JP6660484B2 - Phosphor element and lighting device - Google Patents
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Description
本発明は、蛍光体素子、および白色光を発光する照明装置に関するものである。 The present invention relates to a phosphor element and a lighting device that emits white light.
最近、レーザー光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザーあるいは紫外レーザーと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザー光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザー光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、LEDに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のYAG単結晶蛍光体が考えられている。 Recently, automotive headlights using laser light sources have been actively studied, and one of them is a white light source combining a blue laser or an ultraviolet laser with a phosphor. By condensing the laser light, the light density of the excitation light can be increased, and by concentrating a plurality of laser lights on the phosphor, the light intensity of the excitation light can be increased. As a result, the luminous flux and the luminance can be simultaneously increased without changing the light emitting area. For this reason, a white light source combining a semiconductor laser and a phosphor has been receiving attention as a light source replacing the LED. For example, the fluorescent glass used in automotive headlights is Nippon Electric Glass Co., Ltd.'s "Lumiface" fluorescent glass, the National Research and Development Agency of Materials and Materials, Tamura Seisakusho Co., Ltd. The body is considered.
白色レーザーについては、米国SORAA社から、非特許文献1に示す構造が開示されている。本レーザーは、励起用レーザーの光を直接に蛍光体の斜め上方から入射させて、蛍光体の反対面に反射膜を形成することにより、励起光と蛍光を反射して上方に白色光として取り出している。この白色レーザーは、励起用レーザーと蛍光体を一体化、小型化し、かつ指向性の高い照明光を得ることができるとして、特殊光源や光通信用光源としての応用が期待されている。 For a white laser, the structure shown in
一方、特許文献1には、蛍光ファイバを用いた白色光発光装置が記載されている。この装置では、蛍光体からなる光ファイバに対して励起光を入射させ、光ファイバの側周面から白色光を発光させる。 On the other hand,
更に、特許文献2では、蛍光体からなる光ファイバの外周面を金属膜によって被覆し、光ファイバに励起光を入射させ、光ファイバの出射側端面から白色光を出射させている。 Further, in
しかし、非特許文献1記載の構造では、蛍光の取り出し効率が悪く、励起光が蛍光体の側面方向から漏れるためにBeam Dump用の吸収体を必要としており、励起レーザー光もロスしていることがわかる。 However, the structure described in Non-Patent
特許文献1記載の構造では、強度や指向性の高い白色光を得ることが困難であり、また外周面のさまざまな場所から蛍光と励起光とが発光するため白色光の色ムラが見られる。 In the structure described in
特許文献2記載の構造では、指向性の高い白色光が得られるが、励起光が変換された蛍光が出射側へ取り出される効率(取出効率)に限界があることがわかった。 In the structure described in
本発明の課題は、光導波路に励起光を入射させ、蛍光を発生する蛍光体素子において、光導波路からの白色光の取出効率を向上させると共に、得られる白色光の色ムラを防止できるようにすることである。 An object of the present invention is to make excitation light incident on an optical waveguide, and to improve the efficiency of extracting white light from the optical waveguide in a phosphor element that generates fluorescence, and to prevent color unevenness of the obtained white light. It is to be.
本発明は、励起光を光導波路伝搬する、ガラス、単結晶または多結晶中に希土類元素イ オンがドープされた蛍光体からなる光導波路であって、前記励起光が前記希土類元素イオ ンに照射されることで蛍光を発振し、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光からな る白色光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面および外周面を有している光導波路、
前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
前記クラッド層を被覆する反射膜であって、金属膜または誘電体多層膜からなる反射膜を備えており、
前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して2°以上、13°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする。
The present invention, an excitation light to the optical waveguide propagating, glass, an optical waveguide with a rare earth element ion-into the single crystal or polycrystal of doped phosphor, irradiating the excitation light to the rare earth element ions It is the oscillation fluorescence by, the optical waveguide has the excitation light and the fluorescent Tona Ru emergence end face for emitting white light, opposing end surface opposite to the emitting side end face and the outer peripheral surface Optical waveguide,
A clad layer covering the outer peripheral surface of the optical waveguide, and a reflective film covering the clad layer, comprising a reflective film made of a metal film or a dielectric multilayer film ;
An area of the emission-side end face is larger than an area of the opposed end face, and the outer peripheral surface of the optical waveguide includes an inclined portion inclined by 2 ° or more and 13 ° or less with respect to a center axis of the optical waveguide. It is characterized by.
また、本発明は、励起光を発振する光源および蛍光体素子を備える照明装置であって、
前記蛍光体素子が、前記蛍光体素子であり、前記光導波路の出射側端面から白色光が放射することを特徴とする。Further, the present invention is a lighting device including a light source that oscillates excitation light and a phosphor element,
The phosphor element is the phosphor element, and white light is radiated from an end surface on an emission side of the optical waveguide.
本発明によれば、光導波路内で発生した蛍光のうち、クラッド層との境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、光導波路の外周面上に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射する。この上で、光導波路の出射側端面の面積を相対的に大きくし、かつ光導波路の外周面(クラッド層との境界面)を中心軸に対して2〜13°傾斜させることで、出射光量を増大させると同時に、出射する白色光の色ムラも抑制できることを見いだし、本発明に到達した。 According to the present invention, among the fluorescent light generated in the optical waveguide, not only the fluorescent light reflected at the boundary with the cladding layer can propagate to the end face on the emission side, but also the cladding layer cannot satisfy the total reflection condition of the optical waveguide. The fluorescent light that enters the optical waveguide is also reflected by each reflective film provided on the outer peripheral surface of the optical waveguide and reenters the optical waveguide. Then, by increasing the area of the output side end face of the optical waveguide relatively and inclining the outer peripheral surface (boundary surface with the cladding layer) of the optical waveguide by 2 to 13 ° with respect to the central axis, the amount of emitted light is increased. Was found to be able to suppress color unevenness of the emitted white light at the same time, and reached the present invention.
図1、図2は、本発明の実施形態に係る蛍光体素子1を示す。
本例では、光導波路2は、横断面が四辺形をしており、細長く伸びている。光導波路2の出射側端面2fと対向端面2eとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面2a、底面2aに対向する上面2bおよび一対の側面2c、2dを有している。そして、光導波路2の外周面をクラッド層3が被覆しており、クラッド層3を反射膜4が被覆している。1 and 2 show a
In this example, the
クラッド層3は、光導波路2の底面2aを被覆する底面側クラッド層3a、上面2bを被覆する上面側クラッド層3b、各側面2c、2dを被覆する側面側クラッド層3c、3dを備えている。また、反射膜4は、底面側クラッド層3a上の底面側反射膜4a、上面側クラッド層3b上の上面側反射膜4b、および側面上クラッド層3c、3d上の側面側反射膜4c、4dを備えている。反射膜上には、反射膜の劣化を防ぐために、パッシベーション膜を形成していてもよい。パッシベーション膜として酸化膜を例示できる。 The
本発明に従い、出射側端面2fの面積AOを、対向端面2eの面積AIよりも大きくする。なお、励起光は、対向端面2eから入射させてもよく、出射側端面2fから入射させて対向端面2e上の反射膜で全反射させてもよい。 According to the present invention, the area AO of the output
本実施形態によれば、光導波路6内で変換された蛍光のうち、光導波路2とクラッド層との境界で反射される蛍光を出射側端面へと伝搬できるだけでなく、光導波路の全反射条件を満足できずにクラッド層内に入射する蛍光も、底面、上面および各側面に設けられた各反射膜によって反射されて光導波路内に再入射するので、出射側端面からの蛍光の出射光量を増加させることができる。 According to the present embodiment, among the fluorescence converted in the optical waveguide 6, not only the fluorescence reflected at the boundary between the
その上で、光導波路の中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けていることが重要である。これによる利点について更に述べる。
まず、中心軸に対して傾斜する傾斜部分を光導波路の外周面に設けない場合について述べる。図5はこの形態に係るものである。In addition, it is important that an inclined portion inclined with respect to the central axis of the optical waveguide is provided on the outer peripheral surface of the optical waveguide. The advantages of this will be further described.
First, a case will be described in which an inclined portion inclined with respect to the central axis is not provided on the outer peripheral surface of the optical waveguide. FIG. 5 relates to this embodiment.
図5に示す比較例の蛍光体素子21においては、光導波路12の幅Wが一定であり、厚さも一定である。また光導波路12の出射側端面12fの面積と対向端面12eの面積とが同一である。この場合には、励起光Aが光導波路12内を伝搬し、蛍光体粒子16に当たると、蛍光体粒子16から蛍光が発光する。このとき、蛍光は、蛍光体16から、あらゆる方向に向かって均一に発光する。 In the
ここで、蛍光体16から出射側端面12fのほうへと放射された蛍光Fは、入射角θpでクラッド層との界面に達する。ここで、光導波路の屈折率np、クラッド層の屈折率nc、入射角度θpが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射され、光導波路伝搬し、出射側端面12fから出射する。一方、蛍光の入射角θpが全反射条件を満足しない場合には、矢印Gのように屈折し、反射膜4c、4dによって反射され、矢印Hのように反射する。このような反射を反復しながら伝搬する光は、光導波路伝搬でなく、一部は蛍光体内で反射膜の吸収や蛍光体の吸収によって減衰し、一部は出射側端面12fに到達する。しかし、この光は方向性がなく出射端から放射するので、光導波路伝搬する励起光とミキシングできない成分の蛍光成分もあるため、白色光の取出効率を大きく改善することはできない。 Here, the fluorescence F emitted from the
クラッド層を設けず、各反射膜が蛍光体に直接接触している場合には、光導波路伝搬せずに励起光と蛍光双方とも反射膜で反射を繰り返しながら伝搬するので、前述のように励起光と蛍光の一部は蛍光体内で減衰し、出射側端面12fに到達した双方の光は方向性を持たず端面から出射するので、前面方向に白色光を取り出すことが難しく、取出し効率の改善が難しい。 If the cladding layer is not provided and each reflective film is in direct contact with the phosphor, both the excitation light and the fluorescent light propagate without repeating the reflection on the reflective film without propagating through the optical waveguide. Part of the light and the fluorescent light is attenuated in the phosphor, and both lights reaching the output
蛍光体16から、光導波路の長手方向に対して垂直な方向へと発生した蛍光Cは、反射膜で矢印Dのように反射され、光導波路内で反射を繰り返し、最終的に減衰することになる。また、蛍光体16から対向端面12e側へと発生された蛍光Eは、上記と同様な反射を繰り返し、最終的に対向端面に到達することになる。 The fluorescent light C generated from the
一方、図2の蛍光体素子1においては、光導波路2の上面の幅Wが対向端面2e(WI)から出射側端面2f(WO)へと向かって徐々に大きくなっている。なお、θは、光導波路2の中心軸Kと側面6c、側面6dとの角度である。本例では角度θは一定であり、かつ2〜13°の範囲内である。なお、θは、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、幅Wは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。 On the other hand, in the
ここで、図6に示すように、励起光Aが光導波路内を伝搬し、蛍光体粒子16に当たると、蛍光体粒子16から蛍光が発光する。このとき、蛍光は蛍光体からあらゆる方向に向かって均一に発光する。ここで、蛍光体16から出射側端面のほうへと放射された蛍光Fは、入射角θpでクラッド層との界面に達する。光導波路の屈折率np、クラッド層の屈折率nc、入射角度θpが全反射条件を満足している場合には、蛍光は界面で反射し光導波路伝搬する。 Here, as shown in FIG. 6, when the excitation light A propagates in the optical waveguide and hits the
例えば光導波路の側面6dが長手方向Kに対してθ傾斜している場合には、蛍光Fの入射角θpが、図5の例に比べてθだけ大きくなり、クラッド層との界面で全反射しやすくなる。このため図5の例で全反射条件を満足できなかった蛍光Fは、クラッド層との界面で全反射するようになり、光導波路伝搬し反射膜による吸収が起こらないので、出射光量は一層増加する。 For example, when the side surface 6d of the optical waveguide is inclined by θ with respect to the longitudinal direction K, the incident angle θp of the fluorescent light F becomes larger by θ as compared with the example of FIG. 5, and total reflection occurs at the interface with the cladding layer. Easier to do. For this reason, the fluorescence F, which did not satisfy the total reflection condition in the example of FIG. 5, is totally reflected at the interface with the cladding layer, propagates through the optical waveguide, and is not absorbed by the reflection film. I do.
一方、蛍光の入射角θpが全反射条件を満足しない場合として、例えば、蛍光体16から、光導波路の中心軸Kに対して垂直な方向に発生した蛍光Cは、同様にクラッド層への入射角はθとなるが、このときに全反射角を満足できないとする。この場合は、蛍光Cは反射膜4dで反射されることになるが、次に反対側側面2cのクラッド層3cとの界面に入射する角度はさらにθだけ大きくなるので、これらの反射を繰り返すうちに蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、ついには光導波路伝搬することになる。光導波路の側面2dに直角に入射する場合においては、反射膜4dで反射することになるが、側面6cの界面に入射する角度はθだけ大きくなるので、出射端面側に向かって進行し、反射膜4cと反射膜4dで反射を繰り返すうちに入射角θpが大きくなり、蛍光体とクラッド層との界面で全反射条件を満足できるようになり、光導波路伝搬するようになる。 On the other hand, when the incident angle θp of the fluorescent light does not satisfy the total reflection condition, for example, the fluorescent light C generated from the
以上のことから、光導波路2の外周面が中心軸Kに対して傾斜している場合には、蛍光は出射側端面側か対向端面側のどちらかに進行し反射を繰り返し、蛍光体内で減衰してしまう蛍光をなくすことが可能となる。 From the above, when the outer peripheral surface of the
蛍光体16から対向端面2e側へ向かう蛍光Eについては、反射膜によって反射されるごとに、角度θだけ出射側端面側へと方向が変わるので、多重反射を繰り返していくうちに出射側端面側に伝搬方向が変化し、最終的に光導波路伝搬し出射側端面から出射される。それでも対向端面に到達した蛍光は、対向端面に設けた蛍光反射膜によって反射し、この光も最終的に光導波路伝搬し、出射側端面から出射することができる。 The direction of the fluorescence E traveling from the
図3の実施形態では、光導波路2の幅Wが、対向端面2eにおいてはWIであり、出射側端面2fにおいてはWOである。そして、幅Wは、WIからWOに向かって大きくなっている。なお、本例では、光導波路の中心軸と側面2dとの角度θは2〜13°である。本例では、側面2cは励起光の光軸と平行であり、側面2dは励起光の光軸に対して2θ傾斜している。 In the embodiment shown in FIG. 3, the width W of the
また、好適な実施形態においては、光導波路の厚さが、対向端面から出射側端面へと向かって大きくなっている。例えば、図4の蛍光体素子51においては、光導波路2の厚さTが、対向端面2eにおいてはTIであり、出射側端面2fにおいてはTOである。そして、厚さTは、TIからTOに向かって大きくなっている。 In a preferred embodiment, the thickness of the optical waveguide increases from the opposite end face toward the emission end face. For example, in the phosphor element 51 of FIG. 4, the thickness T of the
なお、αは、光導波路2の中心軸Kと底面2aおよび上面2bとの傾斜角度である。本例では傾斜角度αは一定であり、2〜13°である。αは、一定であることが好ましいが、一定である必要はなく、出射側端面と対向端面との間で変化していてもよい。好ましくは、厚さTは、対向端面から出射側端面へと向かって連続的に、滑らかに増大している。 Here, α is the inclination angle between the central axis K of the
なお、光導波路の幅を変化させた場合の作用効果は前述したが、厚みを変化させた場合も同様であり、上面、底面によって反射された蛍光は同様なメカニズムによって出射側端面から光導波路伝搬光として出射することができる。 The effect of changing the width of the optical waveguide is described above, but the same applies to the case of changing the thickness. The fluorescence reflected by the top and bottom surfaces is propagated from the exit side end surface by the same mechanism. It can be emitted as light.
また、幅W、および厚みTについて、双方とも対向端面から出射側端面に向かって連続的に大きくする構造とすることによって、蛍光体内で発生する全方向の蛍光に対して、光導波路伝搬光に変換することができ出射側端面に高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。 In addition, both the width W and the thickness T are configured to be continuously increased from the facing end face toward the emission end face, so that the omnidirectional fluorescence generated in the phosphor is reduced to the optical waveguide propagation light. The light can be converted and can be emitted to the emission-side end face with high efficiency. Similarly, white light can be extracted with high efficiency by mixing with the excitation light propagating in the optical waveguide.
上述の実施形態では、光導波路の横断面形状を四辺形とした。しかし、光導波路の横断面形状は四辺形には限定されず、円形、楕円形、六角形等の多角形であってよい。 In the above embodiment, the cross-sectional shape of the optical waveguide is a quadrilateral. However, the cross-sectional shape of the optical waveguide is not limited to a quadrilateral, and may be a polygon such as a circle, an ellipse, and a hexagon.
例えば図7の蛍光体素子31においては、横断面が円形である光導波路32が設けられている。光導波路32は、図7(b)に示す出射側端面32fと、図7(c)に示す対向端面32eと、出射側端面と対向端面との間の外周面32aを有している。光導波路32の外周面32a上にはクラッド層33が設けられており、クラッド層33上には反射膜34が設けられている。出射側端面32fの直径DOは対向端面32eの直径DIよりも大きくなっており、外周面32aは中心軸に対して2〜13°の角度で傾斜する傾斜面を形成している。 For example, in the
好適な実施形態においては、光導波路の幅が、上面から底面へと向かって変化している。例えば、図8に示す蛍光体素子41においては、光導波路42は、横断面が台形をしており、細長く伸びている。光導波路42の出射側端面42fと対向端面42eとの間に外周面が伸びており、外周面は、細長い底面42a、底面42aに対向する上面42bおよび一対の側面42c、42dを有する。そして、光導波路42の外周面をクラッド層3が被覆しており、クラッド層3を反射膜4が被覆している。 In a preferred embodiment, the width of the optical waveguide varies from the top to the bottom. For example, in the
そして、光導波路42の幅が、上面における幅から底面における幅に向かって徐々に大きくなっている。なお、βは、光導波路42の底面42aに対する側面42c(42d)の傾斜角度である。
本構造は、それのみでは蛍光の出射光量が増大する効果は期待できないが、光導波路の厚み方向に傾斜角度αだけ傾斜させた構造と組合せることによって、蛍光の出射光量を一層増大させることができる。つまり、光導波路の幅方向に伝搬する蛍光は、側面が傾斜角度β傾斜している場合、この側面、あるいはこの側面と平行な反射面で反射すると、光導波路の厚み方向に向かって伝搬するようになるので、光導波路の幅方向において角度θの傾斜を設けない場合でも、厚み方向の傾斜だけで光導波路伝搬するようにでき、出射光量を増大できる。Then, the width of the
This structure alone cannot be expected to increase the amount of emitted fluorescent light, but it can further increase the amount of emitted fluorescent light by combining it with a structure that is inclined by the inclination angle α in the thickness direction of the optical waveguide. it can. In other words, the fluorescent light propagating in the width direction of the optical waveguide propagates in the thickness direction of the optical waveguide when reflected on the side surface or a reflection surface parallel to the side surface when the side surface is inclined at an inclination angle β. Therefore, even when the inclination of the angle θ is not provided in the width direction of the optical waveguide, it is possible to propagate the optical waveguide only by the inclination in the thickness direction, and it is possible to increase the amount of emitted light.
本実施形態の作用効果について図9を参照して述べる。
本例では、蛍光体16から、あらゆる方向へと蛍光が放射されるが、このうち真横に放射された光Gは、側面42c(42d)によって矢印Hのように反射される。このとき、側面42c(42d)が底面の法線Mに対して傾斜していることから、蛍光は底面へと向かって反射され、底面で更に矢印Iのように反射される。このように多重反射を繰り返すうちに、蛍光は、上面、底面、側面で反射されることになり、側面間で反復することはない。ここで、光導波路の幅と厚さとの少なくとも一方を前述のように出射側端面と対向端面との間で変化させていると、蛍光の出射側端面への出射が促進されることになる。このように傾斜した場合、側面で反射した蛍光は、反射した光を上・底面側に反射する光に向きを変えることができる。このことから厚みを変化した構造と組み合わせることによって、蛍光体内で発生する蛍光すべてに対して、出射側端面に光導波路伝搬光として高効率に出射することができ、同じく光導波路伝搬する励起光とミキシングして高効率に白色光を取り出すことが可能となる。The operation and effect of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In this example, the fluorescent light is emitted from the
上の例では、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも大きくしたが、底面における光導波路幅を上面における光導波路幅よりも小さくすることもできる。この観点からはどちらかの光導波路幅を零にする三角形状であってもよい。また、光導波路幅は、滑らかに変化させることが好ましいが、段階的に変化させてもよい。 In the above example, the optical waveguide width at the bottom surface is larger than the optical waveguide width at the upper surface. However, the optical waveguide width at the bottom surface may be smaller than the optical waveguide width at the upper surface. From this viewpoint, a triangular shape may be adopted in which either optical waveguide width is zero. The width of the optical waveguide is preferably changed smoothly, but may be changed stepwise.
好適な実施形態においては、蛍光を反射する反射部が対向端面に設けられている。この蛍光を反射する反射部は、励起光を反射してもよく、あるいは励起光を透過してもよい。 In a preferred embodiment, a reflecting portion for reflecting the fluorescent light is provided on the opposite end face. The reflecting portion that reflects the fluorescence may reflect the excitation light or may transmit the excitation light.
対向端面は、励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側には蛍光に対しては全反射し、励起光に対しては無反射となる膜が形成してあることが好ましい。あるいは、出射側端面が、前記励起光を入射させるための入射面であってよい。この場合には、対向端面側に、励起光を全反射する反射膜を設ける。 The opposing end surface may be an incident surface for receiving the excitation light. In this case, it is preferable that a film that totally reflects the fluorescence and does not reflect the excitation light be formed on the opposite end face side. Alternatively, the emission-side end surface may be an incident surface for allowing the excitation light to enter. In this case, a reflection film that totally reflects the excitation light is provided on the facing end face side.
本発明の導波路型蛍光体素子は、グレーティング(回折格子)を光導波路内に含んでいない無グレーティング型蛍光体素子であってよく、あるいはグレーティング素子であってよい。 The waveguide-type phosphor element of the present invention may be a grating-free phosphor element that does not include a grating (diffraction grating) in the optical waveguide, or may be a grating element.
本発明では、光導波路の外周面が光導波路の中心軸に対して2°以上、13°以下傾斜している傾斜部分を含む。この傾斜角度を2°以上とすることによって、出射側端面から発振する光強度を高くすることができる。この観点からは、傾斜角度を4°以上とすることが更に好ましい。また、この傾斜角度が13°を超えると、出射側端面から出射する白色光の色ムラが大きくなるので、13°以下とするが、10°以下が更に好ましい。 In the present invention, the outer peripheral surface of the optical waveguide includes an inclined portion inclined at 2 ° or more and 13 ° or less with respect to the central axis of the optical waveguide. By setting the inclination angle to 2 ° or more, the intensity of light oscillated from the emission-side end face can be increased. From this viewpoint, the inclination angle is more preferably set to 4 ° or more. Further, when the inclination angle exceeds 13 °, the color unevenness of the white light emitted from the emission-side end face becomes large. Therefore, the inclination angle is set to 13 ° or less, but is more preferably 10 ° or less.
また、前記傾斜部分の面積は、光導波路の外周面の面積のうち30%以上を占めていることが好ましく、50%以上を占めていることが更に好ましく、100%を占めていても良い。 Further, the area of the inclined portion preferably occupies 30% or more of the area of the outer peripheral surface of the optical waveguide, more preferably occupies 50% or more, and may occupy 100%.
光導波路の幅Wや直径は、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、20μm以上が好ましく、また50μm以上が好ましい。一方、光導波路伝搬するという観点からは、Wは、900μm以下が好ましく、500μm以下が更に好ましく、300μm以下が更に好ましい。 The width W and the diameter of the optical waveguide are preferably 20 μm or more, and more preferably 50 μm or more, from the viewpoint of efficiently coupling the excitation light and increasing the amount of emitted light. On the other hand, from the viewpoint of optical waveguide propagation, W is preferably 900 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 300 μm or less.
出射側端面の面積AOの対向端面の面積AIに対する比率(AO/AI)は、本発明の観点からは、1.2以上が好ましく、1.4以上が更に好ましい。一方、AO/AIは20以下が好ましく、5.5以下が更に好ましい。 From the viewpoint of the present invention, the ratio (AO / AI) of the area AO of the emission-side end face to the area AI of the opposite end face is preferably 1.2 or more, and more preferably 1.4 or more. On the other hand, AO / AI is preferably 20 or less, more preferably 5.5 or less.
光導波路の厚さTは、励起光を効率よく結合し出射光量を増加させるという観点からは、20μm以上が好ましく、また50μm以上が好ましい。一方、本発明の観点からは、Tを900μm以下とすることが好ましく、光導波路形成時の側面での表面粗さによる散乱の影響を小さくするという観点からは、200μm以下が好ましく、150μm以下が更に好ましい。 The thickness T of the optical waveguide is preferably 20 μm or more, and more preferably 50 μm or more, from the viewpoint of efficiently coupling the excitation light and increasing the amount of emitted light. On the other hand, from the viewpoint of the present invention, T is preferably set to 900 μm or less, and from the viewpoint of reducing the influence of scattering due to surface roughness on the side surface when forming the optical waveguide, T is preferably 200 μm or less, and 150 μm or less. More preferred.
光導波路の底面の法線Mに対する各側面の傾斜角度β(図8、図9参照)は、出射光量を増加させるという観点からは、10°以上が好ましく、15°以上が更に好ましい。また、βは、50°以下が好ましく、35°以下が更に好ましい。 The inclination angle β of each side surface with respect to the normal M of the bottom surface of the optical waveguide (see FIGS. 8 and 9) is preferably 10 ° or more, and more preferably 15 ° or more, from the viewpoint of increasing the amount of emitted light. Β is preferably 50 ° or less, more preferably 35 ° or less.
光導波路の長さ(出射側端面と対向端面との間隔)L(図2参照)は特に限定されないが、一般的には蛍光を光導波路伝搬させるまで反射を繰り返す必要があるので、200μm以上が好ましく、伝搬に伴う損失を低減するために2mm以下とすることもできる。 The length of the optical waveguide (the distance between the output side end face and the opposing end face) L (see FIG. 2) is not particularly limited, but generally, it is necessary to repeat reflection until fluorescent light propagates through the optical waveguide. Preferably, it can be set to 2 mm or less in order to reduce a loss caused by propagation.
反射膜の材質としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、またはこれらの金属成分が含まれる混晶膜、あるいは、誘電体多層膜であってよい。反射膜として金属膜を使用する場合には、クラッド層がはがれないようにするために、Cr、Ni、Ti等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。 The material of the reflective film may be a metal film of gold, aluminum, copper, silver, or the like, a mixed crystal film containing these metal components, or a dielectric multilayer film. When a metal film is used as the reflection film, a metal layer of Cr, Ni, Ti, or the like can be formed as a buffer layer of the metal film in order to prevent the cladding layer from peeling off.
クラッド層の材質は、蛍光体よりも屈折率の小さい材料であればよい。クラッド層と蛍光体との屈折率差は0.05以上であることが好ましい。こうしたクラッド層の材料は、SiO2、Al2O3、MgF2、CaF2、MgOなどがよい。The material of the cladding layer may be any material having a lower refractive index than the phosphor. It is preferable that the refractive index difference between the cladding layer and the phosphor is 0.05 or more. The material of such a cladding layer is preferably SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , MgO, or the like.
クラッド層と反射膜との間にバッファ層を設けることができる。こうした接合層の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。 A buffer layer can be provided between the cladding layer and the reflection film. Although the material of such a bonding layer is not particularly limited, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium oxide are preferable. However, it is preferable that the thermal conductivity is higher than that of the phosphor, and from such a viewpoint, aluminum oxide is most preferable.
蛍光体は、蛍光体ガラス、単結晶、多結晶であってよい。蛍光体ガラスの場合は、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。 The phosphor may be phosphor glass, single crystal, polycrystal. In the case of a phosphor glass, a rare earth element ion is dispersed in a glass serving as a base.
ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)であってもよい。 The base glass includes silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, and oxide glass containing barium chloride. For example, YAG (yttrium aluminum garnet) may be used.
ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Tb、Eu、Ce、Nd、が好ましいが、La、Pr、Sc、Sm、Er、Tm、Dy、Gd、Luであってもよい。 The rare earth element ions dispersed in the glass are preferably Tb, Eu, Ce, and Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu.
蛍光体単結晶としてはY3Al5O12、Ba5Si11Al 7N25、Tb3Al5O12が好ましい。また、蛍光体中にドープするドープ成分としては、Tb、Eu、Ce、Nd等の希土類元素イオンとする。熱劣化を抑制するという観点では、蛍光体は単結晶が好ましいが、多結晶であっても緻密体であれば粒界部での熱抵抗を下げることができ、かつ透光性をあげることができ、光導波路として機能することができる。
Y 3 Al 5 O 12 as the phosphor monocrystal, Ba 5 Si 11 A l 7 N 25,
光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するGaN材料による半導体レーザーが好適である。また、一次元状に配列したレーザーアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ(SOA)であってもよい。 As the light source, a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability for exciting the phosphor for illumination is suitable. Further, a light source such as a laser array arranged one-dimensionally can also be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
半導体レーザーと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
青色レーザーと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
青色レーザーと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
また青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法The method for generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods are conceivable.
A method of generating white fluorescence by generating yellow fluorescence with a blue laser and a phosphor A method of generating white light by generating red and green fluorescence with a blue laser and a phosphor A method of generating white light by generating green fluorescence A method of generating white light by generating blue and yellow fluorescent light by a phosphor from a blue laser or an ultraviolet laser
(実施例A1〜A3および比較例A1〜A3)
図1、図2に示すような形態の蛍光体素子1を作製した。
CeドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)単結晶からなる厚み300μm、縦15mm、横15mmの蛍光体からなる基板上に、Al2O3からなるクラッド層を厚さ0.3μm、反射膜としてアルミニウム合金を1μm成膜した。その後、2インチのサファイア基板に対して、上記の蛍光体基板を、前記アルミニウム合金膜を貼り合せ面として熱可塑性樹脂(ワックス)にて接着した。貼り合せた後の接合体を、蛍光体部分が幅15mm×長さ2mmになるように切断した。(Examples A1 to A3 and Comparative Examples A1 to A3)
A
A cladding layer made of Al 2 O 3 having a thickness of 0.3 μm is formed on a substrate made of a phosphor of 300 μm in thickness, 15 mm in length and 15 mm in width made of Ce doped YAG (yttrium aluminum garnet) single crystal as a reflection film. An aluminum alloy was formed to a thickness of 1 μm. Thereafter, the above-mentioned phosphor substrate was bonded to a 2-inch sapphire substrate with a thermoplastic resin (wax) using the aluminum alloy film as a bonding surface. The bonded body after the lamination was cut so that the phosphor portion had a width of 15 mm and a length of 2 mm.
次に、ダイシング装置により幅200μm、#6000のブレードにて溝加工を行い、水平方向に傾斜部分2c、2dを形成した。各傾斜部分2c、2dの傾斜角度θは、それぞれ、0°、2°、5°、10°、13°、15°、20°に変更した。蛍光体からなる光導波路の厚さは、出射側端面と対向端面との間で一定とした。 Next, groove processing was performed by a dicing apparatus using a # 6000 blade having a width of 200 μm to form
次いで、上側クラッド層としてAl2O3を2μm、反射膜としてアルミニウム合金を1μm成膜した。蛍光体からなる光導波路の側面には、クラッド層が0.3μm、金属膜0.5μm成膜していることを確認した。Next, Al 2 O 3 was formed as an upper cladding layer at 2 μm, and an aluminum alloy was formed as a reflection film at 1 μm. It was confirmed that a 0.3 μm clad layer and a 0.5 μm metal film were formed on the side surface of the optical waveguide formed of the phosphor.
その後、光導波路の入力側と出力側を50μm程度の端面研磨を行った。入射側の対向端面については、IBS(Ion-beam Sputter Coater)成膜装置によって、励起光である450nm帯では無反射、蛍光である560nm帯では全反射となるダイクロイック膜を成膜した。最後に、素子幅1mmとなるようにダイシング切断を行い、素子サイズ幅1mm×長さ1.99mmとし、ホットプレート上で加熱することで、サファイア基板から蛍光体素子を分離させ、図1、図2に示す蛍光体素子1を作製した。 Thereafter, the input side and the output side of the optical waveguide were polished at about 50 μm. On the opposite end face on the incident side, a dichroic film was formed by an IBS (Ion-beam Sputter Coater) film-forming apparatus so as to be non-reflective in the 450 nm band of excitation light and totally reflected in the 560 nm band of fluorescent light. Finally, dicing cutting is performed so that the element width becomes 1 mm, the element size width is 1 mm × length 1.99 mm, and the phosphor element is separated from the sapphire substrate by heating on a hot plate. The
作製した素子について、波長450nmのレーザー光を照射して、出力側から出射する出力光の明るさと色ムラを測定した。ただし、これらは以下のようにして測定した。 The fabricated device was irradiated with laser light having a wavelength of 450 nm, and the brightness and color unevenness of output light emitted from the output side were measured. However, these were measured as follows.
(明るさ)
平均出力は、全光束の時間平均を表す。全光束測定は,積分球(球形光束計)を使用して、被測定光源と全光束が値付けられた標準光源とを同じ位置で点灯し、その比較によって行う。詳細には、JISC7801にて規定されている方法を用いて測定を行った。(Brightness)
The average output represents the time average of the total luminous flux. The total luminous flux measurement is performed by using an integrating sphere (spherical luminometer), lighting the light source to be measured and the standard light source to which the total luminous flux is valued at the same position, and comparing the light sources. Specifically, the measurement was performed using the method specified in JISC7801.
(色ムラ)
出力した光を輝度分布測定装置を用いて色度図で評価を行った。そして、色度図において、中央値x:0.3447±0.005、y:0.3553±0.005の範囲にある場合は「色ムラなし」とし、この範囲外の場合には「色ムラあり」とした。(Color unevenness)
The output light was evaluated by a chromaticity diagram using a luminance distribution measuring device. Then, in the chromaticity diagram, when the median value is within the range of x: 447 ± 0.005 and y: 0.3553 ± 0.005, “no color unevenness” is set. There is unevenness. "
この結果、表1に示すように、傾斜角度を2°以上とすることで、出力光の明るさが著しく向上した。また、傾斜角度が13°を超えると、出力光に色ムラが発生することがわかった。この出力光を観察したところ、中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部が蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、角度を大きくするとこの現象が顕著となっていた。 As a result, as shown in Table 1, the brightness of the output light was significantly improved by setting the inclination angle to 2 ° or more. Further, it was found that when the inclination angle exceeded 13 °, color unevenness occurred in the output light. Observation of this output light revealed that the central portion was white light without color unevenness, but the outer peripheral portion was a pattern in which only fluorescent light was present. This phenomenon became more pronounced when the angle was increased. Was.
実施例A1〜A3の各蛍光体素子は、入射側端面はレーザー光のスポット形状と実装する際の十分な位置決め公差を含めた大きさの形状にしておくことによって、安価でかつ高効率の白色レーザーを実現でき、例えば4Wクラスのレーザーを使用した場合に、450lm以上の指向性の高い白色レーザー光を得ることができる。 In each of the phosphor elements of Examples A1 to A3, the incident-side end face has a shape including a spot shape of a laser beam and a sufficient positioning tolerance for mounting, so that a low-cost and high-efficiency white light is obtained. A laser can be realized. For example, when a 4 W class laser is used, white laser light having high directivity of 450 lm or more can be obtained.
(実施例B1〜B3)
実施例1と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例1と異なり、図4に示すように、厚み方向に光導波路2の側面2aを角度αだけ傾斜させた。そして、実施例1と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表2に示す。(Examples B1 to B3)
A phosphor element was manufactured in the same manner as in Example 1. However, different from Example 1, as shown in FIG. 4, the
(実施例C1〜C7)
実施例A1〜3と同様にして蛍光体素子を作製した。ただし、実施例A1〜3と異なり、図8、図9に示すように、光導波路42の各側面を底面の法線Mに対して角度βだけ傾斜させた。そして、実施例1と同様にして蛍光を発生させ、出射光の明るさと色むらとを測定した。結果を表3に示す。(Examples C1 to C7)
A phosphor element was manufactured in the same manner as in Examples A1 to A3. However, unlike Examples A1 to A3, each side surface of the
(比較例D1〜D3)
引き下げ法によって育成したCeドープしたYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)単結晶で直径が150μm、498μm、1000μm、長さ2mmのファイバ状の蛍光体に、Al2O3からなるクラッド層を厚さ0.3μm、反射膜としてアルミニウム合金を1μmとなるように蛍光体の外周部に成膜した。(Comparative Examples D1 to D3)
A fiber doped phosphor of 150 μm, 498 μm, 1000 μm, and 2 mm in length made of Ce-doped YAG (yttrium aluminum garnet) single crystal grown by the pull-down method, and a cladding layer made of Al 2 O 3 having a thickness of 0 mm An aluminum alloy was formed on the outer periphery of the phosphor so as to have a thickness of 0.3 μm and an aluminum alloy of 1 μm as a reflection film.
その後、基板の入力側と出力側を50μm程度の端面研磨を行い、入射側の端面については、IBS(Ion-beam Sputter Coater)成膜装置にて励起光である450nm帯では無反射、蛍光である560nm帯では全反射となるダイクロイック膜を成膜し、長さ1.99mmの蛍光体素子を作製した。 Thereafter, the input side and the output side of the substrate are polished with an end face of about 50 μm, and the end face on the incident side is non-reflective and fluorescent in the 450 nm band which is excitation light by an IBS (Ion-beam Sputter Coater) film forming apparatus. In a certain 560 nm band, a dichroic film for total reflection was formed to produce a phosphor element having a length of 1.99 mm.
作製した素子について、実施例A1〜3と同様にして出力光の明るさと色ムラを測定した。結果を表4に示す。 About the produced element, the brightness of output light and the color nonuniformity were measured like Example A1-3. Table 4 shows the results.
この結果、表4に示すように、明るさは800〜900lm程度となり、実施例と比較して出射側に取り出すことができる照明光が小さくなった。これは、全反射できない成分は反射膜にて反射を繰り返すが、全反射膜の反射率が90%以下となるために、反射毎に蛍光が減衰し出射側に到達できる照明光が小さくなると考えられる。色ムラについては、直径498μmでは中心部では色ムラのない白色光となっていたが、外周部が蛍光のみしか存在していないパターンとなっており、直径を大きくすると、この現象が顕著となっていた。 As a result, as shown in Table 4, the brightness was about 800 to 900 lm, and the illumination light that could be extracted to the emission side was smaller than in the example. This is because the component that cannot be totally reflected is repeatedly reflected by the reflection film, but the reflectance of the total reflection film is 90% or less, so that the fluorescence is attenuated for each reflection and the illumination light that can reach the emission side is reduced. Can be Regarding the color unevenness, white light having no color unevenness was found at the center at a diameter of 498 μm, but the outer peripheral portion was a pattern in which only fluorescent light was present. When the diameter was increased, this phenomenon became remarkable. I was
Claims (12)
前記励起光が前記希土類元素イオンに照射されることで蛍光を発光し、前記光導波路が、前記励起光および前記蛍光からなる白色光を出射する出射側端面、前記出射側端面と反対側の対向端面および外周面を有している光導波路、
前記光導波路の前記外周面を被覆するクラッド層、および
前記クラッド層を被覆する反射膜であって、金属膜または誘電体多層膜からなる反射膜を備えており、
前記出射側端面の面積が前記対向端面の面積よりも大きく、かつ
前記光導波路の前記外周面が前記光導波路の中心軸に対して2°以上、13°以下傾斜している傾斜部分を含むことを特徴とする、蛍光体素子。 Propagating the excitation light into the optical waveguide, glass, an optical waveguide comprising a phosphor doped with rare earth element ions in single crystal or polycrystal,
The excitation light irradiates the rare earth element ions to emit fluorescence, and the optical waveguide emits white light composed of the excitation light and the fluorescence, an emission end face, and an opposite end face opposite to the emission end face. An optical waveguide having an end surface and an outer peripheral surface,
A clad layer covering the outer peripheral surface of the optical waveguide, and a reflective film covering the clad layer, comprising a reflective film made of a metal film or a dielectric multilayer film;
An area of the emission-side end face is larger than an area of the opposed end face, and the outer peripheral surface of the optical waveguide includes an inclined portion inclined by 2 ° or more and 13 ° or less with respect to a center axis of the optical waveguide. A phosphor element characterized by the above-mentioned.
前記蛍光体素子が、請求項1〜11のいずれか一つの請求項に記載の蛍光体素子であり、前記光導波路の前記出射側端面から前記白色光が放射することを特徴とする、照明装置。
An illumination device including a light source that emits excitation light and a phosphor element,
The lighting device, wherein the phosphor element is the phosphor element according to any one of claims 1 to 11, wherein the white light is emitted from the emission-side end face of the optical waveguide. .
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