JP6107190B2 - 蛍光光源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、励起光によって蛍光体を励起することにより、当該蛍光体から蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。
例えばプロジェクターに用いられる緑色光源としては、従来、レーザ光を蛍光体に照射することによって、当該蛍光体から緑色光を放射する蛍光光源装置が知られている。このような蛍光光源装置の一例としては、回転ホイールの表面に蛍光体が塗布されてなる波長変換部材を備えてなり、この波長変換部材に青色領域のレーザ光を照射することによって、当該波長変換部材における蛍光体において緑色領域の光を生成する蛍光光源装置が知られている（特許文献１参照。）。
しかしながら、回転ホイールを備えた波長変換部材を利用した蛍光光源装置においては、回転ホイールを回転駆動するモーターの部品に劣化が生じて故障が生じやすく、また、駆動系自体の構成が複雑である、という問題がある。
しかしながら、回転ホイールを備えた波長変換部材を利用した蛍光光源装置においては、回転ホイールを回転駆動するモーターの部品に劣化が生じて故障が生じやすく、また、駆動系自体の構成が複雑である、という問題がある。
また、蛍光光源装置の他の例としては、例えば図９に示すように、裏面に放熱用フィン６４が設けられたＡＩＮ焼結体よりなる基板６２の表面に、硫酸バリウム層６３を介してＹＡＧ焼結体よりなる蛍光部材６１が配置されてなる波長変換部材を備えてなり、この波長変換部材における蛍光部材６１に、励起光として青色領域のレーザ光を照射することによって、当該蛍光部材６１において緑色領域の光を生成する蛍光光源装置が知られている（特許文献２参照）。
しかしながら、このような蛍光光源装置においては、高い発光効率が得られない、という問題がある。
具体的には、励起光が蛍光部材６１に照射されたときに、当該蛍光部材６１の表面において励起光が後方散乱されるため、励起光が蛍光部材６１の内部に十分に取り込まれない、という問題がある。また、蛍光部材６１内において蛍光体で生じた蛍光のうち、蛍光部材６１と空気との界面に対する入射角が臨界角を超える蛍光が蛍光部材６１の内部に閉じ込められるため、蛍光を効率的に利用することができない、という問題がある。
しかしながら、このような蛍光光源装置においては、高い発光効率が得られない、という問題がある。
具体的には、励起光が蛍光部材６１に照射されたときに、当該蛍光部材６１の表面において励起光が後方散乱されるため、励起光が蛍光部材６１の内部に十分に取り込まれない、という問題がある。また、蛍光部材６１内において蛍光体で生じた蛍光のうち、蛍光部材６１と空気との界面に対する入射角が臨界角を超える蛍光が蛍光部材６１の内部に閉じ込められるため、蛍光を効率的に利用することができない、という問題がある。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制されると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光を高い効率で外部に出射することができ、従って、高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供することにある。
本発明の蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面に裏面側周期構造が形成されており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする。
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面に裏面側周期構造が形成されており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする。
本発明の蛍光光源装置においては、前記裏面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。
本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、その全体が蛍光体が含有されてなる蛍光部材よりなることが好ましい。
本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、当該蛍光部材の表面上に形成された、表面に周期構造を有する表面側周期構造体層、および当該蛍光部材の裏面上に形成された、裏面に周期構造を有する裏面側周期構造体層の少なくとも一方の周期構造体層とを備えていることが好ましい。
このような構成の本発明の蛍光光源装置においては、前記蛍光部材上に形成された周期構造体層の屈折率は、当該蛍光部材の屈折率の値以上であることが好ましい。
このような構成の本発明の蛍光光源装置においては、前記蛍光部材上に形成された周期構造体層の屈折率は、当該蛍光部材の屈折率の値以上であることが好ましい。
本発明の蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面が粗面により形成された光拡散面とされており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする。
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面が粗面により形成された光拡散面とされており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする。
本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材における励起光受光面に表面側周期構造が形成されているため、波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができる。
また、波長変換部材の裏面の外側に光反射面が設けられていると共に、当該裏面には、裏面側周期構造が形成されること、または光拡散面が粗面により形成されることによって凹凸面とされている。そのため、波長変換部材の内部において蛍光体から放射された蛍光は、当該裏面において角度を変えて光反射面で反射されることから、蛍光が波長変換部材の内部に閉じ込められることが抑制される。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材内において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
また、波長変換部材の裏面の外側に光反射面が設けられていると共に、当該裏面には、裏面側周期構造が形成されること、または光拡散面が粗面により形成されることによって凹凸面とされている。そのため、波長変換部材の内部において蛍光体から放射された蛍光は、当該裏面において角度を変えて光反射面で反射されることから、蛍光が波長変換部材の内部に閉じ込められることが抑制される。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材内において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置は、図１に示すように、青色領域の光を出射するレーザダイオード１０と、このレーザダイオード１０に対向して配置された、当該レーザダイオード１０から出射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて緑色領域の蛍光Ｌ１を出射する波長変換部材を有する蛍光発光部材２０とを備えてなる。
レーザダイオード１０と蛍光発光部材２０との間における当該レーザダイオード１０に接近した位置には、レーザダイオード１０から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、レーザダイオード１０からの励起光Ｌを透過すると共に蛍光発光部材２０における波長変換部材からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。
ここに、図１では、１つのレーザダイオード１０の光を用いているが、レーザダイオード１０が複数あり、蛍光発光部材２０における波長変換部材の前に集光レンズを配置させ、集光光を当該波長変換部材に照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザダイオード１０による光に限るものではなく、波長変換部材における蛍光体を励起することができるものであれば、ＬＥＤによる光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合には、励起光の波長は主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置は、図１に示すように、青色領域の光を出射するレーザダイオード１０と、このレーザダイオード１０に対向して配置された、当該レーザダイオード１０から出射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて緑色領域の蛍光Ｌ１を出射する波長変換部材を有する蛍光発光部材２０とを備えてなる。
レーザダイオード１０と蛍光発光部材２０との間における当該レーザダイオード１０に接近した位置には、レーザダイオード１０から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、レーザダイオード１０からの励起光Ｌを透過すると共に蛍光発光部材２０における波長変換部材からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。
ここに、図１では、１つのレーザダイオード１０の光を用いているが、レーザダイオード１０が複数あり、蛍光発光部材２０における波長変換部材の前に集光レンズを配置させ、集光光を当該波長変換部材に照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザダイオード１０による光に限るものではなく、波長変換部材における蛍光体を励起することができるものであれば、ＬＥＤによる光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合には、励起光の波長は主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。
蛍光発光部材２０は、図２に示すように、矩形の基板３１の表面（図２における上面）上に、略矩形板状の蛍光部材２１よりなる波長変換部材が設けられたものである。
この蛍光発光部材２０は、蛍光部材２１の表面（図２における上面）がレーザダイオード１０に対向するように配置されており、当該表面が励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材２１の裏面（図２における下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、蛍光部材２１の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、蛍光部材２１の裏面および側面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。
この蛍光発光部材２０は、蛍光部材２１の表面（図２における上面）がレーザダイオード１０に対向するように配置されており、当該表面が励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材２１の裏面（図２における下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、蛍光部材２１の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、蛍光部材２１の裏面および側面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。
そして、波長変換部材を構成する蛍光部材２１には、励起光受光面すなわち当該蛍光部材２１の表面に、凸部（以下、「表面側凸部」ともいう。）２３が周期的に配列されてなる表面側周期構造２２が形成されている。また、波長変換部材の裏面すなわち蛍光部材２１の裏面には、凸部（以下、「裏面側凸部」ともいう。）２６が周期的に配列されてなる裏面側周期構造２５が形成されている。
ここに、本明細書中において、「周期構造」とは、表面から裏面に向かうに従って小径となる凸状形状を有する周期構造体（図２においては凸部２３，２６）が、周期的に配列されなる構造を示す。
ここに、本明細書中において、「周期構造」とは、表面から裏面に向かうに従って小径となる凸状形状を有する周期構造体（図２においては凸部２３，２６）が、周期的に配列されなる構造を示す。
蛍光部材２１は、単結晶または多結晶の蛍光体によって構成されている。蛍光部材２１の厚みは、例えば０．０５〜２．０ｍｍである。
蛍光部材２１を構成する単結晶の蛍光体は、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、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とにより、単結晶の蛍光体が得られる。
また、蛍光部材２１を構成する多結晶の蛍光体は、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得る。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、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。
また、蛍光部材２１を構成する多結晶の蛍光体は、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得る。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、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。
蛍光部材２１を構成する蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。このような蛍光体において、希土類元素のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度である。
蛍光部材２１の表面に形成された表面側周期構造２２を構成する表面側凸部２３は、図２に示されているように、略錐形状であることが好ましい。
具体的に、表面側凸部２３に係る略錐形状は、図２に示すような錘状（図２においては円錐状）、または図３に示すような錐台状（図３においては円錐台状）である。ここに、表面側凸部２３の形状が錐台状である場合には、上底部２４ａの寸法（最大寸法）ａは、励起光Ｌの波長未満とされる。例えば凸部２３の形状が円錐台状であり、励起光Ｌの波長が４４５ｎｍである場合には、円錐台状の凸部２３の上底部２４ａの寸法（外径）は１００ｎｍである。
具体的に、表面側凸部２３に係る略錐形状は、図２に示すような錘状（図２においては円錐状）、または図３に示すような錐台状（図３においては円錐台状）である。ここに、表面側凸部２３の形状が錐台状である場合には、上底部２４ａの寸法（最大寸法）ａは、励起光Ｌの波長未満とされる。例えば凸部２３の形状が円錐台状であり、励起光Ｌの波長が４４５ｎｍである場合には、円錐台状の凸部２３の上底部２４ａの寸法（外径）は１００ｎｍである。
表面側凸部２３の形状が略錘形状とされることにより、蛍光部材２１の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。このような作用が生じるのは、以下の理由による。
図４は、励起光Ｌが蛍光部材２１の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図であり、（ａ）は蛍光部材２１の一部を拡大して模式的に示す断面図であり、（ｂ）は蛍光部材２１の表面に対して垂直な方向における位置と屈折率とのマクロ的な関係を示すグラフである。この図４に示すように、励起光Ｌは、空気（屈折率が１）中から蛍光部材２１（屈折率がＮ1 ）の表面に照射されたときに、表面側周期構造２２を構成する表面側凸部２３のテーパ面に対して傾斜した方向から入射される。このため、マクロ的に見ると、励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率は、蛍光部材２１の表面に垂直な方向に向かって１からＮ1 に緩やかに変化することとなる。従って、蛍光部材２１の表面に、屈折率が急激に変化する界面が実質的にないため、蛍光部材２１の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。
図４は、励起光Ｌが蛍光部材２１の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図であり、（ａ）は蛍光部材２１の一部を拡大して模式的に示す断面図であり、（ｂ）は蛍光部材２１の表面に対して垂直な方向における位置と屈折率とのマクロ的な関係を示すグラフである。この図４に示すように、励起光Ｌは、空気（屈折率が１）中から蛍光部材２１（屈折率がＮ1 ）の表面に照射されたときに、表面側周期構造２２を構成する表面側凸部２３のテーパ面に対して傾斜した方向から入射される。このため、マクロ的に見ると、励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率は、蛍光部材２１の表面に垂直な方向に向かって１からＮ1 に緩やかに変化することとなる。従って、蛍光部材２１の表面に、屈折率が急激に変化する界面が実質的にないため、蛍光部材２１の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。
また、表面側周期構造２２を構成する略錐形状の表面側凸部２３において、テーパ面（側面）の傾斜角度（側面と底面とのなす角度）は、１１°以上であることが好ましい。
テーパ面の傾斜角度が１１°未満である場合には、テーパ面を屈折率の異なる２つの媒体の境界面とみなすようになるため、その屈折率差に従った反射光が生じてしまうおそれがある。
テーパ面の傾斜角度が１１°未満である場合には、テーパ面を屈折率の異なる２つの媒体の境界面とみなすようになるため、その屈折率差に従った反射光が生じてしまうおそれがある。
また、表面側周期構造２２において、周期ｄ１は、蛍光部材２１を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲（ブラッグの条件）の大きさであることが好ましい。
具体的には、表面側周期構造２２の周期ｄ１は、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、表面側周期構造２２を構成する材料（図２においては蛍光部材２１を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（以下、「光学長さ」という。）、または、光学長さの数倍程度の値であることが好ましい。
本発明において、周期構造の周期とは、周期構造において互いに隣接する凸部間の距離（中心間距離）（ｎｍ）を意味する。
具体的には、表面側周期構造２２の周期ｄ１は、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、表面側周期構造２２を構成する材料（図２においては蛍光部材２１を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（以下、「光学長さ」という。）、または、光学長さの数倍程度の値であることが好ましい。
本発明において、周期構造の周期とは、周期構造において互いに隣接する凸部間の距離（中心間距離）（ｎｍ）を意味する。
表面側周期構造２２の周期ｄ１が蛍光部材２１内で生じる蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされることにより、蛍光部材２１の表面から蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射することができる。
具体的に説明すると、蛍光部材２１内で生じた蛍光Ｌ１は、蛍光部材２１の表面（蛍光部材２１と空気との界面）に対する入射角が臨界角未満である場合には、蛍光部材２１の表面を透過する透過光として無反射で蛍光部材２１の表面から外部に取り出される。また、蛍光Ｌ１の蛍光部材２１の表面に対する入射角が臨界角以上である場合には、例えば蛍光部材の表面が平坦面であるときには、蛍光は、当該蛍光部材の表面において全反射して波長変換部材の内部に向かうため、当該蛍光部材の表面から外部に取り出すことができない。しかしながら、蛍光部材２１の表面に上記の条件を満足する周期ｄ１を有する表面側周期構造２２が形成されることにより、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２１の表面において表面側周期構造２２によって回折が生じることとなる。その結果、−１次回折光として蛍光部材２１の表面から出射されて外部に取り出される。
具体的に説明すると、蛍光部材２１内で生じた蛍光Ｌ１は、蛍光部材２１の表面（蛍光部材２１と空気との界面）に対する入射角が臨界角未満である場合には、蛍光部材２１の表面を透過する透過光として無反射で蛍光部材２１の表面から外部に取り出される。また、蛍光Ｌ１の蛍光部材２１の表面に対する入射角が臨界角以上である場合には、例えば蛍光部材の表面が平坦面であるときには、蛍光は、当該蛍光部材の表面において全反射して波長変換部材の内部に向かうため、当該蛍光部材の表面から外部に取り出すことができない。しかしながら、蛍光部材２１の表面に上記の条件を満足する周期ｄ１を有する表面側周期構造２２が形成されることにより、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２１の表面において表面側周期構造２２によって回折が生じることとなる。その結果、−１次回折光として蛍光部材２１の表面から出射されて外部に取り出される。
また、表面側周期構造２２における周期ｄ１に対する表面側凸部２３の高さｈ１の比（ｈ１／ｄ１）であるアスペクト比は、０．２以上であることが好ましい。
この比（ｈ１／ｄ１）が０.２未満である場合には、高さ方向における回折の領域が狭くなるため、回折による十分な光取出し効率が得られない。
この比（ｈ１／ｄ１）が０.２未満である場合には、高さ方向における回折の領域が狭くなるため、回折による十分な光取出し効率が得られない。
このような表面側周期構造２２は、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、平坦な表面を有する蛍光部材の当該表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、蛍光部材の表面における露出した領域に、ドライエッチング処理を施すことにより、表面側周期構造２２が形成される。
蛍光部材２１の裏面に形成された裏面側周期構造２５を構成する裏面側凸部２６は、円錐状である。
また、裏面側周期構造２５の周期ｄ２は、蛍光部材２１を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲（ブラッグの条件）の大きさであることが好ましい。
具体的には、裏面側周期構造２５の周期ｄ２は、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、裏面側周期構造２５を構成する材料（図２においては蛍光部材２１を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（光学長さ）、または、光学長さの数倍程度の値であることが好ましい。
この条件を満足することにより、蛍光部材２１内で生じ、当該蛍光部材２１の表面に入射する蛍光Ｌ１において、入射角が臨界角未満である蛍光Ｌ１の光量を大きくすることができる。そのため、蛍光部材２１内で生成された蛍光Ｌ１を高い効率で当該蛍光部材２１の表面から外部に出射することができる。
具体的に説明すると、蛍光部材２１内で生じ、この蛍光部材２１の裏面（蛍光部材２１と光反射膜３３との界面）に対する入射角が臨界角以上である蛍光Ｌ１には、蛍光部材２１の裏面に上記の条件を満足する周期ｄ２を有する裏面側周期構造２５が形成されていることにより、当該裏面において裏面側周期構造２５によって回折が生じる。そして、−１次回折光は、蛍光部材２１の裏面において光反射膜３３により、法線方向（蛍光部材２１の表面に対する垂直方向）に沿うようにして蛍光部材２１の表面に向かって反射される。このように、裏面側周期構造２５によって回折によって生じる蛍光Ｌ１の−１次回折光が、蛍光部材２１の表面に対して入射角が臨界角未満となるようにして入射されることから、蛍光部材２１の表面に入射する蛍光Ｌ１において、入射角が臨界角未満である蛍光Ｌ１の光量が大きくなる。
具体的には、裏面側周期構造２５の周期ｄ２は、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、裏面側周期構造２５を構成する材料（図２においては蛍光部材２１を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（光学長さ）、または、光学長さの数倍程度の値であることが好ましい。
この条件を満足することにより、蛍光部材２１内で生じ、当該蛍光部材２１の表面に入射する蛍光Ｌ１において、入射角が臨界角未満である蛍光Ｌ１の光量を大きくすることができる。そのため、蛍光部材２１内で生成された蛍光Ｌ１を高い効率で当該蛍光部材２１の表面から外部に出射することができる。
具体的に説明すると、蛍光部材２１内で生じ、この蛍光部材２１の裏面（蛍光部材２１と光反射膜３３との界面）に対する入射角が臨界角以上である蛍光Ｌ１には、蛍光部材２１の裏面に上記の条件を満足する周期ｄ２を有する裏面側周期構造２５が形成されていることにより、当該裏面において裏面側周期構造２５によって回折が生じる。そして、−１次回折光は、蛍光部材２１の裏面において光反射膜３３により、法線方向（蛍光部材２１の表面に対する垂直方向）に沿うようにして蛍光部材２１の表面に向かって反射される。このように、裏面側周期構造２５によって回折によって生じる蛍光Ｌ１の−１次回折光が、蛍光部材２１の表面に対して入射角が臨界角未満となるようにして入射されることから、蛍光部材２１の表面に入射する蛍光Ｌ１において、入射角が臨界角未満である蛍光Ｌ１の光量が大きくなる。
このような裏面側周期構造２５は、表面側周期構造２２と同様に、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、平坦な裏面を有する蛍光部材の当該裏面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、蛍光部材の裏面における露出した領域に、ドライエッチング処理を施すことにより、裏面側周期構造２５が形成される。
基板３１を構成する材料としては、樹脂に金属微粉末を混入させた放熱接着剤を介したアルミ基板などを用いることができる。また、基板３１の厚みは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。また、このアルミ基板は、放熱フィンの機能を兼ね備えたものであってもよい。
上記の蛍光光源装置においては、レーザダイオード１０から出射された青色領域のレーザ光である励起光Ｌは、コリメータレンズ１５によって平行光線とされる。その後、この励起光Ｌは、ダイクロイックミラー１６を透過して蛍光発光部材２０における波長変換部材の励起光受光面すなわち蛍光部材２１の表面に対して略垂直に照射される。そして、蛍光部材２１においては、当該蛍光部材２１を構成する蛍光体が励起され、蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１は、波長変換部材の蛍光出射面すなわち蛍光部材２１の表面から出射され、ダイクロイックミラー１６によって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
この蛍光光源装置においては、波長変換部材の励起光受光面である蛍光部材２１の表面に、表面側周期構造２２が形成されている。そのため、蛍光部材２１の表面に励起光Ｌが照射されたときに、当該励起光Ｌの後方散乱が抑制され、その結果、励起光Ｌを高い効率で蛍光部材２１内に取り込むことができる。
また、光反射膜３３が設けられた蛍光部材２１の裏面には、裏面側周期構造２５が形成されている。そのため、蛍光部材２１内において蛍光体から放射され、当該蛍光部材２１の裏面に入射した蛍光Ｌ１は、当該裏面において角度を変えて反射される。そのため、蛍光部材２１内を繰り返し反射している蛍光Ｌ１の方向性を、波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材２１の表面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光Ｌ１が蛍光部材２１内に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光Ｌ１を高い効率で蛍光部材２１の表面から外部に取り出すことができる。
しかも、表面側周期構造２２の周期ｄ１および裏面側周期構造２５の周期ｄ２が、蛍光部材２１内で生じる蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされていることから、より一層高い効率で蛍光Ｌ１を蛍光部材２１の表面から外部に取出すことができる。
従って、この蛍光光源装置によれば、励起光Ｌを波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
また、光反射膜３３が設けられた蛍光部材２１の裏面には、裏面側周期構造２５が形成されている。そのため、蛍光部材２１内において蛍光体から放射され、当該蛍光部材２１の裏面に入射した蛍光Ｌ１は、当該裏面において角度を変えて反射される。そのため、蛍光部材２１内を繰り返し反射している蛍光Ｌ１の方向性を、波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材２１の表面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光Ｌ１が蛍光部材２１内に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光Ｌ１を高い効率で蛍光部材２１の表面から外部に取り出すことができる。
しかも、表面側周期構造２２の周期ｄ１および裏面側周期構造２５の周期ｄ２が、蛍光部材２１内で生じる蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされていることから、より一層高い効率で蛍光Ｌ１を蛍光部材２１の表面から外部に取出すことができる。
従って、この蛍光光源装置によれば、励起光Ｌを波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置において、蛍光発光部材２０を構成する波長変換部材４０は、図５に示すように、矩形の基板３１上に設けられている。この波長変換部材４０は、矩形板状の蛍光部材４１と、この蛍光部材４１の表面（図５における上面）上に形成された表面側周期構造体層４２と、蛍光部材４１の裏面（図５における下面）上に形成された裏面側周期構造体層４４とを有している。表面側周期構造体層４２には、表面に表面側周期構造４３が形成されており、この表面側周期構造４３は、円錐状の凸部（表面側凸部）４３ａが周期的に配列されてなるものである。また、裏面側周期構造体層４４には、裏面に裏面側周期構造４５が形成されており、この裏面側周期構造４５は、円錐状の凸部（裏面側凸部）４５ａが周期的に配列されてなるものである。
この波長変換部材４０においては、表面側周期構造体層４２の表面（図５において上面）が、励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材４１の側面、裏面側周期構造体層４４の裏面（図５において下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、蛍光部材４１の側面、裏面側周期構造体層４４の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、波長変換部材４０の裏面および側面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。基板３１および蛍光部材４１の構成は、当該蛍光部材４１の表面および裏面に周期構造が直接形成されていないこと以外は、図１の蛍光光源装置と同様である。
図５は、本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置において、蛍光発光部材２０を構成する波長変換部材４０は、図５に示すように、矩形の基板３１上に設けられている。この波長変換部材４０は、矩形板状の蛍光部材４１と、この蛍光部材４１の表面（図５における上面）上に形成された表面側周期構造体層４２と、蛍光部材４１の裏面（図５における下面）上に形成された裏面側周期構造体層４４とを有している。表面側周期構造体層４２には、表面に表面側周期構造４３が形成されており、この表面側周期構造４３は、円錐状の凸部（表面側凸部）４３ａが周期的に配列されてなるものである。また、裏面側周期構造体層４４には、裏面に裏面側周期構造４５が形成されており、この裏面側周期構造４５は、円錐状の凸部（裏面側凸部）４５ａが周期的に配列されてなるものである。
この波長変換部材４０においては、表面側周期構造体層４２の表面（図５において上面）が、励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材４１の側面、裏面側周期構造体層４４の裏面（図５において下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、蛍光部材４１の側面、裏面側周期構造体層４４の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、波長変換部材４０の裏面および側面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。基板３１および蛍光部材４１の構成は、当該蛍光部材４１の表面および裏面に周期構造が直接形成されていないこと以外は、図１の蛍光光源装置と同様である。
表面側周期構造体層４２の表面に形成された表面側周期構造４３を構成する表面側凸部４３ａは、図１の蛍光光源装置の波長変換部材における表面側周期構造２２と同様に、略錐形状であることが好ましい。表面側凸部４３ａの形状が略錘形状とされることによって、波長変換部材４０の内部に、より一層高い効率で励起光Ｌを取り込むことができる。
表面側周期構造体層４２の表面に形成された表面側周期構造４３は、その周期ｄ１が、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。このような条件を満足することにより、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で表面側周期構造体層４２の表面から外部に取り出すことができる。
また、表面側周期構造体層４２の表面側周期構造４３における周期ｄ１に対する凸部４３ａの高さｈ１の比であるアスペクト比は、図１に示す蛍光光源装置の波長変換部材における表面側周期構造２２と同様である。
表面側周期構造体層４２の表面に形成された表面側周期構造４３は、その周期ｄ１が、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。このような条件を満足することにより、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で表面側周期構造体層４２の表面から外部に取り出すことができる。
また、表面側周期構造体層４２の表面側周期構造４３における周期ｄ１に対する凸部４３ａの高さｈ１の比であるアスペクト比は、図１に示す蛍光光源装置の波長変換部材における表面側周期構造２２と同様である。
裏面側周期構造体層４４の表面に形成された裏面側周期構造４５は、その周期ｄ２が、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。このような条件を満足することにより、蛍光部材４１を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で表面側周期構造体層４２の表面から外部に取り出すことができる。
表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４（以下、これらをまとめて「周期構造体層」ともいう。）を構成する材料としては、屈折率が蛍光部材４１の屈折率の値以上のものを用いることが好ましい。屈折率が蛍光部材４１の屈折率の値より高い材料によって周期構造体層を構成することによれば、蛍光部材４１と周期構造体層との界面に入射した蛍光は、当該界面を透過することによって屈折が生じる。そのため、波長変換部材４０の内部で生じる蛍光は、当該波長変換部材４０の裏面だけでなく、蛍光部材４１と周期構造体層との界面においても角度が変えられ、その向きが法線方向（表面側周期構造体層４２の表面に対する垂直方向）に近づくことから、蛍光が波長変換部材４０の内部に閉じ込められることが抑制される。
また、周期構造体層の材料として蛍光部材４１より高屈折率のものを用いることによれば、周期が小さい周期構造を形成することが可能となる。従って、周期構造を構成する凸部としてアスペクト比が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、周期構造の形成が容易となる。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールド（テンプレート）の作製やインプリント作業を容易に行うことができる。このとき、当該周期構造が形成されている波長変換部材４０における蛍光体を励起するエネルギーは、約５Ｗ／ｍｍ2 以上の励起密度を持つため、周期構造体層を構成する材料は無機材料であることが望ましい。
また、周期構造体層の材料として蛍光部材４１より高屈折率のものを用いることによれば、周期が小さい周期構造を形成することが可能となる。従って、周期構造を構成する凸部としてアスペクト比が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、周期構造の形成が容易となる。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールド（テンプレート）の作製やインプリント作業を容易に行うことができる。このとき、当該周期構造が形成されている波長変換部材４０における蛍光体を励起するエネルギーは、約５Ｗ／ｍｍ2 以上の励起密度を持つため、周期構造体層を構成する材料は無機材料であることが望ましい。
周期構造体層を構成する材料としては、チタニア（屈折率２．２）、ジルコニア（屈折率１．８）、窒化珪素（屈折率２．０）などを用いることができる。
また、周期構造体層の厚みは、例えば０．１〜１．０μｍである。
また、周期構造体層の厚みは、例えば０．１〜１．０μｍである。
周期構造体層は、ゾルゲル法とナノインプリント法とを用いて形成することができる。具体的には、チタン、ジルコニウム等のアルコキシドを含むゾル状の材料を、例えばスピンコート法によって蛍光部材４１の表面に塗布して、モールド（テンプレート）型を押付しつけた状態で加熱処理を行い、離型した後、熱処理を行う。この熱処理によって、反応（加水分解および縮重合）が進み、無機材料からなる周期構造体層が形成される。
上記の蛍光光源装置において、レーザダイオードから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過して蛍光発光部材における波長変換部材４０の励起光受光面すなわち表面側周期構造体層４２の表面に対して略垂直に照射され、当該表面側周期構造体層４２を介して蛍光部材４１に入射される。そして、蛍光部材４１においては、この蛍光部材４１を構成する蛍光体が励起される。これにより、蛍光部材４１において蛍光が放射される。この蛍光は、波長変換部材４０の蛍光出射面すなわち表面側周期構造体層４２の表面から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
この蛍光光源装置においては、波長変換部材４０における蛍光部材４１の表面に表面側周期構造体層４２が設けられており、この表面側周期構造体層４２の表面によって励起光受光面が構成されている。そして、表面側周期構造体層４２の表面には、表面側周期構造４３が形成されている。そのため、波長変換部材４０に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を高い効率で波長変換部材４０内に取り込むことができる。
また、蛍光部材４１の裏面には、裏面側周期構造４５が形成された裏面側周期構造体層４４が設けられており、その裏面側周期構造体層４４の裏面に光反射膜３３が設けられている。そのため、波長変換部材４０の内部において蛍光体から放射され、当該裏面に入射した蛍光は、当該裏面において角度を変えて反射される。従って、波長変換部材４０内を繰り返し反射している蛍光の方向性を、波長変換部材４０の蛍光出射面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光が波長変換部材４０の内部に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光を高い効率で波長変換部材４０の表面から外部に取り出すことができる。
また、表面側周期構造４３の周期ｄ１および裏面側周期構造４５の周期ｄ２が、波長変換部材４０の内部で生じる蛍光の回折が発生する範囲の大きさとされていることから、より一層高い効率で蛍光を波長変換部材４０の表面から外部に取出すことができる。
更に、周期構造体層（表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４）を構成する材料として、屈折率が蛍光部材４１の屈折率の値より高いものが用いられていることから、この蛍光部材４１と周期構造体層との界面に入射した蛍光が屈折することにより、蛍光の向きが法線方向に近づくため、表面側周期構造体層４２の表面から効率よく取出される。
従って、図５の蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材４０の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材４０の内部において生じた蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
また、蛍光部材４１の裏面には、裏面側周期構造４５が形成された裏面側周期構造体層４４が設けられており、その裏面側周期構造体層４４の裏面に光反射膜３３が設けられている。そのため、波長変換部材４０の内部において蛍光体から放射され、当該裏面に入射した蛍光は、当該裏面において角度を変えて反射される。従って、波長変換部材４０内を繰り返し反射している蛍光の方向性を、波長変換部材４０の蛍光出射面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光が波長変換部材４０の内部に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光を高い効率で波長変換部材４０の表面から外部に取り出すことができる。
また、表面側周期構造４３の周期ｄ１および裏面側周期構造４５の周期ｄ２が、波長変換部材４０の内部で生じる蛍光の回折が発生する範囲の大きさとされていることから、より一層高い効率で蛍光を波長変換部材４０の表面から外部に取出すことができる。
更に、周期構造体層（表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４）を構成する材料として、屈折率が蛍光部材４１の屈折率の値より高いものが用いられていることから、この蛍光部材４１と周期構造体層との界面に入射した蛍光が屈折することにより、蛍光の向きが法線方向に近づくため、表面側周期構造体層４２の表面から効率よく取出される。
従って、図５の蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材４０の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材４０の内部において生じた蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体による波長変換部材において、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、裏面が粗面により形成された光拡散面とされており、当該裏面の外側に光反射膜が設けられていることを特徴とするものである。
ここに、本明細書中において、「粗面」とは、機械的研磨（具体的には、例えばブラスト処理等）および化学的研磨（具体的には、例えばエッチング処理等）などの粗面処理によって形成された凹凸面である。
第３の実施の形態に係る蛍光光源装置は、励起光により励起される蛍光体による波長変換部材において、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、裏面が粗面により形成された光拡散面とされており、当該裏面の外側に光反射膜が設けられていることを特徴とするものである。
ここに、本明細書中において、「粗面」とは、機械的研磨（具体的には、例えばブラスト処理等）および化学的研磨（具体的には、例えばエッチング処理等）などの粗面処理によって形成された凹凸面である。
第３の実施の形態に係る蛍光光源装置の具体例としては、例えば第１の実施の形態に係る図１の蛍光光源装置において、波長変換部材を構成する蛍光部材の裏面が、粗面により形成された光拡散面であること以外は、当該図１の蛍光光源装置と同様の構成を有するものが挙げられる。
上記の蛍光光源装置においては、レーザダイオードから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過して波長変換部材の励起光受光面すなわち蛍光部材の表面に対して略垂直に照射される。そして、波長変換部材においては、当該波長変換部材における蛍光部材を構成する蛍光体が励起され、蛍光が放射される。この蛍光は、波長変換部材の蛍光出射面すなわち蛍光部材の表面から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。
この第３の実施の形態に係る蛍光光源装置においては、波長変換部材の励起光受光面である蛍光部材の表面に、表面側周期構造が形成されている。そのため、蛍光部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を高い効率で蛍光部材の内部に取り込むことができる。
また、光反射膜が設けられた蛍光部材の裏面は、粗面により形成された光拡散面とされている。そのため、蛍光部材内において蛍光体から放射され、当該蛍光部材の裏面に入射した蛍光は、様々な角度で反射される。そのため、波長変換部材内を繰り返し反射している蛍光の方向性を、波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材の表面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光が蛍光部材の内部に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光を高い効率で蛍光部材の表面から外部に取り出すことができる。
従って、この第３の実施の形態に係る蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
また、光反射膜が設けられた蛍光部材の裏面は、粗面により形成された光拡散面とされている。そのため、蛍光部材内において蛍光体から放射され、当該蛍光部材の裏面に入射した蛍光は、様々な角度で反射される。そのため、波長変換部材内を繰り返し反射している蛍光の方向性を、波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材の表面に対して垂直な方向とすることができる。その結果、蛍光が蛍光部材の内部に閉じ込められることが抑制されることから、蛍光を高い効率で蛍光部材の表面から外部に取り出すことができる。
従って、この第３の実施の形態に係る蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光を高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第１の実施の形態および第２の実施の形態の蛍光光源装置において、波長変換部材における裏面側周期構造は、表面から裏面に向かうに従って小径となる凸状形状を有する凸部を有するものであれば、略錐状の凸部を有するものに限定されず、その他の構造の凸部を有するものであってもよい。
具体的に、第１の実施の形態および第２の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、その裏面側周期構造が、例えば図６に示すような半球状の凸部を有するものであってもよい。
ここに、図６の蛍光光源装置は、蛍光発光部材２０を構成する蛍光部材５１よりなる波長変換部材において、裏面側周期構造５２を構成する凸部（表面側凸部）５２ａの形状が半球状であること以外は、図１の蛍光光源装置と同様の構成をするものである。
例えば、第１の実施の形態および第２の実施の形態の蛍光光源装置において、波長変換部材における裏面側周期構造は、表面から裏面に向かうに従って小径となる凸状形状を有する凸部を有するものであれば、略錐状の凸部を有するものに限定されず、その他の構造の凸部を有するものであってもよい。
具体的に、第１の実施の形態および第２の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、その裏面側周期構造が、例えば図６に示すような半球状の凸部を有するものであってもよい。
ここに、図６の蛍光光源装置は、蛍光発光部材２０を構成する蛍光部材５１よりなる波長変換部材において、裏面側周期構造５２を構成する凸部（表面側凸部）５２ａの形状が半球状であること以外は、図１の蛍光光源装置と同様の構成をするものである。
この図６の蛍光光源装置において、裏面側周期構造５２の周期ｄ２は、蛍光部材５１を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることが好ましい。このような条件を満足することにより、蛍光部材５１を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で波長変換部材の表面から外部に取り出すことができる。
また、第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態に係る蛍光光源装置においては、波長変換部材における裏面側周期構造が形成されてなる裏面に、光透過性を有する部材（以下、「積重部材」ともいう。）が連設されており、光反射面が波長変換部材の裏面と離間した状態で設けられていてもよい（図７参照）。
この積重部材は、波長変換部材の裏面側に位置される表面に、当該波長変換部材における裏面側周期構造に適合した周期構造が形成されたものであり、光透過性を有する接合部材によって波長変換部材４０に接合される。また、積重部材は、波長変換部材４０の裏面（波長変換部材と積重部材との界面）において屈折が生じるように、裏面側周期構造が形成されている部材とは異なる屈折率を有するものとされる。
具体的に、図７の蛍光光源装置においては、蛍光部材４１、表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４を有する波長変換部材４０の裏面に、接合部材によって蛍光部材よりなる積重部材４７が接合されており、この波長変換部材４０と積重部材４７との積重体が矩形の基板３１上に設けられている。また、波長変換部材４０と積重部材４７との接合体の裏面（図７における下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、波長変換部材４０と積重部材４７との接合体の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、波長変換部材４０の裏面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。
この蛍光光源装置は、波長変換部材４０における裏面側周期構造体層４４の裏面に光反射膜が設けられておらず、当該波長変換部材４０が、裏面および側面に光反射膜３３が設けられた積重部材４７を介在した状態で矩形の基板３１上に設けられていること以外は、図５の蛍光光源装置と同様の構成を有するものである。また、蛍光部材よりなる積重部材４７の構成は、当該積重部材４７の裏面に周期構造が形成されていないこと以外は、図１の蛍光光源装置と同様である。
この積重部材は、波長変換部材の裏面側に位置される表面に、当該波長変換部材における裏面側周期構造に適合した周期構造が形成されたものであり、光透過性を有する接合部材によって波長変換部材４０に接合される。また、積重部材は、波長変換部材４０の裏面（波長変換部材と積重部材との界面）において屈折が生じるように、裏面側周期構造が形成されている部材とは異なる屈折率を有するものとされる。
具体的に、図７の蛍光光源装置においては、蛍光部材４１、表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４を有する波長変換部材４０の裏面に、接合部材によって蛍光部材よりなる積重部材４７が接合されており、この波長変換部材４０と積重部材４７との積重体が矩形の基板３１上に設けられている。また、波長変換部材４０と積重部材４７との接合体の裏面（図７における下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、波長変換部材４０と積重部材４７との接合体の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、波長変換部材４０の裏面の外側に光反射面が設けられている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。
この蛍光光源装置は、波長変換部材４０における裏面側周期構造体層４４の裏面に光反射膜が設けられておらず、当該波長変換部材４０が、裏面および側面に光反射膜３３が設けられた積重部材４７を介在した状態で矩形の基板３１上に設けられていること以外は、図５の蛍光光源装置と同様の構成を有するものである。また、蛍光部材よりなる積重部材４７の構成は、当該積重部材４７の裏面に周期構造が形成されていないこと以外は、図１の蛍光光源装置と同様である。
この図７の蛍光光源装置においては、波長変換部材４０に励起光が照射されることにより、波長変換部材４０における蛍光部材４１に励起光が入射されると共に、当該波長変換部材４０を透過した励起光が積重部材４７に入射される。これにより、波長変換部材４０の内部において蛍光（以下、「第１の蛍光」ともいう。）が生じ、また積重部材４７の内部においても蛍光（以下、「第２の蛍光」ともいう。）が生じる。
そして、第１の蛍光は、波長変換部材４０の裏面と積重部材４７との界面に入射することにより、その一部が当該界面において角度を変えて反射され、他の一部が当該界面を透過することによって屈折して積重部材４７に入射される。また、第２の蛍光は、波長変換部材４０の裏面と積重部材４７との界面に入射することにより、その一部が当該界面において角度を変えて反射され、他の一部が当該界面を透過することによって屈折して波長変換部材４０に入射される。
このように、第１の蛍光および第２の蛍光は、積重部材４７と裏面側周期構造体層４４との界面および／または蛍光部材４１と周期構造体層（表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４）との界面を経ることによって波長変換部材４０の表面に入射することとなる。そのため、第１の蛍光および第２の蛍光は、波長変換部材４０内において界面を経ることによって角度が変えられ、よって波長変換部材４０の表面に対して様々な角度で入射されることから、波長変換部材４０の内部に閉じ込められることが抑制される。
そして、第１の蛍光は、波長変換部材４０の裏面と積重部材４７との界面に入射することにより、その一部が当該界面において角度を変えて反射され、他の一部が当該界面を透過することによって屈折して積重部材４７に入射される。また、第２の蛍光は、波長変換部材４０の裏面と積重部材４７との界面に入射することにより、その一部が当該界面において角度を変えて反射され、他の一部が当該界面を透過することによって屈折して波長変換部材４０に入射される。
このように、第１の蛍光および第２の蛍光は、積重部材４７と裏面側周期構造体層４４との界面および／または蛍光部材４１と周期構造体層（表面側周期構造体層４２および裏面側周期構造体層４４）との界面を経ることによって波長変換部材４０の表面に入射することとなる。そのため、第１の蛍光および第２の蛍光は、波長変換部材４０内において界面を経ることによって角度が変えられ、よって波長変換部材４０の表面に対して様々な角度で入射されることから、波長変換部材４０の内部に閉じ込められることが抑制される。
第２の実施の形態に係る蛍光光源装置において、波長変換部材は、図５に示したように、蛍光部材と表面側周期構造体層と裏面側周期構造体層とよりなる構成のものに限定されず、蛍光部材と共に、表面側周期構造体層および裏面側周期構造体層の少なくとも一方を備えていれば、その他の構造を有するものであってもよい。
具体的に、第２の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、例えば、蛍光部材と表面側周期構造体層とよりなり、当該表面側周期構造体層の表面が励起光受光面とされ、当該蛍光部材の裏面に裏面側周期構造が形成されて光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。また、蛍光部材と裏面側周期構造体層とよりなり、当該蛍光部材の表面に表面側周期構造が形成されて励起光受光面とされ、当該裏面側周期構造体層の裏面に光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。
具体的に、第２の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、例えば、蛍光部材と表面側周期構造体層とよりなり、当該表面側周期構造体層の表面が励起光受光面とされ、当該蛍光部材の裏面に裏面側周期構造が形成されて光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。また、蛍光部材と裏面側周期構造体層とよりなり、当該蛍光部材の表面に表面側周期構造が形成されて励起光受光面とされ、当該裏面側周期構造体層の裏面に光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。
第３の実施の形態に係る蛍光光源装置において、波長変換部材は、蛍光部材よりなり、当該蛍光部材の表面が励起光受光面とされ、裏面が粗面により形成された光拡散面とされた構成のものに限定されず、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、裏面が粗面により形成された光拡散面とされていれば、その他の構造を有するものであってもよい。
具体的には、第３の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、例えば、蛍光部材と表面側周期構造体層とよりなり、当該表面側周期構造体層の表面が励起光受光面とされ、当該蛍光部材の裏面が粗面により形成された光拡散面とされて光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。また、蛍光部材と、当該蛍光部材の裏面に形成された裏面側粗面層とを備え、当該裏面側粗面層の裏面が粗面により形成された光拡散面とされている構成のものであってもよい。
具体的には、第３の実施の形態に係る蛍光光源装置を構成する波長変換部材は、例えば、蛍光部材と表面側周期構造体層とよりなり、当該表面側周期構造体層の表面が励起光受光面とされ、当該蛍光部材の裏面が粗面により形成された光拡散面とされて光反射膜が設けられた構成のものであってもよい。また、蛍光部材と、当該蛍光部材の裏面に形成された裏面側粗面層とを備え、当該裏面側粗面層の裏面が粗面により形成された光拡散面とされている構成のものであってもよい。
また、蛍光光源装置全体の構造は、図１に示すものに限定されず、種々の構成を採用することができる。
以下、本発明の実験例について説明する。
（実験例１）
図５に示す構成に基づいて、下記の仕様の表面側周期構造を有する波長変換部材Ａを作製した。
［基板(３１)］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（４１）］
材質：ＬｕＡＧ（屈折率＝１．８３，励起波長＝４４５ｎｍ、蛍光波長＝５３５ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
［表面側周期構造体層（４２）］
材質：窒化珪素（屈折率＝２．０），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×５００ｎｍ（厚み）
［表面側周期構造（４３）］
凸部（４３ａ）の形状：円錐状，周期（ｄ１）＝２６８ｎｍ，凸部（４３ａ）の高さ（ｈ１）＝５００ｎｍ（周期（ｄ１）に対する凸部（４３ａ）の高さ（ｈ１）の比（ｈ１／ｄ１）＝２．０）
［光反射膜（３３）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
図５に示す構成に基づいて、下記の仕様の表面側周期構造を有する波長変換部材Ａを作製した。
［基板(３１)］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（４１）］
材質：ＬｕＡＧ（屈折率＝１．８３，励起波長＝４４５ｎｍ、蛍光波長＝５３５ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
［表面側周期構造体層（４２）］
材質：窒化珪素（屈折率＝２．０），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×５００ｎｍ（厚み）
［表面側周期構造（４３）］
凸部（４３ａ）の形状：円錐状，周期（ｄ１）＝２６８ｎｍ，凸部（４３ａ）の高さ（ｈ１）＝５００ｎｍ（周期（ｄ１）に対する凸部（４３ａ）の高さ（ｈ１）の比（ｈ１／ｄ１）＝２．０）
［光反射膜（３３）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
また、表面側周期構造体層を設けなかったこと以外は、波長変換部材Ａと同様の構成および仕様の波長変換部材Ｂを作製した。
波長変換部材Ａの励起光受光面（周期構造体層の表面）および波長変換部材Ｂの励起光受光面（蛍光部材の表面）の各々に、ピーク波長が４４５ｎｍの励起光を照射し、当該励起光受光面における光の反射率を測定した。
その結果、波長変換部材Ａにおいては、反射率が０．４％であるのに対して、波長変換部材Ｂにおいては、反射率が１５％であり、波長変換部材Ａにおいては、励起光の後方散乱が十分に抑制されることが確認された。
その結果、波長変換部材Ａにおいては、反射率が０．４％であるのに対して、波長変換部材Ｂにおいては、反射率が１５％であり、波長変換部材Ａにおいては、励起光の後方散乱が十分に抑制されることが確認された。
（実験例２）
図２に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換部材Ｃを作製した。
［基板(３１)］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（２１）］
材質：ＬｕＡＧ：Ｃｅ（屈折率＝１．８５，励起波長＝４５０ｎｍ、蛍光波長＝５３０ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
表面側周期構造（２２）：凸部（２３）の形状：円錐状，周期（ｄ１）＝２９２ｎｍ，周期（ｄ１）に対する凸部（２３）の高さ（ｈ１）の比（ｈ１／ｄ１）＝２.０
裏面側周期構造（２５）：凸部（２６）の形状：半径０．０１５ｍｍの半球状，周期（ｄ２）＝０．０３ｍｍ，凸部（２６）の高さ（ｈ）＝０．０１ｎｍ
［光反射膜（３３）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
図２に示す構成に従い、下記の仕様の波長変換部材Ｃを作製した。
［基板(３１)］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（２１）］
材質：ＬｕＡＧ：Ｃｅ（屈折率＝１．８５，励起波長＝４５０ｎｍ、蛍光波長＝５３０ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
表面側周期構造（２２）：凸部（２３）の形状：円錐状，周期（ｄ１）＝２９２ｎｍ，周期（ｄ１）に対する凸部（２３）の高さ（ｈ１）の比（ｈ１／ｄ１）＝２.０
裏面側周期構造（２５）：凸部（２６）の形状：半径０．０１５ｍｍの半球状，周期（ｄ２）＝０．０３ｍｍ，凸部（２６）の高さ（ｈ）＝０．０１ｎｍ
［光反射膜（３３）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
また、表面側周期構造体層を設けなかったこと以外は、波長変換部材Ｃと同様の構成および仕様の波長変換部材Ｄを作製すると共に、裏面側周期構造体層を設けなかったこと以外は、波長変換部材Ｃと同様の構成および仕様の波長変換部材Ｅを作製した。
波長変換部材Ｃ、波長変換部材Ｄおよび波長変換部材Ｅの励起光受光面（蛍光部材の表面）の各々に、ピーク波長が４４５ｎｍの励起光を照射し、蛍光出射面（蛍光部材の表面）における光取出し効率、および裏面（蛍光部材の裏面）における光の反射率（裏面反射率）を測定した。結果を図８に示す。この図８において、波長変換部材Ｃに係る測定値を三角プロットで示し、波長変換部材Ｄに係る測定値を菱形プロットで示し、波長変換部材Ｅに係る測定値を四角プロットで示す。
その結果、波長変換部材Ｃにおいては、裏面側周期構造が設けられていることから、光取出し効率が十分に向上することが確認された。
この波長変換部材Ｃにおいては、例えば裏面反射率が９８％である場合の光取出し効率が８４.７％であり、裏面の反射率が９８％である場合の光取出し効率が６７．５％である波長変換部材Ｅに比して、１．２５倍の取出し効率が得られている。
その結果、波長変換部材Ｃにおいては、裏面側周期構造が設けられていることから、光取出し効率が十分に向上することが確認された。
この波長変換部材Ｃにおいては、例えば裏面反射率が９８％である場合の光取出し効率が８４.７％であり、裏面の反射率が９８％である場合の光取出し効率が６７．５％である波長変換部材Ｅに比して、１．２５倍の取出し効率が得られている。
１０ レーザダイオード
１５ コリメータレンズ
１６ ダイクロイックミラー
２０ 蛍光発光部材
２１ 蛍光部材
２２ 表面側周期構造
２３ 凸部（表面側凸部）
２４ａ 上底部
２５ 裏面側周期構造
２６ 凸部（裏面側凸部）
３１ 基板
３３ 光反射膜
４０ 波長変換部材
４１ 蛍光部材
４２ 表面側周期構造体層
４３ 表面側周期構造
４３ａ 凸部（表面側凸部）
４４ 裏面側周期構造体層
４５ 裏面側周期構造
４５ａ 凸部（裏面側凸部）
４７ 積重部材
５１ 蛍光部材
５２ 裏面側周期構造
５２ａ 凸部（裏面側凸部）
６１ 蛍光部材
６２ 基板
６３ 硫酸バリウム層
６４ 放熱用フィン
１５ コリメータレンズ
１６ ダイクロイックミラー
２０ 蛍光発光部材
２１ 蛍光部材
２２ 表面側周期構造
２３ 凸部（表面側凸部）
２４ａ 上底部
２５ 裏面側周期構造
２６ 凸部（裏面側凸部）
３１ 基板
３３ 光反射膜
４０ 波長変換部材
４１ 蛍光部材
４２ 表面側周期構造体層
４３ 表面側周期構造
４３ａ 凸部（表面側凸部）
４４ 裏面側周期構造体層
４５ 裏面側周期構造
４５ａ 凸部（裏面側凸部）
４７ 積重部材
５１ 蛍光部材
５２ 裏面側周期構造
５２ａ 凸部（裏面側凸部）
６１ 蛍光部材
６２ 基板
６３ 硫酸バリウム層
６４ 放熱用フィン
Claims (6)
- 励起光により励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面に裏面側周期構造が形成されており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする蛍光光源装置。 - 前記裏面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
- 前記波長変換部材は、その全体が蛍光体が含有されてなる蛍光部材よりなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。
- 前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、当該蛍光部材の表面上に形成された、表面に周期構造を有する表面側周期構造体層、および当該蛍光部材の裏面上に形成された、裏面に周期構造を有する裏面側周期構造体層の少なくとも一方の周期構造体層とを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の蛍光光源装置。
- 前記蛍光部材上に形成された周期構造体層の屈折率は、当該蛍光部材の屈折率以上であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置。
- 励起光により励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、励起光受光面とされる表面に表面側周期構造が形成され、当該表面側周期構造の周期は、前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであり、裏面が粗面により形成された光拡散面とされており、当該裏面の外側に光反射面が設けられていることを特徴とする蛍光光源装置。
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