JP5000028B2 - 広帯域赤外光放射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、広帯域赤外光放射装置に関する。
従来、医療用装置や分光分析用の光源として、広帯域光源が用いられている。広帯域光源として、一般的にハロゲンランプが用いられているが、サイズが大きく、寿命が短く、熱線の影響が大きいという欠点を有している。
一方、半導体発光素子であるＬＥＤ等は、ハロゲンランプと比較して、サイズが小さく、寿命が長く、特定波長領域のみの光を放出させることができるという利点があるが、光の半値幅は５０ｎｍ程度と短い。
そこで、本願発明者らは、赤外ガラス蛍光体と半導体発光素子とを備えた光干渉断層撮影装置用光源を提案している（例えば、特許文献１、非特許文献１、２、３等参照）。特許文献１に記載の光源では、赤外ガラス蛍光体の使用により、７２ｎｍ、８４ｎｍ、８８ｎｍといった比較的長い半値幅の赤外光が得られている。
特開２００８−１８５３７８号公報
Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, pp. 7932-7935 (2008) Applied Physics Express Vol. 2, Art. No. 032102 (2009) European Journal of Glass Science and Technology Part A, Vol. 5, pp. 319-322 (2009)
ところで、特許文献１のような光干渉断層撮影装置用の光源である場合、深さ方向の分解能は半値幅に逆比例することから、光源のさらなる広帯域化が求められている。
また、分光分析においても、同時に検出できる物質の数が増えるので、光源の広帯域化が求められている。特に、９００〜１０００ｎｍの波長領域は、糖、脂肪、水分等に起因する吸収スペクトルが存在することから、農業・食品分野では重要であるが、特許文献１、非特許文献１から３に記載の光源ではこの波長領域の全てをカバーしきれていない。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、さらに広帯域の赤外光を放射する広帯域赤外光放射装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、第１波長域の第１励起光を発する光源と、前記第１波長域に励起帯を有し、前記第１励起光が入射すると、第２波長域の第２励起光及び第３波長域の第１赤外光を発する第１ガラス蛍光体と、前記第２波長域に励起帯を有し、前記第３波長域に励起帯を有さず、前記第２励起光が入射すると、前記第１赤外光を透過するとともに、第４波長域の第２赤外光を発する第２ガラス蛍光体と、を少なくとも備え、前記第３波長域の少なくとも一部及び前記第４波長域の少なくとも一部を含む広帯域赤外光を外部へ放射する広帯域赤外光放射装置が提供される。
この広帯域赤外光放射装置によれば、光源から第１励起光が発せられて第１ガラス蛍光体に入射すると、第１励起光により励起されて第１ガラス蛍光体から第２励起光及び第１赤外光が発せられる。さらに第２励起光及び第１赤外光が第２ガラス蛍光体に入射すると、第１赤外光は第２ガラス蛍光体を透過するとともに、第２励起光により励起されて第２ガラス蛍光体から第２赤外光が発せられる。これにより、第２ガラス蛍光体から、第１赤外光及び第２赤外光を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第３波長域は、前記第４波長域よりも短く、前記第１ガラス蛍光体は、前記第１励起光が入射すると、前記第４波長域よりも長い第５波長域の第３赤外光を発し、前記第２ガラス蛍光体は、前記第５波長域に励起帯を有さず、前記広帯域赤外光は、前記第３波長域の少なくとも一部、前記第４波長域の少なくとも一部及び前記第５波長域の少なくとも一部を含むことが好ましい。
この広帯域赤外光放射装置によれば、光源から第１励起光が発せられて第１ガラス蛍光体に入射すると、第１励起光により励起されて第１ガラス蛍光体から第２励起光及び第１赤外光に加えて、第３赤外光が発せられる。さらに第２励起光、第１赤外光及び第３赤外光が第２ガラス蛍光体に入射すると、第１赤外光及び第３赤外光は第２ガラス蛍光体を透過するとともに、第２励起光により励起されて第２ガラス蛍光体から第２赤外光が発せられる。これにより、第２ガラス蛍光体から、第１赤外光、第２赤外光及び第３赤外光を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第１ガラス蛍光体の発光中心は、Ｓｍイオンであり、前記第２ガラス蛍光体の発光中心は、Ｙｂイオン及びＮｄイオンであってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第１波長域は、３８０ｎｍ〜４４０ｎｍであり、前記第２波長域は、５５０ｎｍ〜６７０ｎｍであり、前記第３波長域は、８５０ｎｍ〜９７０ｎｍであり、前記第４波長域は、９５０ｎｍ〜１０７０ｎｍであり、前記第５波長域は、１１００ｎｍ〜１２２０ｎｍであってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、所定の波長域に励起帯を有し、所定の励起光が入射すると、第６波長域の第４赤外光を発する第３ガラス蛍光体をさらに備え、前記広帯域赤外光は、前記第３波長域の少なくとも一部及び前記第４波長域の少なくとも一部並びに前記第６波長域の少なくとも一部を含んでもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記所定の波長域は、前記第２波長域、前記第３波長域、前記第４波長域及び前記前記第５波長域の少なくとも１つの波長域の少なくとも一部であってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、記第３ガラス蛍光体の発光中心は、Ｅｒイオンであってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第６波長域は、１４５０ｎｍ〜１６３０ｎｍであってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記光源は、半導体発光素子であり、前記第１ガラス蛍光体は、前記半導体発光素子を封止してもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第２ガラス蛍光体は、前記第１ガラス蛍光体を覆ってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記第１ガラス蛍光体と前記第２ガラス蛍光体は、母体が同系のガラスであってもよい。
上記広帯域赤外光放射装置において、前記蛍光体の前記母体は、Ｓｂ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなってもよい。
本発明の広帯域赤外光放射装置によれば、従来よりも広帯域の赤外光を放射することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体発光装置の模式断面図である。 図２は、ＬＥＤ素子の発光スペクトルを示すグラフである。 図３（ａ）及び（ｂ）は、Ｓｍ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．９ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．６ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４４．４ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第１ガラス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフであり、（ａ）は短波長側を、（ｂ）は長波長側をそれぞれ示している。 図４は、Ｙｂ２Ｏ３を１．２ｍｏｌ％、Ｎｄ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．７ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．１ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４３．９ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第２ガラス蛍光体の励起スペクトルを示すグラフである。 図５は、Ｙｂ２Ｏ３を１．２ｍｏｌ％、Ｎｄ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．７ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．１ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４３．９ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第２ガラス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフである。 図６は、半導体発光装置における波長変換作用を示す説明図である。 図７は、半導体発光装置から外部へ放射される広帯域赤外光の発光スペクトルを示すグラフである。 図８は、本発明の第２の実施形態を示す半導体発光装置の模式断面図である。 図９は、変形例を示す半導体発光装置の模式断面図である。 図１０は、変形例を示す半導体発光装置の模式断面図である。 図１１は、変形例を示すものであって、半導体発光装置における波長変換作用を示す説明図である。 図１２は、変形例を示すものであって、半導体発光装置における波長変換作用を示す説明図である。 図１３は、変形例を示す半導体発光装置の模式断面図である。 図１４は、変形例を示す半導体発光装置の模式断面図である。
図１から図７は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は半導体発光装置の模式断面図である。
図１に示すように、広帯域赤外光放射装置としての半導体発光装置１は、一対のリードフレーム２，３と、各リードフレーム２，３に搭載されるＬＥＤ素子４と、ＬＥＤ素子４を封止する封止材としての第１ガラス蛍光体５１と、第１ガラス蛍光体５１を覆う第２ガラス蛍光体５２と、を備えている。この半導体発光装置１は、８５０ｎｍ〜１２２０ｎｍ程度の赤外光を発することができる。この波長領域は、生体の透過性が高いので、例えば、医療分野、生体観察分野等の光源として用いると好適である。特に、９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域がカバーされるので、糖、脂肪、水分等に起因する吸収スペクトルが存在し、農業・食品分野における光源として有用である。
各リードフレーム２，３は、導電性の金属からなり、互いに平行に所定方向へ延びる棒状部２１，３１と、棒状部２１，３１の先端側に形成されＬＥＤ素子４が搭載される搭載部２２，３２と、棒状部２１，３１の先端側に形成されＬＥＤ素子４を包囲する反射部２３，３３と、をそれぞれ有している。ここでは、各リードフレーム２，３の基端側を下方、先端側を上方として説明する。
各棒状部２１，３１は、基端側が外部電源と接続され、ＬＥＤ素子４へ電力が供給されるようになっている。各搭載部２２，３２は、各棒状部２１，３１の先端側から互いに近接する方向へ延び、絶縁が確保されるよう間隔をおいて配置される。各搭載部２２，３２の上面は、平坦に形成され、一体的に円形を呈している。各反射部２３，３３は、各棒状部２１，３１の先端側から上方へ延び、ＬＥＤ素子４から発せられた光を上方へ反射する。各反射部２３，３３の内面は、下方から上方へ向かって拡開するよう形成されている。
ＬＥＤ素子４は、基板４１と、半導体層４２と、半導体層４２に接続されたｐ電極４３及びｎ電極４４とから構成される。ｐ電極４３及びｎ電極４４は、各搭載部２２，３２にそれぞれ電気的に接続される。本実施形態においては、ＬＥＤ素子４は、ｐ電極４３及びｎ電極４４が搭載面に形成されたフリップチップ型であり、ｐ電極４３が一方のリードフレーム２に、ｎ電極４４が他方のリードフレーム３に接続されるように、各リードフレーム２，３を跨いで配置される。
本実施形態においては、基板４１はサファイアからなり、半導体層４２はＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）の式で表される半導体からなる。ＬＥＤ素子４は、第１波長域の第１励起光λ１を発する。
図２は、ＬＥＤ素子の発光スペクトルを示すグラフである。
図２に示すように、本実施形態においては、第１波長域は３８０ｎｍ〜４４０ｎｍであり、ＬＥＤ素子４は、ピーク波長が４０５ｎｍ付近で、半値幅が１５ｎｍ程度の光を発する。また、図２中の斜線は第１ガラス蛍光体５１の励起帯を示し、本実施形態においては、励起帯は３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ程度である。このように、第１ガラス蛍光体５１は、第１波長域に励起帯を有することから、第１励起光λ１が入射すると蛍光を発する。
第１ガラス蛍光体５１は、ＬＥＤ素子４を封止し、リードフレーム２，３の搭載部２２，３２及び反射部２３，３３の内側に充填される。本実施形態においては、第１ガラス蛍光体５１は、外表面が上方へ凸の半球状に形成されている。また、第２ガラス蛍光体５２は、第１ガラス蛍光体５１の外表面の全体にわたって、同じ厚さで形成されている。本実施形態においては、第１ガラス蛍光体５１と第２ガラス蛍光体５２は隙間なく接触して接触部分が界面５３をなし、第２ガラス蛍光体５２の外表面がレンズ形状面５４をなしている。尚、第２ガラス蛍光体５２の保護や光の制御を目的として、第２ガラス蛍光体５２の外表面に樹脂等からなる膜を形成してもよい。本実施形態においては、第２ガラス蛍光体５２とリードフレーム２，３の外側は面一に形成されている。
第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２は、ガラスからなる母体と、この母体に含まれる発光中心をそれぞれ有している。ここでいう「発光中心」とは、母体材料中に存在し発光を示す構造であるが、母体材料とは実質的に１つの材料を構成しているものをいい、樹脂、ガラス等からなる封止材中に含有された蛍光体とは異なるものである。すなわち、樹脂、ガラス等からなる封止材中に蛍光体を含有させた場合、樹脂、ガラス等からなる封止材と蛍光体とは、材料として別個のものであり、１つの材料を構成しているとはいえない。
本実施形態においては、第１ガラス蛍光体５１の母体はＳｂ２Ｏ３−Ｂ2Ｏ3系ガラスからなり、発光中心はＳｍ3+となっている。第１ガラス蛍光体５１は、ＬＥＤ素子４から発せられた第１励起光λ１により励起されると、第２波長域の第２励起光λ２、第３波長域の第１赤外光λ３及び第５波長域の第３赤外光λ５を発する。
図３（ａ）及び（ｂ）は、Ｓｍ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．９ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．６ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４４．４ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第１ガラス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフである。具体的に、発光スペクトルは励起波長４０５ｎｍにて測定された発光強度から求めた。
図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、第２波長域は５５０ｎｍ〜６７０ｎｍである。また、第２励起光λ２は、５６５ｎｍ付近の第１ピークと、５９０ｎｍ付近の第２ピークと、６４０ｎｍ付近の第３ピークと、を有し、第２ピークが最も発光強度が高くなっている。
図３（ｂ）に示すように、本実施形態においては、第３波長域は８５０ｎｍ〜９７０ｎｍである。第１赤外光λ３は、９００ｎｍ付近の第１ピークと、９５０ｎｍ付近の第２ピークと、を有し、第２ピークが最も発光強度が高くなっている。
また、本実施形態においては、第５波長域は１１００ｎｍ〜１２２０ｎｍである。第３赤外光λ５は、１１８０ｎｍ付近にピークを有する。尚、図３（ｂ）に示すように、第１ガラス蛍光体５１は、第１赤外光λ３と第３赤外光λ５の間にも、１０３０ｎｍ付近にピークを有する赤外光を発している。
第１ガラス蛍光体５１は、Ｓｍ２Ｏ３粉末と、Ｓｂ２Ｏ３粉末と、Ｈ３ＢＯ３粉末と、Ｂｉ２Ｏ３粉末と、を混合して溶融した後、冷却することにより作製される。溶融温度は１０００℃とした。
また、第２ガラス蛍光体５２の母体はＳｂ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなり、発光中心はＹｂ3+及びＮｄ3+となっている。図４に示すように、第２ガラス蛍光体５２は、第２波長域に励起帯を有することから、第１ガラス蛍光体５１から発せられた第２励起光λ２により励起されると、第４波長域の第２赤外光λ４を発する。また、第２ガラス蛍光体５２は第３波長域に励起帯を有しておらず、第１ガラス蛍光体５１から発せられた第１赤外光λ３は第２ガラス蛍光体５２を透過する。
図４は、Ｙｂ２Ｏ３を１．２ｍｏｌ％、Ｎｄ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．７ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．１ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４３．９ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第２ガラス蛍光体の励起スペクトルを示すグラフである。具体的に、励起スペクトルは発光波長９７６ｎｍにて測定された発光強度から求めた。
図４に示すように、第２ガラス蛍光体５２は、５００ｎｍから７００ｎｍにわたって励起することができる。従って、第２励起光λ２の第２波長域が５００ｎｍから７００ｎｍであれば、第２ガラス蛍光体５２を励起することができる。第２ガラス蛍光体５２の励起スペクトルは、複数のピークを有しており、特に５３０ｎｍ付近、５８５ｎｍ付近、６８５ｎｍ付近の励起効率が優れている。
図５は、Ｙｂ２Ｏ３を１．２ｍｏｌ％、Ｎｄ２Ｏ３を１．１ｍｏｌ％、Ｂｉ２Ｏ３を９．７ｍｏｌ％、Ｂ２Ｏ３を４４．１ｍｏｌ％、Ｓｂ２Ｏ３を４３．９ｍｏｌ％として作製された厚さ１．０ｍｍの第２ガラス蛍光体の発光スペクトルを示すグラフである。具体的に、発光スペクトルは励起波長５９０ｎｍにて測定された発光強度から求めた。
図５に示すように、本実施形態においては、第４波長域は９５０ｎｍ〜１０７０ｎｍである。尚、発光強度が小さいが、厳密には９５０ｎｍ以下でも発光をしている。第２赤外光λ４は、９７８ｎｍ付近にて鋭い発光ピークを有し、この発光ピークの長波長側に１００６ｎｍ付近をピークとする比較的ブロードな発光ピークを有している。１００３ｎｍの発光ピークは、半値幅が１００ｎｍ程度である。
第２ガラス蛍光体５２は、Ｙｂ２Ｏ３粉末と、Ｎｄ２Ｏ３粉末と、Ｓｂ２Ｏ３粉末と、Ｈ３ＢＯ３粉末と、Ｂｉ２Ｏ３粉末と、を混合して溶融した後、冷却することにより作製される。溶融温度は１０００℃とした。
次に、この半導体発光装置１の製造方法を説明する。まず、各リードフレーム２，３にＬＥＤ素子４を実装する。尚、各リードフレーム２，３は、金属を加工することにより作製され、ＬＥＤ素子４は、サファイアからなる基板４１上に、ＧａＮ系の半導体層４２をエピタキシャル成長させることにより作製されている。一方、Ｓｍ2Ｏ3粉末と、Ｓｂ２Ｏ３粉末と、Ｈ３ＢＯ３粉末と、Ｂｉ２Ｏ３粉末と、を混合して加熱し、軟化した状態の第１ガラス蛍光体５１を作製する。そして、ＬＥＤ素子４が搭載された各リードフレーム２，３の先端にて型を用いて第１ガラス蛍光体５１を配置する。
これと同時に、Ｙｂ２Ｏ３粉末と、Ｎｄ２Ｏ３粉末と、Ｓｂ２Ｏ３粉末と、Ｈ３ＢＯ３粉末と、Ｂｉ２Ｏ３粉末と、を混合して加熱し、軟化した状態の第２ガラス蛍光体５２を作製する。そして、第１ガラス蛍光体５１上にて型を用いて第２ガラス蛍光体５２を配置し、第１及び第２第２ガラス蛍光体５１，５２を冷却してモールド成型する。これにより、レンズ形状面５４を有する第１及び第２ガラス蛍光体５１，５２によりＬＥＤ素子４が封止された砲弾型の半導体発光装置１が完成する。
ここで、ＬＥＤ素子４はフリップチップ実装されているので、ＬＥＤ素子４と各リードフレーム２３の電気的接続部位に、各蛍光体５１，５２からの物理的、熱的等のダメージが加わり難くなっている。また、モールド成形時には、ＬＥＤ素子４を冷却しつつ各蛍光体５１，５２を成型することが望ましい。
以上のように構成された半導体発光装置１は、各リードフレーム２，３に電圧を印加すると、図６に示すように、ＬＥＤ素子４から青色の第１励起光λ１が発せられる。ここで、図６は、半導体発光装置１における波長変換作用を示す説明図である。尚、図６においては、説明のため、ＬＥＤ素子４、第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２を離して図示している。図６に示すように、光源としてのＬＥＤ素子４から第１励起光λ１が第１ガラス蛍光体５１に入射すると、第１励起光λ１により励起されて第１ガラス蛍光体５１から黄色の第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５を含む光が発せられる。
さらに、第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５が第２ガラス蛍光体５２に入射すると、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５は第２ガラス蛍光体５２を透過するとともに、第２励起光λ２により励起されて第２ガラス蛍光体５２から第２赤外光λ４が発せられる。これにより、第２ガラス蛍光体５２から、第１赤外光λ３、第２赤外光λ４及び第３赤外光λ５を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。
図７は、半導体発光装置１から外部へ放射される広帯域赤外光の発光スペクトルを示すグラフである。図７に示すように、第２ガラス蛍光体５２の発光に起因する第２赤外光λ４の短波長側と長波長側に、第１ガラス蛍光体５１の発光に起因する第１及び第３赤外光λ３，λ５の発光スペクトルが存在し、全体として広帯域な赤外光が外部へ放射されている。尚、各赤外光λ３，λ４，λ５の発光強度は、発光中心となる希土類イオンの濃度や、各蛍光体５１，５２の厚さ等を変更することにより、適宜調整が可能である。
また、各蛍光体５１，５２の内部では発光中心をなす希土類イオンが母体のガラス中に均一に含まれているので、各蛍光体５１，５２の内部で偏りなく波長変換が行われる。すなわち、蛍光体を粒子とし透明な封止材に含有させた従来の発光装置のように、封止材における粒子の分布状態に応じて色むらが生じるようなことはないし、蛍光体粒子と封止材の界面で光が反射するようなこともない。そして、各蛍光体５１，５２にて波長変換された赤外光は、レンズ形状面５４により集光されて、装置の外部へ放射される。
また、本実施形態の半導体発光装置１によれば、ガラスとしてＳｂ２Ｏ３−Ｂ2Ｏ3系ガラスを用いたので、各蛍光体５１，５２の融点が比較的低く、装置の製造に有利である。さらに、各蛍光体５１，５２のガラスが同じ系であることから、互いの屈折率がほぼ同じであり、互いの界面５３で屈折率は殆ど変化しない。従って、界面５３における光の反射、屈折等の影響はなく、光学的な制御を行いやすい。また、各蛍光体５１，５２のガラス転移温度、熱膨張率等もほぼ同じであるので、装置製造時に、互いの熱膨張係数の差に起因して冷却時にクラックが生じることはなく、各蛍光体５１，５２を的確に密着させることができる。
尚、前記実施形態においては、第１ガラス蛍光体５１の発光中心がＳｍイオンであるもの、第２ガラス蛍光体５２の発光中心がＹｂイオン及びＮｄイオンであるものを示したが、発光中心は、例えば、Ｔｍイオン、Ｅｒイオン、Ｄｙイオン、Ｐｒイオン等の希土類イオンを用いることができる。さらにこれらを適宜共添加してもよい。各希土類イオンはそれぞれ励起波長及び発光波長が異なることから、半導体発光装置１の用途に応じて適宜第１ガラス蛍光体用希土類イオン、第２ガラス蛍光体用希土類イオンを選択すればよい。
また、前記実施形態においては、第１ガラス蛍光体５１から、第２ガラス蛍光体５２の第２赤外光より短波長側と長波長側の両方の赤外線が発せられるものを示したが、いずれか一方の赤外線が発せられるものであっても、第２赤外光を広帯域化することができることはいうまでもない。また、第３波長域、第４波長域及び第５波長域が、互いに明確に区別される必要はなく、例えば、第３波長域と第４波長域の一部が重なっていたり、第４波長域と第５波長域の一部が重なっていてもよい。むしろ、隣接する波長域の一部が重なっている方が、発光強度の均一化が図れて好ましい場合がある。前記実施形態のように、第１、第２、第３赤外光がピークとなる波長を有している場合は、第１赤外光のピーク波長が第２赤外光のピーク波長より短く、第３赤外光のピーク波長が第２赤外光のピーク波長より長ければよい。
さらにまた、各蛍光体５１，５２のＬＥＤ素子４に近い側（例えば、図１中の下側）と、ＬＥＤ素子４から離れた側（例えば、図１中の上側）とで、希土類イオンの濃度を変化させてもよい。これは、意図的に行う濃度変化であり、従来技術における意図しない分散ムラとは異なるものである。この場合、各蛍光体５１，５２をＬＥＤ素子４の側から希土類イオンの濃度が異なる複数の層により構成したり、ＬＥＤ素子４から遠ざかるにつれて希土類イオンの濃度が連続的に変化するよう構成することができる。さらにまた、各蛍光体５１，５２内で、希土類イオンの種類を変化させてもよい。
また、各蛍光体５１，５２の母体として、Ｓｂ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系の硼酸系ガラスを用いたものを示したが、リン酸系ガラスやフッ化物ガラスを用いてもよい。具体的には、Ｂｉ2Ｏ3−ＧｅＯ2系ガラス、ＺｎＯ−Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＣａＯ−Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＣａＯ−Ｐ2Ｏ5系ガラス等の低融点ガラスを例示することができる。各蛍光体５１，５２の母体のガラスは、ＬＥＤ素子４を封止するため、融点が低い方が好ましい。また、各蛍光体５１，５２の母体のガラスの屈折率を、ＬＥＤ素子４の基板４１の屈折率と合わせることが望ましい。例えば、前記実施形態では、基板４１が屈折率１．８のサファイアであることから、各蛍光体５１，５２の母体に屈折率１．８のガラスを用いることが望ましい。尚、ガラスの屈折率は、ガラス中の各酸化物の量を調整することにより変化させることができる。
さらにまた、第１ガラス蛍光体５１と第２ガラス蛍光体５２とで、母体のガラス系が異なるものであってもよい。例えば、第１ガラス蛍光体５１を融点が比較的低いガラスとし、第２ガラス蛍光体５２を融点が比較的高いガラスとすれば、第２ガラス蛍光体５２を予め所期形状に成形しておき、第１ガラス蛍光体５１のみ溶融させ、第２ガラス蛍光体５２のガラスを型としてＬＥＤ素子４を封止することもできる。
また、例えば、第１ガラス蛍光体５１を屈折率が比較的高いガラスとし、第２ガラス蛍光体５２を屈折率が比較的低いガラスとすれば、各蛍光体５１，５２の界面にて全反射の条件が成立することはない。また、例えば、第１ガラス蛍光体５１を屈折率が比較的低いガラスとし、第２ガラス蛍光体５２を屈折率が比較的高いガラスとしても、各蛍光体５１，５２の屈折率の選択により、外部放射効率を高くすることができる。
さらに、ＬＥＤ素子４の配光特性を勘案し、半導体発光装置１における所望の配光特性が実現できるように、希土類イオン濃度や母体ガラスの組成を適宜変化させることが可能である。例えば、ＬＥＤ素子４の配光特性が素子の中心軸（素子の光出射面に垂直で素子の中央を通る軸）について非対称である場合に、半導体発光装置１から出射される光が装置の中心軸について対称的となるよう各蛍光体５１，５２の希土類イオン濃度や屈折率を設計することができるし、ＬＥＤ素子４の配光特性が素子の中心軸について対称的である場合に、導体発光装置１から出射される光が装置の中心軸について非対称となるよう各蛍光体５１，５２の希土類イオン濃度や屈折率を設計することもできる。
また、前記実施形態においては、第２ガラス蛍光体５２のレンズ形状面５４が滑らかな湾曲形状であるものを示したが、例えばレンズ形状面５４をＬＥＤ素子４からの距離がほぼ一定なフレネルレンズの形状としてもよく、レンズ形状面５４は任意に変更することができる。
図８は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図８は半導体発光装置の模式断面図である。
図８に示すように、この半導体発光装置１０１は、一対のリードフレーム１０２，１０３と、一方のリードフレーム１０２に搭載されるＬＥＤ素子１０４と、ＬＥＤ素子１０４を封止する封止材としての第１ガラス蛍光体５１と、第１ガラス蛍光体５１を覆う第２ガラス蛍光体５２と、を備えている。
各リードフレーム１０２，１０３は、互いに平行に所定方向へ延びる棒状部１２１，１３１をそれぞれ有している。一方のリードフレーム１０２は、棒状部１２１の先端側に形成されＬＥＤ素子１０４が搭載される搭載部１２２と、搭載部１２２の外縁から上方に突出形成されＬＥＤ素子１０４を包囲する反射部１２３と、を有している。
搭載部１２２は、棒状部１２１の先端側から他方のリードフレーム１０３へ近接する方向へ延び、絶縁が確保されるよう他方のリードフレーム１０３と間隔をおいて配置される。搭載部１２２の上面は、平坦に形成され、円形を呈している。反射部１２３は、ＬＥＤ素子１０４から発せられた光を上方へ反射し、その内面は下方から上方へ向かって拡開するよう形成されている。
ＬＥＤ素子１０４は、基板１４１上に半導体層１４２が形成され、半導体層４２上に形成された電極１４３がワイヤ１４５により他方にリードフレーム１０３と電気的に接続される。尚、このＬＥＤ素子１０４の基板１４１は、導電性を有しており、基板１４１が搭載部１２２と接触することにより一方のリードフレームと電気的に接続されるようになっている。ＬＥＤ素子１０４の発光スペクトルは、第１の実施形態のＬＥＤ素子４と同様である。
ＬＥＤ素子１０４を封止する第１及び第２ガラス蛍光体５１，５２は、リードフレーム１０２の搭載部１２２及び反射部１２３の内側に充填され、外表面がレンズ形状面５４をなしている。本実施形態においては、第２ガラス蛍光体５２とリードフレーム１０２，１０３の外側は面一に形成されている。第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２は、第１の実施形態と同様であるので、ここでは詳述しない。
以上のように構成された半導体発光装置１０１も、各リードフレーム１０２，１０３に電圧を印加すると、第２ガラス蛍光体５２から、第１赤外光λ３、第２赤外光λ４及び第３赤外光λ５を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。
尚、前記各実施形態では、棒状部を有する一対のリードフレームの先端に蛍光体を設けた半導体発光装置を示したが、例えば、図９及び図１０に示すように、表面実装型の半導体発光装置としてもよく、装置の形態は任意に変更することができる。
図９の半導体発光装置２０１は、セラミックからなる基体２０６に上方を開口した凹部を形成し、当該凹部内にＬＥＤ素子４がフリップチップ実装されている。基体２０６の底部２６２には、ＬＥＤ素子４への電力供給のための金属からなるメタルパターン２０２，２０３が形成されている。また、基体２０６は、ＬＥＤ素子４を包囲する反射部２６１を有している。基体２０６の凹部の内部には、第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２がＬＥＤ素子４側からこの順に充填されている。ＬＥＤ素子４及び各蛍光体５１，５２は、第１の実施形態と同じものである。第２ガラス蛍光体５の上面は、反射部２６１と面一となるよう平坦に形成されている。各蛍光体５１，５２は、軟化した状態で基体２０６の凹部内に充填される。
図１０の半導体発光装置３０１は、基体２０６の凹部内にＬＥＤ素子１０４を実装したものである。ＬＥＤ素子１０４は、第２の実施形態と同じものである。ＬＥＤ素子１０４の電極１４３とメタルパターン２０３とはワイヤ３４５により電気的に接続される。基体２０６の凹部の内部には、第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２がＬＥＤ素子１０４側からこの順に充填されている。各蛍光体５１，５２は、第１の実施形態と同じものである。各蛍光体５１，５２は、溶融した状態で基体２０６の凹部内に充填される。
また、前記各実施形態では、２つのガラス蛍光体を用いたものを示したが、例えば図１１から図１４に示すように、３以上のガラス蛍光体を用いてもよいことは勿論である。図１１は、３つのガラス蛍光体を用いた場合の波長変換作用を示す説明図である。図１１の変形例では、前記各実施形態の第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２に加え、第３ガラス蛍光体５５を用いている。第１ガラス蛍光体５１及び第２ガラス蛍光体５２は、前記各実施形態と同様であるのでここでは説明を省略する。
第３ガラス蛍光体５５は、ガラスからなる母体と、この母体に含まれる発光中心をそれぞれ有している。第３ガラス蛍光体５５は、第２ガラス蛍光体５２の出射側に配置され、第１赤外光λ３及び第２赤外光λ４により励起されると、第６波長域の第４赤外光λ６を発する。尚、第１赤外光λ３と第２赤外光λ４の一方で励起されるようにしてもよい。
具体的に、第３ガラス蛍光体５５の母体はＳｂ２Ｏ３−Ｂ2Ｏ3系ガラスからなり、発光中心はＥｒ3+となっている。第３ガラス蛍光体５５は、９８０ｎｍ付近の光により励起されると、１４５０〜１６３０ｎｍの光を発する。第３ガラス蛍光体５５は、Ｅｒ２Ｏ３粉末と、Ｓｂ２Ｏ３粉末と、Ｈ３ＢＯ３粉末と、Ｂｉ２Ｏ３粉末と、を混合して溶融した後、冷却することにより作製される。
以上のように構成された半導体発光装置は、図１１に示すようにＬＥＤ素子４から第１励起光λ１が第１ガラス蛍光体５１に入射すると、第１ガラス蛍光体５１から第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５を含む光が発せられる。そして、第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５が第２ガラス蛍光体５２に入射すると、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５は第２ガラス蛍光体５２を透過するとともに、第２ガラス蛍光体５２から第２赤外光λ４が発せられる。
第１赤外光λ３、第２赤外光λ４及び第３赤外光λ５が第３ガラス蛍光体５５に入射すると、第３赤外光λ５は第３ガラス蛍光体５５を透過する。また、第１赤外光λ３及び第２赤外光λ４の一部により第３ガラス蛍光体５５が励起されて、第３ガラス蛍光体５５から第４赤外光λ６が発せられる。第１赤外光λ３及び第２赤外光λ４は、一部が第３ガラス蛍光体５５に吸収され、第１赤外光残部λ３’及び第２赤外光残部λ４’が第３ガラス蛍光体５５を透過する。これにより、第３ガラス蛍光体５５から、第１赤外光残部λ３’、第２赤外光残部λ４’、第３赤外光λ５及び第４赤外光λ６を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。このように、第１赤外光λ３及び第２赤外光λ４の一部が他の蛍光体等に吸収されても、広帯域赤外光に第３波長域及び第４波長域の少なくとも一部が含まれていればよい。同様に、第３赤外光λ５及び第４赤外光λ６の一部が他の蛍光体等に吸収されてもよく、この場合も広帯域赤外光に第５波長域及び第６波長域の少なくとも一部が含まれていればよい。
また、図１２に示すように、第１ガラス蛍光体５１と第２ガラス蛍光体５２の間に第３ガラス蛍光体５５を配置してもよい。この場合も、図１１と同様に、ＬＥＤ素子４から第１励起光λ１が第１ガラス蛍光体５１に入射すると、第１ガラス蛍光体５１から第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５を含む光が発せられる。そして、第２励起光λ２、第１赤外光λ３及び第３赤外光λ５が第３ガラス蛍光体５５に入射すると、第２励起光λ２及び第３赤外光λ５は第３ガラス蛍光体５５を透過する。また、第１赤外光λ３の一部により第３ガラス蛍光体５５が励起されて、第３ガラス蛍光体５５から第４赤外光λ６が発させられる。第１赤外光λ３は、一部が第３ガラス蛍光体５５に吸収され、第１赤外光残部λ３’が第３ガラス蛍光体５５を透過する。
第２励起光λ２、第１赤外光残部λ３’、第３赤外光λ５及び第４赤外光λ６が第２ガラス蛍光体５２に入射すると、第１赤外光残部λ３’、第３赤外光λ５及び第４赤外光λ６は第２ガラス蛍光体５２を透過する。また、第２励起光λ２により第２ガラス蛍光体５２が励起されて、第２ガラス蛍光体５２から第２赤外光λ４が発せられる。これにより、第２ガラス蛍光体５２から、第１赤外光残部λ３’、第２赤外光λ４、第３赤外光λ５及び第４赤外光λ６を含む広帯域赤外光が外部へ向かって放射される。
図１１のような配置の場合、第１ガラス蛍光体５１から発せられる第１赤外光λ３と、第２ガラス蛍光体５２から発せられる第２赤外光λ４と、で励起可能な第３ガラス蛍光体５５が出射側に位置しているので、第３ガラス蛍光体５５から発せられる第４赤外光λ６の発光強度を比較的高くすることができる。また、図１２のような配置の場合、第３ガラス蛍光体５５よりも第２ガラス蛍光体５２が出射側に位置しているので、第３ガラス蛍光体５５の励起帯を第２ガラス蛍光体５２から発せられる第２赤外光λ４でカバーすることができる。
図１３及び図１４は、３つのガラス蛍光体を用いた場合の半導体発光装置の模式断面図である。図１３の半導体発光装置２０１は、基体２０６に上方を開口した凹部を形成し、当該凹部内にＬＥＤ素子４がフリップチップ実装されている。基体２０６の底部２６２にはメタルパターン２０２，２０３が形成され、基体２０６はＬＥＤ素子４を包囲する反射部２６１を有している。基体２０６の凹部の内部には、第１ガラス蛍光体５１、第３ガラス蛍光体５５及び第２ガラス蛍光体５２がＬＥＤ素子４側からこの順に充填されている。各蛍光体５１，５２，５５は、軟化した状態で基体２０６の凹部内に充填される。
図１４の半導体発光装置３０１は、基体２０６の凹部内にＬＥＤ素子１０４を実装したものである。ＬＥＤ素子１０４の電極１４３とメタルパターン２０３とはワイヤ３４５により電気的に接続される。基体２０６の凹部の内部には、第１ガラス蛍光体５１、第３ガラス蛍光体５５及び第２ガラス蛍光体５２がＬＥＤ素子１０４側からこの順に充填されている。各蛍光体５１，５２，５５は、溶融した状態で基体２０６の凹部内に充填される。
また、前記各実施形態では、半導体発光素子としてＬＥＤ素子を用いたものを示したが、例えばＬＤ素子のような他の半導体発光素子を用いてもよい。さらに、第１ガラス蛍光体により光源としての半導体発光素子が封止されるものを示したが、第１ガラス蛍光体と光源を別個に配置してもよい。さらにまた、第１ガラス蛍光体及び第２ガラス蛍光体が密着しているものを示したが、第１ガラス蛍光体と第２ガラス蛍光体が別個に配置されていてもよい。また、変形例として３つのガラス蛍光体を用いたものを示したが、さらにガラス蛍光体を増やすことも可能であるし、その他、具体的な細部構成は適宜に変更可能である。
１ 半導体発光装置
２ リードフレーム
３ リードフレーム
４ ＬＥＤ素子
２１ 棒状部
２２ 搭載部
２３ 反射部
３１ 棒状部
３２ 搭載部
３３ 反射部
４１ 基板
４２ 半導体層
４３ ｐ電極
４４ ｎ電極
５１ 第１ガラス蛍光体
５２ 第２ガラス蛍光体
５３ 界面
５４ レンズ形状面
５５ 第３ガラス蛍光体
１０１ 半導体発光装置
１０２ リードフレーム
１０３ リードフレーム
１０４ ＬＥＤ素子
１２１ 棒状部
１２２ 搭載部
１２３ 反射部
１４１ 基板
１４２ 半導体層
１４３ ｐ電極
１４５ ワイヤ
２０１ 半導体発光装置
２０２ メタルパターン
２０３ メタルパターン
２０６ 基体
２６１ 反射部
２６２ 底部
３０１ 半導体発光装置
３４５ ワイヤ

Claims (12)

  1. 第１波長域の第１励起光を発する光源と、
    前記第１波長域に励起帯を有し、前記第１励起光が入射すると、第２波長域の第２励起光及び第３波長域の第１赤外光を発する第１ガラス蛍光体と、
    前記第２波長域に励起帯を有し、前記第３波長域に励起帯を有さず、前記第２励起光が入射すると、前記第１赤外光を透過するとともに、第４波長域の第２赤外光を発する第２ガラス蛍光体と、を少なくとも備え、
    前記第３波長域の少なくとも一部及び前記第４波長域の少なくとも一部を含む広帯域赤外光を外部へ放射する広帯域赤外光放射装置。
  2. 前記第３波長域は、前記第４波長域よりも短く、
    前記第１ガラス蛍光体は、前記第１励起光が入射すると、前記第４波長域よりも長い第５波長域の第３赤外光を発し、
    前記第２ガラス蛍光体は、前記第５波長域に励起帯を有さず、
    前記広帯域赤外光は、前記第３波長域の少なくとも一部、前記第４波長域の少なくとも一部及び前記第５波長域の少なくとも一部を含む請求項１に記載の広帯域赤外光放射装置。
  3. 前記第１ガラス蛍光体の発光中心は、Ｓｍイオンであり、
    前記第２ガラス蛍光体の発光中心は、Ｙｂイオン及びＮｄイオンである請求項２に記載の広帯域赤外光放射装置。
  4. 前記第１波長域は、３８０ｎｍ〜４４０ｎｍであり、
    前記第２波長域は、５５０ｎｍ〜６７０ｎｍであり、
    前記第３波長域は、８５０ｎｍ〜９７０ｎｍであり、
    前記第４波長域は、９５０ｎｍ〜１０７０ｎｍであり、
    前記第５波長域は、１１００ｎｍ〜１２２０ｎｍである請求項３に記載の広帯域赤外光放射装置。
  5. 所定の波長域に励起帯を有し、所定の励起光が入射すると、第６波長域の第４赤外光を発する第３ガラス蛍光体をさらに備え、
    前記広帯域赤外光は、前記第３波長域の少なくとも一部及び前記第４波長域の少なくとも一部並びに前記第６波長域の少なくとも一部を含む請求項４に記載の広帯域赤外光放射装置。
  6. 前記所定の波長域は、前記第２波長域、前記第３波長域、前記第４波長域及び前記前記第５波長域の少なくとも１つの波長域の少なくとも一部である請求項５に記載の広帯域赤外光放射装置。
  7. 前記第３ガラス蛍光体の発光中心は、Ｅｒイオンである請求項６に記載の広帯域赤外光放射装置。
  8. 前記第６波長域は、１４５０ｎｍ〜１６３０ｎｍである請求項７に記載の広帯域赤外光放射装置。
  9. 前記光源は、半導体発光素子であり、
    前記第１ガラス蛍光体は、前記半導体発光素子を封止する請求項１から８のいずれか１項に記載の広帯域赤外光放射装置。
  10. 前記第２ガラス蛍光体は、前記第１ガラス蛍光体を覆う請求項９に記載の広帯域赤外光放射装置。
  11. 前記第１ガラス蛍光体と前記第２ガラス蛍光体は、母体が同系のガラスである請求項１０に記載の広帯域赤外光放射装置。
  12. 前記蛍光体の前記母体は、Ｓｂ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３系ガラスからなる請求項１１に記載の広帯域赤外光放射装置。
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