JP6747285B2 - 発光素子、蛍光光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光体を含む発光素子に関する。また、本発明は、前記発光素子及び励起光源を含み、励起光源から射出された励起光によって蛍光体を励起して蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。

現在、蛍光体をレーザ光で励起し、当該蛍光体から発せられる蛍光を放射する蛍光光源装置が知られている。

ところで、高いパワー、かつ高いパワー密度の励起光を蛍光体の表面に照射すると、蛍光体の温度が高温になる。蛍光体は、１５０℃程度の高温になると、発光効率が低下することが知られている。この現象は「温度消光」と呼ばれる。

かかる観点の下、下記特許文献１には、蛍光体の上面に排熱のためのサファイア基板を設けた発光素子が開示されている。

特開２０１２−１０９４００号公報

図１０は、上記特許文献１に開示された発光素子を模式的に示す図面である。図１０に示す発光素子１００は、蛍光体を含む発光部１０１と、発光部１０１の上面に接触して形成された透光性基板１０２とを有する。透光性基板１０２の、発光部１０１とは反対側の面には、ナノメートルオーダーの径を有する微細な凹凸構造１０３が形成されている。

図１１は、発光素子１００に対して励起光が照射された場合の光線の進行を模式的に示す図面である。励起光１１１が、透光性基板１０２内を透過して発光部１０１に入射されると、発光部１０１に含まれる蛍光体が励起され、蛍光１１２が放射される。この蛍光１１２は、透光性基板１０２内を透過して、凹凸構造１０３から外部に取り出される。

しかし、図１１に示すように、蛍光１１２の一部は、透光性基板１０２内を基板の面に平行なｄ２方向に進行する。この結果、透光性基板１０２から取り出される蛍光は、面方向に拡がりを有する。この結果、発光素子１００から射出される蛍光のエタンデュが大きくなってしまう。このようにｄ２方向に蛍光１１２の一部が進行する理由としては、発光部１０１内に含まれる蛍光体粒子の粒界での反射、拡散や、透光性基板１０２の光取り出し面側の面での反射、透光性基板１０２の光取り出し面とは反対側の面における反射などが考えられる。なお、透光性基板１０２は微細な凹凸構造１０３が形成されているものの、完全には全反射を防止することができず、一部の蛍光１１２はこの面で反射される。

例えば、発光素子１００から取り出される蛍光をプロジェクタ用の光源に利用することを想定した場合、プロジェクタに含まれる光学系は、所定の範囲内のエタンデュを有する光束しか取り込めないように構成されることが一般的である。つまり、特許文献１の構成では、取り出された光の一部の光しか利用できないこととなってしまい、光の利用効率が低い。この問題は、プロジェクタ用途に限られず、当該発光素子１００から取り出される蛍光を利用する一般的な光学部品に対して生じ得る。

本発明は、上記の課題に鑑み、発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる発光素子及び蛍光光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子は、
第一基板と、
前記第一基板の上層に形成された反射層と、
前記反射層の上層に形成された、蛍光体を含む蛍光プレートと、
前記蛍光プレートの上層に形成された、透光性の第二基板とを有し、
前記第二基板は、
前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面に形成され、マイクロメートルオーダーの径で、前記蛍光プレートの面に達しない深さを有する、複数の凹状孔部と、
前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面の、少なくとも複数の前記凹状孔部に挟まれた領域において、ナノメートルオーダーの径で形成された複数の第一凹凸部と、を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、第二基板には、蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面に、マイクロメートルオーダーの径を有する複数の凹状孔部が形成されている。このため、蛍光プレートから放射された蛍光が、第二基板内を進行するにあたり、当該基板の面に平行な方向に進行したとしても、凹状孔部に達した後に外部に取り出されるか、又は進行方向が変更される。すなわち、この凹状孔部が存在することによって、蛍光が第二基板内を進行する際に、基板の面に平行な方向に進行する距離が制限される。この結果、第二基板から取り出される蛍光の領域が制限され、高輝度の光源が実現される。

また、第二基板内に設けられた凹状孔部は、蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面から、蛍光プレートの面に達しない深さを有する。すなわち、蛍光プレートの面は大気には曝露されておらず、第二基板に覆われている。この結果、蛍光プレートによる発熱を第二基板によって排熱する効果は、ほとんど損なわれない。

また、第二基板の、蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面、すなわち光取り出し面には、凹状孔部よりも極めて微細な、ナノメートルオーダーの第一凹凸部が形成されている。このため、蛍光が第二基板の光取り出し面で全反射される量が低減される。

つまり、ナノメートルオーダーの径を有する第一凹凸部は、蛍光が光取り出し面で全反射する光量を削減する目的で設けられている。これに対し、マイクロメートルオーダーの径を有する凹状孔部は、第二基板内を面方向に進行する蛍光の拡がりを制限する目的で設けられている。

従って、上記の構成によれば、発光効率を低下させることなく、輝度を高めた発光素子が実現される。

なお、第一凹凸部の径は、３００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下で構成されており、凹状孔部の径は、１０μｍ以上７０μｍ以下で構成されているものとすることができる。

第二基板は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されるものとすることができる。より詳細には、前記第二基板は、サファイア、ＧａＮ、ＭｇＯ、又はＳｉＣのいずれかを少なくとも含む材料で構成されることができる。

前記第二基板は、前記第一基板の面に平行な方向に関し、前記蛍光プレートと同等の幅を有するものとしても構わない。

上述したように、第二基板には複数の凹状孔部が設けられており、第二基板の面に平行な方向に係る蛍光の拡がりは、この凹状孔部によって制限される。このため、第二基板を蛍光プレートと同等の幅で実現しても、蛍光プレートから発せられた蛍光の全て又は大部分を、第二基板の蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面、すなわち光取り出し面から外部に取り出すことができる。

前記凹状孔部は、当該凹状孔部の内側面に、当該凹状孔部の径よりも小さい径で形成された複数の第二凹凸部を有するものとしても構わない。

このような構成とすることで、第二基板内を進行した蛍光が、凹状孔部の側面に達した後、当該面で反射される光量を減らし、当該凹状孔部の側面から直接外部に取り出す光量を増やすことができる。つまり、凹状孔部の側面が光拡散面を構成する。

この第二凹凸部は、第二基板に対して凹状孔部を設けるときに形成されることができる。例えば、第二基板の面（蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面）の所定の箇所にレーザを照射したり、エッチングを施したり、フロスト加工を施すことで、凹状孔部を形成することができる。この加工の過程で、凹状孔部の内側面に微細な凹凸（上記第二凹凸部）が形成されるものとすることができる。

前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面は、
複数の前記凹状孔部が形成された第一領域と、
前記第一領域の外側であって、前記凹状孔部が形成されていない第二領域とを有するものとすることができる。

上述したように、第二基板に凹状孔部が設けられることで、第二基板内を面方向に進行する蛍光の拡がりが制限される。このため、蛍光が進行しない領域には凹状孔部の形成を行わない構成とすることができる。かかる構成とすることで、凹状孔部を形成する数を少なくすることができるため、製造工程の簡素化が図られる。

本発明に係る蛍光光源装置は、
前記発光素子と、
励起光を射出する励起光源とを有し、
前記励起光は、前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面であって、少なくとも前記第一凹凸部が形成されている領域内に照射されることを特徴とする。

上記構成によれば、発光効率を低下させることなく、輝度を高めた蛍光光源装置が実現される。

励起光の波長は、例えば４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下とすることができる。この場合、４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光が放射される蛍光光源が実現される。

前記凹状孔部は、前記励起光が照射される領域よりも外側に形成されているものとしても構わない。

上述したように、凹状孔部は、第二基板内を面方向に進行する蛍光の拡がりを制限する目的で設けられている。このため、凹状孔部が設けられている第二基板の領域に励起光が照射されなくても、上記の効果にほとんど影響がない。かかる構成とすれば、凹状孔部を形成する数を少なくすることができるため、製造工程の簡素化が図られる。

本発明によれば、発光面積を限定的にして高い輝度を実現することのできる発光素子及び蛍光光源装置が実現される。

一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。 発光素子の構成を模式的に示す斜視図である。 発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｂの一部拡大図である。 発光素子の構成を模式的に示す平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子の構成を模式的に示す別の平面図である。 発光素子に対して励起光が照射されたときの、励起光及び蛍光の光線の進行を模式的に示した図面である。 参考例１の構造を模式的に示す断面図である。 実施例１〜３と参考例１のエタンデュ毎の蛍光の光束を対比したグラフである。 実施例４〜６と参考例１のエタンデュ毎の蛍光の光束を対比したグラフである。 実施例１の条件において、凹状孔部の径を変更したときの蛍光の光束を、参考例１と対比したグラフである。 発光素子の構成を模式的に示す別の断面図である。 励起光の散乱角、及び凹状孔部の側面の傾斜角をそれぞれ変化させたときの、発光素子から発せられる蛍光光束の変化の態様をグラフにしたものである。 凹状孔部の側面の傾斜角を説明するための模式的な図面である。 従来の発光素子を模式的に示す図面である。 従来の発光素子に対して励起光が照射された場合の光線の進行を模式的に示す図面である。

本発明の発光素子及び蛍光光源装置の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［構成］
図１は、一実施形態の蛍光光源装置の構成を模式的に示す図面である。図１に示す蛍光光源装置１は、励起光源２と、ダイクロイックミラー３と、発光素子１０とを備える。

励起光源２は、例えば波長が４４５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の青色領域の光を出射する半導体レーザ素子を含む構成である。励起光源２は、必要に応じてコリメータレンズなどの光学系を備えていても構わない。

発光素子１０は、後述するように蛍光体を含む構成である。励起光源２から射出された励起光２１が発光素子１０に照射されると、発光素子１０に含まれる蛍光体が励起され、発光素子１０から蛍光２２が放射される。蛍光２２は、励起光２１よりも長波長の光であり、例えば、４７０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を有する。

図１に示される蛍光光源装置１において、ダイクロイックミラー３は、励起光源２から射出される励起光２１を透過し、発光素子１０から射出される蛍光２２を反射するように構成されている。ダイクロイックミラー３は、ミラー面が例えば励起光２１の入射角度に対して４５°の角度で傾斜するように配置されている。かかる構成とすることで、蛍光２２が蛍光光源装置１の外部に取り出され、例えば、図示しない後段の光学系に入射される。

図２Ａは、発光素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。図２Ｂは、発光素子１０の構成を模式的に示す断面図である。

発光素子１０は、第一基板１１と、第二基板１２と、反射層１３と、蛍光プレート１４と、接合層１５とを有する。

（第一基板１１）
第一基板１１は、蛍光プレート１４で発せられた熱を排熱するために設けられている。第一基板１１は、例えば熱伝導率が９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、具体的には例えば２３０〜４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である材料で構成される。このような材料の例としては、Ｃｕ、銅化合物（ＭｏＣｕ、ＣｕＷなど）、アルミニウムなどが挙げられる。

第一基板１１の厚みは、例えば０．５〜５ｍｍである。また、排熱性などの観点から、第一基板１１の表面における面積は、蛍光プレート１４の面積よりも大きいことが好ましい。

（接合層１５）
接合層１５は、第一基板１１と蛍光プレート１４とを接合する層であり、例えばハンダ材料からなる。排熱性などの観点から、接合層１５を構成する材料としては、例えば熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるものが用いられることが好ましい。より詳細には、例えば、Ｓｎ、Ｐｂなどの材料にフラックスやその他の不純物を混ぜてクリーム状（ペースト状）の形態としたクリームハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ、Ａｕ−Ｓｎ系ハンダなどを用いることができる。接合層１５の厚みは、例えば２０〜２００μｍである。

なお、図示していないが、第一基板１１と接合層１５との接合性の観点から、第一基板１１と接合層１５との間に、例えばメッキ法によって形成された、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ａｕ＝５０００〜１０００ｎｍ／１０００〜３０ｎｍとすることができる。

（反射層１３）
反射層１３は、蛍光プレート１４の、第二基板１２とは反対側の面に形成されている。この反射層１３は、蛍光プレート１４で生成された蛍光のうち、第二基板１２の光取り出し面１２ａとは反対側の面（第一基板１１側）に進行した蛍光を反射させて、光取り出し面１２ａ側に導くために設けられている。反射層１３は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜や、前記金属膜上に誘電体多層膜を形成した増反射膜などで構成されることができる。

なお、図示していないが、蛍光プレート１４と接合層１５との接合性の観点から、蛍光プレート１４の第二基板１２とは反対側の面、より具体的には、反射層１３の蛍光プレート１４とは反対側の面上に、例えば蒸着によって形成されたＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜、Ｎｉ／Ａｕ膜よりなる金属膜が形成されているものとしても構わない。この金属膜の厚みは、例えばＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ＝３０ｎｍ／５００ｎｍ／５００ｎｍとすることができる。

（蛍光プレート１４）
蛍光プレート１４は、反射層１３の上層に形成されている。蛍光プレート１４は、励起光源２から射出される励起光２１が入射されると、蛍光２２を放射する。蛍光プレート１４は、一例として矩形平板状の構造を示す。蛍光プレート１４の厚みは、例えば０．０５〜１ｍｍである。

蛍光プレート１４は、蛍光体が含有されてなり、具体的には、単結晶または多結晶の蛍光体よりなるもの、又は、単結晶若しくは多結晶の蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体よりなる。すなわち、蛍光プレート１４は、単結晶又は多結晶の蛍光体によって構成される。

蛍光プレート１４において用いられる蛍光体とセラミックバインダーとの混合物の焼結体は、例えば、セラミックバインダーとしてナノサイズのアルミナ粒子が用いられる。そして、この焼結体は、蛍光体１００質量％に対して数質量％〜数十質量％のセラミックバインダーを混合し、その混合物をプレスした後、焼成することによって得られるものを用いることができる。

蛍光プレート１４を単結晶の蛍光体で構成する場合には、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、るつぼ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、蛍光プレート１４を多結晶の蛍光体で構成する場合には、例えば以下のようにして得ることができる。まず、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用い、例えばスリップキャスト法によって成形体を形成して焼結する。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。

蛍光プレート１４を構成する蛍光体は、具体的には、希土類化合物がドープ（賦活）されたＹＡＧ蛍光体よりなるものを用いることができる。このような蛍光体において、希土類元素（賦活材）のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度とすることができる。希土類化合物としては、例えばＣｅ、Ｐｒ、又はＳｍなどを挙げることができる。すなわち、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。なお、蛍光プレート１４を、蛍光体に金属化合物が含めて構成しても構わない。

蛍光プレート１４が単結晶又は多結晶の蛍光体によって構成されることで、高い熱伝導性を有する。蛍光プレート１４の熱伝導率としては、例えば熱伝導率が６〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度とするのが好ましい。このように構成されることで、蛍光プレート１４で発生した熱が、第一基板１１側、及び後述する第二基板１２側に効率よく排熱され、蛍光プレート１４が高温となることが抑制される。

第一基板１１と蛍光プレート１４とは、例えば以下のようにして接合することができる。第一基板１１の面上に接合層１５を介して、反射層１３が形成された蛍光プレート１４を配置する。その後、例えば大気雰囲気または窒素ガス雰囲気とされた減圧下において、ハンダ材料の融点以上の温度に加熱して溶融する。その後、ハンダ材料を冷却して固化する。これにより、第一基板１１と蛍光プレート１４とが接合される。

（第二基板１２）
第二基板１２は、蛍光プレート１４の上層に形成されている。第二基板１２は、励起光源２から射出される励起光２１、及び蛍光プレート１４で生成される蛍光２２を透過する材料で構成されている。具体的には、第二基板１２は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されている。

また、第二基板１２は、第一基板１１と同様に、蛍光プレート１４で生成された熱を排熱する目的で設けられている。このため、第二基板１２は、熱伝導性の高い材料で構成されるのが好ましい。より具体的には、第二基板１２は、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を示す材料で構成されるのが好ましい。

以上の観点から、第二基板１２は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＭｇＯ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄などで構成されることができる。第二基板１２の厚みは、３０μｍ以上、１０００μｍ以下とすることができる。

上述したように、第二基板１２は、蛍光プレート１４とは反対側の面１２ａが光取り出し面を構成する。図２Ｃは、図２Ｂにおいて、第二基板１２の面１２ａ側近傍を拡大した図面である。

図２Ｃに示すように、第二基板１２は、この光取り出し面１２ａ側において、マイクロメートルオーダーの径を有する複数の凹状孔部３１を有する。この凹状孔部３１は、蛍光プレート１４の面が露出しない範囲内の深さを有する。一例として、凹状孔部３１の深さは、２０μｍ以上、８００μｍ以下とすることができる。

凹状孔部３１は、例えば径が１０μｍ以上、７０μｍ以下で構成されており、より好ましくは、３０μｍ以上、５０μｍ以下で構成されている。また、隣接する凹状孔部３１間の離間距離は、例えば１５μｍ以上、１５０μｍ以下で構成されており、より好ましくは、８０μｍ以上、１２０μｍ以下で構成されている。

凹状孔部３１は、円柱状、円錐状、円錐台状、角柱状、角錐状、角錐台状など、任意の形状を有することができる。図２Ｃでは、一例として凹状孔部３１の形状が円錐状の場合が図示されている。

また、第二基板１２は、光取り出し面１２ａ側において、複数の凹状孔部３１が形成されていない領域の少なくとも一部分に、ナノメートルオーダーの径を有する微細な第一凹凸部３２を有する。

第一凹凸部３２は、例えば径が３００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されており、より好ましくは、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されている。また、隣接する第一凹凸部３２間の離間距離は、例えば３６０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されており、より好ましくは、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されている。

つまり、第二基板１２は、光取り出し面１２ａ側に、複数の凹状孔部３１と、この凹状孔部３１の間隔や径と比べて極めて微細に形成された複数の第一凹凸部３２とが形成されている。

第二基板１２の光取り出し面１２ａ側に複数の凹状孔部３１を設けるときの態様は、種々の方法を採用することができる。図３Ａ〜図３Ｄは、いずれも発光素子１０を光取り出し面１２ａ側から見たときの模式的な平面図である。複数の凹状孔部３１は、光取り出し面１２のほぼ全体にわたって配置されても構わないし（図３Ａ参照）、光取り出し面１２ａの中央付近の領域にのみ配置されても構わない（図３Ｂ参照）。

すなわち、図３Ｂに示す発光素子１０においては、第二基板１２は、光取り出し面１２ａ側から見たときに、複数の凹状孔部３１が形成された第一領域４１と、この第一領域４１の外側であって、凹状孔部３１が形成されていない第二領域４２とを有することになる。後述するように、凹状孔部３１は、蛍光２２を第二基板１２の面に平行な方向に拡がって進行するのを抑制する機能を有する。このため、蛍光２２が進行しない領域内については凹状孔部３１を設けなくても構わない。図３Ｂのような構成とすることで、凹状孔部３１の形成本数が削減できるため、製造工数の削減が図られる。

更に、図３Ｃに示すように、図３Ｂの態様において光取り出し面１２の中心の近傍に対応する領域４３にのみ配置しない態様としても構わない。この場合、領域４３内に励起光２１が照射されるものとしても構わない。

また、複数の凹状孔部３１の配置形状は、任意であり、例えば図３Ｄに示すように、複数の凹状孔部３１を千鳥格子状に配置しても構わない。図３Ｂ及び図３Ｃの配置態様において、千鳥格子状に配置しても構わない。凹状孔部３１は、少なくとも２箇所以上に設けられていればよい。複数の凹状孔部３１が千鳥格子状に配置されることで、蛍光プレート１４から射出される蛍光の広がりが抑制される。

第二基板１２と蛍光プレート１４とは、例えば以下のようにして接合することができる。

第二基板１２と蛍光プレート１４の表面はＣＭＰにより研磨される。そして、両者が純水によって洗浄され、プラズマ処理によって両者の表面に対して活性化処理が施される。その後、第二基板１２と蛍光プレート１４とを貼り合わせ、２５０℃〜１０００℃の熱処理が施される。このとき、加圧処理を施しても構わない。かかる処理を行うことで、両者間に良好な接合面が得られる。

その後、第二基板１２の面１２ａ側に対して、エッチングなどの方法により、表面に微細な凹凸加工を施す。これにより、第一凹凸部３２が形成される。その後、所定の領域に、レーザを照射することで凹状孔部３１が形成される。より具体的には、レーザ径２０μｍ程度のピコ秒レーザを用い、レーザの光軸を同心円状に移動させながら第二基板１２の面１２ａを加工する。これにより、円錐形状又は円錐台形状の凹状孔部３１が得られる。

なお、仮に凹状孔部３１が第二基板１２を貫通した場合には、蛍光プレート１４が黒化し、同黒化部が発光しなくなる。これにより、蛍光の取り出し効率が低下してしまう。よって、凹状孔部３１は、蛍光プレート１４の面に達しない深さとなるように加工する必要がある。余裕度を考慮して、第二基板１２の面と、凹状孔部３１の底面との間の距離を１０μｍ以上確保するのが好ましい。

また、レーザを照射する以外の方法としては、エッチングを施したり、フロスト加工を施すことでも凹状孔部３１を形成することができる。より具体的な一例としては、第二基板１２の面１２ａに対してＳｉＣなどの微粒子を吹き付けることによって凹状孔部３１を形成することができる。

なお、第二基板１２の面に第一凹凸部３２及び凹状孔部３１を形成した後に、蛍光プレート１４と接合するものとしても構わない。

［作用］
上述したように、発光素子１０が凹状孔部３１を含む第二基板１２を備えたことで、排熱性を確保しながらも発光面積を制限できることにつき、説明する。図４は、発光素子１０に対して励起光２１が照射されたときの、励起光２１及び蛍光２２の光線の進行を模式的に示した図面である。

励起光２１が第二基板１２に入射されると、第二基板１２内を透過して蛍光プレート１４内へ侵入する。なお、第二基板１２の面１２ａ側には微細な第一凹凸部３１が形成されているため、当該第一凹凸部３１の面で反射される光量は少なく、大部分の光は第二基板１２内へと進行する。

励起光２１は、蛍光プレート１４内の蛍光体粒子１６に入射されると、蛍光体粒子１６が励起されて蛍光２２が生成される。蛍光２２のうち、一部の光は、隣接する蛍光体粒子１６の粒界で反射したり、反射層１３で反射することで、蛍光プレート１４の面に平行なｄ１方向に拡がりながら進行する。この光は、第二基板１２の面１２ａ側に設けられた凹状孔部３１の側面３１ａに入射されることで、当該面から外部に取り出されたり、又は当該面で反射されることで、第一凹凸部３２側に進行方向が変換される。すなわち、凹状孔部３１の側面３１ａに入射されることで、反射の回数が強制的に減らされるため、ｄ１方向への光の進行が抑制される。この結果、第二基板１２の光取り出し面１２ａ側の、限られた範囲内の領域から蛍光２２が取り出される。

［検証］
以下、実施例を用いて検証する。実施例１〜６は、いずれも上述した発光素子１０の構造を有し、第二基板１２の厚み、又は隣接する凹状孔部３１の間隔を異ならせたものである。また、参考例１は、発光素子１０において凹状孔部３１を備えない第二基板５１を備えた構成に対応する。図５は参考例１の発光素子５０の構造を模式的に示す断面図である。

実施例１〜６の条件は以下の通りである。

実施例１〜３は、いずれも、第二基板１２の厚みを１００μｍ、凹状孔部３１の深さを７０μｍ、径を４０μｍとした。また、実施例１は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を１００μｍとし、実施例２は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を１５０μｍとし、実施例３は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を２００μｍとした。

実施例４〜６は、いずれも、第二基板１２の厚みを３００μｍ、凹状孔部３１の深さを７０μｍ、径を４０μｍとした。また、実施例４は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を１００μｍとし、実施例５は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を１５０μｍとし、実施例６は隣接する凹状孔部３１同士の間隔を２００μｍとした。

なお、実施例１〜６及び参考例１は、その他の条件を同一としている。

図６Ａは、実施例１〜３と参考例１のエタンデュ毎の蛍光２２の光束を対比したグラフであり、図６Ｂは、実施例４〜６と参考例１のエタンデュ毎の蛍光２２の光束を対比したグラフである。いずれのグラフも、横軸はエタンデュを示し、縦軸は参考例１の素子が示す光束に対する相対値を示している。エタンデュ毎の光束は、例えば積分球を用いて測定することができる。

図６Ａ及び図６Ｂによれば、各実施例１〜６はいずれも参考例１と比べてエタンデュ毎の光束が上昇していることが分かる。

また、図６Ｃは、実施例１の条件において、凹状孔部３１の径を変更したときの蛍光２２の光束を、参考例１と対比したグラフである。図６Ｃにおいて、横軸は凹状孔部３１の径を示し、縦軸は参考例１の素子が示す光束に対する相対値を示している。なお、図６Ｃにおいて、凹状孔部３１の径が０である点が参考例１の素子に対応する。図６Ｃでは、エタンデュが６．８Ｓｒ・ｍｍ^２のときの光束の値を比較しているが、他のエタンデュの値においてもほぼ同様の結果が確認される。

図６Ｃによれば、凹状孔部３１の径を大きくするほど光束が上昇していることがわかる。なお、この傾向は、他の実施例でも同様に確認された。すなわち、凹状孔部３１の径や間隔によらず、第二基板１２の面１２ａ側に凹状孔部３１を設けることで、エタンデュ毎の光束が高められ、高い輝度の発光素子１０が実現されることが分かる。

また、上述したように、この凹状孔部３１は、底面が蛍光プレート１４の面に達しない範囲内の深さで構成されている。このため、蛍光プレート１４の上面は全て高い熱伝導性を示す第二基板１２と連絡されている。この結果、第二基板１２に凹状孔部３１を設けた発光素子１０においても、蛍光プレート１４で生じる熱を排熱する機能が維持されている。

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

〈１〉図７に示すように、凹状孔部３１の側面に微細に形成された第二凹凸部３３を設けるものとしても構わない。図７は、図２Ｃにならって、第二基板１２の近傍を拡大した模式図である。この構成によれば、凹状孔部３１の側面に入射された蛍光２２のうち、当該面を通じて外部に取り出す光量を高めることができる。このような第二凹凸部３３は、上述した方法によって、第二基板１２に対して凹状孔部３１を設ける過程で形成されるものとすることができる。この第二凹凸部３３は、凹状孔部３１の径よりも小さい径で形成されており、第一凹凸部３２と同様に、ナノメートルオーダーの径を有する。

第二凹凸部３３は、例えば径が３００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されており、より好ましくは、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されている。また、隣接する第二凹凸部３３間の離間距離は、例えば３６０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されており、より好ましくは、４００ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下で構成されている。

〈２〉図１に示したような、ダイクロイックミラー３を含む蛍光光源装置１の光学的な配置方法は、あくまで一例であり、どのような配置態様であっても構わない。

〈３〉図８は、励起光２１の散乱角、及び凹状孔部３１の側面の傾斜角をそれぞれ変化させたときの、発光素子１０から発せられる蛍光光束の変化の態様をグラフにしたものである。

ここで、凹状孔部３１の側面の傾斜角とは、図９に示すような領域３５の角度を指す。すなわち、第二基板１２に設けられた凹状孔部３１において、凹状孔部３１の側面と第二基板１２の基板面とがなす角度３５が凹状孔部３１の側面の傾斜角に対応する。例えば、凹状孔部３１を形成する際に照射するレーザの光軸を傾けることで、側面が傾斜した凹状孔部３１を形成することができる。この光軸の傾きを調整することで、凹状孔部３１の側面の傾斜角は制御される。

また、励起光２１の散乱角とは、第二基板１２に対して励起光を照射した場合において、光強度が最も高いピーク値を示す主光線と、ピーク値に対する１／ｅ²の値を示す光強度を示す光線とがなす角度に対応する。凹状孔部３１の側面の加工状態によって当該面上にも微細な凹凸（図７における第二凹凸部３３に相当）が形成され、この凹凸形状の程度によって、励起光２１の散乱角を調整することができる。すなわち、凹状孔部３１を形成する際に照射されるレーザの強度や時間等によって、凹状孔部３１の内側に照射される励起光２１の散乱角が制御される。

図８は、横軸を励起光２１の散乱角とし、縦軸を発光素子から発せられる蛍光光束の相対値としたときのグラフに対応する。ここで、図８における縦軸の値は、図５を参照して説明した参考例１の発光素子５０における蛍光光束の値を基準値（１００％）としたときの相対値である。

図８によれば、まず、散乱角を０°〜３０°まで変化させた場合において、傾斜角度が０°、７°、１５°、２３°、及び４５°のいずれの場合においても、参考例１の発光素子５０より蛍光光束の値が高いことが確認される。この結果は、第二基板１２に凹状孔部３１を設けたことで、光束が高められていることを示している。

また、図８によれば、凹状孔部３１の傾斜角度にかかわらず、散乱角が０°〜２７°の範囲内で蛍光光束が高められていることが確認された。特に、散乱角を１０°〜２０°の範囲内に設定することで、蛍光光束を更に高められることが確認された。

更に、図８によれば、散乱角を上記の範囲内に設定した場合においては、凹状孔部３１の傾斜角を小さくするほど高い蛍光光束が実現されることが確認された。すなわち、散乱角が０°〜２７°の範囲内で、且つ凹状孔部３１の傾斜角が０°〜１５°の範囲内である場合に、高い蛍光光束が実現されることが確認された。特に、散乱角が１０°〜２０°の範囲内で、且つ凹状孔部３１の傾斜角が０°〜１５°の範囲内である場合に、高い蛍光光束が実現される。

１ ： 蛍光光源装置
２ ： 励起光源
３ ： ダイクロイックミラー
１０ ： 発光素子
１１ ： 第一基板
１２ ： 第二基板
１２ａ ： 光取り出し面
１３ ： 反射層
１４ ： 蛍光プレート
１５ ： 接合層
１６ ： 蛍光体粒子
２１ ： 励起光
２２ ： 蛍光
３１ ： 凹状孔部
３１ａ ： 凹状孔部の側面
３２ ： 第一凹凸部
３３ ： 第二凹凸部
３５ ： 凹状孔部の側面の傾斜角
４１ ： 第一領域
４２ ： 第二領域
５０ ： 参考例１の発光素子
５１ ： 参考例１の発光素子が備える第二基板
１００ ： 従来の発光素子
１０１ ： 発光部
１０２ ： 透光性基板
１０３ ： 凹凸構造

Claims (8)

1. 第一基板と、
   前記第一基板の上層に形成された反射層と、
   前記反射層の上層に形成された、蛍光体を含む蛍光プレートと、
   前記蛍光プレートの上層に形成された、透光性の第二基板とを有し、
   前記第二基板は、
   前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面に形成され、マイクロメートルオーダーの径で、前記蛍光プレートの面に達しない深さを有する、複数の凹状孔部と、
   前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面の、少なくとも複数の前記凹状孔部に挟まれた領域において、ナノメートルオーダーの径で形成された複数の第一凹凸部と、を有することを特徴とする発光素子。
2. 前記第二基板は、前記第一基板の面に平行な方向に関し、前記蛍光プレートと同等の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記凹状孔部は、当該凹状孔部の内側面に、当該凹状孔部の径よりも小さい径で形成された複数の第二凹凸部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面は、
   複数の前記凹状孔部が形成された第一領域と、
   前記第一領域の外側であって、前記凹状孔部が形成されていない第二領域とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子。
5. 前記第二基板は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対して透光性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記第二基板は、サファイア、ＧａＮ、ＭｇＯ、又はＳｉＣのいずれかを少なくとも含む材料からなることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子と、
   励起光を射出する励起光源とを有し、
   前記励起光は、前記第二基板の、前記蛍光プレートが形成されている側とは反対側の面であって、少なくとも前記第一凹凸部が形成されている領域内に照射されることを特徴とする蛍光光源装置。
8. 前記凹状孔部は、前記励起光が照射される領域よりも外側に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の蛍光光源装置。

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