JP2024000115A

JP2024000115A - 波長変換装置及び照明装置

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Publication number: JP2024000115A
Application number: JP2022098682A
Authority: JP
Inventors: 涼介鎌倉; Ryosuke Kamakura; 康之川上; Yasuyuki Kawakami; 要介前村; Yosuke Maemura; 啓次郎 ▲高▼島; Keijiro Takashima; 俊介村井; Shunsuke Murai
Original assignee: Kyoto University; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Kyoto University; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2024-01-05
Also published as: WO2023248865A1

Abstract

【課題】波長変換層から取り出される蛍光を増加させて光取り出し効率を向上させることが可能な波長変換装置及び照明装置を提供する。【解決手段】励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含む平板状の蛍光体部と、蛍光体部の下面側に設けられかつ各々が第１の周期で配置された金属からなる複数の第１のナノアンテナからなる第１のナノアンテナ群と、隣り合う第１のナノアンテナの各々の間を埋めて蛍光体部の下面を覆うように蛍光体部の下面に形成された透光性材料からなる透光体部と、蛍光体部の上面に設けられかつ蛍光体部の上面おいて各々が第２の周期で配置された金属からなる複数の第２のナノアンテナからなる第２のナノアンテナ群と、を有する。【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。

ナノサイズの金属粒子からなる金属アンテナ（以下、ナノアンテナと称する）を用いて蛍光の狭角化をなす照明装置が開示されている。例えば、特許文献１には、第１の波長変換層と、当該第１の波長変換層の上面に形成された複数のナノアンテナからなるアンテナアレイと、当該ナノアンテナアレイを埋めつつ第１の波長変換層の上面に形成された第２の波長変換層と、を含む照明装置が開示されている。

特表２０１６－５３５３０４号公報

特許文献１のような照明装置において、第１の波長変換層内にて生じてナノアンテナに至った蛍光の進行方向は、ナノアンテナの配列等によって定まる光回折条件によって決まる。ナノアンテナに至った後、上記回折条件に則って第１の波長変換層内に戻る蛍光については波長変換層内を伝播した後に下面または側端面に至りそこから出射されるか又はナノアンテナに吸収されてしまい、照明装置から当該蛍光を取り出すことができないという問題点が挙げられる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、波長変換層から取り出される蛍光を増加させて光取り出し効率を向上させることが可能な波長変換装置及び照明装置を提供することを目的とする。

本発明による波長変換装置は、励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含む平板状の蛍光体部と、前記蛍光体部の下面側に設けられかつ各々が第１の周期で配置された金属からなる複数の第１のナノアンテナからなる第１のナノアンテナ群と、隣り合う前記第１のナノアンテナの各々の間を埋めて前記蛍光体部の下面を覆うように前記蛍光体部の下面に形成された透光性材料からなる透光体部と、前記蛍光体部の上面に設けられかつ前記蛍光体部の上面おいて各々が第２の周期で配置された金属からなる複数の第２のナノアンテナからなる第２のナノアンテナ群と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る波長変換装置の上面図である。実施例１に係る波長変換装置の断面図である。実施例１に係る波長変換装置における蛍光の入射角度に対する透過回折角度を示すグラフである。実施例１に係る波長変換装置における蛍光の入射角度に対する透過強度割合を示すグラフである。実施例１に係る波長変換装置におけるナノアンテナの配置周期に対する蛍光の反射強度を示すグラフである。実施例１に係る波長変換装置におけるナノアンテナの傾斜角度に対する蛍光の透過強度を示すグラフである。実施例１に係る波長変換装置におけるナノアンテナの傾斜角度に対する蛍光の透過強度を示すグラフである。実施例２に係る照明装置の断面図である。実施例２に係る波長変換装置の断面図である。実施例３に係る照明装置の断面図である。実施例３に係る波長変換装置の断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して具体的に説明する。なお、図面において同一の構成要素については同一の符号を付け、重複する構成要素の説明は省略する。

図１及び図２を参照しつつ、実施例１に係る波長変換装置１００の構成について説明する。図１は、実施例１に係る波長変換装置１００の上面図である。また、図２は、図１に示した波長変換装置１００の２－２線に沿った断面図である。
実施例１に係る波長変換装置１００は、励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体部と、蛍光体部の下面側に設けられた複数の第１のナノアンテナからなる第１のナノアンテナ群と、隣り合う第１のナノアンテナの各々の間を埋めて蛍光体部の下面を覆うように蛍光体部の下面に形成された透光性材料からなる透光体部と、蛍光体部の上面に設けられた複数の第２のナノアンテナからなる第２のナノアンテナ群と、を備えている。

［実装基板］
実装基板１２は、絶縁性を有し、上面形状が矩形の平板状の基板である。実装基板１２は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる。以降、説明の簡便化のために、実装基板１２の上面に垂直な方向をＺ軸、実装基板１２の互いに垂直な２つの辺の夫々に沿った方向をＸ軸、Ｙ軸としてＸＹＺ軸を定義する。

［発光素子］
発光素子１３は、実装基板１２の上面に実装されており、かつ上面形状が矩形の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emission Diode）である。発光素子１３は、発光層を有する半導体構造層１４と、半導体構造層１４の上面に配された支持基板１５と、半導体構造層１４の下面に配されかつ実装基板１２に接合されたｐ電極１６及びｎ電極１７とを含んで構成されている。すなわち、発光素子１３は、実装基板１２にフリップチップ実装されている。

半導体構造層１４は、各々が窒化ガリウム（ＧａＮ）を主材料とするｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層（いずれも図示せず）からなる半導体積層体である。発光素子１３の駆動時には、半導体構造層１４の発光層からピーク波長が４５０ｎｍの青色光が出射される。

支持基板１５は、上面形状が矩形の平板状の基板である。支持基板１５は、単結晶のサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等の、半導体構造層１４から放出される青色光に対して透光性を有する材料からなる。支持基板１５の上面は、半導体構造層１４の発光層から出射される青色光が発光素子１３から出射される際の光出射面である。

ｐ電極１６は、半導体構造層１４のｐ型半導体層と電気的に接続されている電極である。ｐ電極１６は、実装基板１２の上面に形成されているｐ側配線（図示せず）に導電性の接合部材（図示せず）を介して接合されている。

ｎ電極１７は、半導体構造層１４の発光層及びｐ型半導体層を上下方向に貫通しかつ側面が絶縁体で覆われた貫通電極（図示せず）を介して、ｎ型半導体層と電気的に接続されている電極である。言い換えれば、ｎ電極１７は、ｎ型半導体層のみに電気的に接続され、発光層及びｐ型半導体層と絶縁されている。ｎ電極１７は、実装基板１２の上面に形成されているｎ側配線（図示せず）に導電性の接合部材（図示せず）を介して接合されている。

上述のように、発光素子１３は、実装基板１２を介してｐ電極１６及びｎ電極１７に電圧が印加されて半導体構造層１４内に電流が流れることで生じる青色光を、支持基板１５の上面から出射させる構造を有している。

［第１の透光部］
第１の透光部１９は、発光素子１３の上面、すなわち支持基板１５の上面に形成されている平板状の部分である。本実施例では、第１の透光部１９はサファイアからなるとして説明する。

第１の透光部１９は、支持基板１５と同一の平面形状を有しており、第１の透光部１９の外縁は、波長変換装置１００の上方から、すなわちＺ方向に沿った方向に見た上面視において、支持基板１５の外縁と重なっている。第１の透光部１９の下面は、透光性の接合材（図示せず）を介して支持基板１５の上面に接着されている。第１の透光部１９は、厚み５００μｍ以下で形成され、特に１００μｍ以下で形成されるのが好ましい。

なお、第１の透光部１９の材料は、発光素子１３から出射される青色光に対して透光性を有する材料であればよく、石英やＡｌＮでもよい。

［第２の透光部］
第２の透光部２１は、第１の透光部１９の上面に形成された第１のナノアンテナ２２と透光体部２３とを含んで構成される部分である。第２の透光部２１は、厚み１０００ｎｍ以下で形成され、特に５００ｎｍ以下で形成されるのが好ましい。

第１のナノアンテナ２２は、夫々が第１の透光部１９の上面に形成されている円錐状の金属体である。第１のナノアンテナ２２は、第１の透光部１９の上面においてＸ方向及びＹ方向の夫々に沿って第１の周期Ｐ１で正方格子状に複数配列されて、第１のナノアンテナ群２２Ａを形成している。第１の周期Ｐ１は、後述する蛍光体部２４から放出される蛍光のピーク波長よりも小さい周期であり、５００ｎｍ以下であることが好ましい。

第１のナノアンテナ２２の各々は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体から構成される。特に、第１のナノアンテナ２２の各々は、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）等の可視光域で吸収の小さい金属から構成されるのが望ましい。

透光体部２３は、第１の透光部１９の上面を覆いかつ隣り合う第１のナノアンテナ２２の各々の間を埋めるように形成されている透光性の膜体である。本実施例において、透光体部２３はＳｉＯ_２膜からなっているとして説明する。なお、透光体部２３の材料は、発光素子１３から出射される青色光に対して透光性を有する材料であればよい。

図２において、透光体部２３は第１のナノアンテナ２２を完全に覆っている、すなわち透光体部２３の上面と第１のナノアンテナ２２の上端とが離隔しているように示されているが、第１のナノアンテナ２２の上端が透光体部２３の上面と接していてもよい。

なお、本実施例においては、上記した第１の透光部１９は任意に設けられ、第１の透光部１９を設けずに、第２の透光部２１を発光素子１３の支持基板１５の上面に形成することもできる。すなわち、支持基板１５の上面に第１のナノアンテナ２２及び透光体部２３を設けることで第２の透光部２１を形成する構成としてもよい。

［蛍光体部］
蛍光体部２４は、第２の透光部２１の上面に接合されており、厚み５０～２５０μｍの上面形状が矩形の平板状の蛍光体プレートである。蛍光体部２４は、発光素子１３及び第２の透光部２１と同一の平面形状を有しており、蛍光体部２４の外縁は、Ｚ方向に沿った方向に見た上面視において第２の透光部２１の外縁と重なっている。

蛍光体部２４は、発光素子１３から出射される青色光によって励起されて黄色蛍光を発する蛍光体からなる。具体的には、蛍光体部２４は、例えば、セリウム（Ｃｅ）を賦活剤としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体からなる単結晶のセラミックス蛍光体プレートである。

なお、蛍光体部２４は、単結晶のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体のみから構成される蛍光体プレートに限らないが、内部で散乱の生じにくい構成であることが好ましく、単一材料からなる単相の蛍光体プレートであることが好ましく、この場合において、多結晶であっても良い。蛍光体から生じる黄色蛍光は、５２０～５７０ｎｍにピーク波長を有し、４８０ｎｍ～７００ｎｍに亘るブロードなピークからなる黄色発光スペクトルを有する。

上記した蛍光体部２４に、発光素子１３の光出射面から出射された励起光としての青色光が入射すると、その一部はそのまま蛍光体部２４を透過し、一部は蛍光体を励起し当該励起された蛍光体から黄色蛍光が発せられる。

従って、蛍光体部２４の上面からは、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体部２４を通過した励起光（青色光）と、蛍光体から放出された蛍光（黄色光）とが出射される。これにより、波長変換装置１００からは、蛍光体部２４の上面から出射する青色光と黄色蛍光とが混じり合った白色光が取り出される。

［第２のナノアンテナ］
第２のナノアンテナ２５は、夫々が蛍光体部２４の上面に形成されている円錐状の金属体である。第２のナノアンテナ２５の各々は、蛍光体部２４の上面においてＸ方向及びＹ方向の夫々に沿って第２の周期Ｐ２で正方格子状に複数配列されて、第２のナノアンテナ群２５Ａを形成している。

第２の周期Ｐ２は、蛍光体部２４から放出される蛍光のピーク波長よりも小さい周期であり、５００ｎｍ以下であることが好ましい。本実施例において、上記した第１の周期Ｐ１は、第２の周期Ｐ２以下である。

第２のナノアンテナ２５の各々は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ及びＮｉ等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体から構成される。特に、第２のナノアンテナ２５の各々は、ＡｌやＡｇ等の可視光域で吸収の小さい金属から構成されるのが望ましい。

なお、図１及び図２に示した第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５の配列態様は、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５を説明するために模式的に示したに過ぎない。実際、発光素子１３は例えば１ｍｍ角であり、その場合、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５は、図１及び図２に示しているものよりも多く形成されている。

［光反射部材］
光反射部材２６は、発光素子１３の半導体構造層１４及び支持基板１５と、第１の透光部１９と、第２の透光部２１と、蛍光体部２４の各々の外側面を覆うように連続的に延在している光反射性を有する部材である。光反射部材２６は、光散乱性の粒子を含有する透光性の樹脂から構成され、例えば、シリコーン樹脂に酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子を含有させた樹脂材からなる。

光反射部材２６は、光反射性を有している故に、発光素子１３から出射された励起光及び蛍光体部２４内で生じた蛍光が波長変換装置１００の外側面から出射されることを抑制する。

以下に、本実施例の波長変換装置１００による光取り出し効率の向上について図２を参照して説明する。なお、図２においては、実線が蛍光体部２４の上面から放出される蛍光を、一点鎖線が蛍光体部２４内を進行する蛍光を示している。

以下、波長変換装置１００の光出射面、言い換えれば蛍光体部２４の上面から出射する光のうち、当該上面に垂直な直線に対して３０度以内の角度で出射する蛍光を狭角な蛍光または狭角光と称する。また、当該狭角光の光取り出し効率を波長変換装置１００の光取り出し効率として説明する。

蛍光体部２４内で生じて第２のナノアンテナ２５に至った蛍光の進行方向は、蛍光体部２４及び空気の屈折率と第２のナノアンテナ２５の第２の周期Ｐ２とによって定まる光回折条件によって決まる。

光回折条件に則って蛍光が取り出される際に、蛍光体部２４の上面と直交する垂線と第２のナノアンテナ２５が形成されている蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の向きとがなす角度である回折角度θ１は、蛍光体部２４内から蛍光体部２４の上面に到達した蛍光の入射角度θ２によって決まる。

本実施例の波長変換装置１００では、蛍光体部２４の下方に第１のナノアンテナ群２２Ａを形成することにより、蛍光体部２４の上面から出射される狭角な蛍光を増やすことができる。

ここで、具体的な蛍光の回折角度θ１と入射角度θ２との関係について図３を用いて説明する。以下においては、上述の光取り出し効率の算定基準となる狭角光の出射角度である３０度以内の回折角度を狭角な角度範囲と定義して説明する。

図３は、蛍光体部２４の上面に入射される蛍光の入射角度に対する第２のナノアンテナ２５から上方に放出される蛍光の回折角度を、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いて解析した結果を示すグラフである。

図３においては、高さが１５０ｎｍ、直径が２００ｎｍ、第２の周期Ｐ２が３５０ｎｍのＡｌからなる第２のナノアンテナ２５を蛍光体部２４の上面に正方格子状に配列させたモデルを用いて解析している。なお、蛍光体部２４内から蛍光体部２４の上面に入射させる蛍光は、波長が５５０ｎｍの直線偏光としている。

図３においては、第２のナノアンテナ２５が形成されている蛍光体部２４の上面から放出される蛍光が０次回折を示すときの蛍光の入射角度に対する回折角度を実線で示し、当該蛍光が一次回折を示すときの蛍光の入射角度に対する回折角度を一点鎖線で示している。

図３において、上記した狭角な角度範囲を破線で示している。図３より、第２のナノアンテナ２５が形成されている蛍光体部２４の上面から蛍光が狭角に放出されるときの蛍光の入射角度の条件（以下、狭角条件とも称する）は、０～１７度又は３７～８９度である。

図２に示すように、蛍光の入射角度θ３が狭角条件を満たさないような場合、すなわち蛍光の入射角度が１７～３７度である場合、当該蛍光は、蛍光体部２４の上面で全反射されて蛍光体部２４内に戻されるか又は３０度よりも大きい回折角度θ４で放出される。例えば、蛍光体部２４内に戻された蛍光は、入射角と同一の出射角で（角度θ３で）蛍光体部２４の下面に向かって進行し、第２の透光部２１内の第１のナノアンテナ２２に入射される。

本実施例の波長変換装置１００において、第１のナノアンテナ２２の各々は、蛍光体部２４から到来した蛍光の角度を変えて蛍光体部２４内に戻し、その際に狭角条件を満たす角度の蛍光が多く生ずるような配列周期（第１の周期Ｐ１）で配列されている。蛍光体部２４内に戻された蛍光が狭角条件を満たさない角度θ３のまま第１のナノアンテナ２２に到達した場合、当該蛍光は、第１のナノアンテナ２２によって狭角条件を満たす角度θ２の蛍光として回折され得る。

なお、蛍光体部２４内で励起光によって励起されて第２の透光部２１に直接進行してきた蛍光のうち狭角条件を満たさない蛍光成分も、同様に第１のナノアンテナ２２によって狭角条件を満たす角度θ２の蛍光として回折され得る。

従って、第１のナノアンテナ２２によって回折されて蛍光体部２４の上面に到達した蛍光は、上記した狭角条件を満たす蛍光が多く生じているために、第２のナノアンテナ２５によって狭角な蛍光（回折角度θ１の蛍光）として取り出される割合が多くなる。

よって、本実施例の波長変換装置１００によれば、第２のナノアンテナ２５によって狭角化されて取り出される蛍光の割合を増加させることができるために、波長変換装置１００における光取り出し効率を向上させることができる。

なお、図４は、図３にて用いたモデルと同様のモデルを用いて、蛍光の入射角度に対する第２のナノアンテナ２５が形成されている蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の強度割合を、ＲＣＷＡ法を用いて解析した結果を示すグラフである。図４において、破線矢印は第２のナノアンテナ２５から蛍光が狭角に（回折角度３０度以内に）取り出されるときの蛍光の入射角度の範囲を示している。

図４より、蛍光の入射角度が０～１７度のときの０次回折の蛍光の強度割合は７～２０％程度を示し、蛍光の入射角度が３７～８９度のときの一次回折の蛍光の強度割合は１～１２％程度を示している。また、蛍光の入射角度が狭角条件を満たさないときの（回折角度が１７～３７度のときの）蛍光の強度割合は最大で１３％程度を示している。

本実施例の波長変換装置１００において、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５の各々は、図１及び図２に示すように、各々が上方に窄む円錐形状を有している。

本実施例によれば、第２のナノアンテナ２５が円錐形状を有していることにより、第２のナノアンテナ２５の断面積が大きい底面側から蛍光が入射した際に、第２のナノアンテナ２５が形成されている蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の割合が増加する。

また、本実施例によれば、第１のナノアンテナ２２が円錐形状を有していることにより、第１のナノアンテナ２２の断面積が小さい頂点側から蛍光が入射した際に、第１のナノアンテナ２２によって反射される蛍光の割合が増加する。

従って、本実施例によれば、第１のナノアンテナ２２では第２のナノアンテナ２５に向けて反射させる蛍光の割合を、第２のナノアンテナ２５では蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の割合を高めることができるために、波長変換装置１００における光取り出し効率を向上させることができる。

［第１のナノアンテナ及び第２のナノアンテナの形成方法］
以下に、本実施例の波長変換装置１００における第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５の形成方法について説明する。

まず、平板状の第１の透光部１９の上面に第１のナノアンテナ群としての第１のナノアンテナ２２を形成する（ステップ１）。なお、発光素子１３の支持基板１５が第１の透光部１９を兼ねる場合には、実装基板１２の上面に発光素子１３を実装させた後に支持基板１５の上面に第１のナノアンテナ２２を形成する。

具体的には、まず、第１の透光部１９の上面に第１のナノアンテナ２２の基材となるＡｌまたはＡｇからなる金属膜を電子ビーム蒸着やスパッタリング成膜によって成膜する。そして、成膜した金属膜にレジストを塗布し、ナノインプリント装置又はイオンビーム描画装置を用いて正方格子状にパターニングを施す。そして、レジストをエッチングマスクとしてドライエッチングを実施し、その後レジストを除去することによって第１のナノアンテナ２２が形成される。

次に、第１のナノアンテナ２２の各々の間を埋めつつ第１の透光部１９の上面を覆うように、第１の透光部１９の上面に透光体部２３を形成する（ステップ２）。具体的には、ＳｉＯ_２膜を電子ビーム蒸着やスパッタリング成膜により成膜することにより、透光体部２３が形成される。

次に、透光体部２３の上面に対して機械研磨処理、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理によって表面研磨を行い、当該上面を平滑にする（ステップ３）。これにより、第１のナノアンテナ２２及び透光体部２３を有する平板状の第２の透光部２１が形成される。

次に、第２の透光部２１の上面に蛍光体部２４を接合する（ステップ４）。例えば、蛍光体部２４の下面に対して機械研磨処理、次にＣＭＰ処理を行い、表面研磨を行い、当該下面を平滑にする。その後、第２の透光部２１の上面と蛍光体部２４の下面とをプラズマ活性化接合することにより、第２の透光部２１と蛍光体部２４とを直接接合することができる。なお、当該接合方法は直接接合に限らず、例えば、第２の透光部２１の上面に蛍光体部２４を透明な樹脂を介して載置した後に硬化させることにより接合してもよい。

最後に、蛍光体部２４の上面に第２のナノアンテナ群としての第２のナノアンテナ２５を形成する（ステップ５）。具体的には、第１のナノアンテナ２２の形成方法と同様に、金属膜を蛍光体部２４の上面に成膜した後にパターニングを施し、その後エッチングすることにより第２のナノアンテナ２５が形成される。

上記したステップ１～５の工程により、波長変換装置１００における第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５を形成することができる。

［検証］
以下に、図５～７を用いて、本発明の波長変換装置１００に対して行った検証及びその検証結果について説明する。

まず、図５を用いて第１のナノアンテナ２２の第１の周期Ｐ１を変化させた際の蛍光の反射強度について検証した結果について説明する。

図５は、第１のナノアンテナ２２によって反射された蛍光の角度が上記した狭角条件を満たすときの第１の周期Ｐ１に対する蛍光の反射強度を、ＲＣＷＡ法を用いて解析した結果を示すグラフである。

図５においては、高さが１５０ｎｍ、直径が２００ｎｍのＡｌからなる第１のナノアンテナ２２を第１の透光部１９の上面に正方格子状に配列させたモデルを用いて解析している。

また、図５においては、高さが１５０ｎｍ、直径が２００ｎｍ、第２の周期Ｐ２が３５０ｎｍのＡｌからなる第２のナノアンテナ２５を蛍光体部２４の上面に正方格子状に配列させたモデルを用いて解析している。

また、図５において、第１の透光部１９はサファイアからなり、透光体部２３はＳｉＯ_２からなる。なお、第１のナノアンテナ２２に入射させる光は波長が５５０ｎｍの直線偏光としている。図５においては、第１の周期Ｐ１が３５０ｎｍであるときに第１のナノアンテナ２２によって反射された蛍光の反射強度を１としている。

図５より、第１の周期Ｐ１を第２の周期Ｐ２よりも小さくすると第１のナノアンテナ２２による蛍光の反射強度が増加している。一方、第１の周期Ｐ１を第２の周期Ｐ２よりも大きくすると第１のナノアンテナ２２による蛍光の反射強度が低下している。

この結果より、第１の周期Ｐ１を第２の周期Ｐ２（３５０ｎｍ）以下とすることにより、第１のナノアンテナ２２によって狭角条件を満たす蛍光の反射強度を増加させることができる。

次に、図６及び図７を用いて第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５のそれぞれの傾きを変えた際の蛍光の透過強度の検証結果について説明する。

図６は、第２のナノアンテナ２５を円柱形状の状態から上方に窄むように傾斜させた際の傾斜角度に対する蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の透過強度を、ＲＣＷＡ法を用いて解析した結果を示すグラフである。

図６においては、図５にて用いたモデルと同様のモデルを用いて検証しており、第２のナノアンテナ２５の傾きを９０度（円柱形状の状態）から変化させている点のみ異なっている。なお、図６においては、第２のナノアンテナ２５の傾きが９０度であるときの透過強度を１として示している。

図６より、第２のナノアンテナ２５の傾斜角度が小さくなるほど、すなわち第２のナノアンテナ２５が円柱形状から円錐形状に近づくほど、蛍光体部２４の上面から放出される蛍光の透過強度が増加している。

図７は、第１のナノアンテナ２２を円柱形状の状態から上方に窄むように傾斜させた際の傾斜角度に対する蛍光体部２４内に向かって反射される蛍光の反射強度を、ＲＣＷＡ法を用いて解析した結果を示すグラフである。また、図７においては、第１のナノアンテナ２２が９０度であるときの反射強度を１として示している。なお、解析モデルについては図６における検証と同様である。

図７より、第１のナノアンテナ２２の傾斜角度が小さくなるほど、すなわち第１のナノアンテナ２２が円柱形状から円錐形状に近づくほど、蛍光体部２４内に向かって反射される蛍光の反射強度が増加している。

図６及び図７に示した結果より、本実施例の波長変換装置１００によれば、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５を傾斜させて上方に窄ませることにより、第１のナノアンテナ２２の場合は蛍光の反射強度を、第２のナノアンテナ２５の場合は蛍光の透過強度を、それぞれ増加させることができる。

次に、図８及び図９を用いて実施例２について説明する。図８は、実施例２に係る照明装置２００の構成を模式的に示す断面図である。図９は、波長変換装置２１０の断面図である。なお、図８においては視認性に鑑みてハッチングを省略している。

筐体３１は、箱形の筐体であり、互いに対向する２つの面の各々にそれぞれ開口部ＯＰ１及びＯＰ２を有している。筐体３１は、開口部ＯＰ１と開口部ＯＰ２との間の位置において、物体を支持する支持構造３１Ａを有している。支持構造３１Ａは、その中心において支持構造３１Ａを貫通する貫通孔３１ＡＯを有している。

光源３２は、開口部ＯＰ１内に固定され、開口部ＯＰ２に向けて所定の波長を有する光Ｌ１を出射する光源である。開口部ＯＰ１、貫通孔３１ＡＯ及び開口部ＯＰ２は光軸ＯＡ上に形成されている。

本実施例において、光源３２は、ＩｎＧａＮ系半導体からなる発光層を有するレーザ光源である。光源３２からは、光Ｌ１として約４５０ｎｍのピーク波長を有する青色光が出射される。

波長変換装置２１０は、光軸ＯＡ上に位置するように支持構造３１Ａによって支持されている。具体的には、波長変換装置２１０は、光軸ＯＡが通る底面の中央部が支持構造３１Ａの貫通孔３１ＡＯから露出するように支持構造３１Ａの上面に配されている。言い換えれば、波長変換装置２１０は、波長変換装置２１０の底面の中央を除く領域が支持構造３１Ａによって支持されている。

波長変換装置２１０は、図９に示すように、図２に示した第１の透光部１９、第２の透光部２１、蛍光体部２４、第２のナノアンテナ２５及び光反射部材２６を有している。言い換えれば、波長変換装置２１０は、実施例１における波長変換装置１００の構成から実装基板１２及び発光素子１３を除いた構成を有している。

波長変換装置２１０からは、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体部２４を通過した励起光（青色光）と、蛍光体部２４の蛍光体から放出された蛍光（黄色光）とが出射される。図９においては、波長変換装置２１０から出射される励起光と蛍光とを併せて光Ｌ２として示している。

波長変換装置２１０において、第１のナノアンテナ２２は、第１の透光部１９の上面の一部の領域にのみ形成されている。具体的には、第１のナノアンテナ２２は、図９に示すように、第１の透光部１９の上面のうち、光源３２から出射された光Ｌ１が入射される領域を除く領域に形成されている。言い換えれば、第１のナノアンテナ２２は、第１の透光部１９の上面の光Ｌ１が直接入射される領域には形成されていない。

第１のナノアンテナ２２をこのような形成態様とすることにより、光源３２から出射された励起光としての光Ｌ１が蛍光体部２４に入射される前に第１のナノアンテナ２２によって反射されることを抑制することができる。これにより、蛍光体部２４に入射される励起光の割合を増加させることができ、蛍光体部２４内においてより多くの蛍光を生じさせることができる。

なお、波長変換装置２１０は、光Ｌ１の入射面側に光源３２と波長変換装置２１０との間にレーザ光を集光するレンズを含んでいてもよい。当該レンズによりレーザ光を集光することで、効率よく波長変換装置２１０にレーザ光を照射することができ、なおかつ第１の透光部１９の上面の光Ｌ１が直接入射される領域を小さくすることができるため、第１のナノアンテナ２２が形成される領域を大きくすることができ、第１のナノアンテナ２２で反射される蛍光の割合を増加させることができる。

レンズ３３は、開口部ＯＰ２内に固定されている光学部材である。すなわち、レンズ３３は、光軸ＯＡ上に配されている。レンズ３３は、波長変換装置２１０から出射される光Ｌ２を受けて、当該光Ｌ２を所望の配光に成形し、照明光としての光Ｌ３を生成する光学レンズである。レンズ３３には、例えば、球面レンズや非球面レンズなどを用いることができる。レンズ３３によって生成される光Ｌ３は、筐体３１の外部に取り出される。

上記したような構成を有する照明装置２００においても、実施例１と同様の効果を発揮させることができる。すなわち、第２のナノアンテナ２５によって狭角化されて取り出される蛍光の割合を増加させることができるために、照明装置２００における光取り出し効率を向上させることができる。

次に、図１０及び図１１を用いて実施例３について説明する。図１０は、実施例３に係る照明装置３００の構成を模式的に示す断面図である。図１１は、波長変換装置３１０の断面図である。なお、図１０においては視認性に鑑みてハッチングを省略している。以下、実施例１及び２と異なる点についてのみ説明する。

筐体３１は、箱形の筐体であり、対向する２つの面のうちの一方の面に開口部ＯＰ１を有している。また、筐体３１は、上記した２つの面が対向する方向に垂直な方向において対向する２つの面のうちの一方の面において開口部ＯＰ２を有している。また、筐体３１は、開口部ＯＰ２と対向し、物体を支持する支持構造３１Ａを有している。

実施例２と同様に、光源３２は開口部ＯＰ１内に固定され、レンズ３３は開口部ＯＰ２内に固定されている。本実施例において、波長変換装置３１０は、光源３２から出射される光Ｌ１の光軸ＯＡと波長変換装置３１０の１の側面とが直交するように支持構造３１Ａの上面に配されている。すなわち、本実施例において、光源３２から出射された光Ｌ１は、波長変換装置３１０の側面に入射される。

波長変換装置３１０は、図１１に示すように、図２に示した第１の透光部１９、第２の透光部２１、蛍光体部２４、第２のナノアンテナ２５及び光反射部材２６を有している。言い換えれば、波長変換装置３１０は、実施例１における波長変換装置１００の構成から実装基板１２及び発光素子１３を除いた構成を有している。

波長変換装置３１０において、光反射部材２６は、光源３２から出射された光Ｌ１が入射される一部の外側面を除いて、第１の透光部１９の側面の下端から蛍光体部２４の側面の上端に亘って連続的に形成されている。言い換えれば、光源３２から出射された光Ｌ１が入射される波長変換装置３１０の一部の外側面は、光反射部材２６から露出している。

本実施例の照明装置３００によれば、光源３２から出射された励起光としての光Ｌ１は、蛍光体部２４の光反射部材２６から露出している側面から直接入射される。そのため、例えば光源３２から出射された光Ｌ１が波長変換装置３１０の下方から入射された際に、当該光Ｌ１が第１のナノアンテナ２２によって反射されることを抑制することができる。

また、本実施例の照明装置３００によれば、光Ｌ１が入射される波長変換装置３１０の一側面を除く側面には光反射部材２６が形成されているために、光Ｌ１が他の側面から出射されることを抑制することができる。

上記したような構成を有する照明装置３００においても、実施例１と同様の効果を発揮させることができる。すなわち、第２のナノアンテナ２５によって狭角化されて取り出される蛍光の割合を増加させることができるために、照明装置３００における光取り出し効率を向上させることができる。

なお、上記した実施例においては、蛍光体部２４が単結晶のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体からなる蛍光体プレートである場合について説明したが、当該蛍光体部２４はその内部で光散乱が生じにくい構成であればよく、その構成はこれに限られない。例えば、黄色蛍光を発する蛍光体粒子を含有する樹脂又はガラスを媒体としたプレートであってもよい。

また、上記した実施例においては、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５が正方格子状に配列されている場合について説明したが、配列態様はこれに限られない。例えば、第１のナノアンテナ２２及び第２のナノアンテナ２５は、三角格子状の配列パターンを有していてもよい。

また、上記した実施例においては、第１のナノアンテナ２２が円錐状を有する場合について説明したが、蛍光を第２のナノアンテナ２５に向けて反射させることが可能な形状を有していればよく、これに限られない。例えば、第１のナノアンテナ２２は、四角錐等の他の錐状や円錐台等の錐台状を有していてもよい。

また、上記した実施例においては、第２のナノアンテナ２５が円錐状を有する場合について説明したが、蛍光を狭角に放出させることが可能な形状を有していればよく、これに限られない。例えば、第２のナノアンテナ２５は、四角錐等の他の錐状や円錐台等の錐台状を有していてもよい。

なお、上記した実施例においては、波長変換装置に光反射部材２６が設けられる場合について説明したが、求められる配光によっては光反射部材２６の代わりに光学多層反射膜や金属反射膜を用いてもよく、また、これらを組み合わせたものを設けてもよい。

１００、２１０、３１０波長変換装置
２００、３００照明装置
１２実装基板
１３発光素子
１４半導体構造層
１５支持基板
１６ｐ電極
１７ｎ電極
１９第１の透光部
２１第２の透光部
２２第１のナノアンテナ
２３透光体部
２４蛍光体部
２５第２のナノアンテナ
２６光反射部材
３１筐体
３２光源（レーザ光源）
３３レンズ

Claims

励起光によって励起されて蛍光を発する蛍光体を含む平板状の蛍光体部と、
前記蛍光体部の下面側に設けられかつ各々が第１の周期で配置された金属からなる複数の第１のナノアンテナからなる第１のナノアンテナ群と、
隣り合う前記第１のナノアンテナの各々の間を埋めて前記蛍光体部の下面を覆うように前記蛍光体部の下面に形成された透光性材料からなる透光体部と、
前記蛍光体部の上面に設けられかつ前記蛍光体部の上面おいて各々が第２の周期で配置された金属からなる複数の第２のナノアンテナからなる第２のナノアンテナ群と、を有することを特徴とする波長変換装置。
前記第１の周期は、前記第２の周期以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
前記第１のナノアンテナは、上方に向かって窄む錐状又は錐台状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記第２のナノアンテナは、上方に向かって窄む錐状又は錐台状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記第１のナノアンテナは透光性材料からなる透光部の上面に配置され、
前記透光体部は前記透光部の上面を覆うように前記透光部上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記透光部の上面の１の領域のみに前記第１のナノアンテナが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
前記波長変換装置の側面の一部に形成されかつ前記透光体部の側面の下端から前記蛍光体部の側面の上端に亘って連続的に形成された光反射部材を有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
前記蛍光体部は、前記励起光によって励起されて５２０ｎｍ～５７０ｎｍのピーク波長を有する前記蛍光を発する性質を有し、
前記第１のナノアンテナは、５００ｎｍ以下の前記第１の周期を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記蛍光体部は、セリウムを賦活剤としたイットリウム・アルミニウム・ガーネットからなることを特徴とする請求項８に記載の波長変換装置。
前記蛍光体部は、単結晶の前記蛍光体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記第１のナノアンテナ及び前記第２のナノアンテナは、正方格子状又は三角格子状の配列パターンで配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
前記第１のナノアンテナ及び前記第２のナノアンテナは、Ａｌ又はＡｇからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
請求項１に記載の波長変換装置と、
前記蛍光体部に向けて前記励起光を出射する光源と、
を有することを特徴とする照明装置。