JP7140327B2 - 波長変換装置及び光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光の波長を変換する波長変換装置及び当該波長変換装置を含む光源装置に関する。
従来から、所定の波長（発光色）を有する光を放出する光源と、当該光源からの光の波長を変換して出力する波長変換装置とを組み合わせた光源装置が知られている。また、例えば、特許文献１には、出射光の指向性を高める光源装置として、光源及び波長変換媒体と、アンテナアレイとを有する照明装置が開示されている。
特開2018-13688号公報
上記したように、光学的なアンテナをアレイ状に配置することで、波長変換体から出射される光の指向性を高めることができる。しかし、当該アンテナアレイを有する照明装置は、波長変換体によって波長が変換された光を確実に高い指向性かつ高い光取り出し効率で出射させる点で、改善の余地を残している。
具体的には、例えば、当該アンテナアレイは、波長変換体を構成する蛍光体の表面上に形成される。そして、当該光源から出射されて蛍光体内に入射した光は、アンテナによる作用によって指向性を与えられ、狭角化された光として外部に出射される。
しかし、蛍光体内に存在する光のうち、アンテナによる作用を受けずに蛍光体内で吸収される光が存在する。また、蛍光体から出射される光であっても、例えば蛍光体からの出射角が比較的大きな光など、他の指向性を有する光の出射方向から大きく外れた方向に出射する光が存在する。
このように、波長変換体内において波長が変換された光のうち、アンテナ作用を受けない一部の光、また指向性を持って外部に取り出されない一部の光が存在する。高い指向性の光を高い光取り出し効率で出射させることを考慮すると、これらの一部の光の生成を最小限に抑えることが好ましい。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高い指向性及び光取出し効率を有する波長変換装置及び当該波長変換装置を含む光源装置を提供することを目的としている。
本発明による波長変換装置は、光入射面から入射した光の波長を変換して波長変換光を生成し、波長変換光を光出射面から出射する蛍光体プレートを有する波長変換体と、蛍光体プレートの光出射面上において周期的に配列された複数の光学アンテナからなるアンテナアレイと、蛍光体プレートの光出射面に設けられた少なくとも１つの凹部を含む凹部構造と、を有することを特徴としている。
また、本発明による光源装置は、当該波長変換装置と、蛍光体プレートに入射させる光を生成する光源と、を有することを特徴としている。
実施例１に係る光源装置の構成を示す図である。 実施例１に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの断面図である。 実施例１に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの上面図である。 実施例１に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの模式的な拡大断面図である。 実施例１の変形例に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの断面図である。 実施例２に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの断面図である。 実施例２に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの模式的な拡大断面図である。 実施例２の変形例１に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの模式的な拡大断面図である。 実施例２の変形例２に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの模式的な拡大断面図である。 実施例３に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの断面図である。 実施例４に係る光源装置における波長変換体及びアンテナアレイの断面図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
図１は、実施例１に係る光源装置１０の構成を示す図である。図１は、光源装置１０の模式的な断面図であるが、ハッチングを省略している。光源装置１０は、筐体１１に収容された光源１２、整形光学系１３、波長変換体１４及びアンテナアレイ１５を含む。また、光源装置１０は、波長変換体１４及びアンテナアレイ１５から出射された光を外部に投光する投光光学系１６を有する。光源装置１０は、例えば、車両用灯具などの灯具として用いられることができる。
光源１２は、所定の波長域の光を一次光Ｌ１として出射する。本実施例においては、光源１２は、レーザ光を一次光Ｌ１として生成するレーザ素子を有し、当該レーザ光を出射するレーザ光源である。光源１２は、例えば、当該レーザ素子として、半導体レーザを含む。光源１２は、例えば、４４０ｎｍ～４６０ｎｍの範囲にピーク波長を有する光（以下、青色光と称する場合がある）を一次光Ｌ１として出射する。なお、光源１２は、レーザ光源からなる場合に限定されない。例えば、光源１２は、発光ダイオードなどの他の発光素子を含む光源であってもよい。
整形光学系１３は、一次光Ｌ１を整形して二次光Ｌ２を生成する。整形光学系１３は、例えば、一次光Ｌ１としてのレーザ光のビーム形状を整形し、当該整形されたレーザ光を二次光Ｌ２として出射する。整形光学系１３は、例えば、集光レンズを含む。
波長変換体１４は、筐体１１内における二次光Ｌ２の光路上に設けられている。波長変換体１４は、入射した二次光Ｌ２の波長を変換し、二次光Ｌ２とは異なる波長を有する三次光Ｌ３を生成する。三次光Ｌ３は、波長変換体１４によって波長が変換された二次光Ｌ２である波長変換光Ｌ３１と、波長変換体１４を透過した二次光Ｌ２（すなわち波長が変換されていない二次光Ｌ２）である透過光Ｌ３２と、を含む。波長変換体１４は、この波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２を三次光Ｌ３として出射する。
アンテナアレイ１５は、波長変換体１４上に形成され、波長変換体１４から出射される三次光Ｌ３の配光制御を行う。本実施例においては、アンテナアレイ１５は、三次光Ｌ３のうち、主に波長変換光Ｌ３１の配光制御を行う。アンテナアレイ１５は、周期的に配置された複数の微細な光学アンテナを含む。また、波長変換体１４及びアンテナアレイ１５は、波長変換装置ＷＣを構成する。
本実施例においては、筐体１１には、光源１２を固定する開口と、波長変換体１４を固定する開口とが設けられている。整形光学系１３は、光源１２と波長変換体１４との間に配置されている。また、本実施例においては、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４における筐体１１の外部に面した表面上に配置されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ波長変換体１４及びアンテナアレイ１５の模式的な断面図及び上面図である。図２Ｂは、波長変換体１４におけるアンテナアレイ１５側の表面を模式的に示す平面図であり、図２Ａは、図２ＢのＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図２Ａ及び図２Ｂを用いて波長変換体１４及びアンテナアレイ１５について説明する。
波長変換体１４は、蛍光体を含む板状の蛍光体プレート１４Ａと、蛍光体プレート１４Ａの側面上に形成された光反射膜１４Ｂとを有する。本実施例においては、蛍光体プレート１４Ａの主面の一方は、波長変換体１４における二次光Ｌ２の入射面（以下、光入射面と称する）Ｓ１として機能する。また、蛍光体プレート１４Ａの他方の主面は、波長変換体１４における三次光Ｌ３の出射面（以下、光出射面と称する）Ｓ２として機能する。なお、アンテナアレイ１５は、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２上に形成されている。
波長変換体１４の蛍光体プレート１４Ａは、光入射面Ｓ１から二次光Ｌ２を受光する。蛍光体プレート１４Ａは、蛍光体プレート１４Ａ内において二次光Ｌ２の波長を変換し、波長変換光Ｌ３１を生成する。また、蛍光体プレート１４Ａは、二次光Ｌ２の一部を透過光Ｌ３２として透過させる。蛍光体プレート１４Ａは、これら波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２を含む三次光Ｌ３を光出射面Ｓ２から出射する。
例えば、蛍光体プレート１４Ａは、蛍光体材料を焼結させた単相のセラミックプレートからなる。本実施例においては、蛍光体プレート１４Ａは、セリウムを発光中心とした単相のイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体を焼結した透明なセラミックプレートからなる。
蛍光体プレート１４Ａが単相の蛍光体からなる透明なセラミックプレートからなる場合、透過光Ｌ３２は、入射した二次光Ｌ２の配光特性を維持した状態で蛍光体プレート１４Ａから出射される（蛍光体プレート１４Ａを透過する前後で同じ進行方向を有する）。従って、例えば、二次光Ｌ２として光源１２からのレーザ光が蛍光体プレート１４Ａに入射した場合、透過光Ｌ３２は、当該レーザ光とほぼ同じ配光特性を有する。
なお、蛍光体プレート１４Ａは、セラミックプレートからなる場合に限定されない。例えば、蛍光体プレート１４Ａは、蛍光体粒子を含むバインダを板状に成形したものであってもよい。例えば、蛍光体プレート１４Ａは、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の粉末を透明バインダ中に分散させて固めたものであってもよい。
例えば、波長変換体１４の蛍光体プレート１４Ａは、波長変換光Ｌ３１として、５００ｎｍ～８００ｎｍの波長帯域の光（以下、黄色光と称する場合がある）を生成する。従って、本実施例においては、波長変換体１４の光出射面Ｓ２からは、三次光Ｌ３として、黄色光（波長変換光Ｌ３１）及び青色光（透過光Ｌ３２）が混色され、白色光として視認される光が出力される。
また、光反射膜１４Ｂは、蛍光体プレート１４Ａ内の波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の一部を光出射面Ｓ２に向けて反射させる。従って、波長変換体１４の光出射面Ｓ２からの光取り出し効率が向上する。光反射膜１４Ｂは、例えば、蛍光体プレート１４Ａの側面上に設けられた金属膜、光学多層膜及び白色樹脂膜などからなる。なお、波長変換体１４は、光反射膜１４Ｂを有していなくてもよい。
次に、アンテナアレイ１５について説明する。本実施例においては、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４の光出射面Ｓ２上に形成され、蛍光体プレート１４Ａ内における透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）の光学波長よりも十分に大きな周期（アンテナ周期）Ｐで配置された複数の光学アンテナ（以下、単にアンテナと称する）１５Ａを有する。本実施例においては、複数のアンテナ１５Ａは、波長変換光Ｌ３１の蛍光体プレート１４Ａ内における波長に対応する周期Ｐで配列されている。
本実施例においては、これらアンテナ１５Ａの各々は、柱状又は錐状の金属突起である。また、本実施例においては、アンテナ１５Ａの各々は、円柱形状を有し、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体からなる。
また、本実施例においては、アンテナ１５Ａの各々は互いに同程度のアンテナ高さＨ１及びアンテナ幅（直径）Ｗを有する。なお、アンテナ１５Ａが柱状又は錐状の形状を有する場合、アンテナ幅Ｗとはアンテナ１５Ａの最大幅をいう。例えば、アンテナ高さＨ１は５０～３００ｎｍであり、アンテナ幅Ｗは５０～３００ｎｍである。また、本実施例においては、これら複数のアンテナ１５Ａは、波長変換体１４の光出射面Ｓ２上において正方格子状に配列されている。
次にアンテナアレイ１５の作用（以下、アンテナ作用と称する場合がある）について説明する。アンテナアレイ１５の各アンテナ１５Ａに波長変換光Ｌ３１が照射されると、アンテナ１５Ａの表面での局在表面プラズモン共鳴によってアンテナ１５Ａの近傍の電場の強度が増大する。また、アンテナ１５Ａが配置される周期Ｐを波長変換光Ｌ３１の光学波長程度とすることで、隣接する個々のアンテナ１５Ａの局在表面プラズモン共鳴が光回折を介した共振を起こし、アンテナ１５Ａの近傍の電場の強度がさらに増大される。従って、波長変換光Ｌ３１の光取り出し効率が向上する。
この電場増強の結果、波長変換光Ｌ３１は、増幅され、また、狭角な配光特性（低エタンデュ）となってアンテナアレイ１５から出射される。すなわち、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４内の波長変換光Ｌ３１を増強し、また、波長変換光Ｌ３１の出射方向を絞ると同時に波長変換光Ｌ３１の光取り出し効率を向上させる機能を有する。
なお、アンテナアレイ１５は、アンテナ周期Ｐを対象となる光の波長（媒体内波長）程度又はこれよりも少し大きくすることで、高いアンテナ作用を生じさせる。従って、例えば、蛍光体プレート１４ＡがＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体からなる場合、波長変換光Ｌ３１は、５００～８００ｎｍの波長を有し、蛍光体プレート１４Ａは約１．８２の屈折率を有する。従って、大きなアンテナ作用を得ることを考慮すると、アンテナ周期Ｐは、３００ｎｍ～５００ｎｍ程度とするのが好ましい。
一方、アンテナ１５Ａは、蛍光体プレート１４Ａ内における透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）の光学波長よりも十分に大きな周期Ｐで配置されている。これによって、透過光Ｌ３２に対しては、アンテナ作用は生じない。すなわち、透過光Ｌ３２は、整形光学系１３によって整形された二次光Ｌ２の配光特性（強度及び形状）が維持された状態で、アンテナアレイ１５から出射される。本実施例においては、二次光Ｌ２の波長は４５０ｎｍである。従って、本実施例においては、アンテナ周期Ｐは、例えば、３００ｎｍ以上である。
換言すれば、アンテナアレイ１５は、波長変換光Ｌ３１（例えば黄色光）の強度及び指向性を調節する機能を有する。一方、アンテナアレイ１５は、蛍光体プレート１４Ａ内で波長変換されなかった二次光Ｌ２（例えば青色光）を素通りさせる。
このように、蛍光体プレート１４Ａが透明なセラミックプレートからなること、及びアンテナアレイ１５が波長変換光Ｌ３１にのみアンテナ作用を生じさせるように構成されていることによって、三次光Ｌ３のうちの透過光Ｌ３２は蛍光体プレート１４Ａ及びアンテナアレイ１５を素通りする。従って、例えば光源１２がレーザ光を出射するなど、透過光Ｌ３２となる光である二次光Ｌ２の指向性及び出力を調節することで、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の両方を高い指向性及び出力で生成することができる。
なお、本実施例においては、アンテナ周期Ｐが二次光Ｌ２（透過光Ｌ３２）の媒体内波長よりも十分に大きな周期となるようにアンテナアレイ１５が構成されている場合について説明した。しかし、アンテナアレイ１５の構成はこれに限定されない。例えば、アンテナアレイ１５は、互いにアンテナ周期Ｐが異なる複数のアンテナアレイセグメントを有していてもよい。アンテナアレイ１５は、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２上に周期的に配置された複数のアンテナ１５Ａを有していればよい。
次に、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、波長変換装置ＷＣは、波長変換体１４の蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２（すなわちアンテナアレイ１５が設けられた面）に形成された複数の凹部Ｒ１を含む凹部構造１７を有する。本実施例においては、凹部構造１７は、凹部Ｒ１の各々として、アンテナアレイ１５におけるアンテナ１５Ａの配列方向に沿って延びる複数の溝を有する。
また、本実施例においては、凹部Ｒ１としての溝は、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２におけるアンテナアレイ１５が形成された領域を格子状に区画するように設けられている。例えば、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２を見たとき、凹部構造１７は、隣接する凹部Ｒ１間に所定周期以上（例えば１０周期以上）のアンテナ１５Ａが配列されるように、配置されている。
図３は、図２Ａの破線で囲まれた部分を拡大して示す拡大断面図である。図３においては、図の明確さのため、ハッチングを省略している。図３を用いて、凹部構造１７の詳細及びその作用について説明する。
まず、本実施例においては、凹部構造１７の凹部Ｒ１は、略矩形の断面構造を有する溝として蛍光体プレート１４Ａに設けられている。本実施例においては、凹部Ｒ１は、光出射面Ｓ２に垂直に延びる側面（側壁面）と、光出射面Ｓ２に平行に延びる底面とを有する。凹部Ｒ１は、例えば、蛍光体プレート１４Ａの一部を除去することで、形成することができる。
また、図３に示すように、本実施例においては、凹部Ｒ１の側面ＲＳ１は、凹凸からなる粗面構造を有する。また、本実施例においては、凹部Ｒ１は、アンテナ１５Ａのアンテナ高さＨ１よりも大きな深さＨ２を有する。本実施例においては、凹部Ｒ１は、アンテナ高さＨ１の数倍の深さＨ２を有する。
次に、凹部構造１７の作用について説明する。凹部構造１７は、蛍光体プレート１４Ａ内に存在する光（以下、出射前の三次光と称する場合がある）Ｌ３０、すなわち、出射する前の波長変換光Ｌ３１の一部を散乱させる機能を有する。
具体的には、蛍光体プレート１４Ａ内における出射前の三次光Ｌ３０の一部は、蛍光体プレート１４Ａの内部から、凹部Ｒ１の側面ＲＳ１に到達する。出射前の三次光Ｌ３０の一部は、側面ＲＳ１によって、その伝搬方向が変化する。本実施例においては、出射前の三次光Ｌ３０の一部は、散乱光Ｌ３０Ａとなって複数の光に分割され、その一部が蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２に略平行な方向に進む。
換言すれば、凹部構造１７は、出射前の三次光Ｌ３０を蛍光体プレート１４Ａにおける光出射面Ｓ２の近傍の領域に留めさせる。また、凹部構造１７は、出射前の三次光Ｌ３０の一部を、最もアンテナ作用効果が高い方向である、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２に平行な方向に伝搬させる。また、出射前の三次光Ｌ３０は、蛍光体プレート１４Ａ内において、アンテナ１５Ａの配列方向に沿った方向に伝搬することとなる。これによって、蛍光体プレート１４Ａの内部における光出射面Ｓ２の近傍の領域の電場強度が増大する。
散乱光Ｌ３０Ａ（本実施例においては散乱光Ｌ３０Ａとなった波長変換光Ｌ３１）は、確実にアンテナアレイ１５によるアンテナ作用を受けることとなる。具体的には、アンテナアレイ１５のアンテナ作用は、蛍光体プレート１４Ａ内におけるアンテナ１５Ａの近傍の領域で最も強く生ずる。図３には、アンテナ作用が強く生ずる領域（以下、アンテナ作用領域と称する場合がある）ＡＡを破線で示した。また、アンテナ作用領域ＡＡの光出射面Ｓ２からの深さは、アンテナ１５Ａの高さＨ１と同程度であると考えられている。
散乱光Ｌ３０Ａのようにアンテナ１５Ａの近傍においてアンテナ１５Ａの配列方向に沿って伝搬する光は、高いアンテナ作用を示し、またアンテナ作用領域ＡＡに長く留まることとなる。そして、散乱光Ｌ３０Ａは、その伝搬途中で確実にアンテナ１５Ａによって捕捉される。
従って、散乱光Ｌ３０Ａは、ほぼ確実にアンテナ作用を受けるため、確実に狭角配光化されつつ高い光取出し効率で波長変換体１４及びアンテナアレイ１５から出射する。また、凹部Ｒ１の深さＨ２をアンテナ高さＨ１よりも大きくすることで、散乱光Ｌ３０Ａのようなアンテナ作用領域ＡＡに長く留まるような方向に向けて進む光を増大させることができる。例えば、アンテナ高さＨ１が５０～３００ｎｍの範囲内の場合、凹部Ｒ１の深さＨ２は、少なくとも１００ｎｍ以上であればよく、５００ｎｍ以上であることが好ましい。
なお、散乱光Ｌ３０Ａのうち、透過光Ｌ３２となる光成分は、波長が変換されて波長変換光Ｌ３１となるか、又はアンテナ作用を受けずに蛍光体プレート１４Ａ内を伝搬する。そして、波長変換光Ｌ３１となった散乱光Ｌ３０Ａは、アンテナ作用を受けて光出射面Ｓ２から出射される。一方、依然として波長が変換されない散乱光Ｌ３０Ａは、光反射膜１４Ｂ又は光入射面Ｓ１によって反射された後に、光出射面Ｓ２から出射される。
このように、凹部構造１７をアンテナアレイ１５の近傍に設けることで、蛍光体プレート１４Ａ内において生成された波長変換光Ｌ３１がアンテナ作用を受けて狭角配光化されて、投光光学系１６に向けて出射される。
また、本実施例においては、蛍光体プレート１４Ａが透明なセラミックプレートからなる。従って、例えば光源１２としてレーザ光源を用いることで、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ２の両方に高い指向性及び出力を付与しつつ、両者の強度比を容易に均一化することができる。従って、色ムラが少なく、高い指向性及び光取り出し効率の三次光Ｌ３を得ることが可能な光源装置１０を提供することができる。
また、光源１２がレーザ光源である場合のみならず、波長変換体１４の蛍光体プレート１４Ａに入射させる光（本実施例においては二次光Ｌ２）に所定の配光特性を持たせるだけで、容易に色ムラが少ない高指向性な波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２を出射することが可能な波長変換構造を提供することができる。
なお、本実施例においては、アンテナ１５Ａが正方格子状に配列され、凹部構造１７が凹部Ｒ１としてアンテナ１５Ａの配列方向に沿って格子状に延びる溝を有する場合について説明した。しかし、アンテナアレイ１５及び凹部構造１７の構成はこれに限定されない。
例えば、アンテナ１５Ａは、三角格子状に配列されていてもよい。また、凹部構造１７は、溝状に設けられていなくてもよく、島状に設けられていてもよい。また、凹部構造１７の凹部Ｒ１は、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２におけるアンテナ１５Ａが形成された領域内に設けられていればよい。また、凹部構造１７は、少なくとも１つの凹部Ｒ１を有していればよい。
また、本実施例においては、凹部構造１７の凹部Ｒ１が矩形の断面形状を有し、また凹凸によって粗面化された側面ＲＳ１を有する場合について説明した。しかし、凹部Ｒ１の構成はこれに限定されない。例えば、凹部Ｒ１の内壁面が曲面形状を有していてもよい。この場合、例えば、高効率で散乱光Ｌ３０Ａを生成することを考慮すると、凹部Ｒ１は粗面化された内壁面を有していればよい。
このように、本実施例においては、波長変換装置ＷＣは、光入射面Ｓ１から入射した光（本実施例においては二次光Ｌ２）の波長を変換して波長変換光Ｌ３１を生成し、光出射面Ｓ２から波長変換光Ｌ３１を出射する蛍光体プレート１４Ａを含む波長変換体１４と、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２上において周期的に配列された複数のアンテナ１５Ａからなるアンテナアレイ１５と、蛍光体プレート１４Ａの光出射面Ｓ２に設けられた少なくとも１つの凹部Ｒ１を含む凹部構造１７と、を有する。
また、本実施例においては、光源装置１０は、波長変換装置ＷＣと、蛍光体プレート１４Ａの光入射面Ｓ１に入射させる光（本実施例においては一次光Ｌ１）を出射する光源１２と、を含む。また、光源１２は、レーザ光を生成するレーザ光源である。従って、高い指向性及び光取出し効率を有する波長変換装置ＷＣ及び光源装置１０を提供することができる。
図４は、実施例１の変形例に係る光源装置１０Ａにおける波長変換装置ＷＣＡの断面図である。光源装置１０Ａは、波長変換装置ＷＣＡの構成を除いては、光源装置１０と同様の構成を有する。波長変換装置ＷＣＡは、凹部構造１７の凹部Ｒ１内に設けられた光反射部１８を有する点を除いては、波長変換装置ＷＣと同様の構成を有する。本変形例においては、凹部Ｒ１内に、光反射部１８として、樹脂材料又は金属材料が充填されている。光反射部１８は、波長変換光Ｌ３１に対して反射性を有する。
波長変換装置ＷＣＡが凹部Ｒ１内に光反射部１８を有することで、凹部構造１７に入射した光（本実施例においては出射前の三次光Ｌ３）が反射しつつ拡散する。これによって、凹部Ｒ１から放出された光（本実施例においては散乱光Ｌ３０Ａ）がアンテナ作用領域ＡＡに向かって進む可能性が高くなる。従って、より多くの光がアンテナ作用を受け、高効率で狭角配光化された波長変換光Ｌ３１を得ることができる。従って、高い指向性及び光取出し効率を有する波長変換装置ＷＣＡに及び光源装置１０Ａを提供することができる。
図５Ａは、実施例２に係る光源装置２０の波長変換装置ＷＣ１の断面図である。また、図５Ｂは、図５Ａの破線で囲まれた部分を拡大して示す拡大断面図である。図５Ｂにおいては、図の明確さのため、ハッチングを省略している。図５Ａ及び図５Ｂを用いて、波長変換装置ＷＣ１について説明する。
波長変換装置ＷＣ１は、波長変換体２１及び凹部構造２２の構成を除いては、波長変換装置ＷＣと同様の構成を有する。波長変換装置ＷＣ１においては、波長変換体２１は、Ｖ字状の断面形状を有する溝を有する蛍光体プレート２１Ａを有する点を除いては、波長変換体１４と同様の構成を有する。凹部構造２２は、このＶ字状の溝を凹部Ｒ２として有する。
具体的には、凹部構造２２の凹部Ｒ２は、各々が蛍光体プレート２１Ａの光出射面Ｓ２に対して傾斜し、互いに対向する側面ＲＳ２を有する。なお、側面ＲＳ２は、凹部Ｒ１の側面ＲＳ１と同様に、アンテナ１５Ａの配列方向に沿って延びている。換言すれば、凹部構造２２は、凹部Ｒ２として複数のＶ字溝を有する。
凹部Ｒ２のように、光出射面Ｓ２に対して傾斜した側面ＲＳ２を有する場合、側面ＲＳ２に入射した光の一部を屈折させ、当該屈折した光を側面ＲＳ２から出射させることができる。すなわち、本実施例においては、凹部Ｒ２は、凹部Ｒ１のようにアンテナ作用を受ける光を増大させる機能に加え、蛍光体プレート２１Ａからの光取り出し効率を向上させる機能を有する。
また、本実施例においては、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２は、平滑面であることが好ましい。具体的には、図５Ｂに示すように、蛍光体プレート２１Ａ内に存在する光のうち、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２に臨界角以上の角度で入射する光Ｌ３０１は、平滑な側面ＲＳ２によって全反射される。この反射光Ｌ３０１Ａの一部は、蛍光体プレート２１Ａ内においてアンテナ１５Ａの配列方向に沿った方向（光出射面Ｓ２に略平行な方向）にその伝搬方向が変えられる。この反射光Ｌ３０１Ａは、実施例１における散乱光Ｌ３０Ａと同様に、高い確率でアンテナ作用を受け、狭角な配光特性を有する三次光Ｌ３（波長変換光Ｌ３１）として出射される。
一方、蛍光体プレート２１Ａ内に存在する光のうち、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２に臨界角未満の角度で入射する光Ｌ３０２及びＬ３０３は、側面ＲＳ２によって屈折して外部に取り出される。まず、当該臨界角未満の角度で入射した一部の光Ｌ３０２は、屈折により照明方向（光出射面Ｓ２の法線方向、三次光Ｌ３の光軸方向又は狭角方向ともいう）に曲げられ、狭角配光を有する三次光Ｌ３として出射される。
さらに、当該臨界角未満の角度で側面ＲＳ２に入射し、側面ＲＳ２によって広角方向（光出射面Ｓ２に平行な方向、アンテナ１５Ａの配列方向ともいう）に屈折した他の光Ｌ３０３は、蛍光体プレート２１Ａから出射した後、当該出射した側面ＲＳ２に対向する側面ＲＳ２から再度蛍光体プレート２１Ａに入射する。また、光Ｌ３０３は、アンテナ１５Ａの配列方向に略平行な方向にその伝搬方向が変えられる。そして、光３０３Ａは、実施例１の照明装置１０における散乱光Ｌ３０Ａと同様に、高い確率でアンテナ作用を受け、狭角な配光特性を有する三次光Ｌ３（波長変換光Ｌ３１）として出射される。
すなわち、傾斜した側面ＲＳ２を有する凹部Ｒ２によって、凹部Ｒ２は、アンテナ作用を増大させ、光取り出し効率を向上させるのみならず、側面ＲＳ２で反射又は出射される光を、屈折又はアンテナ作用によって狭角な配光特性を付与した上で、外部に出射させることができる。
なお、アンテナ作用の増大及び光取出し効率の向上を両立させることを考慮すると、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２がなす角度（本実施例においては凹部Ｒ２の頂角）ＡＧは、９０度以下であることが好ましい。さらに、蛍光体プレート２１ＡにＹＡＧ：Ｃｅの単相蛍光体を用いる場合は、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２がなす角度を約６０度とすることで、側面ＲＳ２の法線方向に放出される光が蛍光体プレート２１Ａに再度入射し、これにによってアンテナ１５Ａの配列方向に対して略平行に進む光を増大させることができる。従って、凹部Ｒ２の側面ＲＳ２がなす角度は、約６０度であることがより好ましい。また、本実施例においては、高効率な光Ｌ３０２の屈折及び反射光Ｌ３０１Ａの生成を考慮すると、側面ＲＳ２は平滑面であることが好ましい。
なお、本実施例においては、凹部Ｒ２がＶ字状の溝として形成され、その２つの側面ＲＳ２の各々が蛍光体プレート２１Ａの光出射面Ｓ２に対して傾斜している場合について説明した。しかし、凹部Ｒ２の形状はこれに限定されない。例えば、凹部Ｒ２は、錐状に窪んだ島状の凹部であってもよい。また、凹部Ｒ２は、蛍光体プレート２１Ａの光出射面Ｓ２に対して傾斜した側面を有していればよい。
図６Ａは、実施例２の変形例１に係る光源装置２０Ａにおける波長変換装置ＷＣ２１の断面図である。図６Ａにおいては、図の明確さのため、ハッチングを省略している。波長変換装置ＷＣ２１は、凹部構造２２Ａ（凹部Ｒ２１）及び蛍光体プレート２１Ｂの構成を除いては、凹部構造２２と同様の構成を有する。凹部構造２２Ａは、互いに異なる角度で蛍光体プレート２１Ｂの光出射面Ｓ２から傾斜した複数の側面ＲＳ２１及びＲＳ２２を有する。
本変形例においては、凹部Ｒ２１は、蛍光体プレート２１Ｂの光出射面Ｓ２から、相対的に小さな角度で傾斜した側面ＲＳ２１と、側面ＲＳ２１における光出射面Ｓ２とは反対側の端部から、側面ＲＳ２１よりも大きな角度で傾斜した側面ＲＳ２２とを有する。凹部Ｒ２１は、側面ＲＳ２１及びＲＳ２２をそれぞれ２つずつ有するようにＶ字状に窪んだ溝である。また、凹部Ｒ２１は、その底部において２つの側面ＲＳ２２が互いに接するように構成されている。
凹部Ｒ２１は、このように２段階で傾斜した側面ＲＳ２１及びＲＳ２２を有していてもよい。この場合、例えば、アンテナ作用の増大及び光取出し効率の向上を両立させることを考慮すると、２つの側面ＲＳ２２がなす角度が９０度以下であることが好ましい。
図６Ｂは、実施例２の変形例２に係る光源装置２０Ｂにおける波長変換装置ＷＣ２２の断面図である。図６Ｂにおいては、図の明確さのため、ハッチングを省略している。波長変換装置ＷＣ２２は、凹部構造２２Ｂ（凹部Ｒ２２）及び蛍光体プレート２１Ｃの構成を除いては、凹部構造２２と同様の構成を有する。凹部構造２２Ｂは、連続的に角度が変化するように蛍光体プレート２１Ｃの光出射面Ｓ２から傾斜した側面ＲＳ２３を有する。
本変形例においては、凹部Ｒ２２は、蛍光体プレート２１Ｃの光出射面Ｓ２から、連続的に屈曲しつつ窪んだ凹部からなる。また、凹部Ｒ２２の側面ＲＳ２３は、曲面形状を有する。凹部構造２２Ｂのように、凹部Ｒ２２が曲面形状の側面ＲＳ２３を有していてもよい。なお、凹部Ｒ２２が曲面形状の側面ＲＳ２３を有することで、種々の方向から側面ＲＳ２３に入射する光を安定して反射又は屈折させることができる。従って、アンテナ作用を受ける光を安定して増大させることができ、また光取り出し効率を向上させることができる。
このように、本実施例においては、凹部構造２２は、蛍光体プレート２１Ａの光出射面Ｓ２に対して傾斜した側面を有する凹部Ｒ２を有する。従って、高い指向性及び光取出し効率を有する波長変換装置ＷＣ１に及び光源装置２０を提供することができる。
図７は、実施例３に係る光源装置３０における波長変換装置ＷＣ３の断面図である。波長変換装置ＷＣ３は、蛍光体プレート３１Ａ及び光反射膜３１Ｂの構成を除いては、波長変換装置ＷＣと同様の構成を有する。波長変換装置ＷＣ３においては、蛍光体プレート３１Ａは、光出射面Ｓ２から光入射面Ｓ１に向かって窄んだ側面（傾斜側面）ＳＳ１を有する。
本実施例においては、蛍光体プレート３１Ａは、光入射面Ｓ１から、蛍光体プレート３１Ａの外側に広がるように光入射面Ｓ１から錐状に傾斜して延びる側面ＳＳ１と、側面ＳＳ１から光入射面Ｓ１に垂直に延びる側面ＳＳ２とを有する。
蛍光体プレート３１Ａが側面ＳＳ１を有することで、蛍光体プレート３１Ａ内に存在する光のうち、蛍光体プレート３１Ａの側面間を繰り返し反射し続けていた光の一部を光入射面Ｓ１に向かって戻って来る光の一部を光出射面Ｓ２に向かって反射させることができる。従って、当該側面ＳＳ１によって反射された光は、光出射面Ｓ２から出射される機会が増加する。これによって、蛍光体プレート３１Ａからの光取出し効率が向上する。
また、本実施例においては、波長変換体３１においては、光反射膜３１Ｂは、蛍光体プレート３１Ａの側面ＳＳ１及びＳＳ２の両方に設けられている。従って、側面ＳＳ１及びＳＳ２における光の反射率が向上し、より多くの光を蛍光体プレート３１Ａから取り出すことができる。また、より多くの光を光出射面Ｓ２に向けて反射させることを考慮すると、側面ＳＳ１は、蛍光体プレート３１Ａの側面における光出射面Ｓ２（凹部Ｒ１が形成されている側の面）から離れた領域（例えば光入射面Ｓ１に接する側面の領域）に設けられていることが好ましい。
なお、本実施例においては、波長変換体３１の蛍光体プレート３１Ａが側面ＳＳ１及びＳＳ２を有し、光反射膜３１Ｂが側面ＳＳ１及びＳＳ２の各々に設けられる場合について説明した。しかし、波長変換体３１の構成はこれに限定されない。例えば、波長変換体３１は、側面ＳＳ２を有していなくてもよい。また、蛍光体プレート３１Ａは、光入射面Ｓ１から光出射面Ｓ２に向かって窄んだ傾斜側面（錐状に傾斜した側面部分）を有していてもよい。また、光反射膜３１Ｂが設けられなくてもよい。
このように、本実施例においては、蛍光体プレート３１Ａは、光出射面Ｓ２に対して傾斜した側面ＳＳ１を有する。従って、高い指向性及び光取出し効率を有する波長変換装置ＷＣ３に及び光源装置３０を提供することができる。
図８は、実施例４に係る光源装置４０における波長変換装置ＷＣ４の断面図である。波長変換装置ＷＣ４は、波長変換体１４に加え、光反射構造４１、支持体４２及び反射防止構造４３を有する。
波長変換装置ＷＣ４は、波長変換体１４における光入射面Ｓ１上に設けられた波長変換光３１に対して反射性を有する光反射構造４１、光反射構造４１を介して波長変換体１４を支持する支持体４２を有する。また、波長変換装置ＷＣ４は、支持体４２の光源１２側に設けられた反射防止構造４３を有する。
光反射構造４１は、二次光Ｌ２に対して透過性を有し、波長変換光Ｌ３１に対して反射性を有する。例えば、光反射構造４１は、蛍光体プレート１４Ａの光入射面Ｓ１に設けられたダイクロイックミラーからなる。なお、光反射構造４１がダイクロイックミラーからなる場合、光源１２はレーザ光源であることが好ましい。
支持体４２は、二次光Ｌ２に対して透過性を有する材料からなる基板である。例えば、支持体４２は、透明であり高い熱伝導率を有する材料、例えば、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＡｌＮ及びＧａＮなどからなる。また、反射防止構造４３は、例えば二次光Ｌ２を高効率で透過させる反射防止膜からなる。なお、反射防止構造４３は、支持体４２の光反射構造４１側に設けられていてもよい。
波長変換装置ＷＣ４においては、二次光Ｌ２は、反射防止構造４３、支持体４２及び光反射構造４１を透過した後、波長変換体１４の蛍光体プレート１４Ａに入射する。また、蛍光体プレート１４Ａ内において生成された波長変換光Ｌ３１のうち、光入射面Ｓ１に向かって進む光は、光反射構造４１によって光出射面Ｓ２に向かって進む。また、波長変換体１４において発生した熱は、支持体４２を介して外部に放出される。従って、高い剛性及び放熱性を有し、また高い動作安定性及び長寿命な波長変換装置ＷＣ４となる。
このように、波長変換装置ＷＣ４は、蛍光体プレート１４Ａの光入射面Ｓ１に設けられ、波長変換光Ｌ３１に対して反射性を有しかつ蛍光体プレート１４Ａへの入射光に対して透過性を有する光反射構造４１と、光反射構造４１を介して蛍光体プレート１４Ａを支持する支持体４２と、支持体４２上に設けられた反射防止構造４３と、を有する。従って、高い指向性及び光取出し効率を有するのみならず、高い動作安定性を有する長寿命な波長変換装置ＷＣ４に及び光源装置４０を提供することができる。
１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０、４０ 光源装置
ＷＣ、ＷＣＡ、ＷＣ１、ＷＣ２、ＷＣ２１、ＷＣ２２、ＷＣ３、ＷＣ４
１４、２１、２２、３１ 波長変換体
１４Ａ、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、３１Ａ 蛍光体プレート
１５ アンテナアレイ
１５Ａ 光学アンテナ
１７、２２、２２Ａ、２２Ｂ 凹部構造
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１、Ｒ２２ 凹部

Claims (11)

  1. 光入射面から入射した光の波長を変換して波長変換光を生成し、前記波長変換光を光出射面から出射する蛍光体プレートを有する波長変換体と、
    前記蛍光体プレートの前記光出射面上において周期的に配列された複数の光学アンテナからなるアンテナアレイと、
    前記蛍光体プレートの前記光出射面に設けられた少なくとも１つの凹部を含む凹部構造と、
    前記蛍光体プレートに入射させる光を生成する半導体光源と、を有し、
    前記複数の光学アンテナは、格子状に配列され、
    前記凹部構造は、前記蛍光体プレートの前記光出射面において前記複数の光学アンテナの配列方向に沿って格子状に延びる複数の溝を有し、
    前記複数の溝は、前記光出射面における前記アンテナアレイが形成された領域を格子状に区画し、隣接する溝と溝の間には前記光学アンテナが複数配置されており、
    前記蛍光体プレートは、単相の蛍光体からなるセラミックプレートであることを特徴とする光源装置。
  2. 前記少なくとも１つの凹部は、粗面化された内壁面を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記少なくとも１つの凹部は、前記複数の光学アンテナの高さよりも大きな深さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
  4. 前記複数の光学アンテナは、前記波長変換光の前記蛍光体プレート内における波長に対応する周期で配列されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光源装置。
  5. 前記少なくとも１つの凹部は、前記蛍光体プレートの前記光出射面に対して傾斜した側面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光源装置。
  6. 前記複数の光学アンテナは、正方格子状または三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光源装置。
  7. 前記蛍光体プレートは、前記光出射面から前記光入射面に向かって窄んだ傾斜側面を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光源装置。
  8. 前記凹部構造の前記少なくとも１つの凹部内に設けられた光反射部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光源装置。
  9. 前記波長変換体は、前記蛍光体プレートの側面上に設けられた光反射膜を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の光源装置。
  10. 前記蛍光体プレートの前記光入射面上に設けられ、前記光入射面から入射した光に対して透過性を有しかつ前記波長変換光に対して反射性を有する光反射構造と、
    前記光反射構造を介して前記波長変換体を支持する支持体と、
    前記支持体の前記光反射構造とは反対側の面上に設けられた反射防止構造と、を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の光源装置。
  11. 前記光源はレーザ光を生成するレーザ光源であることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
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