JP5585410B2

JP5585410B2 - 波長変換素子及びそれを備える光源

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Publication number: JP5585410B2
Application number: JP2010257923A
Authority: JP
Inventors: 昌昭角見; 義正山口; 隆史西宮
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: JP2012109442A

Description

本発明は、波長変換素子及びそれを備える光源に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やレーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）を用いた光源などの、蛍光ランプや白熱灯に変わる次世代の光源に対する注目が高まってきている。そのような次世代光源の一例として、例えば下記の特許文献１には、青色光を出射するＬＥＤの光出射側にＬＥＤからの光の一部を吸収し、黄色の光を出射する波長変換部材が配置された光源が開示されている。この光源は、ＬＥＤから出射された青色光と、波長変換部材から出射された黄色光との合成光である白色光を発する。

特開２０００−２０８８１５号公報

近年、上記のような波長変換部材を用いた光源の輝度をさらに高めたいという要望が高まってきている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることにある。

本発明に係る波長変換素子は、第１の方向において対向している光入射面及び光出射面を有する。本発明に係る波長変換素子は、第１の部分と第２の部分とを備えている。第１の部分は、蛍光体粉末が第１の分散媒中に分散してなる。第１の部分は、第１の方向において光入射面から光出射面に至る第１の波長変換部を構成している。第２の部分は、第１の方向において光入射面から光出射面に至るように設けられている。第２の部分は、第１の部分に接するように設けられている。第２の部分は、第１の分散媒とは異なる屈折率を有する第２の分散媒を含む。

波長変換部が、分散媒中に蛍光体粉末が分散しているものである場合は、例えば、ガラスのみからなる光学部とは異なり、波長変換部に入射した光が波長変換部中において大きく散乱する傾向にある。このため、例えば、光入射面から光出射面に向かって入射した光が散乱により側面から出射しやすい。従って、波長変換素子の光出射面から出射される光の強度が低くなってしまう。

それに対して本発明に係る波長変換素子では、第１の波長変換部と接するように、第１の分散媒とは異なる屈折率を有する第２の分散媒を含む第２の部分が設けられている。このため、第１の波長変換部内の光は、第１の波長変換部と第２の部分との間の界面において高い反射率で反射される。このため、波長変換素子の側面から光が漏れることが効果的に抑制される。よって、本発明に係る波長変換素子では、光出射面から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明に係る波長変換素子を用いることによって、光源の高輝度化を図ることができる。

また、波長変換素子の側面からの光の漏れをより効果的に抑制し、光出射面から出射する光の強度をさらに高める観点からは、第１の波長変換部を構成している第１の部分が第２の部分により包囲されていることが好ましい。

第２の部分は、第２の分散媒のみにより構成されていてもよいが、第２の分散媒に分散している蛍光体粉末をさらに含み、第２の部分が第２の波長変換部を構成していることが好ましい。この構成では、波長変換素子において、波長変換に寄与する波長変換部の占める割合を高くすることができる。従って、光出射面から出射する光の強度をより高めることができる。この場合、第１の部分と第２の部分とのそれぞれが複数設けられており、複数の第１及び第２の部分がマトリクス状に配列されていることが好ましい。この構成では、第１の波長変換部が第２の波長変換部によって包囲され、かつ第２の波長変換部が第１の波長変換部によって包囲されることとなる。このため、第１及び第２の波長変換部のそれぞれに入射した光及び発生した蛍光は、第１または第２の波長変換部に閉じ込められた状態で光出射面まで伝搬する。従って、光出射面から出射する光の強度をさらに高めることができる。

光出射面から出射する光の強度をさらに高める観点からは、第１及び第２の部分間の界面における反射率の差が大きい方が好ましい。従って、第１の分散媒の屈折率と第２の分散媒の屈折率との差は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。

第１及び第２の分散媒は、蛍光体粉末を分散させることができるものであれば特に限定されない。第１及び第２の分散媒として好ましく用いられる分散媒の具体例としては、例えば、樹脂、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。その中でも、ガラスやセラミックスなどの無機分散媒がより好ましく用いられる。無機分散媒を用いることにより、波長変換素子の耐熱性を向上することができるためである。また、同様の理由から、蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。

本発明に係る光源は、上記本発明に係る波長変換素子と、波長変換素子の光入射面に向けて蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子とを備える。

上述の通り、上記本発明に係る波長変換素子では、光出射面から出射する光の強度を高めることができる。従って、本発明に係る光源は、高輝度である。

本発明によれば、波長変換部材を用いた光源の高輝度化を図ることができる。

第１の実施形態に係る光源の模式図である。第１の実施形態における波長変換素子の素子本体の略図的斜視図である。図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。図２の線ＩＶ−ＩＶにおける略図的断面図である。第２の実施形態における波長変換素子の素子本体の略図的横断面図である。第３の実施形態における波長変換素子の素子本体の略図的横断面図である。第４の実施形態に係る光源の模式図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は単なる例示である。本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源の模式図である。図１に示すように、光源１は、波長変換素子１１と、発光素子１０とを備えている。波長変換素子１１は、発光素子１０から出射された光Ｌ０が照射された際に、光Ｌ０よりも波長の長い光Ｌ２を出射する。また、光Ｌ０の一部は、波長変換素子１１を透過する。このため、波長変換素子１１からは、透過光Ｌ１と光Ｌ２との合成光である光Ｌ３が出射する。このため、光源１から出射する光Ｌ３は、発光素子１０から出射する光Ｌ０の波長及び強度と、波長変換素子１１から出射する光Ｌ２の波長及び強度とによって決まる。例えば、光Ｌ０が青色光であり、光Ｌ２が黄色光である場合は、白色の光Ｌ３を得ることができる。

発光素子１０は、波長変換素子１１に対して後述する蛍光体粉末の励起光を出射する素子である。発光素子１０の種類は特に限定されない。発光素子１０は、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、エレクトロルミネッセンス発光素子、プラズマ発光素子により構成することができる。光源１の輝度を高める観点からは、発光素子１０は、高強度の光を出射するものであることが好ましい。この観点からは、発光素子１０は、ＬＥＤやＬＤにより構成されていることが好ましい。

本実施形態においては、波長変換素子１１は、素子本体１１ａと、波長選択フィルタ層１１ｂと、反射抑制層１１ｃとを有する。もっとも、本発明においては、波長選択フィルタ層１１ｂ及び反射抑制層１１ｃは、必須ではない。波長変換素子は、例えば、素子本体のみにより構成されていてもよい。また、素子本体の光出射面と光入射面との両方の上に波長選択フィルタ層または反射抑制層のいずれかが形成されていてもよい。

波長選択フィルタ層１１ｂは、素子本体１１ａの光入射面１１ａ１の上に形成されている。この波長選択フィルタ層１１ｂは、発光素子１０から出射される光Ｌ０の内、特定の波長域の光のみを素子本体１１ａへ透過させ、それ以外の波長域の光の透過を抑制すると共に、素子本体１１ａで変換された光Ｌ２が光入射面１１ａ１から出射することを防止する層である。波長選択フィルタ層１１ｂは、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

一方、反射抑制層１１ｃは、素子本体１１ａの光出射面１１ａ２の上に形成されている。この反射抑制層１１ｃは、素子本体１１ａから出射する光が光出射面１１ａ２で反射することを抑制して、素子本体１１ａから出射する光の出射率を高める層である。反射抑制層１１ｃは、例えば、誘電体多層膜により形成することができる。

図２は、素子本体１１ａの略図的斜視図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。図４は、図２の線ＩＶ−ＩＶにおける略図的断面図である。図２〜図４に示すように、素子本体１１ａは、複数の第１の波長変換部１２Ｌと、複数の第２の波長変換部１２Ｈとを有する。第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれは、分散媒と、分散媒中に分散している蛍光体粉末とを有する。

蛍光体粉末は、発光素子１０からの光Ｌ０を吸収し、光Ｌ０よりも波長が長い光Ｌ２を出射するものである。蛍光体粉末は、無機蛍光体粉末であることが好ましい。無機蛍光体粉末を用いることにより、素子本体１１ａの耐熱性を向上することができる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると青色の発光を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋、（Ｓｒ，Ｂａ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５０
０ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると緑色の蛍光（波長が５００ｎｍ〜５４０ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋、ＳｒＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無蛍光体の具体例としては、ＺｎＳ：Ｅｕ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると黄色の蛍光（波長が５４０ｎｍ〜５９５ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇｄ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^２＋などが挙げられる。

波長３００〜４４０ｎｍの紫外〜近紫外の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｇｄ_３Ｇａ_４Ｏ_１２：Ｃｒ^３＋、ＣａＧａ_２Ｓ_４：Ｍｎ^２＋などが挙げられる。

波長４４０〜４８０ｎｍの青色の励起光を照射すると赤色の蛍光（波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍの蛍光）を発する無機蛍光体の具体例としては、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ^４＋、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ^４＋などが挙げられる。

蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、特に限定されない。蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましく、５μｍ〜２５μｍ程度であることがより好ましい。蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）が大きすぎると、発光色が不均一になる場合がある。一方、蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）が小さすぎると、発光強度が低下する場合がある。

第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける蛍光体粉末の含有量は、特に限定されない。第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける蛍光体粉末の含有量は、発光素子１０から出射される光の強度、蛍光体粉末の発光特性、得ようとする光の色度などに応じて適宜設定することができる。第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける蛍光体粉末の含有量は、一般的には、例えば、０．０１質量％〜３０重量％程度とすることができ、０．０５質量％〜２０質量％であることが好ましく、０．０８質量％〜１５質量％であることがさらに好ましい。第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける蛍光体粉末の含有量が多すぎると、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける気孔率が高くなり、光源１の発光強度が低下してしまう場合がある。一方、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれにおける蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、十分に強い蛍光が得られなくなる場合がある。

なお、第１の波長変換部１２Ｌと、第２の波長変換部１２Ｈとは、同種の蛍光体粉末を含んでいてもよいし、異なる種類の蛍光体粉末を含んでいてもよい。また、蛍光体粉末の平均粒子径（Ｄ_５０）及び蛍光体粉末の含有量は、第１の波長変換部１２Ｌと、第２の波長変換部１２Ｈとで同じであってもよいし、少なくとも一方が異なっていてもよい。

分散媒は、例えば、耐熱樹脂やガラスやセラミックスであることが好ましい。なかでも、耐熱性が特に高く、発光素子１０からの光Ｌ０により劣化し難いガラスやセラミックスなどの無機分散媒がより好ましく用いられる。

耐熱樹脂の具体例としては、例えばポリイミドなどが挙げられる。ガラスの具体例としては、例えば、珪酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラスなどが挙げられる。セラミックスの具体例としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタン酸バリウム、窒化ケイ素、窒化チタン等の金属窒化物などが挙げられる。

本実施形態では、第１の波長変換部１２Ｌの分散媒の屈折率と、第２の波長変換部１２Ｈの分散媒の屈折率とが異なる。詳細には、光Ｌ０の波長及び光Ｌ２の波長のそれぞれにおいて、第１の波長変換部１２Ｌの分散媒の屈折率と、第２の波長変換部１２Ｈの分散媒の屈折率とが異なる。具体的には、光Ｌ０の波長及び光Ｌ２の波長のそれぞれにおいて、第１の波長変換部１２Ｌの分散媒の屈折率は、第２の波長変換部１２Ｈの分散媒の屈折率よりも低い。光Ｌ０の波長及び光Ｌ２の波長のそれぞれにおいて、第１の波長変換部１２Ｌの分散媒の屈折率と、第２の波長変換部１２Ｈの分散媒の屈折率との差は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。

本実施形態では、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれは、四角柱状に形成されている。複数の第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈは、ｙ方向及びｚ方向に沿ってマトリクス状に配列されている。具体的には、複数の第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈがｙ方向及びｚ方向のそれぞれにおいて交互に位置するようにマトリクス状に配列されている。このため、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれは、第２または第１の波長変換部１２Ｈ，１２Ｌにより包囲されている。具体的には、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれの側面のすべてが、第２または第１の波長変換部１２Ｈ，１２Ｌと接している。

第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれは、ｘ方向において光入射面１１ａ１から光出射面１１ａ２に至るように設けられている。

なお、隣り合う第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈは、例えば融着することにより直接接合されていてもよいし、接着剤等により接着されていてもよい。また、隣り合う第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈを、枠体などの固定部材を用いて固定してもよい。

以上説明したように、本実施形態では、屈折率の異なる第１の波長変換部１２Ｌと第２の波長変換部１２Ｈとが接するように設けられている。このため、第１の波長変換部１２Ｌ内の光は、第２の波長変換部１２Ｈとの間の界面において高い反射率で反射される。同様に、第２の波長変換部１２Ｈ内の光は、第１の波長変換部１２Ｌとの間の界面において高い反射率で反射され、且つ、大きな角度で界面に入射した光は全反射される。よって、素子本体１１ａの側面から光が漏れることが効果的に抑制される。従って、素子本体１１ａの光出射面１１ａ２から出射される光Ｌ３の強度を高めることができる。その結果、高輝度な光源１を実現することができる。

本実施形態では、第１の波長変換部１２Ｌが第２の波長変換部１２Ｈにより包囲されており、第２の波長変換部１２Ｈが第１の波長変換部１２Ｌにより包囲されている。このため、素子本体１１ａの側面から光が漏れることがより効果的に抑制される。従って、素子本体１１ａの光出射面１１ａ２から出射される光Ｌ３の強度をより高めることができる。

また、第１及び第２の波長変換部材１２Ｌ，１２Ｈにより素子本体１１ａを構成することにより、光Ｌ３の直進性を向上することができる。

なお、素子本体１１ａの光出射面１１ａ２から出射される光Ｌ３の強度をより高める観
点からは、第１の波長変換部１２Ｌと第２の波長変換部１２Ｈとの間の界面における光反射率をより高くすることが好ましい。従って、第１の波長変換部１２Ｌの分散媒の屈折率（≒第１の波長変換部１２Ｌの屈折率）と第２の波長変換部１２Ｈの分散媒の屈折率（≒第２の波長変換部１２Ｈの屈折率）との差は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。

なお、本実施形態では、複数の第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈにより素子本体１１ａを構成する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのうちの一方のみを設け、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのうちの他方の代わりに、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのうちの一方の分散媒とは屈折率の異なる分散媒からなる部分を設けてもよい。この場合であっても、素子本体１１ａの側面からの光の漏れを効果的に抑制することができる。但し、素子本体１１ａにおいて、波長変換機能を有する波長変換部の占める割合を多くし、光出射面１１ａ２から出射される光Ｌ３の強度を高くする観点からは、本実施形態のように、複数の第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈにより素子本体１１ａを構成することが好ましい。

以下、本発明実施した好ましい形態の他の例及び変形例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２及び第３の実施形態）
図５は、第２の実施形態における波長変換素子の素子本体の略図的横断面図である。図６は、第３の実施形態における波長変換素子の素子本体の略図的横断面図である。

上記第１の実施形態では、複数の第１の波長変換部１２Ｌと複数の第２の波長変換部１２Ｈとを交互にマトリクス状に配置する例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、図５や図６に示すように、１または複数の第１の波長変換部１２Ｌを１または複数の第２の波長変換部１２Ｈにより包囲するようにしてもよい。この場合は、１または複数の第１の波長変換部１２Ｌ内の光が外部に漏れることが効果的に抑制される。従って、上記第１の実施形態と同様に、光出射面１１ａ２から出射される光Ｌ３の強度を高くすることができ、光源の高輝度化を図ることができる。

また、上記第１の実施形態では、第１及び第２の波長変換部１２Ｌ，１２Ｈのそれぞれが四角柱状である例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。第１及び第２の波長変換部は、例えば、多角柱状、三角柱状などであってもよい。また、図６に示すように、第１の波長変換部１２Ｌを円柱状とし、第２の波長変換部１２Ｈを円筒状としてもよい。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る光源の模式図である。

図７に示すように、本実施形態の光源２には、ビームスプリッタ１８が設けられている。発光素子１０からの光Ｌ０は、ビームスプリッタ１８により波長変換素子１１側に導かれる。波長変換素子１１の光入射面側には反射抑制層１１ｃが形成されており、反対側の面の上には、反射層１１ｄが形成されている。反射層１１ｄは、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属やこれらの金属の少なくとも一つを含む合金または白色塗料により形成することができる。

反射層１１ｄの上には、樹脂や半田からなる接着層（図示せず）が形成されている。こ
の接着層を介して、ガラス、セラミックス、金属等からなる基板１９と、波長変換素子１１とが固定されている。この反射層１１ｄにより、光Ｌ０の一部及び波長変換部材１２の発光は、ビームスプリッタ１８側に反射される。このため、光Ｌ３は、ビームスプリッタ１８に向けて発せられ、ビームスプリッタ１８を透過して出射される。

尚、図７に示すように、接着層を介して基板１９と波長変換素子１１を固定した光源２とする場合、図２〜６に示すように複数の波長変換部材を配列して形成した波長変換素子１１を用いることによって、発光素子１０から出射される光Ｌ０を光Ｌ３に変換する際に発生する熱による基板１９と波長変換素子１１との剥離を効果的に抑えることができる。

１，２…光源
１０…発光素子
１１…波長変換素子
１１ａ…素子本体
１１ａ１…光入射面
１１ａ２…光出射面
１１ｂ…波長選択フィルタ層
１１ｃ…反射抑制層
１１ｄ…反射層
１２Ｌ…第１の波長変換部
１２Ｈ…第２の波長変換部
１８…ビームスプリッタ
１９…基板

Claims

第１の方向において対向している光入射面及び光出射面を有する波長変換素子であって、
蛍光体粉末が第１の分散媒中に分散してなり、前記第１の方向において前記光入射面から前記光出射面に至る第１の波長変換部を構成している第１の部分と、
前記第１の方向において前記光入射面から前記光出射面に至るように、かつ前記第１の部分に接するように設けられており、前記第１の分散媒とは異なる屈折率を有する第２の分散媒を含む第２の部分と、
を備え、前記第１の部分は、前記第２の部分により包囲されている、波長変換素子。
前記第２の部分は、前記第２の分散媒に分散している蛍光体粉末をさらに含み、第２の波長変換部を構成している、請求項１に記載の波長変換素子。
前記第１の部分と前記第２の部分とのそれぞれが複数設けられており、前記複数の第１及び第２の部分がマトリクス状に配列されている、請求項１または２に記載の波長変換素子。
前記第１の分散媒の屈折率と前記第２の分散媒の屈折率との差が０．０５以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
前記第１及び第２の分散媒のそれぞれがガラスまたはセラミックスであり、前記蛍光体粉末が無機蛍光体粉末である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子の前記光入射面に向けて前記蛍光体粉末の励起光を出射する発光素子と、
を備える光源。