子からなり、散乱に関して波長依存性を備え、励起光(14)の一部が、第１の散乱粒子(33)を透過し、蛍光の一部が、第１の散乱粒子(33)によって反射される。【選択図】図２

Description

本発明は、蛍光ホイール、光源装置、車両用前照灯具、並びに、投影装置に用いる光学素子に関する。
青色レーザなどの励起光を蛍光体に照射した際に、蛍光体が蛍光を発光させることが従来技術として知られている。例えば、特許文献１には、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子からの光を波長変換する波長変換部材と、波長変換部材からの光を制御するレンズと、を備える光学装置が記載されている。特許文献１に記載の波長変換部材は、複数の蛍光体粒子と、外殻が透光性部材でありその内部に中空領域を有する複数の中空体と、複数の蛍光体粒子および複数の中空体を保持する保持体と、を有する。
特開２０１５－１７０９号公報
しかしながら、上述のような従来技術は、励起光の一部が蛍光体層の表面付近の中空体によって散乱され、蛍光体への入射が妨げられることによって、蛍光発光強度が低下するという問題がある。
本発明の一態様は、蛍光発光強度および耐久性の向上を実現することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学素子は、下位層に面するように配置された蛍光体層を備え、前記蛍光体層は、第１のバインダと、前記第１のバインダ内に分散した蛍光体粒子と、前記第１のバインダ内に分散した第１の散乱粒子と、を含み、前記蛍光体粒子は、光源から出射した励起光によって励起されて蛍光を発光し、前記第１の散乱粒子は中実の粒子からなり、散乱に関して波長依存性を備え、前記励起光の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子を透過し、前記蛍光の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子によって反射される。
本発明の一態様によれば、蛍光発光強度および耐久性の向上に資することができる。
従来技術に係る光学素子を示す概略図である。 本発明の実施形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。 従来技術に係る光学素子を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る光学素子の蛍光体層に含まれる第１の散乱粒子の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３に係る蛍光ホイールの構成を示す平面図である。（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る蛍光ホイールの構成を示す側面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の構成を示す概略図である。（ｂ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の光源モジュールの構成を示す側面図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態５に係る光源装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態６に係る投影装置の構成を示す概略図である。
図１に一般的な光学素子１０の構成を示す。基板１１の上に蛍光体層１２が堆積された構成が一般的である。反射型の光学系では、蛍光体層１２に光源１３から発した励起光１４が照射し、蛍光体層１２は蛍光発光する。蛍光体層１２は、一般的に蛍光体粒子と有機バインダとから構成される。有機バインダは、密着性が高いものの、熱伝導率が低いため、青色レーザなどにより蛍光体を発光させた場合、熱による焼損が起こり、所望の蛍光発光強度を得ることができないという問題がある。つまり蛍光体の発光効率の温度依存性を検討する必要がある。
〔発光効率の温度依存性〕
蛍光体の発光効率の温度依存性について、ＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋）蛍光体の外部量子効率に基づいて説明する。図２に示す通り、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）にドーパントとしてＣｅ（セリウム）をドープした蛍光体材料について、Ｃｅのドープ濃度の違いにより発光効率の温度依存性が相違する様子が確認できる。本発明におけるＣｅドープ濃度（ｍｏｌ％）とは、ガーネット系蛍光体の一般式（Ｍ１－ｘＲＥｘ）３Ａｌ５Ｏ１２で示される物質において、ｘ×１００（ｍｏｌ％）で表される。上記一般式において、Ｍ、ＲＥは希土類元素群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むものが用いられる。一般的に、Ｍは、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、ＲＥは、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｔｂのうち、少なくとも一種の元素が用いられる。
蛍光体に励起光を照射した場合、蛍光発光が得られると同時に、励起光の一部は熱エネルギーに変換されるため、蛍光体の照射スポット部は高温になる。熱放射については、一般的に下記の式で説明することができる。
Ｑ＝Ａ・ε・σ・（ＴＡ＾４－ＴＢ＾４）
ここで、Ｑは放射熱量、Ａは放射部面積、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、ＴＡは放射部の温度、ＴＢは周囲の温度を示す。
蛍光体の発光効率は蛍光体の温度による影響を受け、温度が増加するに従って発光効率が低下することが知られている。より強い（明るい）蛍光発光を得るためには励起光１４の照射強度を強める必要があり、この場合、冷却状況によっては蛍光体層１２の温度上昇抑制が十分に行えなくなる場合がある。
また、蛍光体の温度特性は発光中心元素（本実施形態ではＣｅ）の濃度により変化することが知られている。一般的に市販されているＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のＣｅ濃度は、常温使用時の発光効率が高い濃度（例えば１．４～１．５ｍｏｌ％程度）が用いられることが多い。これはＣｅの濃度が低いＹＡＧ蛍光体では、内部量子効率は高くなるが、励起光の吸収率が低いため、光学素子として重要な外部量子効率は、Ｃｅ濃度１．５ｍｏｌ％付近が最適値となるためである。高エネルギー密度、高強度の励起光照射によって照射スポットの蛍光体温度が２５０℃を超える領域になるような場合、一般的なＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（Ｃｅ濃度１．４ｍｏｌ％）では発光効率が低下する（図２参照）。しかし、Ｃｅ濃度が低いＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体（例えば０．３～１．０ｍｏｌ％程度）は発光効率の温度依存性が小さく、低温時と比較して高濃度の発光体と発光効率が逆転する場合もある。例えば、低温領域（５０℃～１００℃）では、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のＣｅ濃度が高い方が高発光効率となるが、高温領域（２５０℃～３５０℃）ではＣｅ濃度が低い方が高発光効率となる傾向がある。かかる傾向に鑑みて本願発明を実施形態ごとに説明する。
レーザ光による励起では励起密度が高くなり高温となるため、耐熱性の高い酸窒化物系や窒化物系の蛍光体を用いることが望ましい。蛍光体として発光効率の温度依存性が優れている方がより望ましい。また、光源装置として利用するため、蛍光を青色、緑色、赤色等の白色光以外としてもよい。
近紫外光を赤色光に変換する蛍光体として、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋を用いることができる。近紫外光を黄色光に変換する蛍光体として、例えばＣａ－α－ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋を用いることができる。近紫外光を緑色光に変換する蛍光体として、例えばβ－ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋やＬｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）を用いることができる。近紫外光を青色光に変換する蛍光体として、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１２：ＥｕやＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋を用いることができる。
また、近紫外光の励起光を黄色光及び青色光に変換する２種類の蛍光体を含むように蛍光部材を形成してもよい。これにより、蛍光部材から出射される黄色光及び青色光の蛍光を混色して擬似白色光が得られる。
以下では、好ましい実施形態としてＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の一例について、本願発明を実施形態ごとに説明する。
〔実施形態１〕
〔光学素子３０ａの構成〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図２は、本発明の実施形態１に係る光学素子の構成を示す断面図（ｘｚ平面）である。図３は、従来技術に係る光学素子を示す断面図（ｘｚ平面）である。図４は、本発明の実施形態１に係る光学素子の蛍光体層に含まれる第１の散乱粒子の一例を示す概略図である。本実施形態に係る光学素子３０ａは、図１に示した一般的な光学素子１０の構成と比べて、蛍光体層の構成が異なる。
本実施形態に係る光学素子３０ａは、図２に示すように、下位層である基板１１に面して配置された蛍光体層３５を備えている。なお、蛍光体層３５は、直接下位層に接していなくてもよく、下位層に面するように配置されていればよい。
ここで、「下位層に面するように配置」とは、蛍光体層３５の底面３４と、下位層（基板１１）の上面１５とが向かい合うように配置されている態様を意図する。蛍光体層３５の底面３４と、下位層（基板１１）の上面１５とが向かい合うように配置されていれば、実施形態２のように、蛍光体層３５と下位層との間に他の部材を備えていてもよい。
（基板（下位層））
下位層は、基板１１を含む１以上の層から構成されることが好ましい。当該構成を採用することにより、蛍光を基板１１によって反射させることができる。基板１１はアルミ基板を用いることができる。蛍光発光強度を高める為に、アルミ基板上には銀などの高反射膜がコーティングされているのが好ましい。他の実施形態では、高反射のアルミナ基板、白色完全散乱基板などを用いてもよい。基板１１の材質は金属など熱伝導率の高いものが好ましく、特に上述した材料に限定されない。
（蛍光体層）
蛍光体層３５は、第１のバインダ３１ａと、第１のバインダ３１ａ内に分散した蛍光体粒子３２と、第１のバインダ３１ａ内に分散した第１の散乱粒子３３と、を含んでいる。
第１のバインダ３１ａは、無機化合物を含むバインダであってもよく、有機化合物を含むバインダであってもよい。無機化合物としては、例えば、アルミナ、シリカ等が挙げられる。有機化合物としては、例えば、シリコーン樹脂等が挙げられる。
蛍光体層３５に占める蛍光体粒子３２の割合は、蛍光体層３５に対して５０～７５体積％程度であるのが好ましい。
蛍光体粒子３２は、光源１３から出射した励起光１４によって励起されて蛍光を発光する。蛍光体粒子３２の平均粒径Ｄ５０は、５～５０μｍ程度であるのが好ましく、２０μｍ程度であるのがより好ましい。蛍光体粒子３２は、ＣｅがドープされたＹＡＧ蛍光体であることが好ましい。
第１の散乱粒子３３は、中実の粒子からなり、散乱に関して波長依存性を備え、励起光１４の少なくとも一部が、第１の散乱粒子３３を透過し、蛍光の少なくとも一部が、第１の散乱粒子３３によって反射される。蛍光体層３５が上述した性質を有する第１の散乱粒子３３を含んでいることにより、励起光１４の波長変換層への入射を妨げることなく蛍光の波長変換層内での導光を抑制し、蛍光の取り出し効率を高めることができる。ここで、励起光１４の入射を妨げないことは、蛍光体層３５に入射したが、蛍光体粒子３２による蛍光発光に直接寄与することなく、励起光１４が蛍光体粒子３２に向かわない方向へ、励起光１４を透過しない部材によって反射される励起光１４を低減することを意図する。蛍光の波長変換層内での導光を抑制することは、界面３８で全反射する蛍光を低減し、波長変換層の側面に向かう蛍光を低減することを意図する。ここで界面３８は、蛍光体層３５の底面３４と反対側の面であり、好ましい実施形態では空気と蛍光体層３５との界面である。本実施形態に係る光学素子３０ａは、第１の散乱粒子３３を含んでいることにより、図３に示す従来技術に係る光学素子に比べて、界面３８で全反射する蛍光を第１の散乱粒子３３によって散乱させることにより、界面３８で全反射する蛍光を低減し、波長変換層の側面に向かう蛍光を低減することができる。また、「蛍光の取り出し効率」とは、「励起光１４が入射した面から出てくる蛍光強度」／「励起光強度」を意図し、「励起光が蛍光体に入射する効率」、「蛍光体の発光効率」、および「発光した蛍光が励起光が入射した面から出ていく効率」が含まれる。また、蛍光体層３５は、中実の粒子からなる第１の散乱粒子３３を含むことにより、中空粒子を含む蛍光体層に比べて熱伝導率を高めることができるため、蛍光体層３５を効率的に冷却することができる。このため、蛍光体層３５の熱による焼損を防止することができるため、光学素子３０ａの耐久性を向上させることができる。
第１の散乱粒子３３は、金属ナノ粒子、金属ナノ粒子と、金属ナノ粒子を担持する担体とからなる担持体、または屈折率の異なる少なくとも２種類の誘電体が積層した構造を有する粒子（以下、波長選択性散乱粒子２３と称する）であることが好ましい。蛍光体層３５が第１の散乱粒子３３として熱伝導率の高い金属ナノ粒子を含むことにより、熱伝導率をより高めることができるため、蛍光体層３５をより効率的に冷却することができる。これにより、蛍光体層３５の熱による焼損をより防止することができるため、光学素子３０ａの耐久性をより向上させることができる。蛍光体層３５が第１の散乱粒子３３として金属ナノ粒子を担体に局在化させた担持体を含むことにより、蛍光の取り出し効率をより高めることができる。このため、蛍光発光強度を向上させることができる。また、担持体は、金属ナノ粒子よりも第１のバインダ３１ａ内に分散し易い。蛍光体層３５が第１の散乱粒子３３として波長選択性散乱粒子２３を含むことにより、蛍光体層３５に入射したが、第１の散乱粒子３３に散乱されて蛍光体粒子３２による蛍光発光に直接寄与しない励起光１４を低減することができる。このため、蛍光体層３５からの蛍光発光強度を向上させることができる。
金属ナノ粒子としては、例えば、銀ナノ粒子、金ナノ粒子等が挙げられる。担体は、励起光１４の少なくとも一部が透過する性質を有していればよく、蛍光の少なくとも一部が反射する性質を有していても透過する性質を有していてもよいが、蛍光の少なくとも一部を反射させる性質を有していることが好ましい。担持体の金属ナノ粒子と担体とは、異なることがより好ましい。担持体としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＯ２（シリカ）、ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３、ゼオライト、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｌａ２Ｏ３等が挙げられる。
波長選択性散乱粒子２３としては、例えば、ダイクロイックミラー粒子（フォトニック粒子）等が挙げられる。例えば、ダイクロイックミラー粒子は、図４に示すように、コア２３ａと、第１の誘電体層２３ｂと、第２の誘電体層２３ｃと、を含んでいる。第１の誘電体層２３ｂと、第２の誘電体層２３ｃとは、異なる誘電体からなる。コア２３ａは、第１の誘電体層を構成する誘電体と同一の誘電体から構成されていてもよいし、異なる誘電体から構成されていてもよい。波長選択性散乱粒子２３は、透過と反射との切り替え波長域が狭いことが好ましい。これにより、励起光１４の波長と蛍光の波長とが近い場合であっても、当該粒子は、少なくとも一部の励起光１４によって透過され、少なくとも一部の蛍光を反射することができる。ダイクロイックミラー粒子としては、例えば、パール顔料等が挙げられる。
蛍光体層３５に占める第１の散乱粒子３３の割合は、蛍光体層３５に対して２～２０体積％程度であるのが好ましい。
蛍光体層３５の厚さは、２０μｍ～２００μｍであるのが好ましい。
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光学素子３０ｂの構成〕
図５は、本発明の実施形態２に係る光学素子の構成を示す断面図（ｘｚ平面）である。
本実施形態に係る光学素子３０ｂは、下位層である基板１１と蛍光体層３５との間に配置された散乱層３７を更に備えている。
（散乱層）
散乱層３７は、第２のバインダ３１ｂと、第２のバインダ３１ｂ内に分散した第２の散乱粒子３６と、を含んでいる。
第２の散乱粒子３６は、蛍光体粒子３２、第１のバインダ３１ａ、および第２のバインダ３１ｂよりも屈折率が高い。基板１１と蛍光体層３５との間に屈折率が高い第２の散乱粒子３６を含む散乱層３７が配置されていることにより、取り出し側とは反対方向へ向かった蛍光を散乱し、取り出し側へ向かわせることができる。そのため、導光による蛍光のロスを抑制することができる。また、蛍光体層３５に入射したが、蛍光体粒子３２による蛍光発光に直接寄与することなく、蛍光体層３５を透過した励起光１４を散乱層３７によって散乱することにより、励起光の光路長が伸びるため、励起光の利用効率を向上させることができる。そのため、蛍光発光強度を高めることができる。また、同一の蛍光発光強度を有する光学素子に比べて蛍光体層３５の厚さを薄くすることができる。つまり、蛍光体粒子３２および第１の散乱粒子３３の量を減らすことができる。ここで、「取り出し側」とは、蛍光体層３５の、蛍光体層３５と散乱層３７との接触面（蛍光体層３５の底面３４）に対向する面であり、「取り出し側とは反対方向」とは、当該接触面または蛍光体層３５の側面に向かう方向である。
第２の散乱粒子３６としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が挙げられるが、中でも、酸化チタンであることが好ましい。酸化チタンは、ルチル型の結晶構造を有することが好ましい。
散乱層３７に占める第２の散乱粒子３６の割合は、散乱層３７に対して１０～７５体積％程度であるのが好ましい。当該構成であることにより、基板１１への密着性を有しつつ、上述した効果を奏することができる。
散乱層３７の厚さは、２０～５０μｍであることが好ましい。
第２のバインダ３１ｂは、第１のバインダ３１ａで例示したバインダを用いることができる。第１のバインダ３１ａと第２のバインダ３１ｂとは、異なるバインダであってもよいが、同一のバインダであることが好ましい。当該構成であることにより、蛍光体層３５と散乱層３７との間での界面ロスを低減することにおいて有効である。ここで、「界面ロスを低減すること」とは、蛍光体層３５と散乱層３７との接触面から蛍光体層３５の側面（Ｚ方向の面）に導光する励起光１４および蛍光を低減して、当該接触面から蛍光体層における当該接触面に対向する面に導光する励起光１４および蛍光を増加することを意図する。
また、散乱層３７の代わりにまたは散乱層３７の形成と共に、基板１１の蛍光体層３５または散乱層３７との接触面に凹凸を形成してもよい。当該凹凸によっても、取り出し側に蛍光を散乱させて蛍光の導光によるロスを抑制し、励起光１４を散乱させて励起光１４の光路長を伸ばすことにより励起光１４の利用効率を向上させることができる。
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔蛍光ホイール１０２ａの構成〕
図６の（ａ）は、本発明の実施形態３に係る蛍光ホイール１０２ａの構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図６の（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る蛍光ホイール１０２ａの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ａは、光学素子１４８ａの下位層がホイール１４１ａである。蛍光ホイール１０２ａは、光源から出射された励起光が通過するホイール１４１ａの表面の周方向の少なくとも一部に、光学素子１４８ａが配置されている。本実施形態に係る蛍光ホイール１０２ａは、光学素子１４８ａとして実施形態１に係る光学素子３０ａのように散乱層を有していない光学素子を備えていてもよいし、実施形態２に係る光学素子３０ｂのように散乱層を有する光学素子を備えていてもよい。なお、以下の実施形態４～７に関しても同様である。
蛍光ホイール１０２ａは、光源から出射された励起光が通過するホイール１４１ａの表面の周方向の少なくとも一部に、光学素子１４８ａが配置されていればよく、図６の（ａ）に示すように、光学素子１４８ａは、同心円状にホイール１４１ａ上に配置されていることが好ましい。
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光源装置１４０の構成〕
図７の（ａ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の構成を示す概略図である。図７の（ｂ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の光源モジュールの構成を示す側面図（ｘｚ平面）である。
光源装置１４０は、蛍光ホイール１０２ａと、蛍光ホイール１０２ａを回転させる駆動装置１４２と、光学素子１４８ａに励起光１４を照射する光源１３とを備えている。光源装置１４０は、蛍光ホイール１０２ａの回転に伴い、少なくとも蛍光ホイール１０２ａの表面の周方向に配置された光学素子１４８ａの蛍光体層に励起光１４が入射した際に、蛍光１１７を出射する。
光源装置１４０は、好ましくはプロジェクターなどに用いられる。光源装置１４０では、光源１３は、光学素子１４８ａの蛍光体層を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。好ましい実施形態では、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の蛍光体を励起する青色レーザダイオードが用いられる。光学素子１４８ａの蛍光体層を照射する励起光１４は、光路上にてレンズ１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃを通過することができる。励起光１４の光路上にミラー１４５が配置されてもよい。ミラー１４５は半透鏡（ハーフミラー）であるのが好ましい。
蛍光ホイール１０２ａはホイール固定具１４６によって、駆動装置１４２の回転軸１４７に固定される。駆動装置１４２は好ましくはモータであり、モータの回転シャフトである回転軸１４７にホイール固定具１４６によって固定された蛍光ホイール１０２ａがモータの回転に伴い回転する。
蛍光ホイール１０２ａの表面上の周辺部に配置された光学素子１４８ａが、励起光を受けて蛍光１１７を出射し、ミラー１４５を透過して蛍光を出射する。光学素子１４８ａは、蛍光ホイール１０２ａの回転に伴い回転するため随時回転しながら、蛍光１１７を出射する。
図８の（ａ）～（ｄ）は、本発明の実施形態４に係る光源装置の蛍光ホイールの変形例の構成を示す平面図（ｘｙ平面）である。図８の（ａ），（ｃ），（ｄ）に示すように、ホイールは、セグメントの一部を励起光１４が透過する透過部１４３を備えたホイール１４１ｂとすることができる。好ましい実施形態では、透過部１４３はガラスからなることが好ましい。かかるセグメント構成とすることにより、励起光１４を１つの蛍光ホイールで複数の波長に変換させることが可能となる。図８の（ａ）に示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ａを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を有する光学素子３０ｃを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｂとしてもよい。また、図８の（ｂ）に示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を有する光学素子３０ｄを備えるセグメントと、黄色に相当する波長を蛍光発光する従来の蛍光体層１２ｂを備えるセグメントとに分割した蛍光ホイール１０２ｃとしてもよい。また、図８の（ｃ）に示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を備える光学素子３０ｄと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を備える光学素子とに分割した蛍光ホイール１０２ｄとしてもよい。また、図８の（ｄ）に示すように、緑色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を備える光学素子３０ｅと、黄色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を備える光学素子３０ｆと、赤色に相当する波長を蛍光発光する蛍光体層を備える光学素子３０ｇとに分割した蛍光ホイール１０２ｅとしてもよい。蛍光ホイールを周方向に複数のセグメントに分割し、蛍光体をセグメント毎に塗り分けることにより、外部量子収率を高い水準に維持することが可能となる。これにより、明るさを維持しつつ様々な色を作り出すことができる。
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔光源装置８０の構成〕
図９は、本発明の実施形態５に係る光源装置の構成を示す概略図である。光源装置８０は、光学素子８１と、光学素子８１に励起光を照射する光源１３と、光学素子８１から出射した蛍光１１７を反射させる反射面を有するリフレクタ１１１とを備えている。リフレクタ１１１の反射面は、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有している。
光源装置８０は好ましくは反射型車両用前照灯具（レーザヘッドライト）である。光源１３は、光学素子８１の蛍光体層を励起する波長の励起光１４を出射する青色レーザ光源であるのが好ましい。リフレクタ１１１は、半放物面ミラーから構成されるのが好ましい。放物面をｘｙ平面に平行に上下に２分割して半放物面とし、その内面はミラーになっているのが好ましい。リフレクタ１１１には励起光１４が通過する透孔がある。光学素子８１は、青色の励起光１４によって励起され、可視光の長波長域（黄色波長）の蛍光１１７を発する。また、励起光１４は、光学素子８１の表面にて反射され、拡散反射光１１８ともなる。光学素子８１は、放物面の焦点の位置に配置される。光学素子８１が、放物面ミラーの焦点の位置にあるので、光学素子８１から出射された蛍光１１７、拡散反射光１１８はリフレクタ１１１へ向い、その表面にて反射すると、一様に出射面１１２に直進する。蛍光１１７と拡散反射光１１８とが混ざり合った白色光が平行光として出射面１１２から出射する。
実施形態５では、光学素子８１として、実施形態１の光学素子３０ａ、および実施形態２の光学素子３０ｂを採用することができる。
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
〔投影装置の構成〕
図１０は、本発明の実施形態６に係る投影装置の構成を示す概略図である。投影装置１００は、光源装置と、蛍光ホイールの回転位置を取得する回転位置センサ１０３と、回転位置センサ１０３からの出力情報に基づいて光源１３を制御する光源制御部１０４と、表示素子１０７と、光源装置からの光を表示素子１０７まで導光する光源側光学系１０６と、表示素子１０７からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系１０８とを備えている。投影装置１００は、回転位置センサ１０３により取得された蛍光ホイールの回転位置の情報により光源１３の出力を制御する。光源装置は、光源１３から出射された励起光１４が通過する周方向の少なくとも一部に、光学素子が周方向に複数セグメントに分割されて配置された蛍光ホイールを備えているが、上述したセグメントに分割されていない蛍光ホイール１０２ａであってもよい。
例えば、図８の（ｄ）のように蛍光ホイール１０２ｅのセグメントの一部に透過部１４３を設けた場合、青色発光の励起光１４は透過部１４３を介して蛍光ホイール１０２ｅを透過する。光学素子１４８ａに照射した励起光１４は、光路上にてミラー１０９ａ～１０９ｃおよび光源側光学系１０６を経由することができる。光源側光学系１０６はダイクロイックミラーであるのが好ましい。好ましいダイクロイックミラーは、４５度で入射した青色の光は反射させ、赤色および緑色の光は透過させることができる。
より詳細に検討すると、上記光学特性を備えたダイクロイックミラーを光源側光学系１０６に採用することにより、ダイクロイックミラーに入射する励起光１４による青色の光は反射されて蛍光ホイール１０２eに向けられる。蛍光ホイール１０２eの回転のタイミングにより、青色の光は透過部１４３を介して蛍光ホイール１０２eを透過する。蛍光ホイール１０２eの回転のタイミングにより、透過部１４３以外のセグメントに照射された励起光１４は、光学素子１４８e（３０ｅ～３０ｇ）を照射し、光学素子１４８e（３０ｅ～３０ｇ）を蛍光発光させる。セグメント毎に光学素子３０ｅでは緑色波長帯域の蛍光が発光され、光学素子３０ｆでは黄色波長帯域の蛍光が発光され、光学素子３０ｇでは赤色波長帯域の蛍光が発光される。蛍光発光された緑色、黄色および赤色の光は、ダイクロイックミラーを透過して表示素子１０７に入射する。透過部１４３を透過した青色の光は、ミラー１０９ａ～１０９ｃを介して再度ダイクロイックミラーに入射し、ダイクロイックミラーで再度反射されて表示素子１０７に入射する。
好ましい実施形態では、プロジェクタ（投影装置１００）は、光源モジュール１０１と、表示素子１０７と、光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）と、投影側光学系１０８と、を備えることができる。光源側光学系１０６（ダイクロイックミラー）は、光源モジュール１０１からの光を上記表示素子１０７まで導光し、投影側光学系１０８は、上記表示素子１０７からの投影光をスクリーン等に投影することができる。好ましい実施形態では、表示素子１０７はＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）であるのが好ましい。投影側光学系１０８は投影部レンズの組み合わせからなるのが好ましい。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光学素子は、下位層（１１）に面するように配置された蛍光体層（３５）を備え、前記蛍光体層（３５）は、第１のバインダ（３１ａ）と、前記第１のバインダ（３１ａ）内に分散した蛍光体粒子（３２）と、前記第１のバインダ（３１ａ）内に分散した第１の散乱粒子（３３）と、を含み、前記蛍光体粒子（３２）は、光源（１３）から出射した励起光（１５）によって励起されて蛍光を発光し、前記第１の散乱粒子（３３）は中実の粒子からなり、散乱に関して波長依存性を備え、前記励起光（１４）の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子（３３）を透過し、前記蛍光の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子（３３）によって反射される構成である。
本発明の態様２に係る光学素子は、上記の態様１において、前記下位層（１１）が、基板を含む１以上の層から構成される構成としてもよい。
本発明の態様３に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記第１の散乱粒子（３３）が、金属ナノ粒子である構成としてもよい。
本発明の態様４に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記第１の散乱粒子（３３）が、金属ナノ粒子と、前記金属ナノ粒子を担持する担体とからなる担持体である構成としてもよい。
本発明の態様５に係る光学素子は、上記の態様１または２において、前記第１の散乱粒子（３３）が、屈折率の異なる少なくとも２種類の誘電体が積層した構造を有する粒子である構成としてもよい。
本発明の態様６に係る光学素子は、上記の態様１～５の何れか一項において、前記下位層（１１）と前記蛍光体層（３５）との間に配置された散乱層（３７）を更に備え、前記散乱層（３７）は、第２のバインダ（３１ｂ）と、前記第２のバインダ（３１ｂ）内に分散した第２の散乱粒子（３６）と、を含み、前記第２の散乱粒子（３６）は、前記蛍光体粒子（３２）、前記第１のバインダ（３１ａ）、および前記第２のバインダ（３１ｂ）よりも屈折率が高い構成としてもよい。
本発明の態様７に係る光学素子は、上記の態様１～６の何れか一項において、前記第１のバインダ（３１ａ）と、前記第２のバインダ（３１ｂ）とが、同一のバインダである構成としてもよい。
本発明の態様８に係る蛍光ホイールは、上記の態様１～７の何れか一項に記載の光学素子の前記下位層（１１）がホイール（１４１ａ、１４１ｂ）である蛍光ホイールであって、光源（１３）から出射された励起光（１４）が通過する前記ホイール（１４１ａ、１４１ｂ）の表面の周方向の少なくとも一部に、前記光学素子が配置されている構成としてもよい。
本発明の態様９に係る光源装置は、上記の態様８に記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置（１４２）と、前記光学素子に励起光（１４）を照射する光源（１３）と、を備え、前記蛍光ホイールの回転に伴い、少なくとも前記蛍光ホイールの表面の周方向に配置された前記光学素子の前記蛍光体層（３５）に励起光（１４）が入射した際に、蛍光を出射する構成としてもよい。
本発明の態様１０に係る車両用前照灯具は、上記の態様１～７の何れか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に励起光（１４）を照射する光源（１３）と、前記光学素子から出射した蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタ（１１１）と、を備えた構成としてもよい。
本発明の態様１１に係る投影装置は、上記の態様９に記載の光源装置と、表示素子（１０７）と、前記光源装置からの光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系（１０８）と、を備える構成としてもよい。
本発明の態様１２に係る投影装置は、光源から出射された励起光が通過する周方向の少なくとも一部に、上記の態様１～７の何れか一項に記載の光学素子が周方向に複数セグメントに分割されて配置された蛍光ホイールを備えた上記の態様９に記載の光源装置と、前記蛍光ホイールの回転位置を取得する回転位置センサ（１０３）と、前記回転位置センサ（１０３）からの出力情報に基づいて光源（１３）を制御する光源制御部（１０４）と、表示素子（１０７）と、前記光源装置からの光を前記表示素子（１０７）まで導光する光源側光学系（１０６）と、前記表示素子（１０７）からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系（１０８）と、を備え、前記回転位置センサ（１０３）により取得された前記蛍光ホイールの回転位置の情報により光源（１３）の出力を制御する構成としてもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１０、３０ａ～３０ｇ、８１、１４８ａ～１４８ｅ 光学素子
１１ 下位層（基板）
１２、１２ａ、１２ｂ、３５ 蛍光体層
１３ 光源
１４ 励起光
１５ 下位層（基板）の上面
３１ａ 第１のバインダ
３１ｂ 第２のバインダ
３２ 蛍光体粒子
３３ 第１の散乱粒子
３４ 底面
３６ 第２の散乱粒子
３７ 散乱層
３８ 界面
８０、１４０ 光源装置
１００ 投影装置
１０１ 光源モジュール
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｇ 蛍光ホイール
１０３ 回転位置センサ
１０４ 光源制御部
１０６ 光源側光学系
１０７ 表示素子
１０８ 投影側光学系
１０９ａ～１０９ｃ、１４５ ミラー
１１１ リフレクタ
１１２ 出射面
１１７ 蛍光
１１８ 拡散反射光
１４１ａ、１４１ｂ ホイール
１４２ 駆動装置
１４３ 透過部
１４４ａ レンズ
１４６ ホイール固定具
１４７ 回転軸

Claims (12)

  1. 下位層に面するように配置された蛍光体層を備え、
    前記蛍光体層は、第１のバインダと、前記第１のバインダ内に分散した蛍光体粒子と、前記第１のバインダ内に分散した第１の散乱粒子と、を含み、
    前記蛍光体粒子は、光源から出射した励起光によって励起されて蛍光を発光し、
    前記第１の散乱粒子は中実の粒子からなり、散乱に関して波長依存性を備え、
    前記励起光の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子を透過し、前記蛍光の少なくとも一部が、前記第１の散乱粒子によって反射されることを特徴とする光学素子。
  2. 前記下位層が、基板を含む１以上の層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１の散乱粒子が、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 前記第１の散乱粒子が、金属ナノ粒子と、前記金属ナノ粒子を担持する担体とからなる担持体であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  5. 前記第１の散乱粒子が、屈折率の異なる少なくとも２種類の誘電体が積層した構造を有する粒子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  6. 前記下位層と前記蛍光体層との間に配置された散乱層を更に備え、
    前記散乱層は、第２のバインダと、前記第２のバインダ内に分散した第２の散乱粒子と、を含み、
    前記第２の散乱粒子は、前記蛍光体粒子、前記第１のバインダ、および前記第２のバインダよりも屈折率が高いことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の光学素子。
  7. 前記第１のバインダと、前記第２のバインダとが、同一のバインダであることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の光学素子。
  8. 請求項１～７の何れか一項に記載の光学素子の前記下位層がホイールである蛍光ホイールであって、
    光源から出射された励起光が通過する前記ホイールの表面の周方向の少なくとも一部に、前記光学素子が配置されていることを特徴とする蛍光ホイール。
  9. 請求項８に記載の蛍光ホイールと、
    前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、
    前記光学素子に励起光を照射する光源と、
    を備え、
    前記蛍光ホイールの回転に伴い、少なくとも前記蛍光ホイールの表面の周方向に配置された前記光学素子の前記蛍光体層に励起光が入射した際に、蛍光を出射することを特徴とする光源装置。
  10. 請求項１～７の何れか一項に記載の光学素子と、
    前記光学素子に励起光を照射する光源と、
    前記光学素子から出射した蛍光を反射させる反射面を有するリフレクタと、
    を備えたことを特徴とする車両用前照灯具であって、
    前記リフレクタの反射面が、入射した光を一定方向に平行に出射するように反射させる形状を有することを特徴とする車両用前照灯具。
  11. 請求項９に記載の光源装置と、
    表示素子と、
    前記光源装置からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
    前記表示素子からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
    を備えることを特徴とする投影装置。
  12. 光源から出射された励起光が通過する周方向の少なくとも一部に、請求項１～７の何れか一項に記載の光学素子が周方向に複数セグメントに分割されて配置された蛍光ホイールを備えた請求項９に記載の光源装置と、
    前記蛍光ホイールの回転位置を取得する回転位置センサと、
    前記回転位置センサからの出力情報に基づいて光源を制御する光源制御部と、
    表示素子と、
    前記光源装置からの光を前記表示素子まで導光する光源側光学系と、
    前記表示素子からの投影光をスクリーンに投影する投影側光学系と、
    を備え、
    前記回転位置センサにより取得された前記蛍光ホイールの回転位置の情報により光源の出力を制御することを特徴とする投影装置。
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