JP6056724B2 - Fluorescent light source device - Google Patents

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Description

本発明は、回転駆動される蛍光ホイールに励起光を照射することによって、当該蛍光ホイールから蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。   The present invention relates to a fluorescent light source device that emits fluorescence from a fluorescent wheel by irradiating excitation light to a rotationally driven fluorescent wheel.

例えば半導体レーザからの励起光を照射して蛍光体を励起させることによって、当該蛍光体から蛍光を放射する蛍光光源装置としては、回転駆動される蛍光ホイールを備えてなるものが知られている（特許文献１参照。）。このような蛍光光源装置における蛍光ホイールは、円板状の透光性基材の表面上に、ダイクロイック層を介して、円環状の蛍光体層が当該透光性基材の周方向に沿って形成されて構成されている。
ここで、透光性基材は、励起光を透過する材料、例えばガラスまたは透明樹脂によって構成されている。また、ダイクロイック層は、励起光を透過すると共に、それ以外の光を反射する特性を有するものである。また、蛍光体層は、蛍光体結晶と、ガラスまたは樹脂などのバインダーとによって構成されている。
このような蛍光光源装置においては、励起光が蛍光ホイールにおける透光性基材およびダイクロイック層を介して蛍光体層に照射されることにより、当該蛍光体層から蛍光が放射される。 For example, a fluorescent light source device that emits fluorescence from a phosphor by irradiating excitation light from a semiconductor laser to excite the phosphor is known to include a rotationally driven fluorescent wheel ( (See Patent Document 1). The fluorescent wheel in such a fluorescent light source device has an annular phosphor layer along the circumferential direction of the translucent substrate on the surface of the disc-shaped translucent substrate via a dichroic layer. Formed and configured.
Here, the translucent substrate is made of a material that transmits excitation light, such as glass or transparent resin. Further, the dichroic layer has a characteristic of transmitting excitation light and reflecting other light. The phosphor layer is composed of a phosphor crystal and a binder such as glass or resin.
In such a fluorescent light source device, excitation light is irradiated to the phosphor layer through the translucent substrate and the dichroic layer in the fluorescence wheel, whereby fluorescence is emitted from the phosphor layer.

特開２０１１−１３３１６号公報JP 2011-13316 A

しかしながら、上記の蛍光光源装置においては、以下のような問題がある。
透光性基材や蛍光体層のバインダーを構成するガラスまたは透明樹脂は、熱伝導率の小さくて排熱性が低いものである。このため、励起光を受けることによって蛍光体層が発熱した場合には、当該蛍光体層の温度が相当に高くなる。その結果、蛍光体層には温度消光が生じるため、十分な光量が得られない。
このような問題を解決するためには、蛍光ホイールとしてサイズの大きいものを用い、更に、蛍光ホイールの回転速度を大きくすることが考えられる。しかしながら、このような構成では、蛍光光源装置全体の大型化を招くと共に、蛍光ホイールを回転駆動するモーターの短寿命化を招く、という問題が生ずる。 However, the above fluorescent light source device has the following problems.
The glass or transparent resin that constitutes the binder of the translucent base material or the phosphor layer has a low thermal conductivity and a low exhaust heat property. For this reason, when the phosphor layer generates heat by receiving excitation light, the temperature of the phosphor layer becomes considerably high. As a result, temperature quenching occurs in the phosphor layer, so that a sufficient amount of light cannot be obtained.
In order to solve such a problem, it is conceivable to use a fluorescent wheel having a large size and further increase the rotation speed of the fluorescent wheel. However, such a configuration causes problems that the overall size of the fluorescent light source device is increased and that the life of the motor that rotationally drives the fluorescent wheel is shortened.

そこで、本発明の目的は、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる蛍光ホイールを有し、小型な蛍光光源装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a compact fluorescent light source device having a fluorescent wheel that has excellent heat exhaustion properties and can suppress temperature quenching.

本発明の蛍光光源装置は、回転駆動される蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置において、
前記蛍光ホイールは、励起光により励起されて蛍光を発する蛍光体プレートを有し、
この蛍光体プレートの励起光受光面には、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されており、
前記蛍光体プレートが発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレートが励起され得る光の波長領域と重なっており、前記誘電体多層膜は、前記蛍光における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することを特徴とする。
The fluorescent light source device of the present invention is a fluorescent light source device including a fluorescent wheel that is rotationally driven.
The fluorescent wheel has a phosphor plate that emits fluorescence when excited by excitation light,
On the excitation light receiving surface of the phosphor plate, a dielectric multilayer film that transmits the excitation light and reflects the fluorescence emitted by the phosphor plate is formed .
A part of the wavelength region of the fluorescence emitted from the phosphor plate overlaps a wavelength region of the light that can excite the phosphor plate, and the dielectric multilayer film is a light of the part of the wavelength region in the fluorescence. It has a spectral reflectance characteristic that reflects the light .

本発明の蛍光光源装置においては、前記蛍光ホイールにおける蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造が形成されていることが好ましい。
In the fluorescent light source device of the present invention, it is preferable that a fluorescent emission concavo-convex structure is formed on the fluorescent emission surface of the fluorescent wheel .

本発明の蛍光光源装置によれば、蛍光ホイールは、蛍光体プレートを備えてなるため、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる。また、蛍光ホイールとしてサイズの大きいものを用いることが不要で、蛍光ホイールの回転速度は小さくてもよいため、装置全体の小型化を図ることができる。   According to the fluorescent light source device of the present invention, since the fluorescent wheel is provided with the phosphor plate, it is excellent in heat exhaustion and can suppress temperature quenching. Moreover, since it is not necessary to use a fluorescent wheel having a large size and the rotational speed of the fluorescent wheel may be small, the entire apparatus can be miniaturized.

本発明の蛍光光源装置の一例における蛍光ホイールを励起光受光面側から見た図である。It is the figure which looked at the fluorescence wheel in an example of the fluorescence light source device of this invention from the excitation light light-receiving surface side . 図１に示す蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。It is sectional drawing for description which expands and shows a part of fluorescent wheel shown in FIG. 本発明の蛍光光源装置の蛍光体における蛍光放出用凹凸構造のアスペクト比と蛍 光の取出し効率との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the extraction efficiency of the aspect ratio of the fluorescence emission for the uneven structure and the fluorescence in the phosphor of the fluorescent light source device of the present invention. 蛍光体プレートを構成する蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合において、蛍 光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。 YAG as phosphors of the phosphor plate: in the case of using the Ce, is a diagram showing the excitation spectrum and the fluorescence spectrum of the fluorescent body. 蛍光体プレートを構成する蛍光体としてＣＡＳＮ：Ｅｕを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the excitation spectrum and fluorescence spectrum of a fluorescent substance, when CASN: Eu is used as a fluorescent substance which comprises a fluorescent substance plate. 本発明の蛍光光源装置の他の例における蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明 用断面図である。It is sectional drawing for description which expands and shows a part of fluorescence wheel in the other example of the fluorescence light source device of this invention . 本発明の蛍光光源装置の更に他の例における蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。It is sectional drawing for description which expands and shows a part of fluorescence wheel in the further another example of the fluorescence light source device of this invention .

以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における蛍光ホイールを励起光受光面側から見た図である。また、図２は、図１に示す蛍光ホイールの一部を拡大して示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置における蛍光ホイール１０は、円板状のものである。蛍光ホイール１０における蛍光出射面（図１において右面）の中心位置には、蛍光ホイール１０の外径より小さい外径を有する円板状の金属ホイールが、例えばエポキシ系接着材などによって固定されて設けられている。この金属ホイールには、金属ホイールの表面から垂直方向に伸びる駆動軸１４ａが設けられている。
Hereinafter, embodiments of the fluorescent light source device of the present invention will be described.
FIG. 1 is a view of a fluorescent wheel in an example of the fluorescent light source device of the present invention as viewed from the side of the excitation light receiving surface . FIG. 2 is an explanatory sectional view showing a part of the fluorescent wheel shown in FIG. 1 in an enlarged manner.
The fluorescent wheel 10 in this fluorescent light source device has a disk shape. A disk-shaped metal wheel having an outer diameter smaller than the outer diameter of the fluorescent wheel 10 is fixed at the center position of the fluorescent light emitting surface (right surface in FIG. 1) of the fluorescent wheel 10 by, for example, an epoxy-based adhesive. It has been. The metal wheel is provided with a drive shaft 14a extending vertically from the surface of the metal wheel .

この蛍光ホイール１０は、励起光Ｌ１により励起されて蛍光Ｌ２を発する円板状の蛍光体プレート１１を有する。ここで、励起光源としては、レーザダイオードを用いることができる。
蛍光体プレート１１における励起光受光面（図２において下面）には、励起光Ｌ１を透過し、かつ、当該蛍光体プレート１１が発する蛍光Ｌ２を反射する誘電体多層膜１５が形成されている。
また、蛍光体プレート１１における蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造１２が形成されている。
The fluorescent wheel 10 includes a disk-shaped phosphor plate 11 that is excited by excitation light L1 and emits fluorescence L2. Here, a laser diode can be used as the excitation light source.
On the excitation light receiving surface ( lower surface in FIG. 2 ) of the phosphor plate 11, a dielectric multilayer film 15 that transmits the excitation light L1 and reflects the fluorescence L2 emitted from the phosphor plate 11 is formed.
In addition, a fluorescent emission concavo-convex structure 12 is formed on the fluorescent light emission surface of the phosphor plate 11.

蛍光体プレート１１は、蛍光体結晶によって構成されていても、蛍光体粉末がバインダーによって結着されて構成されていてもよい。
また、蛍光体プレート１１の厚みは、例えば１００〜１０００μｍであり、蛍光体プレート１１の直径は、例えば２０〜１００ｍｍである。
また、蛍光体プレート１１の熱伝導率は、４．０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、より好ましくは６〜２０Ｗ／ｍＫである。 The phosphor plate 11 may be composed of phosphor crystals or phosphor powder bound by a binder.
Moreover, the thickness of the phosphor plate 11 is, for example, 100 to 1000 μm, and the diameter of the phosphor plate 11 is, for example, 20 to 100 mm.
Moreover, it is preferable that the heat conductivity of the fluorescent substance plate 11 is 4.0 W / mK or more, More preferably, it is 6-20 W / mK.

蛍光体結晶よりなる蛍光体プレート１１を形成する場合において、蛍光体結晶としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどの緑色蛍光体、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＣＡＳＮ：Ｅｕ、ｓＣＡＳＮ：Ｅｕ、ＹＡＧ：Ｐｒなどの赤色蛍光体を用いることができる。 これらの蛍光体結晶において、希土類元素のドープ量は、例えば０．５ｍｏｌ％程度である。   In the case of forming the phosphor plate 11 made of a phosphor crystal, examples of the phosphor crystal include green phosphors such as YAG: Ce, YAG: Pr, LuAG: Ce, YAG: Sm, CASN: Eu, sCASN: Eu, A red phosphor such as YAG: Pr can be used. In these phosphor crystals, the rare earth element doping amount is, for example, about 0.5 mol%.

蛍光体プレート１１を蛍光体単結晶によって構成する場合には、当該蛍光体単結晶はチョクラルスキー法によって得ることができる。具体的に説明すると、先ず、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させる。次いで、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させる。このようにして、蛍光体単結晶が得られる。   When the phosphor plate 11 is composed of a phosphor single crystal, the phosphor single crystal can be obtained by the Czochralski method. Specifically, first, the seed crystal is brought into contact with the melted raw material in the crucible. Next, in this state, the seed crystal is pulled up in the vertical direction while rotating the seed crystal to grow a single crystal on the seed crystal. In this way, a phosphor single crystal is obtained.

蛍光体プレート１１を蛍光体多結晶によって構成する場合には、当該蛍光体多結晶は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を調製する。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、蛍光体多結晶が得られる。
このようにして得られる蛍光体多結晶には気孔が形成されるが、気孔率は０．５％以下であることが好ましい。気孔率が過大である場合には、後述する実験例からも明らかなように、気孔に存在する空気に起因して、当該蛍光体多結晶の熱伝導率が低下し、必要な排熱性を得ることが困難となることがある。 When the phosphor plate 11 is composed of phosphor polycrystal, the phosphor polycrystal can be obtained, for example, as follows. First, raw materials such as a base material, an activation material, and a firing aid are pulverized by a ball mill or the like to prepare raw material fine particles of submicron or less. Next, the raw material fine particles are sintered by, for example, a slip casting method. Then, a phosphor polycrystal is obtained by subjecting the obtained sintered body to hot isostatic pressing.
Pore is formed in the phosphor polycrystal thus obtained, and the porosity is preferably 0.5% or less. When the porosity is excessive, as will be apparent from the experimental examples described later, the thermal conductivity of the phosphor polycrystal is lowered due to the air present in the pores, and the required exhaust heat is obtained. Can be difficult.

蛍光体粉末がバインダーによって結着されてなる蛍光体プレート１１を形成する場合において、蛍光体粉末としては、ＢＡＭ：Ｅｕ、ＣＭＳ：Ｅｕなどの青色蛍光体、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＬｕＡＧ：Ｃｅ、β―サイアロンなどの緑色蛍光体、ｓ−ＣＡＳＮ、ＣＡＳＮ、α−サイアロンなどの赤色蛍光体などを用いることができる。このような蛍光体粉末の平均粒径は、例えば１〜６０μｍである。   In the case of forming the phosphor plate 11 in which the phosphor powder is bound by the binder, the phosphor powder includes blue phosphors such as BAM: Eu and CMS: Eu, YAG: Ce, YAG: Pr, and LuAG: Green phosphors such as Ce and β-sialon, red phosphors such as s-CASN, CASN, and α-sialon can be used. The average particle diameter of such phosphor powder is, for example, 1 to 60 μm.

蛍光体プレート１１における蛍光体粉末の割合は、３０〜７０体積％であることが好ましい。この割合が過小である場合には、蛍光体プレート１１の熱伝導率が小さくなり、必要な排熱性を得ることが困難となることがある。一方、この割合が過大である場合には、バインダーによって蛍光体粉末を結着することが困難となることがある。   The ratio of the phosphor powder in the phosphor plate 11 is preferably 30 to 70% by volume. When this ratio is too small, the thermal conductivity of the phosphor plate 11 becomes small, and it may be difficult to obtain the necessary heat exhaustion. On the other hand, if this ratio is excessive, it may be difficult to bind the phosphor powder with the binder.

バインダーとしては、ガラスなどの無機バインダー、シリコーン樹脂などの有機バインダーを用いることができる。   As the binder, an inorganic binder such as glass or an organic binder such as silicone resin can be used.

蛍光放出用凹凸構造１２は、蛍光体プレート１１が発する蛍光Ｌ２の回折が可能な周期で凹凸が形成されてなるものである。
このような蛍光放出用凹凸構造１２は、例えばナノインプリント法およびドライエッチング処理によって形成することができる。具体的に説明すると、先ず、例えば矩形板状の蛍光プレート材料の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布する。次いで、レジストの塗布膜に対してナノインプリント法によりパターニングを行う。その後、パターニングによって露出した蛍光プレート材料に、ドライエッチング処理を施すことにより、蛍光放出用凹凸構造１２が形成される。
このような蛍光放出用凹凸構造１２を形成することにより、蛍光体プレート１１の蛍光出射面が平面である場合と比較して、２〜４倍の光取出しが可能となる。
上記蛍光放出用凹凸構造１２の周期構造における周期ｄに対する凸部２４の高さｈの比（ｈ／ｄ）であるアスペクト比に対する光取出し効率を図３に示す。この図３に示すように、アスペクト比は、０．２以上になると光取出し効率が良くなっており、アスペクト比０．２以上がよく、好ましくは０．２〜１．５であり、特に好ましくは０．５〜１．０である。
アスペクト比（ｈ／ｄ）が０. ２未満である場合には、蛍光体の表面が平面に近くなるため回折による効果が十分に得られず、高い光取出し効率が得られない。
The fluorescent emission concavo-convex structure 12 is formed by forming concavo-convex with a period capable of diffracting the fluorescent light L2 emitted from the phosphor plate 11.
Such an uneven structure 12 for emitting fluorescence can be formed by, for example, a nanoimprint method and a dry etching process. More specifically, first, for example, a resist is applied to the surface of, for example, a rectangular plate-like fluorescent plate material by a spin coat method. Next, the resist coating film is patterned by a nanoimprint method. Thereafter, the fluorescent plate material exposed by patterning is subjected to a dry etching process, whereby the fluorescent emission concavo-convex structure 12 is formed.
By forming such an uneven structure 12 for emitting fluorescence, it is possible to extract light 2 to 4 times as compared with the case where the fluorescence emission surface of the phosphor plate 11 is a flat surface.
FIG. 3 shows the light extraction efficiency with respect to the aspect ratio, which is the ratio (h / d) of the height h of the convex portion 24 to the period d in the periodic structure of the fluorescent emission concavo-convex structure 12. As shown in FIG. 3 , when the aspect ratio is 0.2 or more, the light extraction efficiency is improved, and the aspect ratio is preferably 0.2 or more, preferably 0.2 to 1.5, particularly preferably. Is 0.5 to 1.0.
When the aspect ratio (h / d) is less than 0.2, since the surface of the phosphor is close to a flat surface, the effect of diffraction cannot be sufficiently obtained, and high light extraction efficiency cannot be obtained.

誘電体多層膜１５は、励起光Ｌ１を透過すると共に、蛍光体プレート１１が発する蛍光を反射するものである。この誘電体多層膜１５は、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。誘電体多層膜１５における各層を構成する材料としては、ＡｌＮ、ＳｉＯ2 、ＳｉＮ、ＺｒＯ2 、ＳｉＯ、ＴｉＯ2 、Ｔａ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 などから適宜選択して用いることができる。誘電体多層膜１５の構成の一例を挙げると、ＳｉＯ2 よりなる低屈折率層と、ＴｉＯ2 よりなる高屈折率層が交互に積層されてなるものである。低屈折率層および高屈折率層の総数は６９層である。また、低屈折率層の総厚が３．３μｍ、高屈折率層の総厚が１．８μｍ、誘電体多層膜１５全体の厚みが５μｍである。このような誘電体多層膜１５においては、４７５ｎｍから６５０ｎｍの波長範囲において、反射率が９８％以上のものを構成することが可能となる。 The dielectric multilayer film 15 transmits the excitation light L1 and reflects the fluorescence emitted from the phosphor plate 11. The dielectric multilayer film 15 is configured by alternately laminating low refractive index layers and high refractive index layers. The material constituting each layer in the dielectric multilayer film 15 can be appropriately selected from AlN, SiO 2 , SiN, ZrO 2 , SiO, TiO 2 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 5 and the like. As an example of the configuration of a dielectric multilayer film 15, in which the low refractive index layer made of SiO 2, consisting of TiO 2 high refractive index layer are alternately laminated. The total number of low refractive index layers and high refractive index layers is 69 layers. The total thickness of the low refractive index layer is 3.3 μm, the total thickness of the high refractive index layer is 1.8 μm, and the total thickness of the dielectric multilayer film 15 is 5 μm. Such a dielectric multilayer film 15 can be configured to have a reflectance of 98% or more in a wavelength range of 475 nm to 650 nm.

また、本発明においては、蛍光体プレート１１が発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレート１１が励起され得る光の波長領域と重なっており、誘電体多層膜１５は、蛍光体プレート１１の蛍光Ｌ２における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することが好ましい。   In the present invention, a part of the wavelength region of the fluorescence emitted from the phosphor plate 11 overlaps the wavelength region of the light that can excite the phosphor plate 11, and the dielectric multilayer film 15 is composed of the phosphor plate. It is preferable to have spectral reflectance characteristics that reflect light in the partial wavelength region in the 11 fluorescence L2.

図４は、蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
図４において、ａは蛍光体の励起スペクトル、ｂは蛍光体の蛍光スペクトルである。この図４に示すように、ＹＡＧ：Ｃｅよりなる蛍光体プレートにおいては、励起スペクトルと蛍光スペクトルとが、４９０〜５３０ｎｍの波長域において重なっている（ｄ）。一方、緑色光として必要な波長域は、一般に、５３０〜５７０ｎｍであり、４９０〜５３０ｎｍの波長域の光は光学フィルターによってカットされる。ここで、図４におけるｃは光学フィルターの分光透過率曲線である。このため、蛍光体プレート１１の蛍光のうち、４９０〜５３０ｎｍの波長域の光はロスとなる。然るに、誘電体多層膜１５として４９０〜５３０ｎｍの波長域の光を反射するものを用いることにより、当該波長域の光が誘電体多層膜１５によって反射されて再度蛍光体プレート１１に入射される。このため、この反射光によって蛍光体プレート１１が励起されて当該反射光より波長の長い蛍光Ｌ２を発するので、高い光の利用率が得られる。
 FIG. 4 is a diagram showing an excitation spectrum and a fluorescence spectrum of the phosphor when YAG: Ce is used as the phosphor constituting the phosphor plate 11.
In FIG. 4 , a is the excitation spectrum of the phosphor, and b is the fluorescence spectrum of the phosphor. As shown in FIG. 4 , in the phosphor plate made of YAG: Ce, the excitation spectrum and the fluorescence spectrum overlap in the wavelength range of 490 to 530 nm (d). On the other hand, the wavelength range necessary for green light is generally 530 to 570 nm, and light in the wavelength range of 490 to 530 nm is cut by the optical filter. Here, c in FIG. 4 is a spectral transmittance curve of the optical filter. For this reason, light in the wavelength region of 490 to 530 nm out of the fluorescence of the phosphor plate 11 is lost. However, by using the dielectric multilayer film 15 that reflects light in the wavelength region of 490 to 530 nm, the light in the wavelength band is reflected by the dielectric multilayer film 15 and is incident on the phosphor plate 11 again. For this reason, the phosphor plate 11 is excited by the reflected light and emits fluorescence L2 having a wavelength longer than that of the reflected light, so that a high light utilization rate is obtained.

また、図５は、蛍光体プレート１１を構成する蛍光体としてＣＡＳＮ：Ｅｕを用いた場合において、蛍光体の励起スペクトルおよび蛍光スペクトルを示す図である。
図５において、ａは蛍光体の励起スペクトル、ｂは蛍光体の蛍光スペクトルである。この図５に示すように、ＣＡＳＮ：Ｅｕよりなる蛍光体プレートにおいては、励起スペクトルと蛍光スペクトルとが、５６０〜６２０ｎｍの波長域において重なっている（ｄ）。一方、赤色光として必要な波長域は、一般に、６２０〜６６０ｎｍであり、５６０〜６３０ｎｍの波長域の光は光学フィルターによってカットされる。ここで、図５におけるｃは光学フィルターの分光透過率曲線である。このため、蛍光体プレート１１の蛍光Ｌ２のうち、５６０〜６３０ｎｍの波長域の光はロスとなる。然るに、誘電体多層膜１５として５６０〜６３０ｎｍの波長域の光を反射するものを用いることにより、当該波長域の光が誘電体多層膜１５によって反射されて再度蛍光体プレート１１に入射される。このため、この反射光によって蛍光体プレート１１が励起されて当該反射光より波長の長い蛍光Ｌ２を発するので、高い光の利用率が得られる。
 FIG. 5 is a diagram showing an excitation spectrum and a fluorescence spectrum of the phosphor when CASN: Eu is used as the phosphor constituting the phosphor plate 11.
In FIG. 5 , a is the excitation spectrum of the phosphor, and b is the fluorescence spectrum of the phosphor. As shown in FIG. 5 , in the phosphor plate made of CASN: Eu, the excitation spectrum and the fluorescence spectrum overlap in the wavelength range of 560 to 620 nm (d). On the other hand, a wavelength range necessary for red light is generally 620 to 660 nm, and light in a wavelength range of 560 to 630 nm is cut by an optical filter. Here, c in FIG. 5 is a spectral transmittance curve of the optical filter. For this reason, in the fluorescence L2 of the phosphor plate 11, light in the wavelength region of 560 to 630 nm is lost. However, by using the dielectric multilayer film 15 that reflects light in the wavelength range of 560 to 630 nm, the light in the wavelength band is reflected by the dielectric multilayer film 15 and is incident on the phosphor plate 11 again. For this reason, the phosphor plate 11 is excited by the reflected light and emits fluorescence L2 having a wavelength longer than that of the reflected light, so that a high light utilization rate is obtained.

上記の蛍光光源装置によれば、蛍光ホイール１０は、蛍光体プレート１１を備えてなるため、排熱性に優れ、温度消光を抑制することができる。また、蛍光ホイール１０としてサイズの大きいものを用いることが不要で、蛍光ホイール１０の回転速度は小さくてもよいため、装置全体の小型化を図ることができる。   According to the fluorescent light source device described above, the fluorescent wheel 10 includes the phosphor plate 11, and thus has excellent heat exhaustion properties and can suppress temperature quenching. Further, since it is not necessary to use a fluorescent wheel 10 having a large size and the rotation speed of the fluorescent wheel 10 may be small, the entire apparatus can be downsized.

本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、以下のような種々の変更を加えることが可能である。
（１）図６（ａ）に示すように、蛍光ホイール１０の周側面に光拡散反射材１６が設けられていてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、蛍光ホイール１０の周側面が光拡散反射面１３とされていてもよい。
光拡散反射材１６としては、シリコーン樹脂またはガラス中に酸化チタンが含有されてなるものを用いることができる。
また、光拡散反射面１３を形成する方法としては、塗布によって外周部に反射塗料を塗布することによって光反射層を形成させることができる。
このような構成によれば、蛍光ホイール１０の周側面から蛍光Ｌ２が出射されることが防止されるので、より高い光の取り出し効率が得られる。
In the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications as described below can be added.
(1) As shown to Fig.6 (a), the light-diffusion reflection material 16 may be provided in the surrounding side surface of the fluorescent wheel 10. FIG. Further, as shown in FIG. 6B, the peripheral side surface of the fluorescent wheel 10 may be a light diffusion reflection surface 13.
As the light diffusing and reflecting material 16, a silicone resin or a material in which titanium oxide is contained in glass can be used.
Moreover, as a method of forming the light diffusion reflection surface 13, a light reflection layer can be formed by applying a reflective paint on the outer peripheral portion by application.
According to such a configuration, since the fluorescence L2 is prevented from being emitted from the peripheral side surface of the fluorescent wheel 10, higher light extraction efficiency can be obtained.

（２）図７に示すように、蛍光ホイール１０の励起光受光面における励起光受光位置より中心側に、溝１７が蛍光ホイール１０の周方向に沿って形成されていてもよい。
このような溝１７を形成する方法としては、メカニカルスクライバーによって溝を掘ることが可能である。このような拡散反射層を設ける場合には、レーザー等によって部分的にΦ１０〜１００μｍの複数の溝を設けても良く、この場合、貫通穴であっても良い。
このような構成によれば、蛍光体プレート１１内において、中心方向に向かって進む蛍光Ｌ２が溝１７の側壁によって反射されるので、より高い光の取り出し効率が得られる。 (2) As shown in FIG. 7 , the groove 17 may be formed along the circumferential direction of the fluorescent wheel 10 on the center side from the excitation light receiving position on the excitation light receiving surface of the fluorescent wheel 10.
As a method of forming such a groove 17, it is possible to dig a groove with a mechanical scriber. In the case of providing such a diffuse reflection layer, a plurality of grooves of Φ10 to 100 μm may be partially provided by a laser or the like, and in this case, a through hole may be provided.
According to such a configuration, the fluorescence L2 traveling toward the center in the phosphor plate 11 is reflected by the side wall of the groove 17, so that higher light extraction efficiency can be obtained.

（３）蛍光放出用凹凸構造を蛍光体プレート１１の蛍光出射面に直接形成する代わりに、表面に蛍光放出用凹凸構造が形成された凹凸構造体を蛍光体プレート１１の蛍光出射面に設けることができる。
このような凹凸構造体を構成する材料としては、サファイア基板に凹凸構造を形成させ、張り合わせてもよく、レーザー光等の励起光は蛍光体で吸収されるので、蛍光体表面（光取出し面）には励起光は到達せず、レーザー光による加熱が起こらないため、樹脂材からなる凹凸フィルムを使用することが可能となる。励起面とは反対側の光取出し面に、熱可塑性の樹脂シート（ＣＯＰ：シクロオレフィンポリマー）ナノインプリント等で凹凸構造を形成したものを接着剤等で貼り付けてもよい。 (3) Instead of directly forming the uneven structure for emitting fluorescence on the fluorescence exit surface of the phosphor plate 11, an uneven structure having the uneven structure for emitting fluorescence on the surface is provided on the fluorescence exit surface of the phosphor plate 11. Can do.
As a material constituting such a concavo-convex structure, a sapphire substrate may be formed with a concavo-convex structure and bonded together, and excitation light such as laser light is absorbed by the phosphor, so that the phosphor surface (light extraction surface) Since no excitation light reaches and no heating by laser light occurs, it is possible to use an uneven film made of a resin material. What formed the uneven structure by the thermoplastic resin sheet (COP: cycloolefin polymer) nanoimprint etc. on the light extraction surface on the opposite side to an excitation surface may be affixed with an adhesive agent.

（４）凹凸構造体が設けられる場合には、蛍光プレート１１と凹凸構造体との間に、励起光Ｌ１を反射すると共に蛍光体プレート１１からの蛍光Ｌ２を透過する誘電体多層膜が設けられていてもよい。
このような構成によれば、蛍光体プレート１１を透過した励起光Ｌ１が誘電体多層膜によって反射される。その結果、反射光によって蛍光体プレート１１が励起されるので、高い光の利用率が得られる。 (4) When the concavo-convex structure is provided, a dielectric multilayer film that reflects the excitation light L1 and transmits the fluorescence L2 from the phosphor plate 11 is provided between the fluorescent plate 11 and the concavo-convex structure. It may be.
According to such a configuration, the excitation light L1 transmitted through the phosphor plate 11 is reflected by the dielectric multilayer film. As a result, since the phosphor plate 11 is excited by the reflected light, a high light utilization rate can be obtained.

（５）蛍光ホイール１０に蛍光放出用凹凸構造１２を形成する代わりに、蛍光体プレート１１の蛍光出射面が粗面化処理されていてもよい。蛍光体プレート１１の蛍光出射面を粗面化処理する方法としては、機械的方法や、エッチングなどによる化学的方法を利用することができる。 (5) Instead of forming the fluorescent emission uneven structure 12 on the fluorescent wheel 10, the fluorescent emission surface of the phosphor plate 11 may be roughened. As a method for roughening the fluorescence emission surface of the phosphor plate 11, a mechanical method or a chemical method such as etching can be used.

〈実験例１〜７〉
図１および図２に示す構成に従い、下記の仕様の蛍光ホイール（１０）を作製した。
（１）蛍光体プレート（１１）
材質：ＹＡＧ：Ｃｅ，直径：５０ｍｍ、厚み：０．２７ｍｍ，気孔率：下記表１に示す通り。熱伝導率：表１に示す通り。
（２）蛍光放出用凹凸構造（１２）
凸部の高さ：２３０μｍ，凹凸のピッチ：４６０μｍ
（３）誘電体多層膜（１５）
材質：ＳｉＯ2 よりなる低屈折率層と、ＴｉＯ2 よりなる高屈折率層が交互に積層されてなるもの。
低屈折率層および高屈折率層の総数：６９層，低屈折率層の総厚：３．３μｍ，高屈折率層の総厚：１．８μｍ，全体の厚み：５μｍ，反射特性：４７５〜６５０ｎｍの波長範囲における反射率が９８％以上 <Experimental Examples 1-7>
According to the configuration shown in FIGS. 1 and 2, a fluorescent wheel (10) having the following specifications was produced.
(1) Phosphor plate (11)
Material: YAG: Ce, diameter: 50 mm, thickness: 0.27 mm, porosity: as shown in Table 1 below. Thermal conductivity: as shown in Table 1.
(2) Irregular structure for fluorescence emission (12)
Convex part height: 230 μm, Convex part pitch: 460 μm
(3) Dielectric multilayer film (15)
Material: A material in which a low refractive index layer made of SiO 2 and a high refractive index layer made of TiO 2 are alternately laminated.
Total number of low refractive index layers and high refractive index layers: 69 layers, total thickness of low refractive index layers: 3.3 μm, total thickness of high refractive index layers: 1.8 μm, overall thickness: 5 μm, reflection characteristics: 475 The reflectance in the wavelength range of 650 nm is 98% or more.

励起光源としてレーザー光４４５ｎｍを用い、上記の蛍光ホイールを４５００ｒｐｍで回転させながら励起光受光面に励起光を入射した。励起光の入射を開始してから１０分間経過後に、蛍光体プレートの温度を測定した。結果を下記表１に示す。   Laser light 445 nm was used as an excitation light source, and excitation light was incident on the excitation light receiving surface while rotating the fluorescent wheel at 4500 rpm. The temperature of the phosphor plate was measured after 10 minutes from the start of the excitation light incidence. The results are shown in Table 1 below.

Figure 0006056724
Figure 0006056724

表１の結果から明らかなように、蛍光体プレートの気孔率が大きくなるに従って、熱伝導率が低下し、これに伴って、蛍光体プレートの温度が上昇することが理解される。表１の結果から、蛍光体プレート１１の気孔率が０．５％以下であれば、蛍光体プレートの温度を２００℃以下に制御することができる。   As is apparent from the results in Table 1, it is understood that as the porosity of the phosphor plate increases, the thermal conductivity decreases, and the temperature of the phosphor plate increases accordingly. From the results in Table 1, when the porosity of the phosphor plate 11 is 0.5% or less, the temperature of the phosphor plate can be controlled to 200 ° C. or less.

１０ 蛍光ホイール
１１ 蛍光体プレート
１２ 蛍光放出用凹凸構造
１３ 光拡散反射面
１４ａ 駆動軸
１５ 誘電体多層膜
１６ 光拡散反射材
１７ 溝
Ｌ１ 励起光
Ｌ２ 蛍光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fluorescent wheel 11 Fluorescent material plate 12 Uneven structure 13 for light emission 13 Light diffusing reflective surface
14a Drive shaft 15 Dielectric multilayer 16 Light diffusive reflector 17 Groove L1 Excitation light L2 Fluorescence

Claims (2)

回転駆動される蛍光ホイールを備えた蛍光光源装置において、
前記蛍光ホイールは、励起光により励起されて蛍光を発する蛍光体プレートを有し、
この蛍光体プレートの励起光受光面には、励起光を透過し、かつ、当該蛍光体プレートが発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されており、
前記蛍光体プレートが発する蛍光の一部の波長領域が、当該蛍光体プレートが励起され得る光の波長領域と重なっており、前記誘電体多層膜は、前記蛍光における前記一部の波長領域の光を反射する分光反射率特性を有することを特徴とする蛍光光源装置。 In a fluorescent light source device having a fluorescent wheel that is driven to rotate,
The fluorescent wheel has a phosphor plate that emits fluorescence when excited by excitation light,
On the excitation light receiving surface of the phosphor plate, a dielectric multilayer film that transmits the excitation light and reflects the fluorescence emitted by the phosphor plate is formed .
A part of the wavelength region of the fluorescence emitted from the phosphor plate overlaps a wavelength region of the light that can excite the phosphor plate, and the dielectric multilayer film is a light of the part of the wavelength region in the fluorescence. A fluorescent light source device having a spectral reflectance characteristic of reflecting light. 前記蛍光ホイールにおける蛍光出射面には、蛍光放出用凹凸構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。 The fluorescent light source device according to claim 1, wherein a fluorescent emission uneven structure is formed on a fluorescent light emission surface of the fluorescent wheel .
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