JP2024068970A - 蛍光光源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】励起用光源と蛍光体とを含み、高い演色性を示す光の生成が可能な蛍光光源装置を提供する。【解決手段】蛍光光源装置は、青色域の励起光を発する励起光源と、Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、励起光を受光して長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、少なくとも蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタとを備える。ノッチフィルタは、光入射面がコリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、カット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内である。【選択図】図１
Description
本発明は、入射された励起光の波長を変換して生成された蛍光を出射する、蛍光光源装置に関する。
照明光を生成する光源装置においては、照明光の高い演色性が市場から要求される場合がある。
下記特許文献１には、ＧａＮ系のＬＥＤ素子で構成される励起用の発光素子と、この発光素子から出射された光を受光して蛍光を発する蛍光体を含む波長制御光学部材と、を備えた光源装置が開示されている。この特許文献１に開示された波長制御光学部材は、多層構造であって、具体的には、マトリックス樹脂の内部で緑色蛍光色素を分散させた第一波長変換層と、マトリックス樹脂の内部で赤色蛍光色素を分散させた第二波長変換層と、マトリックス樹脂の内部で光吸収色素を分散させた波長選択層とを含む。
特許文献１によれば、上記構造の波長制御光学部材によって、演色性を低下させる黄色光を光吸収色素及び赤色蛍光色素により吸収し、赤色蛍光色素により赤色光を発光することにより、演色性を高めることができるとされている。
また、特許文献２には、色再現性を良くするために、ノッチフィルタとして機能するダイクロイックミラーを用いて赤色域の光をカットする技術が開示されている。
上記特許文献１の方法は、蛍光体又は色素吸収色素によって可視域を光吸収することで演色性を改善するものである。このため、波長制御光学部材において多くの光量が吸収される結果、高い光出力を得るには励起光源の出力を高める必要があり、光の利用効率が十分ではなかった。
また、特許文献２の方法は、ダイクロイックミラーをノッチフィルタとして機能させる構造であり、光軸に対して４５°傾斜させた状態で配置されている。ノッチフィルタは、屈折率の異なる複数の誘電体層が積層されて形成される。ノッチフィルタのカット波長域を狭小化するには、この積層数（膜数）を多くする必要がある。一方で、膜数を多くしすぎると、誘電体多層膜を保持する基板への応力が高まり、基板の変形や割れを誘発するおそれがある。このため、誘電体多層膜として積層できる数にはおのずと限界がある。
光入射面が光軸に対して４５°傾けられた状態でノッチフィルタが配置されていると、このノッチフィルタに入射された光の主光線は、誘電体多層膜の積層方向に対して４５°傾斜した状態でノッチフィルタを通過する。このことは、ノッチフィルタの光入射面の法線方向に光の主光線が入射した場合と比較すると、同じ光路長だけノッチフィルタ内を通過させるためには、ノッチフィルタの厚みを厚くする必要がある、言い換えれば積層数を増加させる必要があることを意味する。しかし、誘電体多層膜として積層できる数に限界があることは上述した通りである。したがって、光入射面が光軸に対して４５°傾けられて配置されたノッチフィルタでは、構造上カット波長域を十分に狭小化することができない。
本発明者の鋭意研究の結果、カット波長域が広帯域になることで、演色性が低下することが確認されている。このような事情から、特許文献２において提案されている技術では、極めて高い演色性を示す光源装置を実現することは困難である。
本発明は、上記の課題に鑑み、励起用光源と蛍光体とを含む光源装置において、高い演色性を示す光の生成を可能にすることを目的とする。
本発明に係る蛍光光源装置は、
青色域の励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタとを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを第一の特徴とする。
青色域の励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタとを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを第一の特徴とする。
また、本発明に係る蛍光光源装置は、
励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタと、
前記蛍光プレートから出射される前記蛍光の光路に、青色域の重畳光を入射する青色光源とを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを第二の特徴とする。
励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタと、
前記蛍光プレートから出射される前記蛍光の光路に、青色域の重畳光を入射する青色光源とを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを第二の特徴とする。
前記蛍光体としては、Ｃｅが賦活された酸化物蛍光体又はＣｅが賦活された窒化物蛍光体を採用することができる。具体的な一例としては、ＬＳＮ（Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ2+，(Ｌａ, Ｙ)3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ2+）、ＣＳＯ（ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+）、ＬｕＡＧ（Ａｌ5Ｏ12Ｌｕ3：Ｃｅ2+）、及びＹＡＧ（Ａｌ5Ｏ12Ｙ3：Ｃｅ2+）からなる群から選択された１種又は２種以上を利用できる。上に挙げた材料の中では、ＬＳＮが特に好ましい。
蛍光体の中には、Ｃｅが賦活されたもの以外に、Ｅｕが賦活されたもの、Ｇｄが賦活されたもの等も存在する。しかし、ＥｕやＧｄは、Ｃｅと比較して、電子軌道が熱による影響を受けやすく、脱励起が起こりやすい。この結果、温度消光が大きく、発光効率が低下してしまう。よって、高演色性と高輝度の両立を実現する観点からは、蛍光体に賦活される材料としてＣｅを用いるのが好ましい。
上記の構造によれば、蛍光プレートから出射された蛍光は、コリメート光学系を介して発散角が縮小された後、この主光線の光軸に実質的に直交する向きに光入射面が形成されたノッチフィルタに入射される。この結果、ノッチフィルタによってカットされる蛍光の波長域を狭小化することができる。
具体的には、ノッチフィルタのカット波長域を、中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内とすることが可能となる。このようなノッチフィルタを配置することにより、同フィルタを通過した後、後段の利用光学系に入射される光の演色性が高められる。この利用光学系に入射される光とは、蛍光と青色域の光との合成光であり、平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上という、極めて高いＲａ値が実現される。このＲａ値は、蛍光体と励起光源を含む従来型の蛍光光源装置では、これまで容易に実現できなかった高い値である。なお、合成光の色度ｙは、好ましくは０．２８３～０．３７３の範囲内である。
前記合成光のＲａ値は、ＪＩＳ Ｚ ８７２６（光源の演色性評価方法）に規定された方法に準拠した方法で測定することができる。また、前記合成光の色度ｙ値は、例えばＪＩＳ Ｚ ８７２４（色の測定方法－光源色）に規定された方法に準拠した方法で測定することができる。
なお、「ノッチフィルタの光入射面が、コリメート光学系から出射された光の主光線の光軸に実質的に直交する」とは、前記光入射面の法線と前記コリメート光学系から出射された光の主光線の光軸とのなす角度が、－５°～＋５°の範囲内であることを意味し、より好ましくは、－３°～＋３°の範囲内である。
前記蛍光プレートの構成例としては、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2等の無機化合物で形成されたバインダ内に、粒子状の前記蛍光体を分散させて焼結したものを利用することができる。なお、バインダの構成材料としては、上記の無機化合物の中では、特に酸化物材料が好ましく、Ａｌ2Ｏ3が特に好ましい。前記蛍光体として窒化物蛍光体を用いる場合には、バインダの構成材料としてはＭｇＯが特に好ましい。
励起光源として、青色光を発する光源が利用される上記第一の特徴構成の場合には、励起光源から出射された青色光と、蛍光プレートから出射された蛍光との合成光が、光源装置から出射されるものとしても構わない。また、この構成において、更に青色光を発する別途の青色光源を準備して、青色光源から出射された青色光を蛍光プレートから出射された蛍光と重畳させ、得られた合成光が光源装置から出射されるものとしても構わない。
一方、上記第二の特徴構成の場合は、青色光を発する別途の青色光源を備えており、青色光源から出射された青色光を蛍光プレートから出射された蛍光と重畳させ、得られた合成光が光源装置から出射される。このため、励起光源としては、必ずしも青色域の光を発する光源である必要はなく、例えば、紫色光や紫外光を発する光源としても構わない。また、青色域の光を重畳する位置は、前記ノッチフィルタと前記蛍光プレートとの間、又は前記蛍光プレートの後段の位置とすることができる。
前記コリメート光学系は、光入射面又は光出射面が平坦面で形成されており、前記ノッチフィルタは前記平坦面上に配置されているものとしても構わない。
上記構成によれば、コリメート光学系とノッチフィルタとを一体化できるため、装置規模を縮小化できる。
本発明の蛍光光源装置によれば、高い演色性を示す光を生成することができる。
本発明の蛍光光源装置の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。また、図面上の個数と実際の個数についても必ずしも一致しない。
図１は、蛍光光源装置の一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１に示す蛍光光源装置１は、励起光源５と、コリメート光学系７と、蛍光プレート１０と、ノッチフィルタ２０とを含む。
更に、本実施形態の蛍光光源装置１は、青色光を発する青色光源９と、反射ミラー４１と、ダイクロイックミラー４３とを備える。
本実施形態において、励起光源５の発光波長は、蛍光プレート１０に搭載された蛍光体を励起可能な波長であれば限定されないが、典型的には青色域、紫色域又は紫外域である。具体的な一例として、励起光源５は、波長が４４５ｎｍ～４６５ｎｍの青色領域の光を出射する半導体レーザ素子を含んで構成される。励起光源５は、必要に応じてコリメートレンズなどの光学系を備えてもよい。
ダイクロイックミラー４３は、少なくとも青色光を反射し、青色光よりも長波長の光を透過するように設計されている。なお、本明細書において、青色光とは４２０ｎｍ～５００ｎｍの波長域に属する光を指し、紫色光とは３７０～４２０ｎｍの波長域に属する光を指し、紫外光とは３７０ｎｍ未満の波長域に属する光を指す。
図１に示す本実施形態の蛍光光源装置１では、励起光源５からの青色域の励起光Ｌ５が、反射ミラー４１及びダイクロイックミラー４３を介して、蛍光プレート１０の一方の主面（基板１１が設置されている側とは反対側の主面）に導かれる。蛍光プレート１０に含まれる蛍光体は、励起光Ｌ５によって励起されて蛍光Ｌ１０を発する。蛍光Ｌ１０は、コリメート光学系７を介して発散角が縮小された後、典型的には平行光に変換された後、ノッチフィルタ２０を通過する。
ノッチフィルタ２０は、入射された光のうち、設計されたカット波長域の成分の光強度を大幅に低下させる一方、カット波長域以外の波長成分については、光出力をほとんど低下させない。ノッチフィルタ２０のカット波長域は、中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内に属するように設計されている。すなわち、蛍光光源装置１が備えるノッチフィルタ２０のカット波長域は、極めて狭帯域である。図２にノッチフィルタ２０の透過スペクトルの一例を示す。
図１に示すように、コリメート光学系７によってほぼ平行光に変換された状態の蛍光Ｌ１０が、ノッチフィルタ２０に入射する。つまり、ノッチフィルタ２０の光入射面は、コリメート光学系７から出射された蛍光Ｌ１０の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されている。このため、特許文献２の構成とは異なり、ノッチフィルタ２０のカット波長域を狭帯域化することができる。
ノッチフィルタ２０を通過して、カット波長域の成分の光強度が低下された蛍光Ｌ１０は、青色光源９から出射された青色光Ｌ９と合成される。この合成光Ｌ１が、後段の利用光学系５０に導かれる。青色光源９としては、ＬＥＤ又はレーザダイオードを利用することができる。利用光学系５０とは、蛍光光源装置１から出射される合成光Ｌ１を利用する任意の光学系である。
なお、図１に示す例では、青色光源９から出射された青色光Ｌ９の発散角を縮小するコリメート光学系４５が備えられているが、このコリメート光学系４５を備えるか否かは任意である。
本実施形態の蛍光光源装置１が備える蛍光プレート１０の一例につき、図３～図４を参照して説明する。図３は、蛍光プレート１０及び基板１１の構成を模式的に示す断面図である。図４は、図３の一部を拡大した図面である。
図３に示す例では、蛍光プレート１０は接合層１２を介して基板１１に固定されている。
基板１１は、蛍光プレート１０で発せられた熱を排熱するために設けられており、例えば熱伝導率が９０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上、具体的には例えば２３０～４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］である材料で構成される。このような材料の例としては、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ、ＣｕＷなど）、Ａｌ、ＡｌＮなどが挙げられる。基板１１の厚みは、例えば０．５ｍｍ～５ｍｍである。また、排熱性などの観点から、基板１１の表面における面積は、蛍光プレート１０の面積よりも大きいことが好ましい。
接合層１２は、基板１１と蛍光プレート１０とを接合する層であり、例えばハンダ材料からなる。排熱性などの観点から、接合層１２を構成する材料としては、例えば熱伝導率が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であるものが用いられることが好ましい。より詳細には、例えば、Ｓｎ、Ｐｂなどの材料にフラックスやその他の不純物を混ぜてクリーム状（ペースト状）の形態としたクリームハンダ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ハンダ、Ａｕ－Ｓｎ系ハンダなどを用いることができる。接合層１２の厚みは、例えば２０μｍ～２００μｍである。
図示しないが、基板１１と接合層１２との接合性を更に高める観点から、基板１１と接合層１２との間に、例えばメッキ法によって形成された、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ａｕ＝１０００ｎｍ～５０００ｎｍ／３０ｎｍ～１０００ｎｍとすることができる。
図１に示す例では、蛍光プレート１０に対して励起光Ｌ５が入射される面と、蛍光プレート１０から蛍光Ｌ１０を取り出して利用する面とが、同一面である。つまり、蛍光プレート１０の基板１１側の面から蛍光Ｌ１０が出射しても、この蛍光Ｌ１０の利用が予定されていないため、利用効率が低下する。かかる観点から、図３に示す例では、基板１１の上面に反射層１３が設けられている。反射層１３は、蛍光プレート１０で生成された蛍光Ｌ１０のうち、基板１１側に進行する蛍光Ｌ１０を反射させて、光取り出し側の主面に導くために設けられている。反射層１３は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜や、前記金属膜上に誘電体多層膜を形成した増反射膜などで構成されることができる。
ただし、図１６を参照して後述するように、蛍光プレート１０に対して励起光Ｌ５が入射される面と、蛍光Ｌ１０が取り出される面とが異なる場合には、反射層１３は不要である。
蛍光プレート１０は、一例として基板１１の面に直交する方向から見たときに矩形平板状の構造を示す。蛍光プレート１０の厚みは、例えば０．０５ｍｍ～１ｍｍである。図４に示す例では、蛍光プレート１０は、蛍光体１６、バインダ１７、及び気孔１８を含む。なお、図３に示すように、蛍光プレート１０の光取出し面側の主面には微細な凹凸加工が施されたモスアイ構造１５を有していても構わない。
蛍光体１６は、Ｃｅが賦活された酸化物蛍光体又はＣｅが賦活された窒化物蛍光体である。具体的な一例としては、ＬＳＮ（Ｌａ3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ2+，(Ｌａ, Ｙ)3Ｓｉ6Ｎ11：Ｃｅ2+）、ＣＳＯ（ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+）、ＬｕＡＧ（Ａｌ5Ｏ12Ｌｕ3：Ｃｅ2+）、及びＹＡＧ（Ａｌ5Ｏ12Ｙ3：Ｃｅ2+）からなる群から選択された１種又は２種以上を利用できる。上に挙げた材料の中では、ＬＳＮが特に好ましい。
蛍光体１６は、図４に図示されるように、粒子状を呈してバインダ１７内に分散して存在する。蛍光体１６は、粒径が３０μｍ以下であり、好ましくは２５μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以下である。蛍光体１６の粒径の下限値は特に規定はないが、一般的には１μｍ以上である。
バインダ１７は、無機化合物で構成されている。具体的な例として、バインダ１７は、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＭｇＦ2、ＺｎＳ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、及びＴｉＯ2等からなる１種又は２種以上で構成される。上記の材料例の中では、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が好ましい。窒化物蛍光体を組み合わせる場合には、バインダ１７の材料としては、ＭｇＯが特に好ましい。蛍光プレート１０は、バインダ１７の構成材料である無機物粒子と、蛍光体１６の構成材料の粒子との焼結体である。蛍光プレート１０に含まれる気孔１８は、焼結の過程で生成されたものであるが、焼結工程のプロファイルを変更することで、気孔１８を完全に含まない構造とすることも可能である。
蛍光プレート１０に含まれるバインダ１７の質量割合は、好ましくは３０質量％～７０質量％以下であり、より好ましくは５０質量％～９０質量％である。なお、蛍光プレート１０に含まれるバインダ１７の質量割合とは、蛍光体１６とバインダ１７の合計質量に対する、バインダ１７の質量の比率を指す。
蛍光プレート１０の相対密度は、好ましくは８０．４％～９９．５％以下である。蛍光プレート１０の相対密度とは、焼結体である蛍光プレート１０の理論密度に対する見かけ密度の比率であり、例えばＪＩＳ Ｒ １６３４（ファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法）に準拠した方法によって測定することができる。言い換えれば、蛍光プレート１０は、含有率が０．５％～１９．６％の気孔１８を含むものとすることができる。蛍光プレート１０に気孔１８を含めることで、蛍光体１６又はバインダ１７と、気孔１８との界面で屈折率差が生じるため、蛍光プレート１０内で生成された蛍光Ｌ１０を光取り出し側の主面に屈折させやすくなる。
図５は、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６をＬＳＮ（蛍光ピーク波長は５３５ｎｍ）、バインダ１７をアルミナとし、青色光源９をピーク波長４５５ｎｍのＬＥＤとした場合の、合成光Ｌ１のスペクトルと、ノッチフィルタ２０の透過スペクトルとを重ね合わせたグラフである。ノッチフィルタ２０としては、図２に示す透過スペクトルのフィルタが利用された。前記のとおり、合成光Ｌ１は、ノッチフィルタ２０を通過した後の光であるため、ノッチフィルタ２０のカット波長域である５５３ｎｍ～５７５ｎｍ近傍の光強度が著しく低下している。
このときに得られた合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２４（色の測定方法－光源色）に準拠した方法で測定すると、色度上のｙ値が０．３３であった。また、合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２６（光源の演色性評価方法）に準拠した方法で測定すると、平均演色評価数（Ｒａ値）が９２という極めて高い値が得られた。
図６は、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６をＬＳＮ（蛍光ピーク波長は５３５ｎｍ）、バインダ１７をアルミナとし、青色光源９をピーク波長４６０ｎｍのレーザダイオードとした場合の、合成光Ｌ１のスペクトルと、ノッチフィルタ２０の透過スペクトルとを重ね合わせたグラフである。ノッチフィルタ２０としては、図２に示す透過スペクトルのフィルタが利用された。前記のとおり、合成光Ｌ１は、ノッチフィルタ２０を通過した後の光であるため、ノッチフィルタ２０のカット波長域である５５３ｎｍ～５７５ｎｍ近傍の光強度が著しく低下している。
このときに得られた合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２４に準拠した方法で測定すると、色度上のｙ値が０．３４であった。また、合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２６に準拠した方法で測定すると、Ｒａ値が８９．８という極めて高い値が得られた。
本実施形態の蛍光光源装置１によって得られる合成光Ｌ１によって、極めて高い演色性が得られた理由は定かではないが、励起光Ｌ５で励起されて生成された蛍光Ｌ１０のスペクトルが、緑色域と赤色域との間の波長域である５５３ｎｍ～５７５ｎｍ近傍において強度が低下されたことによるものと推察される。５５３ｎｍ～５７５ｎｍ近傍のカット波長域の光強度が大幅に低下した蛍光Ｌ１０と、青色光Ｌ９とが合成されてなる合成光Ｌ１は、実質的に、青色光と緑色光と赤色光とを重ね合わせた状態が模擬され、高い演色性が得られたものと推察される。
図７は、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６の材料をＹＡＧ又はＬＳＮとし、ノッチフィルタ２０を設けた場合とノッチフィルタ２０を設けなかった場合のそれぞれにおいて、ｙ値とＲａ値との関係を測定したグラフである。ｙ値の変化は、励起光源５と青色光源９の光出力の相対値を調整し、目標とする色温度を変化させることによって行われた。Ｒａ値は、合成光をＪＩＳ Ｚ ８７２６に準拠する方法で測定した。青色光源９としては、ピーク波長４５５ｎｍのＬＥＤが採用された。
なお、ノッチフィルタ２０を設けた場合については、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６として、蛍光Ｌ１０のピーク波長が５３５ｎｍに設定されたＬＳＮ（「ＬＳＮ－１」と称する。）、蛍光Ｌ１０のピーク波長が５４０ｎｍに設定されたＬＳＮ（「ＬＳＮ－２」と称する。）、蛍光Ｌ１０のピーク波長が５４０ｎｍに設定されたＹＡＧ（「ＹＡＧ－１」と称する。）、及び蛍光Ｌ１０のピーク波長が５４５ｎｍに設定されたＹＡＧ（「ＹＡＧ－２」と称する。）の４種類について検証が行われた。一方、ノッチフィルタ２０を設けなかった場合については、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６として、ＹＡＧ－１とＬＳＮ－１の２種類について検証が行われた。
図７によれば、ノッチフィルタ２０を設けていない場合には、ｙ値にかかわらず合成光Ｌ１のＲａ値が８０を下回ることが確認される。一方で、ノッチフィルタ２０を設けた場合には、いずれの蛍光体においても、合成光Ｌ１の色度ｙ値が０．２８３～０．３９６の範囲内にある場合には、Ｒａ値が８５以上という極めて高い値が得られていることが分かる。更に、蛍光体をＹＡＧとした場合とＬＳＮとした場合とで比較すると、ＬＳＮの方がより高いＲａ値が得られた。これは、ＬＳＮから出射される蛍光Ｌ１０が、ＹＡＧから出射される蛍光Ｌ１０よりも赤色成分が多いためと考えられる。なお、色度ｙ値が０．２８３～０．３９６の範囲内にある場合、合成光Ｌ１の色温度は５１００Ｋ～９１００Ｋであった。
図８は、青色光源９としてピーク波長４６０ｎｍのレーザダイオードを用いて、図７と同様の方法で測定されたｙ値とＲａ値との関係を測定したグラフである。図８によれば、青色光源９がレーザダイオードの場合についても、ＬＥＤの場合と同様に、ノッチフィルタ２０を設けていない場合には、ｙ値にかかわらず合成光Ｌ１のＲａ値が８０を下回ることが確認される。一方で、ノッチフィルタ２０を設けた場合には、いずれの蛍光体においても、合成光Ｌ１の色度ｙ値が０．２８０～０．３７３の範囲内にある場合には、Ｒａ値が８５以上という極めて高い値が得られていることが分かる。なお、色度ｙ値が０．２８３～０．３７３の範囲内にある場合、合成光Ｌ１の色温度は５４００Ｋ～８３００Ｋであった。
表１は、青色光源９としてピーク波長４６２ｎｍのＬＥＤを用い、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６としてＬＳＮ－２を用いた場合に、ノッチフィルタ２０のカット波長域の半値幅を変化させたときの、前記半値幅と合成光Ｌ１のＲａ値との関係を示す表である。なお、図９は、各ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長を５６４ｎｍで固定した上で、半値幅のみを変更するように設計されした場合の結果を示すグラフである。
図９によれば、ノッチフィルタ２０のカット波長域が、半値幅１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内で設計されることで、合成光Ｌ１のＲａ値を高くすることができる。なお、半値幅が狭すぎると、高い演色性を得るためにはカットすべき波長域の光成分がカットされず、演色性が低下したものと考えられる。逆に、半値幅が広すぎると、高い演色性を得るためにはカットすべきでない波長域の光成分がカットされてしまい、演色性が低下したものと考えられる。
表１からは、以下の結果が得られる。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５５３ｎｍの場合には、カット波長域の半値幅を１９ｎｍ～２３ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。なお、前記半値幅が１８ｎｍの場合は、Ｒａ値が８４．４であり実質的に８５と同等とみなすことができる。前記半値幅を１７ｎｍ～２５ｎｍとすることで、Ｒａ値を８４以上とすることができる。Ｒａ値が８４～８５の範囲を示す場合においても、Ｒａ値が８５以上であるものよりは演色性の値が低いものの、蛍光体と励起光源を含む従来型の蛍光光源装置では、容易には実現できなかった高い値である。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５５５ｎｍの場合、カット波長域の半値幅を１８ｎｍ～２７ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。なお、前記半値幅が１７ｎｍの場合は、Ｒａ値が８４．９であり実質的に８５と同等とみなすことができる。前記半値幅を１７ｎｍ～２８ｎｍとすることで、Ｒａ値を８４以上とすることができる。Ｒａ値が８４～８５の範囲を示す場合においても、Ｒａ値が８５以上であるものよりは演色性の値が低いものの、蛍光体と励起光源を含む従来型の蛍光光源装置では、容易には実現できなかった高い値である。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５６０ｎｍの場合には、カット波長域の半値幅を１７ｎｍ～３１ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。特に、前記半値幅を２３ｎｍ～２５ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が約９０に達する。なお、前記半値幅が１６ｎｍ又は３２ｎｍの場合はＲａが８４．５であり、小数点以下第１位で四捨五入すると、８５とみなすことができる。前記半値幅を１６ｎｍ～３２ｎｍとすることで、Ｒａ値を８４以上とすることができる。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５６５ｎｍの場合には、カット波長域の半値幅を１８ｎｍ～３５ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。特に、前記半値幅を２３ｎｍ～２９ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が約９０に達する。なお、前記半値幅が１７ｎｍの場合はＲａが８４．５であり、小数点以下第１位で四捨五入するとＲａが８５とみなすことができる。前記半値幅を１７ｎｍ～３６ｎｍとすることで、Ｒａ値を８４以上とすることができる。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５７０ｎｍの場合には、カット波長域の半値幅を２１ｎｍ～３９ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。特に、前記半値幅を２８ｎｍ～３２ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が約９０に達する。なお、前記半値幅が２０ｎｍ又は４０ｎｍの場合はＲａが８４．８であり、小数点以下第１位で四捨五入するとＲａが８５とみなすことができる。前記半値幅を２０ｎｍ～４１ｎｍとすることで、Ｒａ値を８４以上とすることができる。
ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５７５ｎｍの場合には、カット波長域の半値幅を３２ｎｍ、３４ｎｍとすると、合成光Ｌ１のＲａ値が８５を超える。なお、前記半値幅が３０ｎｍ又は３６ｎｍの場合はＲａが８４．８であり、小数点以下第１位で四捨五入するとＲａが８５とみなすことができる。また、前記半値幅を３０ｎｍ～３６ｎｍとすることで、Ｒａを８４以上とすることができる。
一方、ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長が５５０ｎｍの場合、又は５８０ｎｍの場合は、カット波長域の半値幅を調整しても合成光Ｌ１のＲａ値を８３以上にすることができなかった。
図１０は、青色光源９としてピーク波長４６２ｎｍのＬＥＤを用い、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６としてＬＳＮ－２を用いた場合に、ノッチフィルタ２０のカット波長域に属する光の低下の程度を変化させたときの、合成光Ｌ１のＲａ値への影響を評価したグラフである。具体的に、横軸は、ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長の光に対する透過率であり、縦軸は合成光Ｌ１のＲａ値である。
図１０によれば、少なくとも透過率が３３％以下であれば、高いＲａ値を示す合成光Ｌ１が得られることが分かる。
図１１は、青色光源９としてピーク波長４６２ｎｍのＬＥＤを用い、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６としてＬＳＮ－２を用いた場合に、ノッチフィルタ２０のカット波長域の中心波長を変化させたときの、合成光Ｌ１のＲａ値への影響を評価したグラフである。具体的には、ノッチフィルタ２０のカット波長域の半値幅を２５ｎｍで固定して、中心波長のみを変更するように各ノッチフィルタ２０が設計された。
図１１によれば、ノッチフィルタ２０は、カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内となるように設計されることで、合成光Ｌ１のＲａ値を高くすることができることが確認される。
［別実施形態］
以下、蛍光光源装置１の別実施形態について説明する。なお、以下の各図において、図１と共通の要素については、同一の符号が付されている。
以下、蛍光光源装置１の別実施形態について説明する。なお、以下の各図において、図１と共通の要素については、同一の符号が付されている。
〈１〉図１２に示す蛍光光源装置１のように、ノッチフィルタ２０は、青色光Ｌ９が蛍光Ｌ１０に合成される場所よりも後段に配置されていても構わない。図１２の例では、ダイクロイックミラー４３よりも後段にノッチフィルタ２０が設置されている。
〈２〉 ノッチフィルタ２０は、光の進行方向を変換する屈折光学系に一体化された状態で設置されていても構わない。
図１３に示す蛍光光源装置１は、集光光学系４６を備えている。この集光光学系４６は、蛍光光源装置１で生成された合成光Ｌ１を、後段の利用光学系５０に向けて集光して導光する目的で配置されている。この集光光学系４６が平坦面を有するレンズである場合この平坦面上にノッチフィルタ２０を配置するものとして構わない。
また、図１４に示すように、コリメート光学系７を構成するレンズの光出射面にノッチフィルタ２０を配置するものとしても構わない。
〈３〉蛍光光源装置１は、励起光源５からの励起光Ｌ５を青色光として、この青色光と蛍光Ｌ１０とが合成されてなる合成光Ｌ１を出射するものとしても構わない。この場合、図１５に示すように、蛍光光源装置１は青色光源９を備えなくても構わない。
また、図１６に示すように、励起光源５が蛍光プレート１０の裏面側から励起光Ｌ５を入射し、蛍光プレート１０を透過した励起光Ｌ５の一部と、蛍光プレート１０から出射された蛍光Ｌ１０とが、合成光Ｌ１として利用光学系５０に導かれるものとして構わない。この場合、励起光Ｌ５の減衰を防ぐ観点から、図３を参照して上述した構成とは異なり、蛍光プレート１０は基板１１に保持されていない状態で利用されるのが好適である。また、反射層１３も不要である。
なお、図１７に示すように、励起光源５から蛍光プレート１０に対して斜め方向に励起光Ｌ５を入射させるものとしても構わない。この場合、蛍光プレート１０の光入射面で反射した励起光Ｌ５の一部と、蛍光Ｌ１０とが重畳して合成光Ｌ１が得られる。
〈４〉図１２～図１７に示した蛍光光源装置１の各構造は、適宜組み合わせることができる。
〈５〉蛍光プレート１０は、複数種類の蛍光体１６を備えていても構わない。図１８は、蛍光プレート１０に含まれる蛍光体１６をＬｕＡＧ（蛍光のピーク波長５１７ｎｍ）とＬＳＮ（蛍光のピーク波長５５６ｎｍ）との混合体とし、バインダ１７をアルミナとし、青色光源９をピーク波長４５５ｎｍのＬＥＤとした場合の、合成光Ｌ１のスペクトルとノッチフィルタ２０の透過スペクトルとを重ね合わせたグラフである。ノッチフィルタ２０としては、図２に示す透過スペクトルのフィルタが利用された。
このときに得られた合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２４に準拠した方法で測定すると、色度上のｙ値が０．３８であった。また、合成光Ｌ１をＪＩＳ Ｚ ８７２６（光源の演色性評価方法）に準拠した方法で測定すると、Ｒａ値が９０．４という極めて高い値が得られた。
図５～図６を参照して上述したように、蛍光体１６が単一種類の材料で形成されている場合と比較して、合成光Ｌ１のｙ値が上昇している。このことは、蛍光光源装置１が、得られる蛍光Ｌ１０の波長が異なる複数種類の蛍光体１６を含む蛍光プレート１０を備えることで、色温度を低くしながらも高いＲａ値を示す合成光Ｌ１を生成できることを示唆するものである。
１ ：蛍光光源装置
５ ：励起光源
７ ：コリメート光学系
９ ：青色光源
１０ ：蛍光プレート
１１ ：基板
１７ ：バインダ
２０ ：ノッチフィルタ
４１ ：反射ミラー
４３ ：ダイクロイックミラー
４５ ：コリメート光学系
４６ ：集光光学系
５０ ：利用光学系
Ｌ１ ：合成光
Ｌ１０ ：蛍光
Ｌ５ ：励起光
Ｌ９ ：青色光
５ ：励起光源
７ ：コリメート光学系
９ ：青色光源
１０ ：蛍光プレート
１１ ：基板
１７ ：バインダ
２０ ：ノッチフィルタ
４１ ：反射ミラー
４３ ：ダイクロイックミラー
４５ ：コリメート光学系
４６ ：集光光学系
５０ ：利用光学系
Ｌ１ ：合成光
Ｌ１０ ：蛍光
Ｌ５ ：励起光
Ｌ９ ：青色光
Claims (6)
- 青色域の励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタとを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを特徴とする、蛍光光源装置。 - 励起光を発する励起光源と、
Ｃｅが賦活された蛍光体を含み、前記励起光を受光して前記励起光よりも長波長の蛍光を生成する蛍光プレートと、
少なくとも前記蛍光の発散角を縮小するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射される光が通過するノッチフィルタと、
前記蛍光プレートから出射される前記蛍光の光路に、青色域の重畳光を入射する青色光源とを備え、
前記ノッチフィルタは、光入射面が前記コリメート光学系から出射される光の主光線の光軸に実質的に直交する向きに配置されており、
前記ノッチフィルタのカット波長域は、当該カット波長域の中心波長が５５３ｎｍ～５７５ｎｍの範囲内に属し、半値幅が１７ｎｍ～４１ｎｍの範囲内であり、
前記ノッチフィルタを介して後段の利用光学系に導光される光は、前記蛍光と青色域の光との合成光であって平均演色評価数（Ｒａ値）が８５以上であることを特徴とする、蛍光光源装置。 - 前記ノッチフィルタは、前記カット波長域の中心波長の光に対する透過率が３３％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の蛍光光源装置。
- 前記合成光は、色度ｙが０．２８３～０．３７３の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蛍光光源装置。
- 前記コリメート光学系は、光入射面又は光出射面が平坦面で形成されており、
前記ノッチフィルタは、前記平坦面上に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の蛍光光源装置。 - 前記蛍光プレートは、無機材料からなるバインダと、前記バインダ内に分散されたＣｅ賦活の酸化物蛍光体又はＣｅ賦活の窒化物蛍光体との焼結体を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の蛍光光源装置。
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| JP2022179688A JP2024068970A (ja) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | 蛍光光源装置 |
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ID=91032268
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2022179688A Pending JP2024068970A (ja) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | 蛍光光源装置 |
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-
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