JP6621038B2 - 光学部材およびマイクロレンズアレイ - Google Patents

Description

本発明は、光学部材およびマイクロレンズアレイに関する。

LED(Light Emitting Diode)またはレーザーを用いた照明がある。このような照明では、LEDやレーザーが発する青色光を蛍光体に照射することで白色光を作り出す。具体的には、蛍光体は照射された青色光および青色光により励起された黄色光などの光を散乱することで白色光を作り出す。蛍光体から出射された白色光はコリメートレンズと集光レンズとの組み合わせによって制御される。

一方、このような照明では、蛍光体から出射した白色光のうち高角度の白色光はコリメートレンズに入射されずに損失光となってしまう。さらに、コリメートレンズおよび集光レンズの配置位置に位置ずれが生じているときには、損失光が増加する。

そのため、このような損失光を抑制することができる技術が開示されている（例えば特許文献１）。特許文献１では、蛍光体上にマイクロレンズまたはマイクロプリズムを用いたレンズアレイを備えた光学部材を配置することにより、蛍光体から出射する高角度の白色光を集光レンズ（投影レンズ）に入射させることができる。

特開２００８−３０５８０２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、蛍光体から出射する白色光を十分に集光することができない。そのため、集光レンズを配置する必要がある。さらに、集光レンズを配置しても、集光レンズの配置位置に位置ずれが生じているときには、損失光が発生してしまう。

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたもので、蛍光体から出射される光の集光効率をより高くすることができる光学部材およびマイクロレンズアレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光学部材は、入射面に入射された光源からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層と、前記蛍光体層で波長変換された前記光の一部と前記蛍光体層を透過した前記光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイとを備え、前記マイクロレンズアレイの出射面には、波長変換された前記光の一部と透過した前記光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられており、前記複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なる。

また、上記目的を達成するために本発明の一態様に係るマイクロレンズアレイは、入射面に入射された光源からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層で波長変換された前記光の一部と、前記蛍光体層を透過した前記光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイであって、前記出射面には、波長変換された前記光の一部と透過した前記光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられており、前記複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なる。

本発明の一態様に係る光学部材では、蛍光体から出射される光の集光効率を高くすることができる。

また、本発明の一態様に係るマイクロレンズアレイでは、蛍光体から出射される光の集光効率を高くすることができる。

図１は、実施の形態における光学部材が用いられる装置の一例を示す図である。 図２は、実施の形態における光源部の一例を示す図である。 図３は、実施の形態における光学部材の断面図の一例である。 図４は、図３に示す光学部材の上面図である。 図５は、実施の形態における光学部材の断面図である。 図６は、実施例１におけるシミュレーションモデルを説明するための図である。 図７は、実施例１におけるシミュレーション結果を示す図である。 図８は、比較例１におけるシミュレーション結果を概観的に示す図である。 図９は、実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、実施例３におけるシミュレーションモデルを説明するための図である。 図１１は、実施例３におけるシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、変形例における光学部材の断面図の一例である。 図１３は、変形例における光学部材の断面図の一例である。 図１４は、変形例における光学部材の断面図の一例である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、並びに、ステップ（工程）およびステップの順序等は、一例であって本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

（実施の形態）
［照明装置］
まず、本実施の形態における光学部材が用いられる照明装置の一例について説明する。

図１は、実施の形態における光学部材１０が用いられる照明装置４の一例を示す図である。図２は、実施の形態における光源部１の一例を示す図である。図３は、実施の形態における光学部材１０の断面図の一例である。図４は、図３に示す光学部材１０の上面図の一例である。

図１に示される照明装置４は、例えば内視鏡、ファイバースコープなどであり、光源部１と、光ファイバ２と、灯具３とを備える。

光ファイバ２は、離れた場所に光を伝える伝送路である。光ファイバ２は、例えば直径１２５μｍ程度の線材であり、直径１００μｍの高屈折率のコアを直径１１０μｍのコアより低屈折率のクラッド層が包んだ二重構造で構成される。コアおよびクラッド層はともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックからなる。

灯具３は、光ファイバ２を介して伝送された光源部１からの光を、観察対象物に照射するために用いられる。灯具３は、例えば、ステンレス製のファイバカップリング、ステンレス製のフェルール、ガラス製のレンズ、アルミ製のホルダー、およびアルミ製の外郭で構成される。

光源部１は、ＬＥＤまたはレーザーを用いた照明であり、光ファイバ２に光を入射する。光源部１は、図２に示すように、光学部材１０と光源１６とで構成される。

光源１６は、ＬＥＤまたはレーザーであり、本実施の形態では直径１ｍｍ程度の青色光を発する。

光学部材１０は、詳細は後述するが、図２に示すように、蛍光体層１１と、マイクロレンズアレイ１２とを備え、光源１６が発する青色光から白色光を作り出し、作り出した白色光を光ファイバ２に入射する。マイクロレンズアレイ１２は、蛍光体層１１で波長変換された光の一部と蛍光体層１１を透過した当該光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイである。本実施の形態では、マイクロレンズアレイ１２は、例えば図３に示すように、基材１３と回折型レンズアレイ１４とを備える。

［光学部材］
次に、本実施の形態における光学部材の詳細について図３〜図７を用いて説明する。

（蛍光体層１１）
蛍光体層１１は、入射面１１１に入射された光源１６からの光の一部を波長変換する蛍光体を含んでいる。ここで例えば、光源１６は、青色光を発し、蛍光体層１１は、青色光の一部を、黄色を示す波長帯域に波長変換する。

より具体的には、蛍光体層１１は、図３に示す入射面１１１から入射された光の一部を波長変換する機能を有する。本実施の形態では、蛍光体層１１は、光源１６から例えば青色光が入射され、入射された青色光の一部により励起された黄色光を出射する。また、蛍光体層１１は、入射された青色光の他部を出射（透過）する。蛍光体層１１では、これら青色光および黄色光が混色されて出射されるので、蛍光体層１１は白色光を出射する。

蛍光体層１１は、例えば直径１ｍｍ程度の円板状に形成される。蛍光体層１１は、蛍光体と樹脂とで構成されており、例えば、蛍光体をシリコン、エポキシ等の樹脂で覆って形成される。

なお、波長変換に伴う損失は熱に変わり、蛍光体層１１は温度が高くなると波長変換効率が下がるため、蛍光体層１１の放熱は非常に重要である。ここでは特に図示しないが、蛍光体層１１は、例えばＡｌなどの高熱伝導率を持つ材料で形成された放熱プレートで支持されることが望ましい。また、蛍光体層１１を形成する樹脂に熱伝導率の高い材料、例えばＺｎＯ等の無機酸化物を混合することで放熱性を高めてもよい。また、蛍光体層１１の入射面１１１に微小構造を設け、蛍光体層１１に光が入射しやすいように、または入射面１１１から放熱されやすいようにしてもよい。

（基材１３）
基材１３は、マイクロレンズアレイ１２の基材である。本実施の形態では、例えば図３に示すように、基材１３は、蛍光体層１１上に、例えば直径１ｍｍ程度の円板状に形成されている。そして、基材１３上には、回折型レンズアレイ１４が形成される。

基材１３を形成する材料としては、例えば、ガラス、プラスチックなど任意のものを用いることができる。ここで、ガラスとしては、例えば、ソーダガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。また、プラスチックとしては、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などを用いることができる。

なお、基材１３の材料は、蛍光体層１１で述べたように耐熱性を考慮して選ぶ必要がある。さらに、基材１３は、蛍光体層１１からの光が入射しやすいように蛍光体層１１と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。ここで、同程度の屈折率とは両者の屈折率差が±０．２以下であることを意味する。また、蛍光体層１１と基材１３との間は、特に図示していないが、両者と同程度の屈折率を持つ接着層で接着されることが好ましい。接着層の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂などが挙げられる。また、基材１３および接着層は、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

（回折型レンズアレイ１４）
回折型レンズアレイ１４は、例えば図３に示すようにマイクロレンズアレイ１２の出射面に設けられる複数の回折レンズの一例である。回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１で波長変換された光の一部と蛍光体層１１を透過した光の他部とを出射面から出射する。回折型レンズアレイ１４のピッチは、所定の区域（ゾーン）ごとに異なる。また、回折型レンズアレイ１４のピッチは、回折型レンズアレイ１４の中心から周辺に向かって狭くなっている。なお、図３に示す例では、回折型レンズアレイ１４の中心は、Ｘ軸とＹ軸との交点で示されている。また、回折型レンズアレイ１４の中心から周辺に向かう方向は、Ｘ軸からＹ軸に沿ってＸ軸から離れる方向で示されている。

本実施の形態では、回折型レンズアレイ１４は、例えば図４に示すように、出射面において同心円状に設けられており、例えば図３に示すように出射面に垂直な面における回折レンズの断面は、鋸歯状であるとして説明する。

図５は、本実施の形態におけるマイクロレンズアレイ１２に入射される光の回折の様子を示す図である。図５では、所定の区域の一例として、回折レンズが設けられない中心区域を除いた同心円の５つの区域（区域１、区域２、区域３、区域４および区域５）が示されている。

回折型レンズアレイ１４（複数の回折レンズ）は、例えば図５に示すように、光源１６の青色光および蛍光体層１１で青色光が波長変換された黄色光を回折させて、予め定めた領域である集光領域１５に集光させるように設けられている。

より具体的には、回折型レンズアレイ１４のピッチは、波長変換された当該光の一部または当該光の他部を、回折させて予め定められた領域（集光領域１５）に集光するように、所定の区域毎に一定に設けられている。図５に示す例では、区域１〜区域５それぞれにおいて、回折型レンズアレイ１４のピッチは一定である。また、回折型レンズアレイ１４のピッチは、区域１よりも区域２、区域２よりも区域３というように回折型レンズアレイ１４の中心から周辺に向かう区域（ゾーン）ほど、狭くなる。

ここで、回折型レンズアレイ１４のピッチが、例えば当該光の一部すなわち青色光を集光するように設けられる場合でも、回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１で波長変換された黄色光のうちの大部分を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。そのため、結果として、回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１を透過した青色光および蛍光体層１１で波長変換された黄色光すなわち白色光を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。同様に、複数の回折レンズのピッチが、例えば当該光の他部の一部すなわち蛍光体層１１で波長変換された黄色光を集光するように設けられる場合でも、回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１を透過する青色光の大部分を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。そのため、結果として、回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１を透過した青色光および蛍光体層１１で波長変換された黄色光すなわち白色光を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。

なお、複数の回折レンズのうち、所定の区域の一部の区域における複数の回折レンズのピッチは、光源１６の波長帯域を示す当該光の他部を、回折させて予め定められた領域（集光領域１５）に集光するように、当該一部の区域それぞれで一定に設けられており、複数の回折レンズのうち、前記所定の区域の残部の区域における複数の回折レンズのピッチは、波長変換された当該光の一部を、回折させて予め定められた領域（集光領域１５）に集光するように、当該残部の区域それぞれで一定に設けられているとしてもよい。図５に示す例では、区域１〜区域５のうちの一部の区域では、当該光の他部の一部すなわち蛍光体層１１で波長変換された黄色光を集光するように設けられ、例えば区域１〜区域５のうちの残部の区域では、当該光の一部すなわち青色光を集光するように設けられる。区域１、区域２、区域３、区域４および区域５それぞれにおいて、回折型レンズアレイ１４のピッチは一定であり、回折型レンズアレイ１４のピッチは、回折型レンズアレイ１４の中心から周辺に向かう区域（ゾーン）ほど、狭くなる点は上記と同様である。

このように構成されることにより、回折型レンズアレイ１４は、蛍光体層１１を透過した青色光および蛍光体層１１で青色光が波長変換された黄色光すなわち白色光を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。

次に、上述した回折型レンズアレイ１４のピッチの算出方法について説明する。

回折型レンズアレイ１４を構成する複数の回折レンズそれぞれの出射角θ_２は、入射角θ_１、波長λ、ピッチｄ、マイクロレンズアレイの屈折率ｎ_１などのパラメータを用いて、回折の式として知られる次の式１により算出することができる。

ｎ_１ｓｉｎθ_１＋（ｍλ）／ｄ＝ｎ_２ｓｉｎθ_２ （式１）

ここで、式１において、ｍは回折次数であり、正負の整数である。また、ｎ_２は複数の回折レンズから出射される領域の屈折率であり、ここでは空気であるため１である。

例えば、図５に示すマイクロレンズアレイ１２に入射された光を集光領域１５に集光させたい場合は、複数の回折レンズそれぞれに入射される光の角度である入射角θ_１と集光領域１５との幾何学的な位置関係から出射角θ_２を決定することができる。それにより、上記式１を用いてピッチｄを算出することができる。

本実施の形態では、区域１〜区域５それぞれにおいて、入射角θ_１と集光領域１５との幾何学的な位置関係から出射角θ_２を決定することで、回折型レンズアレイ１４における区域１〜区域５それぞれのピッチｄを算出することができる。

具体的な算出結果の例は後述するが、ピッチｄは、回折により集光領域１５に集光させることができる範囲として例えば０．２μｍ〜２０μｍであると算出できる。

なお、回折型レンズアレイ１４の材料は、回折型レンズアレイ１４の形成方法や耐熱性、屈折率によって選択される。回折型レンズアレイ１４の形成方法としては、ナノインプリント、印刷、フォトリソ、ＥＢリソ、粒子配向などが挙げられる。

回折型レンズアレイ１４の材料は、回折型レンズアレイ１４を、例えばナノインプリントや印刷により形成する場合、ＵＶ硬化樹脂としてエポキシ樹脂やアクリル樹脂など、熱可塑性樹脂としてポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などを選択すればよい。また、回折型レンズアレイ１４の材料は、耐熱性を考慮して、ガラスや石英を選択し、フォトリソやＥＢリソにより回折型レンズアレイ１４を形成してもよい。

また、回折型レンズアレイ１４は、基材１３からの光が入射しやすいように基材１３と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。さらに、回折型レンズアレイ１４は、基材１３と同様に、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。

［光学部材の光学シミュレーション］
以上のように構成された光学部材１０の効果を確認するために、回折型レンズアレイ１４のピッチを所定の区域（ゾーン）ごとに異ならせて光学シミュレーションを行った。実施例として以下説明する。なお、回折型レンズアレイ１４（マイクロレンズアレイ１２）の集光効率（回折効率）を決定するパラメータは、回折型レンズアレイ１４（マイクロレンズアレイ１２）の高さ、断面形状などがある。この集光効率は、マイクロレンズアレイ１２を実際に作成せずに、光学シミュレーションを行うことで知ることができる。

（実施例１）
図６は、実施例１におけるシミュレーションモデルを説明するための図である。図７は、実施例１におけるシミュレーション結果を示す図である。図８は、比較例１におけるシミュレーション結果を概観的に示す図である。

図６には、図５に示す光学部材１０をモデル化したシミュレーションモデルが示されている。図６に示すシミュレーションモデルでは、蛍光体層１１上にマイクロレンズアレイ１２が配置され、マイクロレンズアレイ１２から所定の距離離れた場所に集光領域１５が設置されている。入射光１０１〜入射光１１０はそれぞれ、回折型レンズアレイ１４の区域（図でゾーン）に入射角０ｄｅｇで入射する入射光をモデル化したものである。入射光１０１および入射光１０６は、回折型レンズアレイ１４のゾーン１に入射する入射光のモデルであり、入射光１０２および入射光１０７は、回折型レンズアレイ１４のゾーン２に入射する入射光のモデルであり、入射光１０３および入射光１０８は、回折型レンズアレイ１４のゾーン３に入射する入射光のモデルである。同様に、入射光１０４および入射光１０９は、回折型レンズアレイ１４のゾーン４に入射する入射光のモデルであり、入射光１０５および入射光１１０は、回折型レンズアレイ１４のゾーン５に入射する入射光のモデルである。

そして、上述した算出方法を用いて、入射光１０１〜入射光１１０それぞれの座標（入射位置）と集光領域１５の座標とから、出射角すなわち各入射光１０１〜入射光１１０から集光領域１５へ出射される角度を算出し、算出した出射角を有するように設計されたピッチを有する回折型レンズアレイ１４の回折効率をシミュレーションする。

なお、図６に示すシミュレーションモデルでは、ｙ座標において回折型レンズアレイ１４と集光領域１５とが重なる場所（図でｘｙ座標の交点近傍の場所）は、入射角０ｄｅｇの光が直接集光領域１５に入るため、回折レンズは形成していない。

上述したシミュレーションモデルを用いて、下記のシミュレーション条件下で光学シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果は図７に示されている。

シミュレーション手法は、ＲＣＷＡ法であり、シミュレーションソフトは回折光学素子設計・解析ソフトウェアDiffractMOD（Synopsis社）を用い、以下のパラメータで光学シミュレーションを行った。

入射光１０１〜入射光１１０の入射角は０ｄｅｇ、入射波長４５０ｎｍ、回折型レンズアレイ１４の屈折率は１．５、消衰係数は０であるとし、集光領域１５の径は１００μｍ、回折型レンズアレイ１４と集光領域１５との距離は５．５４ｍｍであるとした。

入射光１０１および入射光１０６の位置は、マイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．１ｍｍであり、入射光１０１および入射光１０６の出射角は１．０ｄｅｇであるとし、ゾーン１における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_１は式１より２４．８μｍであるとした。

また、入射光１０２および入射光１０７はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．２ｍｍであり、入射光１０２および入射光１０７の出射角は２．１ｄｅｇであるとし、ゾーン２における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_２は式１より１２．４μｍであるとした。

また、入射光１０３および入射光１０８はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．３ｍｍであり、入射光１０３および入射光１０８の出射角は３．１ｄｅｇであるとし、ゾーン３における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_３は式１より８．３μｍであるとした。

また、入射光１０４および入射光１０９はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．４ｍｍであり、入射光１０４および入射光１０９の出射角は４．２ｄｅｇであるとし、ゾーン４における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_４は式１より６．２μｍであるとした。

また、入射光１０５および入射光１１０はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．５ｍｍであり、入射光１０５および入射光１１０の出射角は５．２ｄｅｇであるとし、ゾーン５における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_５は式１より５μｍであるとした。

なお、比較例１のマイクロレンズアレイ９２のピッチは入射光１０１〜入射光１１０の位置に関わらず、５μｍであるとした。また、本実施例のマイクロレンズアレイ１２および比較例のマイクロレンズアレイの高さは０．２μｍ〜１０μｍで変化させ、最も高い回折効率のものを選択した。

図７において示される実施例１のマイクロレンズアレイ１２の集光効率４．５４は、比較例１のマイクロレンズアレイの集光効率を１としたときの相対値である。図７に示すシミュレーション結果により、実施例１のマイクロレンズアレイ１２の集光効率は、比較例１のマイクロレンズアレイの集光効率より上回っていることがわかる。

したがって、図８に示される比較例１におけるマイクロレンズアレイ９２に入射される光の回折の様子からわかるように、比較例１におけるマイクロレンズアレイ９２では、回折型レンズアレイ９４のピッチが一定であるため、蛍光体層１１から出射される光を集光領域１５に十分に集光することができない。一方、実施例１のマイクロレンズアレイ１２では、回折型レンズアレイ１４のピッチを所定の区域毎（ゾーン１〜ゾーン５）で異ならせているので、蛍光体層１１から出射される光を集光領域１５に十分に集光することができる。

（実施例２）
実施例１では、入射波長４５０ｎｍすなわち蛍光体層１１を透過した光源１６の青色光を集光領域１５に集光するよう設計した場合のシミュレーション結果について示したが、それに限らない。実施例２では、図６に示すシミュレーションモデルを用いて、入射波長５５０ｎｍすなわち蛍光体層１１で波長変換された黄色光を集光領域１５に集光するよう設計した場合のシミュレーション結果について説明する。

図９は、実施例２におけるシミュレーション結果を示す図である。

すなわち、実施例１で説明したシミュレーションモデル、シミュレーション手法およびシミュレーションソフトを用いて、以下のパラメータで光学シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果は図９に示されている。

入射光１０１〜入射光１１０の入射角は０ｄｅｇ、入射波長５５０ｎｍ、回折型レンズアレイ１４の屈折率は１．５、消衰係数は０であるとし、集光領域１５の径は１００μｍ、回折型レンズアレイ１４と集光領域１５との距離は５．５４ｍｍであるとした。

入射光１０１および入射光１０６の位置は、マイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．１ｍｍであり、入射光１０１および入射光１０６の出射角は１．０ｄｅｇであるとし、ゾーン１における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_１は式１より３０．５μｍであるとした。

また、入射光１０２および入射光１０７はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．２ｍｍであり、入射光１０２および入射光１０７の出射角は２．１ｄｅｇであるとし、ゾーン２における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_２は式１より１５．２μｍであるとした。

また、入射光１０３および入射光１０８はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．３ｍｍであり、入射光１０３および入射光１０８の出射角は３．１ｄｅｇであるとし、ゾーン３における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_３は式１より１０．２μｍであるとした。

また、入射光１０４および入射光１０９はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．４ｍｍであり、入射光１０４および入射光１０９の出射角は４．２ｄｅｇであるとし、ゾーン４における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_４は式１より７．６μｍであるとした。

また、入射光１０５および入射光１１０はマイクロレンズアレイ１２の中心部（図でｙ＝０）から０．５ｍｍであり、入射光１０５および入射光１１０の出射角は５．２ｄｅｇであるとし、ゾーン５における回折型レンズアレイ１４のピッチｄ_５は式１より６．１μｍであるとした。

なお、比較例２のマイクロレンズアレイのピッチは入射光１０１〜入射光１１０の位置に関わらず、６．１μｍであるとした。また、本実施例のマイクロレンズアレイ１２および比較例２のマイクロレンズアレイの高さは０．５μｍ〜１．５μｍで変化させ、最も高い回折効率のものを選択した。

図９において示される実施例２のマイクロレンズアレイ１２の集光効率４．５４は、比較例２のマイクロレンズアレイの集光効率を１としたときの相対値である。図９に示すシミュレーション結果により、実施例２のマイクロレンズアレイ１２の集光効率は、比較例２のマイクロレンズアレイの集光効率より上回っていることがわかる。

（実施例３）
実施例１および２では、入射波長４５０ｎｍまたは入射波長５５０ｎｍすなわち蛍光体層１１を透過した光源１６の青色光または蛍光体層１１で波長変換された黄色光を集光領域１５に集光するよう設計した場合のシミュレーション結果について示したが、それに限らない。実施例３では入射波長４５０ｎｍまたは入射波長５５０ｎｍをゾーン（所定の区域）ごとに集光領域１５に集光するよう設計した場合のシミュレーション結果について説明する。

図１０は、実施例３におけるシミュレーションモデルを説明するための図である。図１１は、実施例３におけるシミュレーション結果を示す図である。

図１０には、図６に示すシミュレーションモデルに入射光２０１〜入射光２０８が追加されている。具体的には、図１０に示すシミュレーションモデルでは、蛍光体層１１上にマイクロレンズアレイ１２ａが配置され、マイクロレンズアレイ１２ａから所定の距離離れた場所に集光領域１５が設置されている。入射光１０１〜入射光１１０、入射光２０１〜入射光２０８はそれぞれ、回折型レンズアレイ１４ａの区域（図でゾーン）に入射角０ｄｅｇで入射する入射光をモデル化したものである。入射光１０１および入射光１０６は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン１に入射する入射光のモデルであり、入射光１０２および入射光１０７は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン３に入射する入射光のモデルであり、入射光１０３および入射光１０８は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン５に入射する入射光のモデルである。同様に、入射光１０４および入射光１０９は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン７に入射する入射光のモデルであり、入射光１０５および入射光１１０は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン９に入射する入射光のモデルである。

また、入射光２０１および入射光２０５は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン２に入射する入射光のモデルであり、入射光２０２および入射光２０６は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン４に入射する入射光のモデルであり、入射光２０３および入射光２０７は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン６に入射する入射光のモデルである。同様に、入射光２０４および入射光２０８は、回折型レンズアレイ１４ａのゾーン８に入射する入射光のモデルである。

そして、実施例１で説明したシミュレーション手法およびシミュレーションソフトを用いて、以下のパラメータで光学シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果は図１１に示されている。

入射光１０１〜入射光１１０の入射角は０ｄｅｇ、入射波長５５０ｎｍ、回折型レンズアレイ１４ａの屈折率は１．５、消衰係数は０であるとし、集光領域１５の径は１００μｍ、回折型レンズアレイ１４ａと集光領域１５との距離は５．５４ｍｍであるとした。

入射光１０１〜入射光１１０の入射角は０ｄｅｇ、入射波長５５０ｎｍとし、入射光２０１〜入射光２０８の入射角は０ｄｅｇ、入射波長４５０ｎｍとした。また、回折型レンズアレイ１４ａの屈折率は１．５、消衰係数は０であるとし、集光領域１５の径は１００μｍ、回折型レンズアレイ１４ａと集光領域１５との距離は５．５４ｍｍであるとした。

入射光１０１および入射光１０６の位置は、マイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．１ｍｍであり、入射光１０１および入射光１０６の出射角は１．０ｄｅｇであるとし、ゾーン１における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_１１は式１より２４．８μｍであるとした。

また、入射光１０２および入射光１０７はマイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．２ｍｍであり、入射光１０２および入射光１０７の出射角は２．１ｄｅｇであるとし、ゾーン３における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_１２は式１より１２．４μｍであるとした。

また、入射光１０３および入射光１０８はマイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．３ｍｍであり、入射光１０３および入射光１０８の出射角は３．１ｄｅｇであるとし、ゾーン５における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_１３は式１より８．３μｍであるとした。

また、入射光１０４および入射光１０９はマイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．４ｍｍであり、入射光１０４および入射光１０９の出射角は４．２ｄｅｇであるとし、ゾーン７における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_１４は式１より６．２μｍであるとした。

また、入射光１０５および入射光１１０はマイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．５ｍｍであり、入射光１０５および入射光１１０の出射角は５．２ｄｅｇであるとし、ゾーン９における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_１５は式１より５μｍであるとした。

なお、入射光１０１〜入射光１１０の位置に対応するマイクロレンズアレイ１２ａの高さは０．９μｍとした。

一方、入射光２０１および入射光２０５の位置は、マイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．１５ｍｍであり、入射光２０１および入射光２０５の出射角は１．６ｄｅｇであるとし、ゾーン２における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_２１は式１より２０．３μｍであるとした。

また、入射光２０２および入射光２０６の位置は、マイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．２５ｍｍであり、入射光２０２および入射光２０６の出射角は２．６ｄｅｇであるとし、ゾーン４における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_２２は式１より１２．２μｍであるとした。

また、入射光２０３および入射光２０７の位置は、マイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．３５ｍｍであり、入射光２０３および入射光２０７の出射角は３．６ｄｅｇであるとし、ゾーン６における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_２３は式１より８．７μｍであるとした。

また、入射光２０４および入射光２０８の位置は、マイクロレンズアレイ１２ａの中心部（図でｙ＝０）から０．４５ｍｍであり、入射光２０４および入射光２０８の出射角は４．６ｄｅｇであるとし、ゾーン８における回折型レンズアレイ１４ａのピッチｄ_２４は式１より６．８μｍであるとした。

なお、入射光２０１〜入射光２０８の位置に対応するマイクロレンズアレイ１２ａの高さは１．２μｍとした。

また、比較例３のマイクロレンズアレイのピッチは入射光１０１〜入射光１１０、入射光２０１〜入射光２０８の位置に関わらず、６．１μｍであるとした。また、比較例３のマイクロレンズアレイの高さは０．５μｍ〜１．５μｍで変化させ、最も高い回折効率のものを選択した。

図１１において示される実施例３のマイクロレンズアレイ１２ａの集光効率８．６１は、比較例３のマイクロレンズアレイの集光効率を１としたときの相対値である。図１１に示すシミュレーション結果により、実施例３のマイクロレンズアレイ１２ａの集光効率は、比較例３のマイクロレンズアレイの集光効率より上回っていることがわかる。このように実施例３のマイクロレンズアレイ１２ａでは、回折型レンズアレイ１４ａのピッチを所定の区域毎（ゾーン１〜ゾーン９）で異ならせているので、蛍光体層１１から出射される光を集光領域１５に十分に集光することができる。

［効果等］
以上のように、本実施の形態の光学部材１０およびマイクロレンズアレイ１２等によれば、蛍光体層１１上に集光効率の高いマイクロレンズアレイ１２等が配置されるため、蛍光体層１１から出射される光の集光効率をより高くすることができる。また、本実施の形態の光学部材１０およびマイクロレンズアレイ１２等では、所望の領域（集光領域１５）に光を集光させるためにさらなる投影レンズを構成する必要がない。そのため、投影レンズの位置ずれによる損失も発生しない。

より詳細には、特許文献１に開示されるマイクロレンズアレイ９２は、例えば図８に示したように決まった断面形状を周期的に並べた構造である。そのため、ある入射角で入射された入射光のマイクロレンズアレイ９２からの配光は一様となり、十分に集光ができず配光を制御する投影レンズを構成しないと所望の領域（集光領域１５）に光りを集光することができない。そのため、投影レンズの位置ずれによる損失光により集光効率はさらに低下し得る。

一方、本実施の形態の光学部材１０およびマイクロレンズアレイ１２等では蛍光体層１１上に所定の区域ごとに、ある入射角で入射された入射光を出射させたい角度によってピッチを異ならせる。それにより、所望の領域（集光領域１５）に光を集光させることができるので、投影レンズをさらに構成する必要がない。つまり、投影レンズの位置ずれによる損失も発生しない。

より具体的には、本発明の一態様に係る光学部材は、入射面に入射された光源１６からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層１１と、蛍光体層１１で波長変換された光の一部と蛍光体層１１を透過した光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイ１２とを備え、マイクロレンズアレイ１２の出射面には、波長変換された光の一部と透過した光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）が設けられており、複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）のピッチは、所定の区域ごとに異なる。

これにより、蛍光体層１１から出射される光の集光効率をより高くすることができる光学部材を実現することができる。

ここで、例えば、複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）のうち、所定の区域の一部の区域における複数の回折レンズのピッチは、光源１６の波長帯域を示す光の他部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、当該一部の区域それぞれで一定に設けられており、複数の回折レンズのうち、所定の区域の残部の区域における複数の回折レンズのピッチは、波長変換された光の一部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、当該残部の区域それぞれで一定に設けられている。

これにより、複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）は、蛍光体層を透過した青色光および蛍光体層１１で波長変換された黄色光すなわち白色光を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。

また、例えば、複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）のピッチは、波長変換された当該光の一部または前記光の他部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、前記所定の区域毎に一定に設けられている。

これにより、複数の回折レンズ（回折型レンズアレイ１４）は、蛍光体層１１を透過した青色光および蛍光体層１１で波長変換された黄色光すなわち白色光を回折させて、集光領域１５に集光させることができる。

ここで、例えば、複数の回折レンズのピッチ（回折型レンズアレイ１４）は、マイクロレンズアレイ１２の中心から周辺に向かって狭くなる。

また、例えば、複数の回折レンズは、出射面において同心円状に設けられている。

また、例えば、当該出射面に垂直な面における複数の回折レンズの断面は、鋸歯状である。

また、例えば、光源１６は、当該光として、青色光を発し、蛍光体層１１は、当該光の一部を、黄色を示す波長帯域に波長変換する。

（変形例）
上記の実施の形態では、回折型レンズアレイ１４は、同心円状に設けられているとして説明したが、それに限らない。矩形状に設けられていても良いし、複数の領域それぞれに同心円状または矩形状に設けられるとしてもよい。

上記の実施の形態では、出射面に垂直な面における回折型レンズアレイ１４の断面は、鋸歯状であるとして説明したがそれに限らない。

図１２〜図１４は、変形例における光学部材の断面図の一例である。図３等と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

すなわち、図１２に示すマイクロレンズアレイ１２ｂのように、出射面に垂直な面における回折型レンズアレイ１４ｂの断面は、三角形状であってもよい。また、図１３に示すマイクロレンズアレイ１２ｃのように、出射面に垂直な面における回折型レンズアレイ１４ｃの断面は、矩形状であってもよい。また、図１４に示すマイクロレンズアレイ１２ｄのように、出射面に垂直な面における回折型レンズアレイ１４ｄの断面は、半円状であってもよい。この場合、図１４に示すマイクロレンズアレイ１２ｄは半球状の回折レンズにより構成される。

なお、実施の形態における鋸歯状は限定された入射角、波長に対して回折効率が高くできる。一方、広範囲の入射角、波長に対しては半円状、三角形状または矩形状が好ましい。

（他の実施の形態等）
上述した実施の形態は一例にすぎず、各種の変更、付加、省略等が可能であることは言うまでもない。

また、上述した実施の形態で示した構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明の範囲に含まれる。その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

例えば、蛍光体層１１から回折型レンズアレイ１４等に光が入射しやすいように、蛍光体層１１に直接マイクロレンズアレイ１２を形成してもよい。換言すると、蛍光体層１１は、マイクロレンズアレイ１２と一体構成である。複数の回折レンズから構成される回折型レンズアレイ１４等は、蛍光体層１１における入射面と反対側の表面に設けられており、表面は、出射面である。この場合は、蛍光体層１１を構成する樹脂によってマイクロレンズアレイを形成してもよいし、蛍光体層１１と同程度の屈折率を持つ材料で形成してもよい。

また、例えば、上記実施の形態における光学部材１０のみならず、マイクロレンズアレイ１２単体も本発明に含まれる。すなわち、入射面に入射された光源１６からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層１１で波長変換された当該光の一部と、蛍光体層１１を透過した当該光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイであって、当該出射面には、波長変換された当該光の一部と透過した当該光の他部とを回折して出射するための回折型レンズアレイ１４が設けられており、回折型レンズアレイ１４のピッチは、所定の区域ごとに異なるマイクロレンズアレイも本発明に含まれる。

その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１１ 蛍光体層
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ マイクロレンズアレイ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 回折型レンズアレイ
１６ 光源
１１１ 入射面

Claims (11)

1. 入射面に入射された光源からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層と、
   前記蛍光体層で波長変換された前記光の一部と前記蛍光体層を透過した前記光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイとを備え、
   前記マイクロレンズアレイの出射面には、波長変換された前記光の一部と透過した前記光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられており、
   前記複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なり、
   前記複数の回折レンズのうち、前記所定の区域の一部の区域における複数の回折レンズのピッチは、前記光源の波長帯域を示す前記光の他部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、当該一部の区域それぞれで一定に設けられており、
   前記複数の回折レンズのうち、前記所定の区域の残部の区域における複数の回折レンズのピッチは、波長変換された前記光の一部を、回折させて前記予め定められた領域に集光するように、当該残部の区域それぞれで一定に設けられており、
   当該一部の区域それぞれの回折レンズのピッチと、当該残部の区域それぞれの回折レンズのピッチとは異なり、
   前記所定の区域の数は３以上であり、
   前記所定の区画、前記一部の区域および、前記残部の区域のそれぞれには、２以上の回折レンズが含まれる、
   光学部材。
2. 前記複数の回折レンズのピッチは、波長変換された前記光の一部または前記光の他部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、前記所定の区域毎に一定に設けられている、
   請求項１に記載の光学部材。
3. 前記複数の回折レンズのピッチは、
   前記マイクロレンズアレイの中心から周辺に向かって狭くなる、
   請求項１または２に記載の光学部材。
4. 前記複数の回折レンズは、前記出射面において同心円状に設けられている、
   請求項２または３に記載の光学部材。
5. 前記出射面に垂直な面における前記複数の回折レンズの断面は、
   鋸歯状である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
6. 前記出射面に垂直な面における前記複数の回折レンズの断面は、
   矩形状である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
7. 前記出射面に垂直な面における前記複数の回折レンズの断面は、
   三角形状である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
8. 前記出射面に垂直な面における前記複数の回折レンズの断面は、
   半円状である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
9. 前記光源は、前記光として、青色光を発し、
   前記蛍光体層は、前記光の一部を、黄色を示す波長帯域に波長変換する、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学部材。
10. 前記蛍光体層は、前記マイクロレンズアレイと一体構成であり、
    前記複数の回折レンズは、前記蛍光体層における前記入射面と反対側の表面に設けられており、
    前記表面は、前記出射面である、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学部材。
11. 入射面に入射された光源からの光の一部を波長変換する蛍光体を含む蛍光体層で波長変換された前記光の一部と、前記蛍光体層を透過した前記光の他部とを出射面から出射する回折型のマイクロレンズアレイであって、
    前記出射面には、波長変換された前記光の一部と透過した前記光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられており、
    前記複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なり、
    前記複数の回折レンズのうち、前記所定の区域の一部の区域における複数の回折レンズのピッチは、前記光源の波長帯域を示す前記光の他部を、回折させて予め定められた領域に集光するように、当該一部の区域それぞれで一定に設けられており、
    前記複数の回折レンズのうち、前記所定の区域の残部の区域における複数の回折レンズのピッチは、波長変換された前記光の一部を、回折させて前記予め定められた領域に集光するように、当該残部の区域それぞれで一定に設けられており、
    当該一部の区域それぞれの回折レンズのピッチと、当該残部の区域それぞれの回折レンズのピッチとは異なり、
    前記所定の区域の数は３以上であり、
    前記所定の区画、前記一部の区域および、前記残部の区域のそれぞれには、２以上の回折レンズが含まれる、
    マイクロレンズアレイ。

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