JP6452363B2

JP6452363B2 - 波長変換体及び波長変換装置

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Publication number: JP6452363B2
Application number: JP2014187717A
Authority: JP
Inventors: 真也星野
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: JP2016062966A

Description

本発明は、発光源からの光の波長を変換する波長変換体及び波長変換装置に関する。

近年、ＬＤ（Laser Diode）素子等の発光素子を搭載した発光装置が、照明装置等に用いられている。このような発光装置においては、青色光を発するレーザ素子上に黄色蛍光体を含む波長変換体を配することで、白色を得ているものがある。特許文献１には、Ａｌ₂Ｏ₃からなる透光性セラミックスのマトリックスと、Ｃｅ（cerium）を含むＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）からなる蛍光体とを有するセラミックス複合体が開示されている。

特開２０１２−６２４５９号公報

特許文献１に開示されているようなセラミックス複合体に半導体レーザ素子等の発光素子からの出射光を照射することによって、光の波長変換がしばしば行われる。この場合、出射する蛍光を増加させるために、発光素子の光量を増加させてセラミックス複合体内の蛍光体の濃度を高くすると、セラミックス複合体内において蛍光体の励起飽和が起きてしまい、蛍光出力が効率よく得られないという問題があった。

さらに、例えば、レーザ光を波長変換する際に、蛍光の光量を増加させるために複数の発光素子を用いて束になったレーザ光をセラミックス複合体に照射する場合がある。この場合には、レンズを用いて複数のレーザ光のビーム径を広げてレーザ光の光強度分布を平坦化することが困難であり、セラミックス複合体内の蛍光体の励起飽和を防止することが困難であった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、蛍光体の励起飽和を起こさずに、発光素子からの出射光を効率よく波長変換することが可能な波長変換体及び波長変換装置を提供することを目的とする。

本発明の波長変換体は、蛍光体プレートと、当該蛍光体プレートの一方の面側に配され、当該蛍光体プレートに対向する面と反対側の面にレーザビームが入射する入射表面を有する透過型の回折光学素子と、からなる波長変換体であって、当該回折光学素子は、当該入射表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の波長変換体は、蛍光体プレートと、当該蛍光体プレートの一方の面側に配され、当該蛍光体プレートに対向する面にレーザビームを反射する反射表面を有する反射型の回折光学素子と、からなる波長変換体であって、当該回折光学素子は、当該反射表面において反射した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の波長変換装置は、蛍光体プレートと、当該蛍光体プレートの一方の面側に配された回折光学素子と、複数のレーザビームを導光して当該回折光学素子の表面に複数のビームスポットを形成する光学系と、を有し、当該回折光学素子は、当該表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の波長変換装置は、蛍光体プレートと、当該蛍光体プレートの一方の面側に配された反射型の回折光学素子と、複数のレーザビームを導光して当該蛍光体プレートの表面に複数のビームスポットを形成する光学系と、を有し、当該回折光学素子は、当該蛍光体プレートに対向する表面において反射した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする。

本発明の実施例１である波長変換体の斜視図である。図１の波長変換体の２−２断面に沿った断面図である。波長変換体に励起光が入射した際の励起光の経路を示した図である。比較例の波長変換体の断面図である。比較実験の方法を示す図である。比較実験の結果を表すグラフである。比較例の波長変換体に励起光が入射した際の励起光の経路を示した図である本発明の実施例２である波長変換体の断面図である。本発明の実施例３である波長変換体の断面図である。波長変換体に励起光が入射した際の励起光の経路を示した図である。連携例である波長変換体の断面図である。本発明の実施例４である発光装置の図である。変形例である波長変換体の断面図である。

以下に、本発明の実施例１である波長変換体について、図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施例１である波長変換体１０を示す斜視図である。図２は、図１の波長変換体１０の２−２線に沿った断面図である。

支持基板１１は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃からなるセラミックス基板または銅やアルミからなる金属基板である。支持基板１１上には、Ａｕ（層厚３００ｎｍ）、ＴｉＯ₂（層厚３０ｎｍ）が順に積層されている接合層１３が形成されている。接合層１３上には、反射層１５が形成されている。

反射層１５は、接合層１３によって支持基板１１と接合されており、Ａｇ（層厚１５０ｎｍ）からなる金属反射層１５Ａ、Ａｌ₂Ｏ₃（層厚１０ｎｍ）からなる接続層１５Ｂ、ＳｉＯ₂（層厚５４ｎｍ）、Ｔａ₂Ｏ₃（層厚４２ｎｍ）、ＳｉＯ₂（層厚１００ｎｍ）、Ｔａ₂Ｏ₃（層厚５４ｎｍ）、ＳｉＯ₂（層厚２４ｎｍ）、Ｔａ₂Ｏ₃（層厚５４ｎｍ）がこの順に積層されている増反射層１５Ｃ、及びＳｉＯ₂（層厚５００ｎｍ）からなる全反射層１５Ｄからなっている。

反射層１５上には波長変換部材としての蛍光体プレート１７が配されている。蛍光体プレート１７は、例えば、長さＬが１ｍｍ、幅Ｗが１ｍｍ、厚さｔが０．１ｍｍの板状体である。

蛍光体プレート１７は、ＬｕＡＧ（ルテチウムアルミニウムガーネット）に賦活剤としてＣｅが添加されたＬｕＡＧ：Ｃｅ蛍光体を、例えば加圧・焼結することによって形成されている。すなわち、蛍光体プレート１７内の蛍光体であるＬｕＡＧ：Ｃｅの濃度は１００Ｖｏｌ．％である。

なお、蛍光体プレート１７内の蛍光体であるＬｕＡＧ：Ｃｅの濃度は１００Ｖｏｌ％未満であってもよい。その場合、蛍光体間に配する補間材として蛍光体プレート１７内にＡｌ₂Ｏ₃が含まれ、これにより体積補間がなされていてもよい。蛍光体プレート１７に、レーザ素子等の発光源（図示せず）から出射された励起光（例えば、波長約４５０ｎｍ）が入射すると、蛍光体プレート１７内の蛍光体が励起され、緑色蛍光（波長約５１０ｎｍ）が発せられる。

蛍光体プレート１７の表面１７Ｓ上には、光透過型の回折光学素子１９が配されている。すなわち、蛍光体プレート１７からみて反射層１５の反対側に回折光学素子１９が配されている。

回折光学素子１９は、蛍光体プレート１９に対向する面と反対側の面である表面１９Ｓからコリメート光を入射させると他方の面から発散光を出射するように形成された回折格子構造を有している。回折光学素子１９の回折格子構造は、表面１９Ｓに各々が様々なパターンを有する回折格子構造セルがタイリングされた、グレーティングセルアレイ（ＧＣＡ：Grating Cell Array）型の回折格子構造である。セルの各々には、例えば、ブレーズ型の回折格子構造が形成されている。

また、回折光学素子１９は、例えば、ソーラボ（ThorLABS）社のED1-C20のように、コリメートされたレーザ光のようなガウシアン分布の光強度分布プロファイルを有するビーム光が回折光学素子１９の表面１９Ｓから入射して回折光学素子１９を透過すると、光強度分布が平坦化され、回折光学素子１９の表面と平行な面内において、トップハット型の光強度分布プロファイルを有する光となるように形成されている。回折光学素子１９を通過した光は、略四角形または円形のパターンの照射光を形成し得る。

すなわち、回折光学素子１９は、表面１９Ｓから入射して透過したビーム光の光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されている。

図３に、波長変換体１０を用いてレーザ光を波長変換した際の光の経路について説明する。図３において、励起光を実線矢印で表している。また、図３においては、図の明瞭化のために反射層１５は１つの層として表している。また、蛍光体を励起していないレーザ光（励起光）のみを示し、励起光によって励起された蛍光体から発せられる蛍光は省略している。

図３に示すように、レーザ素子ＬＤから出射したレーザ光は、レンズＬによってコリメートされ、波長変換体１０の上面すなわち回折光学素子１９の光入射表面（表面１９Ｓ）から入射する。

回折光学素子１９に入射した励起光は、表面１９ＳのＧＣＡ構造（図示せず）によって発散し、蛍光体プレート１７の光入射表面（表面１７Ｓ）から蛍光体プレート１７内に侵入し、面内方向に広がりながら蛍光体プレート１７内を進行する。

そして、励起光はその進路上にある蛍光体を励起しつつ進行し、反射層１５に達する。反射層１５に達した励起光は、反射層１５によって反射され、さらに蛍光体プレート１７をその面内方向に広がりながら進行しつつ進路上にある蛍光体を励起する。

このように、波長変換体１０の上面からコリメートされたレーザ光を入射させると、レーザ光が回折光学素子１９によって発散させられ、蛍光体プレート１７内を面内方向に広がりつつ進行し、蛍光体プレート１７の広い領域を励起光が通過する。

また、回折光学素子１９を通過することによって、光束の中央部に集中的に光強度が強い領域ができるガウシアン分布の光強度分布プロファイルを有するコリメート光が、強度分布が平坦化されたトップハット型の光強度分布プロファイルを有する光に変換される。

よって、蛍光体プレート１７内の蛍光体が広い領域において満遍なく一様な強度の励起光により励起されることにより、一部領域の蛍光体に励起光が集中することによる励起飽和の発生を防止し、蛍光の発光量を増加させ、波長変換効率を高めることが可能である。また、励起光が発散されることで、蛍光体プレート１７内での励起光の進行経路長が長くなり、より多くの蛍光体が励起されることとなり、蛍光の発光量が増加することになる。

［比較実験］
以下に、実施例１の波長変換体１０と、実施例１と構造は同一であり蛍光体プレート１７内の蛍光体濃度のみが異なるサンプル１乃至３、及び図４に示す波長変換体２０であるサンプル４乃至７との比較実験を行った。図４に示すように、波長変換体２０は、波長変換体１０の構造において回折光学素子１９の代わりにＡＲ（Anti-Reflection）コート層２１を設けた構造を有している。

ＡＲコート層２１は、蛍光体プレート１７上に、ＴａＯ₃（層厚２３ｎｍ）、ＳｉＯ₂（層厚２５ｎｍ）、Ｔａ₂Ｏ₃（層厚５８ｎｍ）、ＳｉＯ₂（層厚１８ｎｍ）、Ｔａ₂Ｏ₃（層厚４１ｎｍ）、ＳｉＯ₂（層厚９９ｎｍ）をこの順に積層して形成されている。

本比較実験において、蛍光体プレート１７のサイズは、上述の実施例１で例示したサイズである長さＬ１ｍｍ、幅Ｗ１ｍｍ、厚さｔ０．１ｍｍとしている。また、その他の層のサイズも上述の実施例１で例示したサイズとしている。

また、蛍光体プレート１７内の蛍光体濃度（ＬｕＡＧ：Ｃｅの体積濃度［Ｖｏｌ．％］）は、サンプル４が１００［Ｖｏｌ％］サンプル１及び５が９０［Ｖｏｌ．％］、サンプル２及び６が７５［Ｖｏｌ．％］、サンプル３及び７が５０［Ｖｏｌ．％］としている。なお、蛍光体プレートに使用している蛍光体は、サンプル１乃至７ともに実施例１と同一である。

なお、実施例１及びサンプル１乃至７の蛍光体プレート内の蛍光体の賦活剤Ｃｅの濃度（（［Ｃｅ］／（［Ｌｕ］＋［Ｃｅ］）×１００）［atomic％］）は５ａｔｏｍｉｃ％である。また、蛍光体濃度が１００Ｖｏｌ％未満の蛍光体プレート１７には補間材としてＡｌ₂Ｏ₃が含まれている。

（実験方法）
比較実験に用いた装置を図５に波長変換体１０を例にして示す。図５において、励起光を実線矢印、蛍光体プレートから発せられた蛍光を破線矢印で示す。図５に示すように、励起光を出射するレーザ素子ＬＤ（出射光の波長：４５０ｎｍ）を配置し、レーザ素子ＬＤからの出射光（励起光）の光軸上に、ビームスプリッタＢＳ、対物集光レンズＬ１及び波長変換体１０をこの順に配置する。この際、波長変換体１０は、対物集光レンズＬ１を通過した励起光が表面１９Ｓから入射するように配向する。

さらに、ビームスプリッタＢＳからみてレーザ素子ＬＤからの出射光の光軸と垂直の方向にダイクロイックミラーＤＭ、集光レンズＬ２及び光検出器Ｄを配置する。この際、波長変変換体１０から発せられる蛍光が、ビームスプリッタによって偏向されてダイクロイックミラーＤＭ、集光レンズＬ２に達するように配置する。ダイクロイックミラーＤＭは、青色励起光（波長４５０ｎｍ前後）を反射して蛍光体プレート１７の蛍光体から発せられる緑色蛍光（波長５１０ｎｍ前後）を透過する
すなわち、蛍光体プレート１７から発せられる蛍光は、対物集光レンズＬ１によって集光され、ビームスプリッタによって偏向され、ダイクロイックミラーＤＭを透過し、集光レンズＬ２によって集光された後に光検出器Ｄに到達してその強度が測定される。

その一方、蛍光体を励起せずに波長変換体１０から戻ってきた励起光は対物レンズＬ１を再度通過してビームスプリッタＢＳで偏向されるものの、ダイクロイックミラーＤＭによって反射されて光検出器Ｄには到達しない。従って、光検出器Ｄにおいては、蛍光体プレート１７から発せられた緑色蛍光のみが蛍光出力として検出される。

レーザ素子ＬＤから出射されて波長変換体に入射する励起光は、波長変換体の励起光入射表面（波長変換体１０及びサンプル１乃至３の波長変換体においては、回折光学素子１９の表面１９Ｓ、サンプル４乃至７の波長変換体においてはＡＲコート２１層の表面２１Ｓ）において１ｍｍ×１．５ｍｍのビームスポットを形成するように照射されるものとし、光パワー密度は１０Ｗ／ｃｍ²としている。

表１に実施例１及びサンプル１乃至７の蛍光体プレートの内の蛍光体濃度［Ｖｏｌ．％］及び回折光学素子１９の有無、並びに測定結果である光検出器Ｄに到達した蛍光の光量である蛍光出力（約波長５１０ｎｍの光の積分強度）を示す。また、図６に実験結果を横軸に蛍光体濃度［Ｖｏｌ％］、縦軸に蛍光出力［ａ．ｕ．（任意単位）］をとった表で示す。なお、蛍光出力は、サンプル４の蛍光出力を基準（１．００）として表している。

（実験結果及び考察）
表１及び図６に示すように、蛍光出力は、回折光学素子１９を有する構造の波長変換体１０において、実施例１では１.１０、サンプル１では１．０５、サンプル２では０．９９、サンプル３では０．９０となった。その一方、回折光学素子の無い波長変換素子２０において、サンプル４では１．００（基準）、サンプル５では１．０２、サンプル６では０．９５、サンプル７では０．８５となった。

この結果、蛍光体プレート１７内の蛍光体濃度が同一であれば、回折光学素子１９を有する波長変換体の方が、回折光学素子１９が無い波長変換体よりも蛍光出力が大きいことが分かった。

また、回折光学素子１９の無い波長変換体では、蛍光体濃度を９０％から１００％にすると蛍光体濃度が高くなったのにもかかわらず蛍光出力が低下するかまたはあまり変化しないことが分かった。

この現象について以下に説明する。図７に、サンプル４の波長変換体に、図３で示した場合と同様にレーザ素子からのレーザ光（励起光）レンズＬでコリメートしたものを入射させた際の励起光（図中実線矢印）の経路を示す。

回折光学素子１９が無いサンプル５乃至７の波長変換体２０においては、蛍光体と共に添加される例えばＡｌ₂Ｏ₃等の補間材により蛍光体プレート１７内で励起光の散乱が起きるのに対し、サンプル４においては、蛍光体濃度が１００Ｖｏｌ％であるため、蛍光体プレート１７内での散乱は蛍光体表面における反射等によるものに限られる。

従って、図７に示すように、サンプル４においては、励起光はＡＲコート層２１を通過して蛍光体プレート１７内に入射してほとんど散乱されずに蛍光体プレート１７内を通過する。その後、励起光は反射層１５によって反射されて、再度蛍光体プレート１７内を通過し、ＡＲコート２１層の表面２１Ｓから出射される。

このように、サンプル４において、励起光は蛍光体プレート１７内ではほとんど散乱されない。従って、励起光は反射層１５によって反射される前後において、蛍光体プレート１７のほぼ同一の領域を通過することとなる。よって、蛍光体プレート１７内の一部領域の蛍光体にのみ励起光が照射され、蛍光体の励起飽和が発生する。また同時に励起光の集中による蛍光体の温度消光も発生する。

その結果、回折光学素子１９が無い構造の波長変換体において、蛍光体濃度を９０％から１００％にすると蛍光体濃度が高くなったのにもかかわらず蛍光出力が低下するかまたはあまり変化しないのである。

これに対し、実施例１について上述したように回折光学素子１９を有する波長変換体１０（実施例１、サンプル１乃至３）では、回折光学素子１９により、入射した励起光が発散させられて蛍光体プレート１７に入射する。従って、回折光学素子１９が無い波長変換体に比して蛍光体プレート１７の広い領域を励起光が通過し、より多くの蛍光体が励起されて蛍光が発せられる。

また、回折光学素子１９を有する波長変換体１０においては、回折光学素子１９を通過することによって、光束の中央部に集中的に光強度が強い領域ができているガウシアン分布の光強度分布プロファイルを有するコリメートされた励起光が、光強度分布が平坦化されたトップハット型の一様な光強度分布プロファイルを有する励起光に変換される。

従って、蛍光体プレート１７内において高い強度の励起光が集中的に通過する領域が無くなり、蛍光体の励起飽和が防止されるので、波長変換効率を高めることができ、さらに蛍光体濃度を増加させればさせるほど蛍光出力を高めることが可能である。

以下に、本発明の実施例２である波長変換体３０について、図８を参照しつつ説明する。波長変換体３０は、蛍光体プレート１７と回折光学素子１９との間に、透光性層３１が配されている以外の構成について、実施例１の波長変換体１０と同様の構成を有している。

透光性層３１は、蛍光体プレート１７上に配される透光性を有する層である。透光性層３１は、透明ＹＡＧセラミックス等の透光性を有するセラミックス材で形成されている。波長変換体３０においては、回折光学素子１９と蛍光体プレート１７との間に透光性層３１が配されている。これにより、レーザ素子から発せられてコリメートされた励起光を波長変換体に入射させる場合、回折光学素子１９で発散された光は、透光性層３１内でさらに面内方向に広がった後に蛍光体プレート１７に入射する。

従って、波長変換体３０によれば、回折光学素子１９から蛍光体プレート１７を離間して配置することで、回折光学素子１９と蛍光体プレート１７との間で光がさらに拡散する。それにより、波長変換体１０のように回折光学素子１９と蛍光体プレート１７が接している場合よりも蛍光体プレート１７内のさらに広い領域に励起光を通過させて、さらに多くの蛍光体を励起することができる。それにより、蛍光体プレート１７から発せられる蛍光をさらに増加させることが可能となり、波長変換効率をさらに高めることが可能である。

以下に、本発明の実施例３である波長変換体４０について、図９を参照しつつ説明する。波長変換体４０は、波長変換体１０の透過型の回折光学素子１９を有さず、反射層１５の代わりに反射型の回折格子である反射型回折光学素子４１を有している。波長変換体４０は、支持基板１１、接合層１３の、蛍光体プレート１７については、実施例１の波長変換体１０と同様のものを用いている。

反射型回折光学素子４１は、接合層１３によって支持基板１１と接合されており、回折格子パターンが形成されている石英で形成されているパターン形成層４１Ａ上に、Ａｕ（例えば、層厚２００〜４００ｎｍ）Ｐｔ（例えば、層厚２００〜４００ｎｍ）、Ａｇ（例えば、層厚２００〜３００ｎｍ）からなる金属層４１Ｂがこの順に積層されて形成されている。

なお、パターン形成層４１Ａ上に金属層４１Ｂを成膜することで、パターン形成層４１Ａ表面に形成されているパターンと同一のパターンが、金属層４１Ｂの蛍光体プレート１９に対向する面である表面４１Ｓに回折格子構造として形成されることとなる。

反射型回折光学素子４１は、回折格子構造が形成されている表面４１Ｓからコリメート光を入射させると、当該反射光が発散光となるように形成された反射型の回折格子構造を有している。反射型回折光学素子４１の回折格子構造は、表面４１Ｓに各々が様々に異なった回折格子構造セルがタイリングされた、グレーティングセルアレイ（ＧＣＡ：Grating Cell Array ）型の回折格子構造である。セルの各々には、例えば、ブレーズ型の回折格子構造が形成されている。

また、反射型回折光学素子４１は、例えば、コリメートされたレーザ光のようなガウシアン分布の光強度分布プロファイルを有するビーム光が反射型回折光学素子４１の表面４１Ｓにおいて反射すると、反射した光が反射型回折光学素子４１の表面と平行な面内において、光強度分布が平坦化されたトップハット型の光強度分布プロファイルを有する光となるように形成される。反射型回折光学素子４１によって反射された光は、略四角形または円形のパターンの照射光を形成し得る。

すなわち、回折光学素子４１は、表面４１Ｓで反射したビーム光の光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されている。

なお、表面４１Ｓの回折格子パターン（回折格子構造）が金属層４１Ｂのみで形成可能であれば、パターン形成層４１Ａを形成する必要は無い。

反射型回折光学素子４１上には、蛍光体プレート１７が配されている。上述のように、蛍光体プレート１７は、実施例１の波長変換体１０で用いたものと同様である。蛍光体プレート１７は、蛍光体プレート１７から反射型回折光学素子４１への熱移動を促進するために、反射型回折光学素子４１の表面４１Ｓに密着するように形成されるのが好ましい。

図１０に、波長変換体４０の上面すなわち蛍光体プレート１７の光入射表面（表面１７Ｓ）から、レンズＬによってコリメートされたレーザ光源ＬＤからのレーザ光（励起光）を入射させた際の光の経路について説明する。図１０において、励起光を実線矢印で表している。また、図１０においては、図の明瞭化のために反射型回折光学素子４１は１つの層として表している。また、励起光のみを示し、励起光によって励起された蛍光体から発せられる蛍光は省略している。

図１０に示すように、コリメートされて蛍光体プレート１７に入射した励起光は、その経路上にある蛍光体を励起しつつ蛍光体プレート１７内を通過して、反射型回折光学素子４１に達する。反射型回折光学素子４１に達した励起光は、反射型回折光学素子４１の表面４１ＳのＧＣＡ構造（図示せず）によって発散されつつ反射され、蛍光体プレート１７内に戻り、面内方向に広がりながら蛍光体プレート１７内を進行しつつ進路上にある蛍光体を励起する。

このように、波長変換体１０の上面からコリメートされたレーザ光を入射させると、レーザ光が反射型回折光学素子４１によって発散させられ、蛍光体プレート１７内を面内方向に広がりつつ進行し、蛍光体プレート１７の広い領域を励起光が通過する。また、反射型回折光学素子４１において反射することによって、光束の中央部に集中的に光強度が強い領域ができるガウシアン分布の光強度分布プロファイルを有するコリメート光が、光強度分布が平坦化されたトップハット型の一様な光強度分布プロファイルを有する光に変換される。

よって、反射型回折光学素子４１によって反射され発散させられた励起光によって蛍光体プレート１７内の蛍光体が満遍なく一様な強度の励起光により励起されることにより、一部の蛍光体に励起光が集中することによる励起飽和の発生を防止し、蛍光の発光量を増加させ、波長変換効率を高めることが可能である。また、励起光が発散されて蛍光体プレート１７内での励起光の進行経路長が長くなることで、多くの蛍光体が励起されることとなり、蛍光の発光量が増加することになる。

波長変換体４０においては、最表面に回折格子構造が形成されていないために、蛍光体プレート１７上に、上述のサンプル４乃至７の波長変換体２０に用いたようなＡＲコートを容易に形成することも可能である。このようにすることによって、波長変換されるべき励起光が波長変換体４０の上面から入射する際に、上面で反射せずに波長変換体４０内に入射する励起光を増加させることが可能である。

また、波長変換体４０においては、支持基板１１と蛍光体プレート１７との間に、波長変換体１０に設けられている増反射層１５Ｃ及び全反射層１５Ｄのような酸化物からなる層を形成する必要が無い。すなわち、蛍光体プレート１７と支持基板１１とが熱伝導率の良い材料からなる反射型回折光学素子４１を介して熱的に接続される。

従って、蛍光体プレート１７における蛍光体励起の際に発生する熱を支持基板側に良好に伝導させることが可能となり、蛍光体プレート１７で発生する熱の放熱性を向上させることが可能である。

なお、図１１に示すように、波長変換体４０において、上記実施例２の波長変換体３０と同様に、反射型回折光学素子４１と蛍光体プレート１７との間に透光性層３１を設けることとしてもよい。これにより、上記実施例２の場合と同様に、レーザ素子から発せられてコリメートされた励起光を波長変換体に入射させる場合、反射型回折光学素子４１で反射されて発散された光は、透光性層３１内でさらに面内方向に広がった後に蛍光体プレート１７に入射する。

すなわち、反射型回折光学素子４１と蛍光体プレート１７とを離間して配置することで、反射型回折光学素子４１と蛍光体プレート１７との間で励起光がさらに拡散する。それにより、反射型回折光学素子４１と蛍光体プレート１７が接している場合よりも蛍光体プレート１７内のさらに広い領域に励起光を通過させて、さらに多くの蛍光体を励起することができる。それにより、波長変換体４０から発せられる蛍光をさらに増加させることが可能となり、波長変換効率をさらに高めることが可能である。

以下に、図１２を参照して、上記実施例の波長変換体１０、青色レーザ素子、赤色ＬＥＤ及びＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いた映像投影装置となる発光装置５０について説明する。図１２は、実施例４の発光装置５０の概略図である。図において青色励起光を実線矢印で示し、緑色蛍光を二点鎖線矢印で示し、赤色光を一点鎖線矢印で示す。

発光装置５０は、青色励起光（例えば、波長４５０ｎｍ）を出射する複数の青色レーザ素子からなる青色光源ＢＬを有し、青色光源ＢＬの出射光の光軸上に、レンズＬ、ハーフミラーＨＭ、波長変換体１０から発せられる緑色蛍光（例えば、波長５１０ｎｍ）を反射するダイクロイックミラーＤＭ１、及び波長変換体１０がこの順に配置されている波長変換装置５１（破線内）を有している。

波長変換体１０は、レンズＬ、ハーフミラーＨＭ、ダイクロイックミラーＤＭ１を通過した青色励起光が表面１９Ｓから入射するように配向されている。

発光装置５０は、さらに赤色光（例えば、波長６６０ｎｍ）を出射する赤色ＬＥＤ素子からなる赤色光源ＲＬを有し、赤色光源ＲＬからの出射光の光軸上に、波長変換体から発せられる緑色蛍光を反射するダイクロイックミラーＤＭ２、青色光源ＢＬからの青色励起光を反射するダイクロイックミラーＤＭ３、ＤＭＤがこの順に配置されている。

発光装置５０において、複数の青色レーザ素子からなる青色光源ＢＬから出射した複数の光軸を有する青色励起光は、レンズＬによってコリメートされる。その後、コリメートされた青色励起光はハーフミラーＨＭで一部が反射され、一部が透過する。反射された青色励起光は、ダイクロイックミラーＤＭ３において再度反射され、ＤＭＤに向かう。

複数の青色レーザ素子から出射され、ハーフミラーＨＭを透過した青色励起光は、ダイクロイックミラーＤＭ１を透過して波長変換体１０の回折光学素子１９の表面１９Ｓに複数のビームスポットを形成する。この複数のビームスポットにおける青色励起光の光強度分布は、各々がピークを有する複数のガウシアン分布を重ね合わせたような分布プロファイルになっている。

表面１９Ｓから入射し、回折光学素子１９を透過した青色励起光は、上述したようにトップハット型の光強度分布を有する光となり、蛍光体プレート１７に入射する。蛍光体プレート１７に入射した青色励起光は波長変換体１０内の蛍光体プレート（図示せず）内の蛍光体を励起し、蛍光体から緑色蛍光が発せられる。

発せられた緑色蛍光は、適切な光学系（図示せず）によってコリメートされ、ダイクロイックミラーＤＭ１で反射される。その後、緑色蛍光はダイクロイックミラーＤＭ２で再度反射され、ダイクロイックミラーＤＭ３を透過してＤＭＤに向かう。

赤色光源ＲＬから出射した赤色光は適切な光学系（図示せず）によってコリメートされ、ダイクロイックミラーＤＭ２及びＤＭ３を透過してＤＭＤに向かう。ＤＭＤは、ＤＭＤに到達した赤色光、緑色光及び青色光を、映像信号に対応した個々のミラーを動かしつつ投影レンズ（図示せず）方向へ反射して映像を生成する。

波長変換装置５１を有する発光装置５０によれば、青色光源ＢＬから出射し波長変換体１０内に入射する複数の光軸を有する青色励起光が、波長変換体１０によって効率よく緑色蛍光に変換される。そのため、強度の強い緑色光を得ることが可能である。

複数の光源からの複数の光軸を有する励起光はレンズ等で均等に配光しようとしても、励起光強度が強い部分がどうしても形成されてしまう。従って、大光量の蛍光を得るために、出力の大きいレーザ素子を複数用い、光量の大きい励起光を波長変換体に照射して蛍光を得ようとすると、波長変換体内の蛍光体の励起状態に大きな差ができてしまい、励起飽和の発生の防止が困難であった。

しかし、本願の回折光学素子を有する構成の波長変換体を含む波長変換装置を用いることで、回折光学素子によって複数の光軸を有し複数のガウシアン分布を重ね合わせたような光強度分布プロファイルを有する光であっても、トップハット型の平坦な光強度分布プロファイルを有する光とすることができる。これにより、波長変換体内の蛍光体の励起状態を均一化することで励起飽和を防止し、効率よく蛍光を得ることが可能である。

図１２において、青色光源ＢＬは４つのレーザ素子からなるように示したが、レーザ光源の数はこれに限られない。また、青色光源ＢＬは１つのレーザ素子からなってもよい。また、実施例４においては、波長変換体１０を用いる発光装置を例に説明したが、波長変換体１０の代わりに、実施例２の波長変換体３０及び実施例３の波長変換体４０を用いることとしてもよい。

なお、波長変換体４０を用いる場合には、蛍光体プレート１７の表面にビームスポットが形成されることとなる。

また、上記実施例においては、蛍光体としてＬｕＡＧ：Ｃｅを用いたが、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ等他の蛍光体を用いることとしてもよい。また、上記実施例においては、接合層１３を、Ａｕ及びＴｉＯ₂を積層したものとしたが、はんだ層、ＡｕＳｎ共晶層としてもよい。また、接合層１３は金属層に限られず、シリコーン樹脂層及びエポキシ樹脂層、並びにこれらにＡｇフィラーまたはグラファイトフィラー等の熱伝導性の良い材料を混入させた層としてもよい。

また、上記実施例においては、回折光学素子として回折格子構造を有する素子を用いたが、回折光学素子として、ホログラム構造を有するホログラム素子を用いてもよい。すなわち、上記回折格子構造と同様に、ガウシアン分布の光強度分布を有する光を透過させるかまたは反射させた場合に、当該透過または反射された光の光強度分布が平坦化され、トップハット型の光強度分布プロファイルを有する光が生成されるように形成されたホログラム構造を有するホログラム素子を用いてもよい。

また、上記実施例においては、波長変換体１０、３０、４０が支持基板１１を有することとしたが、反射層１５、蛍光体プレート１７及び回折光学素子１９のみで、自構造の構造支持が可能であるならば支持基板１１及び接合層１３は無くともよい。

また、上記実施例においては、波長変換体１０、３０、４０が支持基板１１、接合層１３及び反射層１５を有することとしたが、図１３に示す波長変換体６０のように、これらを取り除き蛍光体プレート１７及び回折光学素子１９からなる光透過型の波長変換体としてもよい。また、反射層１５のみを取り除き、支持基板１１及び接合層１３を透光性部材で形成することで、光透過型の波長変換体としてもよい。

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途に応じて、適宜選択することができる。

１０、３０、４０、６０波長変換体
１１支持基板
１３接合層
１５反射層
１７蛍光体プレート
１７Ｓ表面
１９回折光学素子
１９Ｓ表面
３１透光性層
４１反射型回折光学素子
４１Ｓ表面
５０発光装置
５１波長変換装置

Claims

蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配され、前記蛍光体プレートに対向する面と反対側の面にレーザビームが入射する入射表面を有する透過型の回折光学素子と、
からなる波長変換体であって、
前記蛍光体プレートと前記回折光学素子との間に透光性層が配され、
前記回折光学素子は、前記入射表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換体。
前記回折光学素子からみて前記蛍光体プレートと反対側に反射層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換体。
前記回折光学素子は、前記入射表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換体。
蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配され、前記蛍光体プレートに対向する面と反対側の面にレーザビームが入射する入射表面を有する透過型の回折光学素子と、
からなる波長変換体であって、
前記回折光学素子は、前記入射表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であり、前記回折光学素子は、前記入射表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換体。
前記回折光学素子からみて前記蛍光体プレートと反対側に反射層が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換体。
蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配され、前記蛍光体プレートに対向する面にレーザビームを反射する反射表面を有する反射型の回折光学素子と、
からなる波長変換体であって、
前記回折光学素子は、前記反射表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であり、前記回折光学素子は、前記反射表面において反射した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換体。
前記蛍光体プレートと前記回折光学素子との間に透光性層が配されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換体。
蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配された回折光学素子と、
複数のレーザビームを導光して前記回折光学素子の表面に複数のビームスポットを形成する光学系と、を有し、
前記蛍光体プレートと前記回折光学素子との間に透光性層が配され、前記回折光学素子は、前記表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換装置。
前記回折光学素子からみて前記蛍光体プレートと反対側に反射層が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の波長変換装置。
前記回折光学素子は、前記表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であることを特徴とする請求項８または９に記載の波長変換装置。
蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配された回折光学素子と、
複数のレーザビームを導光して前記回折光学素子の表面に複数のビームスポットを形成する光学系と、を有し、
前記回折光学素子は、前記表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であり、前記回折光学素子は、前記表面から入射して透過した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換装置。
前記回折光学素子からみて前記蛍光体プレートと反対側に反射層が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の波長変換装置。
蛍光体プレートと、
前記蛍光体プレートの一方の面側に配された反射型の回折光学素子と、
複数のレーザビームを導光して前記蛍光体プレートの表面に複数のビームスポットを形成する光学系と、を有し、
前記回折光学素子は、前記蛍光体プレートに対向する表面に複数の回折格子パターンがタイリングされているグレーティングセルアレイ型の回折格子であり、前記回折光学素子は、前記蛍光体プレートに対向する表面において反射した後のレーザビームの光軸に垂直な面内における光強度分布を平坦化させるように構成されていることを特徴とする波長変換装置。
前記蛍光体プレートと前記回折光学素子との間に透光性層が配されていることを特徴とする請求項１３に記載の波長変換装置。
前記蛍光体プレートは、補間材としてＡｌ ₂ Ｏ ₃ を含んでいることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の波長変換体。
前記蛍光体プレートは、補間材としてＡｌ ₂ Ｏ ₃ を含んでいることを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１つに記載の波長変換装置。