JP7377496B2 - Wavelength conversion member for endoscope and endoscope using the same - Google Patents

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Description

本発明は、内視鏡の照明光学系などに使用可能な内視鏡用波長変換部材、及びこれを用いた内視鏡に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion member for an endoscope that can be used in an illumination optical system of an endoscope, and an endoscope using the same.

従来、医療分野などにおいて用いられる内視鏡の照明ユニットとして、光ファイバによって導光されたレーザ光を照明光として用いる照明ユニットが知られている。 Conventionally, as illumination units for endoscopes used in the medical field, etc., illumination units that use laser light guided by an optical fiber as illumination light are known.

このような照明ユニットとしては、例えば特許文献1のように、光ファイバからなる導光部材と、前記導光部材の先端面に配置されて光の光学特性を変換することで生成される照明光を出射する光変換部材と、を具備するものが提案されている。また、光変換部材が、青色レーザ光によって黄色蛍光を励起する黄色蛍光体を有し、青色レーザ光を拡散して出射すると共に黄色蛍光を出射することにより、白色の照明光を出射可能となることが記載されている。この文献では、蛍光体粒子が母材中に分散した半球状又は偏平状の光変換部材が、導光部材の先端面に配置された構造のみが記載されている。 Such a lighting unit includes, for example, a light guiding member made of an optical fiber, and illumination light generated by converting the optical characteristics of the light by being placed on the tip surface of the light guiding member, as disclosed in Patent Document 1. A light conversion member that emits light has been proposed. In addition, the light conversion member has a yellow phosphor that excites yellow fluorescence with blue laser light, and by diffusing and emitting the blue laser light and emitting yellow fluorescence, white illumination light can be emitted. It is stated that. This document only describes a structure in which a hemispherical or flat light conversion member in which phosphor particles are dispersed in a base material is disposed on the tip surface of a light guide member.

また、特許文献2には、青色光と緑色光を含む光を発する固体光源と、光ファイバと、その光出射側等に配置され、Ceを発光中心として含む赤色蛍光体を含む波長変換素子と、を備えた照明ユニットが提案されている。この文献では、赤色蛍光体の粉末状結晶やその焼結体である層状蛍光体を用いて、波長変換素子を形成している。 Further, Patent Document 2 describes a solid-state light source that emits light including blue light and green light, an optical fiber, and a wavelength conversion element that is disposed on the light output side of the optical fiber and includes a red phosphor containing Ce as a light emission center. , a lighting unit has been proposed. In this document, a wavelength conversion element is formed using a powdered crystal of a red phosphor or a layered phosphor that is a sintered body thereof.

特許第6464251号公報Patent No. 6464251 特許第6273637号公報Patent No. 6273637

しかしながら、特許文献1のように、蛍光体粒子が母材中に分散したものでは、光の散乱が多くなり、波長変換された光が十分な光量で得られにくく、また、母材の種類によっては、レーザ光に対する耐光性や耐熱性が不十分となるという問題があった。 However, when the phosphor particles are dispersed in the base material as in Patent Document 1, there is a large amount of light scattering, making it difficult to obtain a sufficient amount of wavelength-converted light, and depending on the type of base material. However, there was a problem in that the light resistance and heat resistance against laser light were insufficient.

また、特許文献2のように、蛍光体粉末を焼結した層状蛍光体では、蛍光体粉末による光の散乱が多いため励起光が内部まで届かない又はかつ発光が出てこられないため、励起光の変換効率が低下するという問題があった。 In addition, in a layered phosphor made by sintering phosphor powder as in Patent Document 2, the excitation light cannot reach the inside or emit light because the phosphor powder scatters a lot of light. There was a problem that the conversion efficiency of

そこで、本発明の目的は、光の取出効率が十分高く、しかも耐光性や耐熱性が良好な内視鏡用波長変換部材、及びこれを用いた内視鏡を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a wavelength conversion member for an endoscope that has sufficiently high light extraction efficiency and good light resistance and heat resistance, and an endoscope using the same.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究したところ、金属アルコキシドを含む溶液に量子ドットを分散させてゾル-ゲル反応で固化させることで、耐光性や耐熱性が良好な蛍光体を棒状に成形できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors conducted extensive research to achieve the above objective and found that by dispersing quantum dots in a solution containing metal alkoxide and solidifying it through a sol-gel reaction, a phosphor with good light resistance and heat resistance was created. They discovered that it can be molded into a rod shape and completed the present invention.

即ち、本発明の内視鏡用波長変換部材は、内視鏡システムの光源装置からの励起光を波長変換して変換光を含む照明光とするための内視鏡用波長変換部材であって、シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有し、長手方向の長さが3mm以上の棒状体を含むことを特徴とする。 That is, the wavelength conversion member for an endoscope of the present invention is a wavelength conversion member for an endoscope for converting the wavelength of excitation light from a light source device of an endoscope system into illumination light including converted light. It is characterized by containing a solid glass containing silica as a main component and quantum dots dispersed in the solid glass, and including a rod-shaped body having a longitudinal length of 3 mm or more.

本発明の内視鏡用波長変換部材によると、シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有するため、耐光性や耐熱性が良好でありかつ光の散乱が少ない波長変換部材となる。しかも任意の長さの棒状体に成形することができるため、小径化しつつ入射方向に沿って十分な長さを確保することができるので、光の取出効率を十分高くすることができ、内視鏡システムの光源装置からの励起光を効率良く波長変換して十分な変換光を含む照明光とすることができる。このように本発明では、光の取出効率が十分高く、しかも耐光性や耐熱性が良好な内視鏡用波長変換部材を提供することができる。 According to the wavelength conversion member for an endoscope of the present invention, since it contains solid glass mainly composed of silica and quantum dots dispersed in the solid glass, it has good light resistance and heat resistance, and has good light resistance. This results in a wavelength conversion member with less scattering. Moreover, since it can be formed into a rod-shaped body of any length, it is possible to secure a sufficient length along the incident direction while reducing the diameter, making it possible to sufficiently increase the light extraction efficiency. Excitation light from a light source device of a mirror system can be efficiently wavelength-converted to provide illumination light containing sufficient converted light. As described above, the present invention can provide a wavelength conversion member for an endoscope that has sufficiently high light extraction efficiency and good light resistance and heat resistance.

上記において、前記棒状体の長手方向に沿った外周面には少なくとも変換光を反射する反射層が設けられていることが好ましい。外周面にこのような反射層が設けられることで、量子ドットから外周面側に発せられる変換光を、内部に反射させることができるため、より効率良く変換光を、棒状体の出射側に取り出すことができる。 In the above, it is preferable that a reflective layer that reflects at least converted light is provided on the outer circumferential surface of the rod-shaped body along the longitudinal direction. By providing such a reflective layer on the outer circumferential surface, the converted light emitted from the quantum dot toward the outer circumferential surface can be reflected internally, allowing the converted light to be extracted more efficiently to the emission side of the rod-shaped body. be able to.

また、前記棒状体の入射側の端面には、変換光反射膜が設けられ、その変換光反射膜の表面には励起光反射防止膜が設けられていることが好ましい。棒状体の入射側の端面に変換光反射膜が設けられることで、入射側に発せられる変換光を、内部に反射させることができ、また、変換光反射膜の表面には励起光反射防止膜が設けられているため、効率良く励起光を棒状体に取り込むことができる。その結果、さらに効率良く変換光を、棒状体の出射側に取り出すことができる。 Further, it is preferable that a converted light reflecting film is provided on the incident side end face of the rod-shaped body, and an excitation light antireflection film is provided on the surface of the converted light reflecting film. By providing a converted light reflecting film on the end face of the incident side of the rod-shaped body, the converted light emitted to the incident side can be reflected inside, and an excitation light antireflection film is provided on the surface of the converted light reflecting film. , the excitation light can be efficiently taken into the rod-shaped body. As a result, the converted light can be more efficiently extracted to the output side of the rod-shaped body.

更に、前記棒状体の出射側の端面には、励起光反射膜及び/又は変換光反射防止膜が設けられていることが好ましい。この構成により、さらに効率良く変換光を、棒状体の出射側に取り出すことができる。 Further, it is preferable that an excitation light reflecting film and/or a converted light antireflection film be provided on the end face of the rod-shaped body on the exit side. With this configuration, the converted light can be more efficiently extracted to the output side of the rod-shaped body.

内視鏡用波長変換部材は、前記棒状体の長手方向に沿った外周面の少なくとも一部と接触する接触部を有する導光体が設けられ、前記導光体は、前記励起光が入射される入射面と、前記入射面以外の外面を覆い、少なくとも前記励起光を反射する反射層と、が設けられていることが好ましい。この構成により、励起光を棒状体の外周面から入射させることができる。これにより、励起光が棒状体の内部を通過する距離が増え、励起光が棒状体の量子ドットに当たる率が増加し、変換光の取出効率を高くすることができる。また、棒状体の入射側の端面から励起光を入射させた場合と比べ、棒状体の出射側の端面に近い位置で変換光を取り出すことができるので、変換光が棒状体の内部を通過することによる光の減衰を抑えることができる。 The wavelength conversion member for an endoscope is provided with a light guide having a contact portion that contacts at least a part of the outer peripheral surface along the longitudinal direction of the rod-shaped body, and the light guide is configured such that the excitation light is incident on the light guide. It is preferable that the excitation light be provided with an incident surface and a reflective layer that covers an outer surface other than the incident surface and reflects at least the excitation light. With this configuration, the excitation light can be incident from the outer peripheral surface of the rod-shaped body. This increases the distance through which the excitation light passes through the rod-shaped body, increases the rate at which the excitation light hits quantum dots in the rod-shaped body, and increases the efficiency of extracting converted light. In addition, compared to the case where the excitation light is incident from the end face on the input side of the rod-shaped body, the converted light can be extracted at a position closer to the end face on the exit side of the rod-shaped body, so the converted light passes through the inside of the rod-shaped body. Attenuation of light caused by this can be suppressed.

また、前記棒状体の出射側に位置する前記導光体の端面と前記接触部との成す角が鋭角であることが好ましい。これにより、棒状体の長手方向と平行に進む励起光も棒状体の内部に反射させて入射させることができ、変換光の取出効率を高くすることができる。 Further, it is preferable that the angle formed between the end surface of the light guide located on the exit side of the rod-shaped body and the contact portion is an acute angle. Thereby, the excitation light traveling parallel to the longitudinal direction of the rod-like body can also be reflected into the inside of the rod-like body and enter the rod-like body, and the extraction efficiency of converted light can be increased.

更に、前記棒状体の長手方向に沿った外周面が前記励起光を前記棒状体まで導く光ファイバのコアの接触部と接触し、前記光ファイバの先端と前記接触部との成す角が鋭角であり、前記光ファイバの先端に少なくとも前記励起光を反射する反射層が設けられていることが好ましい。これにより、光ファイバによって棒状体の外周面から棒状体の内部に励起光を直接入射させることができる。このため構造をより簡易化できると共に、省スペース化が可能となる。 Furthermore, the outer circumferential surface along the longitudinal direction of the rod-shaped body contacts a contact portion of a core of an optical fiber that guides the excitation light to the rod-shaped body, and the angle formed between the tip of the optical fiber and the contact portion is an acute angle. It is preferable that a reflective layer for reflecting at least the excitation light is provided at the tip of the optical fiber. Thereby, the excitation light can be made to directly enter the inside of the rod-like body from the outer circumferential surface of the rod-like body through the optical fiber. Therefore, the structure can be further simplified and space can be saved.

なお、本発明の内視鏡用波長変換部材は、例えば、前記棒状体の波長500nmにおける屈折率が1.45~1.80であるものを得ることができる。特に、棒状体の波長500nmにおける屈折率が小さいほど、従来の蛍光体と比較して、空気との界面での反射をより小さくできるため好ましい。 The wavelength conversion member for an endoscope of the present invention can be obtained, for example, in such a manner that the rod-shaped body has a refractive index of 1.45 to 1.80 at a wavelength of 500 nm. In particular, it is preferable that the rod-shaped body has a smaller refractive index at a wavelength of 500 nm, since reflection at the interface with air can be reduced compared to conventional phosphors.

一方、本発明の内視鏡は、先端を体内へ挿入するための挿入部と、前記先端で撮像又は像の取込みを行なって、前記挿入部の基端側に出力する撮像系と、光源側からの光を前記挿入部の先端付近まで導く光ファイバを含む照明光学系と、を備える内視鏡であって、前記照明光学系に、前記何れかの内視鏡用波長変換部材を設けてあることを特徴とする。 On the other hand, the endoscope of the present invention includes an insertion section for inserting the distal end into the body, an imaging system that performs imaging or captures an image at the distal end and outputs it to the proximal end side of the insertion section, and a light source side. an illumination optical system including an optical fiber that guides light from the insertion section to near the distal end of the insertion section, the illumination optical system being provided with any of the endoscope wavelength conversion members. characterized by something.

本発明の内視鏡によると、シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有する波長変換部材を設けてあるため、これが耐光性や耐熱性が良好でありかつ光の散乱が少ないものとなる。しかも波長変換部材を任意の長さの棒状体に成形することができるため、小径化しつつ入射方向に沿って十分な長さを確保することができるので、光の取出効率を十分高くすることができ、内視鏡システムの光源装置からの励起光を効率良く波長変換して十分な変換光を含む照明光とすることができる。このように本発明では、波長変換部が、光の取出効率が十分高く、しかも耐光性や耐熱性が良好である、内視鏡を提供することができる。 According to the endoscope of the present invention, the wavelength conversion member containing solid glass mainly composed of silica and quantum dots dispersed in the solid glass has good light resistance and heat resistance. light scattering and less light scattering. Moreover, since the wavelength conversion member can be formed into a rod-shaped body of any length, it is possible to secure a sufficient length along the incident direction while reducing the diameter, making it possible to sufficiently increase the light extraction efficiency. The excitation light from the light source device of the endoscope system can be efficiently wavelength-converted to provide illumination light containing sufficient converted light. As described above, the present invention can provide an endoscope in which the wavelength conversion section has sufficiently high light extraction efficiency and good light resistance and heat resistance.

上記において、前記波長変換部材が、前記光ファイバの先端側に設けられると共に、前記波長変換部材の出射側には、光学窓、又は発散レンズが設けられていることが好ましい。内視鏡の挿入部は小径であることが望ましく、先端付近における照明光学系が占めるスペースも限られているため、本発明の如き光の取出効率が十分高い棒状の波長変換部材を用いることが、内視鏡の照明光学系として特に有効となる。 In the above, it is preferable that the wavelength conversion member is provided on the distal end side of the optical fiber, and that an optical window or a diverging lens is provided on the output side of the wavelength conversion member. It is desirable that the insertion section of the endoscope has a small diameter, and the space occupied by the illumination optical system near the tip is also limited, so it is preferable to use a rod-shaped wavelength conversion member with sufficiently high light extraction efficiency as in the present invention. This is particularly effective as an illumination optical system for endoscopes.

また、前記光源が前記光ファイバに励起光を直接出射するレーザダイオードであることが好ましい。光ファイバに励起光を直接出射するレーザダイオードを光源とすることで、光源回りを複雑な光学系とする必要がなく、光源から直接導いたレーザ光を励起光として、より効率良く変換光を取り出すことができる。 Further, it is preferable that the light source is a laser diode that directly emits excitation light to the optical fiber. By using a laser diode as a light source that emits excitation light directly to an optical fiber, there is no need for a complex optical system around the light source, and converted light can be extracted more efficiently by using laser light directly guided from the light source as excitation light. be able to.

更に、前記照明光学系が複数の光学系からなり、いずれかの光学系を構成する前記波長変換部材が炭素系量子ドット及び/又はシリコン量子ドットを含有し、他の光学系を構成する前記波長変換部材がシリコン量子ドット及び/又はペロブスカイト型量子ドットを含有することが好ましい。いずれかの光学系を構成する前記波長変換部材が炭素系量子ドット及び/又はシリコン量子ドットを含有することで、青色光に対して緑色~黄色の変換光を得ることができ、一方、他の光学系を構成する前記波長変換部材がシリコン量子ドット及び/又はペロブスカイト型量子ドットを含有することで、青色光に対して赤色の変換光を得ることができるようになる。このため、光源を切り換えることで、両者の変換光を含む照明光を切り換えることができ、撮像系の目的に応じた照明光を照射することができるようになる。 Furthermore, the illumination optical system includes a plurality of optical systems, the wavelength conversion member constituting one of the optical systems contains carbon-based quantum dots and/or silicon quantum dots, and the wavelength conversion member constituting the other optical system Preferably, the conversion member contains silicon quantum dots and/or perovskite quantum dots. By containing carbon-based quantum dots and/or silicon quantum dots in the wavelength conversion member constituting any of the optical systems, it is possible to obtain green to yellow converted light for blue light. When the wavelength conversion member constituting the optical system contains silicon quantum dots and/or perovskite quantum dots, it becomes possible to obtain red converted light from blue light. Therefore, by switching the light source, it is possible to switch the illumination light including both converted lights, and it becomes possible to irradiate the illumination light according to the purpose of the imaging system.

本発明の内視鏡の一例を有する内視鏡システムの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of an endoscope system having an example of an endoscope according to the present invention. 図1に示す内視鏡システムの構成の一例を示す概略構成図である。2 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of the endoscope system shown in FIG. 1. FIG. 図1に示す内視鏡システムにおける照明光学系の要部の一例を示す概略斜視図である。2 is a schematic perspective view showing an example of a main part of an illumination optical system in the endoscope system shown in FIG. 1. FIG. 本発明の内視鏡用波長変換部材の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view showing an example of the wavelength conversion member for endoscopes of the present invention. 本発明の内視鏡用波長変換部材の一例を示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing an example of the wavelength conversion member for an endoscope according to the present invention. グラフェン量子ドットを用いて得られた実施例1の蛍光体の蛍光スペクトルの結果を示すグラフである。2 is a graph showing the results of the fluorescence spectrum of the phosphor of Example 1 obtained using graphene quantum dots. シリコン量子ドットを用いて得られた実施例3の蛍光体の蛍光スペクトルの結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of the fluorescence spectrum of the phosphor of Example 3 obtained using silicon quantum dots. ペロブスカイト型量子ドットを用いて得られた実施例6の蛍光体の蛍光スペクトルの結果を示すグラフである。7 is a graph showing the results of the fluorescence spectrum of the phosphor of Example 6 obtained using perovskite quantum dots. 本発明の内視鏡用波長変換部材の他の実施例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows another Example of the wavelength conversion member for endoscopes of this invention. 本発明の内視鏡用波長変換部材の更に他の実施例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows still another Example of the wavelength conversion member for endoscopes of this invention. 本発明の内視鏡用波長変換部材の更に他の実施例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows still another Example of the wavelength conversion member for endoscopes of this invention. 図11のXII-XII線の要部拡大断面図である。FIG. 12 is an enlarged sectional view of a main part taken along line XII-XII in FIG. 11; カルコパイライト型量子ドットを用いて得られた実施例7の蛍光体の蛍光スペクトルの結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the results of the fluorescence spectrum of the phosphor of Example 7 obtained using chalcopyrite quantum dots. FIG.

<本発明の内視鏡>
図1は、本発明の内視鏡10の一例を備える内視鏡システム5の概略斜視図であり、図2は図1に示す内視鏡システム5の構成の一例を示す概略構成図である。本発明の内視鏡5は、例えば図1~図2に示すように、先端を体内へ挿入するための挿入部20と、先端で撮像又は像の取込みを行なって、前記挿入部の基端側に出力する撮像系100と、光源側からの光を前記挿入部の先端付近まで導く光ファイバ51を含む照明光学系50と、を備えている。
<Endoscope of the present invention>
FIG. 1 is a schematic perspective view of an endoscope system 5 including an example of an endoscope 10 of the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of the configuration of the endoscope system 5 shown in FIG. . As shown in FIGS. 1 and 2, for example, the endoscope 5 of the present invention includes an insertion section 20 for inserting the distal end into the body, and a proximal end of the insertion section for imaging or capturing an image at the distal end. It includes an imaging system 100 that outputs to the side, and an illumination optical system 50 that includes an optical fiber 51 that guides light from the light source side to near the tip of the insertion section.

撮像系100は、先端で撮像を行ない挿入部20の基端側に信号を送る伝送方式、又は先端で画像を取込み、挿入部20の基端側に画像を送る光学方式の何れによっても構成することが可能である。本実施形態では、前者の例を示している。 The imaging system 100 may be configured using either a transmission method that captures an image at the distal end and sends a signal to the proximal end of the insertion section 20, or an optical method that captures an image at the distal end and sends the image to the proximal end of the insertion section 20. Is possible. In this embodiment, an example of the former is shown.

本発明の内視鏡は、図2に示すように、照明光学系50に、シリカを主成分とする固体ガラスと、固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有し、長手方向の長さが3mm以上の棒状体を含む波長変換部材71を設けてあることを特徴とする。本実施形態では、波長変換部材71が、光ファイバ51の先端側に設けられると共に、波長変換部材71の出射側には、発散レンズ72が設けられている例を示す。 As shown in FIG. 2, in the endoscope of the present invention, the illumination optical system 50 contains solid glass mainly composed of silica and quantum dots dispersed in the solid glass, and the length in the longitudinal direction is A feature is that a wavelength conversion member 71 including a rod-shaped body of 3 mm or more is provided. In this embodiment, an example is shown in which the wavelength conversion member 71 is provided on the distal end side of the optical fiber 51, and a diverging lens 72 is provided on the output side of the wavelength conversion member 71.

[内視鏡システム]
図1に示すように内視鏡システム5は、例えば、被観察部に照明光を照明し、被観察部を撮像する内視鏡10と、内視鏡10に着脱自在に接続される制御装置14とを有する。この被観察部とは、例えば体腔内における患部や病変部等である。
[Endoscope system]
As shown in FIG. 1, the endoscope system 5 includes, for example, an endoscope 10 that illuminates an area to be observed with illumination light and images the area to be observed, and a control device that is detachably connected to the endoscope 10. 14. The part to be observed is, for example, an affected part or a diseased part in a body cavity.

図1に示すように内視鏡システム5は、制御装置14に接続され、内視鏡10によって撮像された被観察部を表示する例えばモニタである画像表示装置16と、内視鏡10に着脱自在に接続され、制御装置14に着脱自在に接続される光源装置18とをさらに有する。 As shown in FIG. 1, the endoscope system 5 includes an image display device 16, which is connected to a control device 14 and is, for example, a monitor, which displays the observed part imaged by the endoscope 10, and an image display device 16 that is detachable from the endoscope 10. It further includes a light source device 18 that is freely connected and detachably connected to the control device 14 .

この内視鏡システム5は、例えば図2に示すように、被観察部を撮像するための撮像系100を有する。撮像系100は、被観察部を撮像する撮像部101と、撮像部101によって撮像された画像を処理する画像処理部103とを有する。撮像部101によって撮像された画像は、撮像ケーブル105によって画像処理部103に伝送される。画像処理部103によって処理された画像は、画像表示装置16によって表示される。撮像部101は先端硬質部21に設けられ、画像処理部103は制御装置14に設けられ、撮像ケーブル105は内視鏡10に設けられる。 This endoscope system 5 has an imaging system 100 for imaging the observed part, as shown in FIG. 2, for example. The imaging system 100 includes an imaging unit 101 that images the observed portion, and an image processing unit 103 that processes the image captured by the imaging unit 101. An image captured by the imaging unit 101 is transmitted to the image processing unit 103 via an imaging cable 105. The image processed by the image processing unit 103 is displayed by the image display device 16. The imaging unit 101 is provided in the rigid tip portion 21 , the image processing unit 103 is provided in the control device 14 , and the imaging cable 105 is provided in the endoscope 10 .

[内視鏡]
図1に示すように内視鏡10は、例えば体腔に挿入される中空の細長い挿入部20と、挿入部20の基端部に連結され、操作者によって把持される把持部30とを有する。本発明は、図2に示すように、光ファイバ51と波長変換部材71とは、内視鏡10の挿入部20に内蔵されている。
[Endoscope]
As shown in FIG. 1, the endoscope 10 includes, for example, a hollow and elongated insertion section 20 that is inserted into a body cavity, and a grip section 30 that is connected to the proximal end of the insertion section 20 and grasped by an operator. In the present invention, as shown in FIG. 2, the optical fiber 51 and the wavelength conversion member 71 are built into the insertion section 20 of the endoscope 10.

図1に示すように挿入部20は、挿入部20の先端部側から挿入部20の基端部側に向かって、先端硬質部21と、湾曲部23と、可撓管部25とを有する。先端硬質部21の基端部は湾曲部23の先端部に連結され、湾曲部23の基端部は可撓管部25の先端部に連結されている。 As shown in FIG. 1, the insertion section 20 includes, from the distal end side of the insertion section 20 toward the proximal end side of the insertion section 20, a distal rigid section 21, a curved section 23, and a flexible tube section 25. . The proximal end of the rigid tip portion 21 is connected to the distal end of the curved portion 23 , and the proximal end of the curved portion 23 is connected to the distal end of the flexible tube portion 25 .

図2に示すように、撮像系100の先端部である撮像部101と照明光学系50の先端部である光ファイバ51の先端部及び波長変換部材71とは、先端硬質部21に設けられる。 As shown in FIG. 2 , the imaging unit 101 that is the tip of the imaging system 100 , the tip of the optical fiber 51 that is the tip of the illumination optical system 50 , and the wavelength conversion member 71 are provided in the rigid tip portion 21 .

図1に示すように把持部30には、可撓管部25が延出されている。把持部30は、湾曲部23を湾曲操作する湾曲操作部37と、送気・送水と吸引と撮影とのためのスイッチ部39と、把持部30に接続されているユニバーサルコード41とを有する。 As shown in FIG. 1, the flexible tube portion 25 extends from the grip portion 30. As shown in FIG. The gripping section 30 includes a bending operation section 37 for bending the bending section 23, a switch section 39 for air/water supply, suction, and photographing, and a universal cord 41 connected to the gripping section 30.

なお、内視鏡10の挿入部20の先端部には、吸引・鉗子チャンネル、送気・送水ノズルを設けることができ、挿入部20と把持部30を介して、吸引操作、鉗子等による施術、送気、送水などを行なうことができる。 Note that a suction/forceps channel and an air/water supply nozzle can be provided at the distal end of the insertion section 20 of the endoscope 10, and suction operations and treatments using forceps etc. can be performed via the insertion section 20 and the gripping section 30. , air, water, etc.

[ユニバーサルコード]
図1に示すようにユニバーサルコード41は、把持部30の側面から延出されている。ユニバーサルコード41の端部は分岐しており、各端部に接続コネクタ41aが設けられている。接続コネクタ41aの一方は制御装置14に着脱可能となっており、接続コネクタ41aの他の一方は光源装置18に着脱可能となっている。
[Universal code]
As shown in FIG. 1, the universal cord 41 extends from the side surface of the grip part 30. The ends of the universal cord 41 are branched, and each end is provided with a connector 41a. One of the connectors 41a is detachable from the control device 14, and the other connector 41a is detachable from the light source device 18.

[制御装置と画像表示装置と光源装置]
制御装置14は、内視鏡10と画像表示装置16と光源装置18とを制御する。図2に示すように、光源装置18は、光源ユニット91と導光ユニット93とを有している。光源ユニット91と導光ユニット93としては、各種光源と、レンズやミラーなどの光学系とを組合せて構成することも可能であるが、光ファイバ51に励起光を直接出射するレーザダイオードを用いることで、簡易な装置構成(導光ユニット93の省略など)とすることができる。
[Control device, image display device, and light source device]
The control device 14 controls the endoscope 10, the image display device 16, and the light source device 18. As shown in FIG. 2, the light source device 18 includes a light source unit 91 and a light guide unit 93. Although the light source unit 91 and the light guide unit 93 can be configured by combining various light sources and optical systems such as lenses and mirrors, it is preferable to use a laser diode that directly emits excitation light to the optical fiber 51. Therefore, it is possible to have a simple device configuration (e.g., omitting the light guide unit 93).

[照明光学系]
先端硬質部21は、例えば、照明光学系50の先端部を保持する筒状の保持部材と、その先端面をカバーするカバー部材とを有する(図示省略)。保持部材は、光ファイバ51の先端部が挿入される第1孔部を有する(図示省略)。図2に示す例では、照明光学系50が1組だけ設けられているが、広範囲の照明を行なう上で、2組以上の照明光学系50を設けることが好ましい。その場合、挿入部20の先端部には、複数の光学窓、又は発散レンズが設けられるが、光源ユニット91については、光源ユニット91からの光を複数に分離することで、1組で構成することができる。
[Illumination optical system]
The rigid tip portion 21 includes, for example, a cylindrical holding member that holds the tip of the illumination optical system 50 and a cover member that covers the tip surface (not shown). The holding member has a first hole into which the tip of the optical fiber 51 is inserted (not shown). In the example shown in FIG. 2, only one set of illumination optical systems 50 is provided, but in order to illuminate a wide range, it is preferable to provide two or more sets of illumination optical systems 50. In that case, a plurality of optical windows or diverging lenses are provided at the distal end of the insertion section 20, but the light source unit 91 is configured as one set by separating the light from the light source unit 91 into a plurality of parts. be able to.

図3に示す例では、照明光学系50が複数(3つ)の光学系からなり、光ファイバ51aの先端面は波長変換部材71aの入射側の端面に配置され、波長変換部材71aの出射側の端面が、発散レンズ72の入射側の端面に配置されている。光ファイバ51bの先端面は波長変換部材71bの入射側の端面に配置され、波長変換部材71bの出射側の端面が、発散レンズ72の入射側の端面に配置されている。光ファイバ51cの先端面は、波長変換部材71aを介在することなく、発散レンズ72の入射側の端面に配置されている。発散レンズ72は、図示してない、カバー部材の内側で保持部材により保持されている。 In the example shown in FIG. 3, the illumination optical system 50 is composed of a plurality of (three) optical systems, the distal end surface of the optical fiber 51a is arranged on the input side end surface of the wavelength conversion member 71a, and the optical fiber 51a is disposed on the input side end surface of the wavelength conversion member 71a. The end face of the diverging lens 72 is arranged on the incident side end face of the diverging lens 72. The distal end surface of the optical fiber 51b is arranged on the input side end surface of the wavelength conversion member 71b, and the output side end surface of the wavelength conversion member 71b is arranged on the input side end surface of the diverging lens 72. The distal end surface of the optical fiber 51c is arranged at the end surface on the incident side of the diverging lens 72 without intervening the wavelength conversion member 71a. The diverging lens 72 is held by a holding member (not shown) inside the cover member.

この例では、1つ目の光学系を構成する波長変換部材71aが炭素系量子ドット及び/又はシリコン量子ドットを含有し、2つ目の光学系を構成する波長変換部材71bがシリコン量子ドット及び/又はペロブスカイト型量子ドットを含有している。 In this example, the wavelength conversion member 71a constituting the first optical system contains carbon-based quantum dots and/or silicon quantum dots, and the wavelength conversion member 71b constituting the second optical system contains silicon quantum dots and/or silicon quantum dots. /Or contains perovskite quantum dots.

いずれの光学系についても、光源91A、91B、91Cから青色光La、Lb、Lcが発せられる。光ファイバ51aから導かれた励起光は波長変換部材71aにより緑色~黄色に波長変換され、光ファイバ51bから導かれた励起光は波長変換部材71bにより赤色に波長変換され、光ファイバ51cから導かれた青色光は、そのまま出射され、発散レンズ72に入射する。発散レンズ72により、発散した照射光L3が出射される。このため、光源91A、91B、91Cを切り換えることで、各々の変換光を含む照射光L3を切り換えることができ、撮像系の目的に応じた照射光L3を照射することができるようになる。また、光源91A、91B、91Cを同時に使用することで、白色光を照射することができる。 In any optical system, blue light La, Lb, and Lc are emitted from light sources 91A, 91B, and 91C. The excitation light guided from the optical fiber 51a is wavelength-converted from green to yellow by the wavelength conversion member 71a, and the excitation light guided from the optical fiber 51b is wavelength-converted to red by the wavelength conversion member 71b, and then guided from the optical fiber 51c. The blue light is emitted as it is and enters the diverging lens 72. The diverging lens 72 emits diverging irradiation light L3. Therefore, by switching the light sources 91A, 91B, and 91C, it is possible to switch the irradiation light L3 including each converted light, and it becomes possible to irradiate the irradiation light L3 according to the purpose of the imaging system. Further, by using the light sources 91A, 91B, and 91C at the same time, white light can be irradiated.

なお、保持部材は、撮像系100の先端部をさらに保持している。詳細には、保持部材は、照明光学系50の先端部と撮像系100の先端部とが互いに隣り合い、照明光学系50が前方に照明光を出射し、撮像系100が前方を撮像するように、照明光学系50の先端部と撮像系100の先端部とを保持する。このため保持部材110は、撮像系100の先端部が挿入される第2孔部をさらに有する。 Note that the holding member further holds the distal end portion of the imaging system 100. Specifically, the holding member is configured such that the tip of the illumination optical system 50 and the tip of the imaging system 100 are adjacent to each other, the illumination optical system 50 emits illumination light forward, and the imaging system 100 images the front. , the tip of the illumination optical system 50 and the tip of the imaging system 100 are held. For this reason, the holding member 110 further includes a second hole into which the distal end of the imaging system 100 is inserted.

照明光学系50の先端部は第1孔部に図示しない接着剤によって接着され、撮像系100の先端部は第2孔部113に図示しない接着剤によって接着される。なお接着に限定される必要はなく、係合であってもよい。 The tip of the illumination optical system 50 is bonded to the first hole with an adhesive (not shown), and the tip of the imaging system 100 is bonded to the second hole 113 with an adhesive (not shown). Note that it is not limited to adhesion, and may be engagement.

カバー部材は、照明光学系50の先端部及び撮像系100の先端部よりも前方に配置されている。カバー部材は、保持部材の先端面及び側面に密着する。照明光学系50から出射された光がカバー部材を透過し、撮像系100が撮像のために被観察部から反射された光がカバー部材を透過するように、カバー部材は透明である。 The cover member is arranged in front of the tip of the illumination optical system 50 and the tip of the imaging system 100. The cover member is in close contact with the tip and side surfaces of the holding member. The cover member is transparent so that the light emitted from the illumination optical system 50 is transmitted through the cover member, and the light reflected from the observed portion for imaging by the imaging system 100 is transmitted through the cover member.

<内視鏡の他の実施形態>
(1)先の実施形態では、図3に示すように照明光学系50が複数(3つ)の光学系からなる例を示したが、光源91Cと光ファイバ51cを省略して2つの光学系とすることも可能である。その場合、波長変換部材71a、波長変換部材71bの長さを短くするなどして、各々の青色光の透過量を増加させることで、照射光L3を白色化することができる。
<Other embodiments of endoscope>
(1) In the previous embodiment, as shown in FIG. 3, an example was shown in which the illumination optical system 50 consisted of a plurality of (three) optical systems, but the light source 91C and the optical fiber 51c were omitted, and two optical systems were used. It is also possible to do this. In that case, the irradiation light L3 can be whitened by increasing the amount of blue light transmitted through each of the wavelength conversion members 71a and 71b by shortening the lengths of the wavelength conversion members 71a and 71b.

(2)先の実施形態では、図3に示すように照明光学系50が複数(3つ)の光学系からなる例を示したが、光源91B、光ファイバ51b、波長変換部材71bを省略して2つの光学系とすることも可能である。その場合、光源91Cと光ファイバ51cで青色光を照射すると共に、光源91A、光ファイバ51a、波長変換部材71aにより緑色~黄色を照射して、照射光L3を白色化することができる。 (2) In the previous embodiment, as shown in FIG. 3, an example was shown in which the illumination optical system 50 consisted of a plurality of (three) optical systems, but the light source 91B, optical fiber 51b, and wavelength conversion member 71b were omitted. It is also possible to have two optical systems. In that case, the light source 91C and the optical fiber 51c emit blue light, and the light source 91A, the optical fiber 51a, and the wavelength conversion member 71a emit green to yellow light, so that the emitted light L3 can be whitened.

(3)先の実施形態では、図3に示すように照明光学系50が複数(3つ)の光学系からなる例を示したが、光源91A、光ファイバ51a、波長変換部材71aのみで1つの光学系とすることも可能である。その場合、波長変換部材71aを透過する青色光に加えて、光源91A、光ファイバ51aから導かれた励起光を波長変換部材71aにより緑色~黄色に変換して、照射光L3を白色化することができる。 (3) In the previous embodiment, as shown in FIG. 3, an example was shown in which the illumination optical system 50 was composed of a plurality of (three) optical systems. It is also possible to have one optical system. In that case, in addition to the blue light transmitted through the wavelength conversion member 71a, the excitation light guided from the light source 91A and the optical fiber 51a is converted into green to yellow by the wavelength conversion member 71a, thereby whitening the irradiation light L3. I can do it.

(4)先の実施形態では、光源91A、91B、91Cから同じ又は近い波長の青色光を発する例をしめしたが、光源91A、91B、91Cの一部又は全部の波長を変えることも可能である。その場合、波長変換部材の発光効率が高い励起光に相当する波長を選択することが有利である。また、波長変換部材を介さずにそのままの光を照射することも可能であり、その場合、照射する光の種類に応じて、光源の波長を選択することが可能である。 (4) In the previous embodiment, an example was shown in which the light sources 91A, 91B, and 91C emit blue light of the same or similar wavelengths, but it is also possible to change the wavelength of some or all of the light sources 91A, 91B, and 91C. be. In that case, it is advantageous to select a wavelength that corresponds to excitation light with high luminous efficiency of the wavelength conversion member. It is also possible to irradiate the light as it is without using a wavelength conversion member, and in that case, it is possible to select the wavelength of the light source depending on the type of light to be irradiated.

[波長変換部材]
本発明の内視鏡用波長変換部材は、以上のような内視鏡システムの光源装置からの励起光を波長変換して変換光を含む照明光とするために設けられている。本発明の内視鏡用波長変換部材71は、図4~図5に示すように、長手方向の長さが3mm以上の棒状体73を含み、この棒状体73はシリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有する。
[Wavelength conversion member]
The wavelength conversion member for an endoscope according to the present invention is provided for converting the wavelength of excitation light from the light source device of the endoscope system as described above to produce illumination light including the converted light. As shown in FIGS. 4 and 5, the wavelength conversion member 71 for an endoscope of the present invention includes a rod-shaped body 73 having a longitudinal length of 3 mm or more, and this rod-shaped body 73 is a solid material mainly composed of silica. It contains glass and quantum dots dispersed in the solid glass.

本発明において「棒状体」とは、1つの方向(長手方向)における長さが、その方向に垂直な任意の方向の長さよりも長い立体形状を指す。棒状体の形状としては、例えば、円柱、四角柱など長手方向に垂直な断面が一定形状であるものの他、円錐台、四角錐台など長手方向に垂直な断面が規則的に変化するもの、紡錘状、断面が円形から三日月形に変化する形状など長手方向に垂直な断面が不規則に変化するもの等いずれでもよい。また、管状、中空状であってもよい。棒状体の形状としては、円柱、四角柱、六角柱などが好ましい。 In the present invention, a "rod-shaped body" refers to a three-dimensional shape whose length in one direction (longitudinal direction) is longer than the length in any direction perpendicular to that direction. The shapes of rod-shaped bodies include, for example, cylinders, square prisms, etc., which have a constant cross section perpendicular to the longitudinal direction, truncated cones, truncated square pyramids, etc., in which the cross sections perpendicular to the longitudinal direction change regularly, and spindles. It may have any shape, such as a shape in which the cross section changes from a circle to a crescent shape, or a shape in which the cross section perpendicular to the longitudinal direction changes irregularly. Moreover, it may be tubular or hollow. The shape of the rod-like body is preferably a cylinder, a square prism, a hexagonal prism, or the like.

棒状体73の長手方向の長さは、3mm以上であり、変換光の取り出し量を高める観点から、7mm以上が好ましく、10mm以上がより好ましい。また、内視鏡の挿入部20に配置する観点から、20mm以下が好ましい15mm以下がより好ましい。また、棒状体73の長手方向に垂直な断面の長径又は最大幅は、波長変換部材を小径化する観点から、0.5~2mmが好ましく、1~1.5mmがより好ましい。棒状体73の長手方向に垂直な断面の短径又は最小幅は、長径又は最大幅の50~99%が好ましく、60~95%がより好ましい。 The length in the longitudinal direction of the rod-shaped body 73 is 3 mm or more, preferably 7 mm or more, and more preferably 10 mm or more from the viewpoint of increasing the amount of converted light taken out. Further, from the viewpoint of placement in the insertion section 20 of the endoscope, the length is preferably 20 mm or less, and more preferably 15 mm or less. Further, the major axis or maximum width of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped body 73 is preferably 0.5 to 2 mm, more preferably 1 to 1.5 mm, from the viewpoint of reducing the diameter of the wavelength conversion member. The short axis or minimum width of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped body 73 is preferably 50 to 99%, more preferably 60 to 95%, of the long axis or maximum width.

棒状体73は、空気との界面での反射を従来の蛍光体より小さくする観点から、波長500nmにおける屈折率が1.45~1.80であることが好ましく、1.45~1.70であることがより好ましく、1.45~1.60であることが更に好ましい。 The rod-shaped body 73 preferably has a refractive index of 1.45 to 1.80 at a wavelength of 500 nm, and preferably 1.45 to 1.70, from the viewpoint of making the reflection at the interface with air smaller than that of conventional phosphors. It is more preferably 1.45 to 1.60.

内視鏡用波長変換部材71は、図5に示すように、棒状体73の長手方向に沿った外周面S1には少なくとも変換光L2を反射する反射層74が設けられていることが好ましい。反射層74が設けられるのは外周面S1の一部又は全部であるが、反射層74が外周面S1の全部を覆うことが好ましい。反射層74として、アルミ、銀などの金属膜、誘電多層膜などが挙げられる。反射層74の厚みは、その材質にもよるが、150~1000nm程度である。 As shown in FIG. 5, the wavelength conversion member 71 for an endoscope is preferably provided with a reflective layer 74 that reflects at least the converted light L2 on the outer circumferential surface S1 along the longitudinal direction of the rod-shaped body 73. Although the reflective layer 74 is provided on a part or all of the outer peripheral surface S1, it is preferable that the reflective layer 74 covers the entire outer peripheral surface S1. Examples of the reflective layer 74 include metal films such as aluminum and silver, and dielectric multilayer films. The thickness of the reflective layer 74 is approximately 150 to 1000 nm, depending on its material.

反射層74は、蒸着、スパッタリング、CVD、メッキ、コーティングなどで、形成することができる。反射層74の形成に先立って、棒状体73の表面を研磨して平坦化することが好ましい。反射層74を形成する際には、棒状体73の入射側の端面S2と出射側の端面S3には、マスク材を設けておいたり、加工後に端面を研磨することが好ましい。以下の変換光反射膜75、励起光反射防止膜76などについても、反射層74と同様に形成することができる。 The reflective layer 74 can be formed by vapor deposition, sputtering, CVD, plating, coating, or the like. Prior to forming the reflective layer 74, it is preferable to polish and flatten the surface of the rod-shaped body 73. When forming the reflective layer 74, it is preferable to provide a mask material on the incident side end surface S2 and the output side end surface S3 of the rod-shaped body 73, or to polish the end surfaces after processing. The following converted light reflection film 75, excitation light antireflection film 76, etc. can also be formed in the same manner as the reflection layer 74.

棒状体73の入射側の端面S2には、変換光反射膜75が設けられていることが好ましい。変換光反射膜75としては、低屈折率側がSiO、Alなどであり、高屈折率側がTiO、Ta、Nbなどである誘電体多層膜であって、低屈折率側にSiOと高屈折率側にTiOが用いられ、一般的に励起光L1を透過させつつ変換光L2を反射させるように各層の光学膜厚が設計されたものなどが好ましい。また、変換光反射膜75の表面には励起光反射防止膜76が設けられていることが好ましい。励起光反射防止膜76としては、変換光反射膜75の表面と空気と中間の屈折率を有するものが好ましい。変換光反射膜75と励起光反射防止膜76の厚みは、それぞれの光学特性に応じて適宜決定される。 It is preferable that a converted light reflecting film 75 is provided on the end surface S2 of the rod-shaped body 73 on the incident side. The converted light reflection film 75 is a dielectric multilayer film whose low refractive index side is made of SiO 2 , Al 2 O 3 or the like, and whose high refractive index side is made of TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 or the like, It is preferable that SiO 2 is used on the low refractive index side and TiO 2 is used on the high refractive index side, and the optical film thickness of each layer is designed so as to generally transmit the excitation light L1 and reflect the converted light L2. . Further, it is preferable that an excitation light antireflection film 76 is provided on the surface of the converted light reflection film 75. The excitation light antireflection film 76 preferably has a refractive index between that of the surface of the converted light reflection film 75 and that of air. The thicknesses of the converted light reflection film 75 and the excitation light antireflection film 76 are appropriately determined according to their respective optical characteristics.

棒状体73の出射側の端面S3には、励起光反射膜77及び/又は変換光反射防止膜78が設けられていることが好ましい。励起光反射膜77としては、低屈折率側がSiO、Alなどであり、高屈折率側がTiO、Ta、Nbなどである誘電体多層膜であって、低屈折率側にSiOと高屈折率側にTiOが用いられ、変換光L2を透過させつつ励起光L1を反射させるように各層の光学膜厚が設計されたものなどが好ましい。変換光反射防止膜78としては、これを単独で出射側の端面S3に設ける場合、棒状体73の表面と空気と中間の屈折率を有するものが好ましい。励起光反射膜77と変換光反射防止膜78の厚みは、それぞれの光学特性に応じて適宜決定される。 It is preferable that an excitation light reflection film 77 and/or a converted light antireflection film 78 be provided on the exit side end surface S3 of the rod-shaped body 73. The excitation light reflecting film 77 is a dielectric multilayer film whose low refractive index side is made of SiO 2 , Al 2 O 3 or the like, and whose high refractive index side is made of TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 or the like, Preferably, SiO 2 is used on the low refractive index side and TiO 2 is used on the high refractive index side, and the optical film thickness of each layer is designed so as to reflect the excitation light L1 while transmitting the converted light L2. When the converted light antireflection film 78 is provided alone on the exit side end face S3, it is preferable that the converted light antireflection film 78 has a refractive index between that of the surface of the rod-shaped body 73 and that of air. The thicknesses of the excitation light reflection film 77 and the converted light antireflection film 78 are appropriately determined according to their respective optical characteristics.

<棒状体の材料>
棒状体は、シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有するものである。本発明において「シリカを主成分とする」とは、ガラスの金属成分中のSi元素の含有量が、60モル%以上である場合を指し、好ましくは80モル%以上であり、より好ましくは90~100モル%である。
<Material of rod-shaped body>
The rod-shaped body contains solid glass mainly composed of silica and quantum dots dispersed in the solid glass. In the present invention, "containing silica as the main component" refers to a case where the content of Si element in the metal component of the glass is 60 mol% or more, preferably 80 mol% or more, more preferably 90 mol% or more. ~100 mol%.

(固体ガラス)
シリカを主成分とする固体ガラスとしては、シリカガラスであることが好ましい。シリカガラスには、他の金属成分として、Al、Ca、Cu、Fe、Na、K、Li、Mg、Mn、Tiを含有していてもよい。但し、これらの金属成分の含有量は、金属成分中に20モル%以下が好ましく、好ましくは10モル%以下であり、より好ましくは0~5モル%である。
(solid glass)
The solid glass containing silica as a main component is preferably silica glass. Silica glass may contain Al, Ca, Cu, Fe, Na, K, Li, Mg, Mn, and Ti as other metal components. However, the content of these metal components in the metal component is preferably 20 mol% or less, preferably 10 mol% or less, and more preferably 0 to 5 mol%.

シリカガラスは、天然の石英粉を溶融した溶融石英ガラスと、液体原料から合成した合成シリカガラスに大別でき、いずれも使用可能であるが、合成シリカガラスであることが好ましい。合成シリカガラスはその製造方法により、気相合成法、液相合成法に分類できる。溶融石英ガラスは電気溶融石英ガラスと火炎溶融石英ガラスに分類される。前者は、OH含有量が少なく、後者はOH量が比較的多いのが特徴である。いずれも、耐熱性に優れ、比較的廉価である。 Silica glass can be broadly classified into fused silica glass, which is obtained by melting natural quartz powder, and synthetic silica glass, which is synthesized from liquid raw materials, and both can be used, but synthetic silica glass is preferable. Synthetic silica glass can be classified into vapor phase synthesis method and liquid phase synthesis method depending on the manufacturing method. Fused silica glass is classified into electric fused silica glass and flame fused silica glass. The former is characterized by a low OH content, and the latter is characterized by a relatively large OH content. All have excellent heat resistance and are relatively inexpensive.

気相合成法には、直接法、スート法、プラズマ法などがある。直接法は、四塩化ケイ素(SiCl)を酸水素火炎中で加水分解し、直接堆積・ガラス化することによりシリカガラスを合成する方法である。このタイプのシリカガラスは、OH基を500~1500ppm程度含む。光学的に均質なものを比較的容易に合成することができ、紫外線耐性にも優れている。したがって、紫外線用光学材料として使用される。 Gas phase synthesis methods include direct method, soot method, and plasma method. The direct method is a method of synthesizing silica glass by hydrolyzing silicon tetrachloride (SiCl 4 ) in an oxyhydrogen flame and directly depositing and vitrifying it. This type of silica glass contains about 500 to 1500 ppm of OH groups. Optically homogeneous products can be synthesized relatively easily and have excellent UV resistance. Therefore, it is used as an optical material for ultraviolet light.

スート法では最初にシリカの微粒子を生成して多孔質体を形成する。次に適当な雰囲気中での熱処理により、OH量を制御する。最後に、高温で透明ガラス化する。この合成方法は、複数の工程からなっているため、性状を制御しやすい。プラズマ法は、スート法よりも古くから無水のシリカガラスの合成法として用いられてきた。 In the soot method, silica particles are first generated to form a porous body. Next, the amount of OH is controlled by heat treatment in an appropriate atmosphere. Finally, it is turned into transparent glass at high temperature. Since this synthesis method consists of multiple steps, it is easy to control the properties. The plasma method has been used as a method for synthesizing anhydrous silica glass for a longer time than the soot method.

液相中で合成する方法として、ゾル-ゲル法がある。これは、金属アルコキシドの重縮合により、シリカの多孔質体を合成したのち、乾燥、焼結ガラス化する方法である。また、低温でのシリカガラス薄膜の生成方法として、液相析出(LPD)法がある。 A sol-gel method is a method for synthesizing in a liquid phase. This is a method in which a porous silica body is synthesized by polycondensation of metal alkoxides, and then dried and sintered to vitrify it. Further, as a method for producing a silica glass thin film at a low temperature, there is a liquid phase precipitation (LPD) method.

本発明では、金属アルコキシドの加水分解と重縮合(ゾル-ゲル法)により得られるシリカガラスが好適に使用することができる。ゾル-ゲル法を行なう際に、多塩基酸を添加することが、クラックや欠けの防止の観点から好ましい。このため、本発明における固体ガラスには、多塩基酸及び/又はその残基成分を含有することが好ましい。 In the present invention, silica glass obtained by hydrolysis and polycondensation (sol-gel method) of metal alkoxides can be preferably used. When carrying out the sol-gel method, it is preferable to add a polybasic acid from the viewpoint of preventing cracks and chips. For this reason, the solid glass in the present invention preferably contains a polybasic acid and/or its residue component.

(量子ドット)
量子ドットは、量子化学、量子力学に従う独特な光学特性を持つナノスケールの粒子のことを指し、粒子サイズによって光学特性を調節することが可能であるため、粒径に依存した特徴的な発光特性を持つ。本発明では、変換光の発光波長に応じて、炭素系量子ドット、シリコン量子ドット、ペロブスカイト型量子ドット、カルコパイライト型量子ドットなどを使用することができる。また、これらから選択した複数の量子ドットを用いて、各々の含有量を調整することで、所望の発光波長を得ることができる。
(Quantum dot)
Quantum dots refer to nanoscale particles with unique optical properties that comply with quantum chemistry and quantum mechanics.The optical properties can be adjusted depending on the particle size, so they have characteristic luminescent properties that depend on the particle size. have. In the present invention, carbon-based quantum dots, silicon quantum dots, perovskite quantum dots, chalcopyrite quantum dots, etc. can be used depending on the emission wavelength of the converted light. Further, by using a plurality of quantum dots selected from these and adjusting the content of each, a desired emission wavelength can be obtained.

(炭素系量子ドット)
炭素系量子ドットは、炭素原子間のπ結合に起因して、粒径に依存した発光特性を有するものである。炭素系量子ドットとしては、グラフェン構造を有するグラフェン量子ドット、グラフェン構造を有しないカーボン量子ドット、これらを化学修飾した量子ドット等が挙げられるが、量子収率の観点からグラフェン量子ドット又は化学修飾したグラフェン量子ドットが好ましい。
(Carbon-based quantum dots)
Carbon-based quantum dots have luminescent properties that depend on particle size due to π bonds between carbon atoms. Examples of carbon-based quantum dots include graphene quantum dots with a graphene structure, carbon quantum dots without a graphene structure, and chemically modified quantum dots of these. Graphene quantum dots are preferred.

これらの炭素系量子ドットは、シグマ-アルドリッチ社、冨士色素株式会社、GSアライアンス株式会社、フナコシ株式会社、キシダ化学株式会社などから、市販されており、これらを何れも使用することができる。 These carbon-based quantum dots are commercially available from Sigma-Aldrich, Fuji Shiki Co., Ltd., GS Alliance Co., Ltd., Funakoshi Co., Ltd., Kishida Kagaku Co., Ltd., etc., and any of these can be used.

炭素系量子ドットの含有量は、蛍光特性における適度な波長シフトを得ることと、適度な発光出力を得ることの観点から、蛍光体組成物中に0.0001~10質量%であることが好ましく、より好ましくは0.001~5質量%であり、更に好ましくは0.01~1質量%である。 The content of carbon-based quantum dots is preferably 0.0001 to 10% by mass in the phosphor composition from the viewpoint of obtaining an appropriate wavelength shift in fluorescence characteristics and obtaining an appropriate luminescence output. , more preferably 0.001 to 5% by mass, and even more preferably 0.01 to 1% by mass.

(グラフェン量子ドット)
グラフェン量子ドットとしては、非官能化グラフェン量子ドット、官能化グラフェン量子ドット、原初の(pristine)グラフェン量子ドット、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
(Graphene quantum dots)
Graphene quantum dots include non-functionalized graphene quantum dots, functionalized graphene quantum dots, pristine graphene quantum dots, and combinations thereof.

官能化グラフェン量子ドットは1つ以上の官能基で官能化されていてもよい。官能基には、酸素基、カルボキシル基、カルボニル基、非晶質炭素、ヒドロキシル基、アルキル基、アリール基、エステル、アミン、アミド、ポリマー、ポリ(プロピレンオキシド)、およびこれらの組み合わせが含まれる。 Functionalized graphene quantum dots may be functionalized with one or more functional groups. Functional groups include oxygen groups, carboxyl groups, carbonyl groups, amorphous carbon, hydroxyl groups, alkyl groups, aryl groups, esters, amines, amides, polymers, poly(propylene oxide), and combinations thereof.

また、グラフェン量子ドットには、1つ以上のアルキル基で官能化されている官能化グラフェン量子ドットが含まれる。アルキル基には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、およびこれらの組み合わせが含まれる。幾つかの態様において、アルキル基にはオクチル基(例えば、オクチルアミン)が含まれる。 Graphene quantum dots also include functionalized graphene quantum dots that are functionalized with one or more alkyl groups. Alkyl groups include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, and combinations thereof. In some embodiments, alkyl groups include octyl groups (eg, octylamine).

また、グラフェン量子ドットは、1種以上のポリマー先駆物質で官能化することができる。例えば、グラフェン量子ドットは1種以上のモノマー(例えば、ビニルモノマー)で官能化することができる。 Graphene quantum dots can also be functionalized with one or more polymer precursors. For example, graphene quantum dots can be functionalized with one or more monomers (eg, vinyl monomers).

グラフェン量子ドットは、重合するポリマー先駆物質で官能化することにより、ポリマー官能化グラフェン量子ドットを形成することができる。例えば、重合するビニルモノマーで端部を官能化することにより、端部官能化ポリビニルの付加物を形成することができる。 Graphene quantum dots can be functionalized with polymer precursors that polymerize to form polymer-functionalized graphene quantum dots. For example, an end-functionalized polyvinyl adduct can be formed by functionalizing the ends with a vinyl monomer that polymerizes.

グラフェン量子ドットは、1種以上の親水性官能基で官能化されている官能化グラフェン量子ドットを含む。親水性官能基には、カルボキシル基、カルボニル基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、ポリ(エチレングリコール)、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(アクリル酸)、およびこれらの組み合わせが含まれる。 Graphene quantum dots include functionalized graphene quantum dots that are functionalized with one or more hydrophilic functional groups. Hydrophilic functional groups include carboxyl groups, carbonyl groups, hydroxyl groups, hydroxyalkyl groups, poly(ethylene glycol), poly(vinyl alcohol), poly(acrylic acid), and combinations thereof.

グラフェン量子ドットは、1種以上の疎水性官能基で官能化されている官能化グラフェン量子ドットを含む。疎水性官能基には、アルキル基、アリール基、およびこれらの組み合わせが含まれる。疎水性官能基には1種以上のアルキルアミドまたはアリールアミドが含まれる。 Graphene quantum dots include functionalized graphene quantum dots that are functionalized with one or more hydrophobic functional groups. Hydrophobic functional groups include alkyl groups, aryl groups, and combinations thereof. Hydrophobic functional groups include one or more alkylamides or arylamides.

グラフェン量子ドットは端部官能化グラフェン量子ドットを含む。端部官能化グラフェン量子ドットには、前述した1種以上の疎水性官能基が含まれる。端部官能化グラフェン量子ドットには、前述したような1種以上の疎水性官能基が含まれる。端部官能化グラフェン量子ドットには、やはり前述したような1種以上の親水性官能基が含まれる。端部官能化グラフェン量子ドットには、それらの端部上にある1種以上の酸素の付加物が含まれる。端部官能化グラフェン量子ドットには、それらの端部上にある1種以上の非晶質炭素の付加物が含まれる。 Graphene quantum dots include edge-functionalized graphene quantum dots. The end-functionalized graphene quantum dots include one or more of the hydrophobic functional groups described above. The edge-functionalized graphene quantum dots include one or more hydrophobic functional groups as described above. The edge-functionalized graphene quantum dots also include one or more hydrophilic functional groups as described above. Edge-functionalized graphene quantum dots include one or more oxygen adducts on their edges. Edge-functionalized graphene quantum dots include adducts of one or more amorphous carbons on their edges.

グラフェン量子ドットは、アルキルアミドまたはアリールアミドなどの1種以上のアルキル基またはアリール基で端部が官能化されている。アルキル基またはアリール基を用いるグラフェン量子ドットの端部官能化は、グラフェン量子ドットの端部におけるアルキルアミドまたはアリールアミドのカルボン酸との反応によって行われる。 Graphene quantum dots are end-functionalized with one or more alkyl or aryl groups, such as alkylamides or arylamides. Edge functionalization of graphene quantum dots with alkyl or aryl groups is carried out by reaction of an alkyl or arylamide with a carboxylic acid at the ends of the graphene quantum dots.

グラフェン量子ドットには原初の(pristine)グラフェン量子ドットが含まれる。原初のグラフェン量子ドットは、合成後に未処理のままのグラフェン量子ドットを含む。原初のグラフェン量子ドットは、合成後にいかなる追加の表面変性も行われていないグラフェン量子ドットを含む。 Graphene quantum dots include pristine graphene quantum dots. Pristine graphene quantum dots include graphene quantum dots that remain unprocessed after synthesis. Pristine graphene quantum dots include graphene quantum dots that have not undergone any additional surface modification after synthesis.

グラフェン量子ドットは様々な発生源から得ることができる。例えば、グラフェン量子ドットには、石炭由来のグラフェン量子ドット、コークス由来のグラフェン量子ドット、およびこれらの組み合わせが含まれる。グラフェン量子ドットにはコークス由来のグラフェン量子ドットが含まれる。グラフェン量子ドットには石炭由来のグラフェン量子ドットが含まれる。石炭には、(これらに限定はされないが)無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、変性瀝青炭、アスファルテン、アスファルト、泥炭、亜炭、ボイラー用炭、石化油(petrified oil)、カーボンブラック、活性炭、およびこれらの組み合わせが含まれる。炭素源は瀝青炭である。炭素には瀝青炭が含まれる。 Graphene quantum dots can be obtained from various sources. For example, graphene quantum dots include coal-derived graphene quantum dots, coke-derived graphene quantum dots, and combinations thereof. Graphene quantum dots include graphene quantum dots derived from coke. Graphene quantum dots include graphene quantum dots derived from coal. Coal includes, but is not limited to, anthracite, bituminous, sub-bituminous, modified bituminous, asphaltenes, asphalt, peat, lignite, boiler coal, petrified oil, carbon black, activated carbon, and combinations thereof. is included. The carbon source is bituminous coal. Carbon includes bituminous coal.

グラフェン量子ドットは様々な直径を有することができる。例えば、グラフェン量子ドットは約1nmから約100nmまでの範囲の直径を有することが好ましく、約1nmから約50nmまでの範囲の直径を有することがより好ましく、約1nmから約20nmまでの範囲の直径を有することが更に好ましい。 Graphene quantum dots can have various diameters. For example, graphene quantum dots preferably have diameters ranging from about 1 nm to about 100 nm, more preferably from about 1 nm to about 50 nm, and more preferably from about 1 nm to about 20 nm. It is more preferable to have.

グラフェン量子ドットはまた、様々な構造を有することもできる。例えば、グラフェン量子ドットは結晶質の構造を有していてもよく、例えば結晶質の六方晶構造を有する。グラフェン量子ドットは単層又は複層を有していてもよく、例えばグラフェン量子ドットはおよそ2つの層からおよそ4つの層までを有する。 Graphene quantum dots can also have various structures. For example, graphene quantum dots may have a crystalline structure, such as a crystalline hexagonal structure. Graphene quantum dots may have a single layer or multiple layers, for example graphene quantum dots have from about two layers to about four layers.

グラフェン量子ドットは、様々な量子収率を有することもできる。グラフェン量子ドットは約30~80%までの範囲の量子収率を有することが好ましい。また、グラフェン量子ドットの水分散体における蛍光特性は、励起光300nm~420nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長が380nm~650nmであることが好ましい。 Graphene quantum dots can also have different quantum yields. Preferably, the graphene quantum dots have a quantum yield in the range of about 30-80%. In addition, the fluorescence characteristic of the aqueous dispersion of graphene quantum dots is such that the emission wavelength is preferably 380 nm to 650 nm with respect to at least one wavelength of excitation light of 300 nm to 420 nm.

グラフェン量子ドットは粉末の形態であってもよく、ペレットの形態であってもよい。グラフェン量子ドットは液体状態であってもよく、分散液、溶液、溶融した状態であってもよい。 Graphene quantum dots may be in the form of powder or pellets. Graphene quantum dots may be in a liquid state, a dispersion, a solution, or a molten state.

グラフェン量子ドットを形成するために、様々な方法を利用することができる。例えば、グラフェン量子ドットを形成する工程は、炭素源を酸化剤に曝し、その結果としてグラフェン量子ドットを形成することを含むことができる。炭素源には、石炭、コークス、およびこれらの組み合わせが含まれる。 Various methods can be used to form graphene quantum dots. For example, forming graphene quantum dots can include exposing a carbon source to an oxidizing agent, resulting in the formation of graphene quantum dots. Carbon sources include coal, coke, and combinations thereof.

酸化剤には酸が含まれ、酸には、硫酸、硝酸、リン酸、次亜リン酸、発煙硫酸、塩化水素酸、オレウム、クロロスルホン酸、およびこれらの組み合わせが含まれる。また、酸化剤には、過マンガン酸カリウム、過マンガン酸ナトリウム、次亜リン酸、硝酸、硫酸、過酸化水素、およびこれらの組み合わせが含まれる。好ましい酸化剤は過マンガン酸カリウム、硫酸および次亜リン酸の混合物である。 Oxidizing agents include acids, including sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hypophosphorous acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid, oleum, chlorosulfonic acid, and combinations thereof. Oxidizing agents also include potassium permanganate, sodium permanganate, hypophosphorous acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrogen peroxide, and combinations thereof. A preferred oxidizing agent is a mixture of potassium permanganate, sulfuric acid and hypophosphorous acid.

酸化剤の存在下で炭素源を音波処理することによって炭素源は酸化剤に曝される。酸化剤の存在下で炭素源を加熱することが含まれる。加熱は少なくとも約100℃の温度において行われる。 The carbon source is exposed to the oxidizing agent by sonicating the carbon source in the presence of the oxidizing agent. It includes heating the carbon source in the presence of an oxidizing agent. Heating is performed at a temperature of at least about 100°C.

グラフェン量子ドットを形成するさらなる方法の使用も想定することができる。例えば、グラフェン量子ドットを形成するさらなる方法は、国際特許出願であるPCT/US2014/036604号に開示されている。グラフェン量子ドットを製造するさらなる適当な方法は、次の参考文献にも開示されている:ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7041-7048;および、Nature Commun. 2013, 4:2943, 1-6。 The use of further methods of forming graphene quantum dots can also be envisaged. For example, additional methods of forming graphene quantum dots are disclosed in international patent application PCT/US2014/036604. Further suitable methods for producing graphene quantum dots are also disclosed in the following references: ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 7041-7048; and Nature Commun. 2013, 4:2943, 1- 6.

(カーボン量子ドット)
カーボン量子ドットは、グラフェンのような環状構造を持っていない量子ドットである。pH値によってグラフェン量子ドットより影響を受け易く、発光強度、ピーク位置が変化する性質を有する。
(carbon quantum dots)
Carbon quantum dots are quantum dots that do not have a ring structure like graphene. It has the property that it is more easily affected by pH value than graphene quantum dots, and its emission intensity and peak position change.

カーボン量子ドットは様々な直径を有することができる。例えば、カーボン量子ドットは約1nmから約100nmまでの範囲の直径を有することが好ましく、約1nmから約50nmまでの範囲の直径を有することがより好ましく、約1nmから約30nmまでの範囲の直径を有することが更に好ましい。 Carbon quantum dots can have various diameters. For example, carbon quantum dots preferably have diameters ranging from about 1 nm to about 100 nm, more preferably from about 1 nm to about 50 nm, and more preferably from about 1 nm to about 30 nm. It is more preferable to have.

カーボン量子ドットはまた、様々な量子収率を有することもできる。カーボン量子ドットは約20~50%までの範囲の量子収率を有することが好ましい。また、カーボン量子ドットの水分散体における蛍光特性は、励起光300nm~420nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長が380nm~600nmであることが好ましい。 Carbon quantum dots can also have varying quantum yields. Preferably, the carbon quantum dots have a quantum yield in the range of about 20-50%. Furthermore, the fluorescence characteristic of the aqueous dispersion of carbon quantum dots is such that the emission wavelength is preferably 380 nm to 600 nm with respect to at least one wavelength of excitation light of 300 nm to 420 nm.

カーボン量子ドットの製造方法は、グラフェン量子ドットの製造方法と大差はなく、使用原料や製造条件がグラフェン構造を形成し易いか否かの違いのみである。 The method for producing carbon quantum dots is not much different from the method for producing graphene quantum dots, and the only difference is whether or not the raw materials used and production conditions facilitate forming a graphene structure.

従って、両者を含む炭素系量子ドットは、例えば、炭素ターゲットをレーザーアブレーション(laserablation)後、化学処理を実施して製造する手法(特表2012-501863号公報)や蝋燭の煤から製造する手法(H. Liu, et al., Angew. Chem.Int. Ed. 2007, 46, 6473-6475.)、グラファイト酸化物を化学処理して製造する手法(G. Eda, et al., Adv. Mater.2010, 22, 505-509.)、グラファイト酸化物を前駆体とする化学反応から製造する手法(特開2012-136566号公報)、フラーレンの転換反応から製造する手法(J. Lu, et al., Nature Nanotech.2011, 6, 247-252.)、更に、炭素繊維や活性炭など、より安価な炭素原料を化学処理して製造する手法(J. Peng, et al., Nano Lett. 2012, 12, 844-849.、Z.A. Qiao, ChemCommun. 2010, 46,8812-8814.、Y. Dong, et al., Chem. Mater.2010, 22, 5895-5899.)で製造することも可能である。 Therefore, carbon-based quantum dots containing both can be manufactured using, for example, a method of manufacturing a carbon target by laser ablation and then chemical treatment (Japanese Patent Publication No. 2012-501863), or a method of manufacturing from candle soot ( H. Liu, et al., Angew. Chem.Int. Ed. 2007, 46, 6473-6475.), a method for producing graphite oxide by chemical treatment (G. Eda, et al., Adv. Mater. 2010, 22, 505-509.), a method of manufacturing from a chemical reaction using graphite oxide as a precursor (JP 2012-136566), a method of manufacturing from a conversion reaction of fullerene (J. Lu, et al. , Nature Nanotech.2011, 6, 247-252.), and methods to chemically process cheaper carbon raw materials such as carbon fiber and activated carbon (J. Peng, et al., Nano Lett. 2012, 12 , 844-849., Z.A. Qiao, ChemCommun. 2010, 46,8812-8814., Y. Dong, et al., Chem. Mater. 2010, 22, 5895-5899.).

なお、これらの手法は、大別してトップダウン(top-down)の手法であるが、有機前駆体分子のポリマー化から炭素量子ドットを製造するボトムアップ(bottom-up)の手法(G. A. Ozin, et al., J. Mater. Chem., 2012, 22, 1265-1269.)でも製造可能である。 These methods can be broadly classified as top-down methods, but there is also a bottom-up method in which carbon quantum dots are produced from polymerization of organic precursor molecules (G. A. Ozin, et al. al., J. Mater. Chem., 2012, 22, 1265-1269.).

また、炭素材と過酸化水素とを混合し、過酸化水素により炭素を分解反応させ、炭素量子ドット生成液を調製する工程と、炭素量子ドット生成液中の炭素量子ドットと過酸化水素を分離して分解反応を停止させ、炭素量子ドットを取得する工程と、を含む炭素量子ドットの製造方法(特開2014-133685号公報)で製造することも可能である。 In addition, there is a process of mixing carbon material and hydrogen peroxide, decomposing the carbon with hydrogen peroxide, and preparing a carbon quantum dot generation liquid, and separating carbon quantum dots and hydrogen peroxide in the carbon quantum dot generation liquid. It is also possible to produce carbon quantum dots by a method for producing carbon quantum dots (Japanese Patent Application Laid-open No. 2014-133685), which includes a step of stopping the decomposition reaction and obtaining carbon quantum dots.

(炭素系量子ドットの波長変換特性)
炭素系量子ドットを用い場合の波長変換特性(蛍光特性)としては、汎用性の高い蛍光材料とする観点から、励起光300nm~470nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長(ピーク波長)が400nm~750nmであることが好ましく、発光波長が450nm~650nmであることがより好ましく、発光波長が500nm~600nmであることが更に好ましい。このような発光波長は、単結晶YAG・Ceとほぼ同じ領域の発光となる。
(Wavelength conversion characteristics of carbon-based quantum dots)
When using carbon-based quantum dots, the wavelength conversion characteristics (fluorescence characteristics) are such that, from the viewpoint of making it a highly versatile fluorescent material, the emission wavelength (peak wavelength) for at least one of the wavelengths of excitation light from 300 nm to 470 nm. is preferably from 400 nm to 750 nm, more preferably from 450 nm to 650 nm, even more preferably from 500 nm to 600 nm. Such a light emission wavelength is light emission in approximately the same region as that of single crystal YAG/Ce.

また、発光ピーク波長を中心とした発光の半値幅が40nm~100nmであることが好ましく、発光波長が400nm~700nmであることがより好ましく、発光波長が420nm~750nmであることが更に好ましい。 Further, it is preferable that the half-width of the emission around the emission peak wavelength is 40 nm to 100 nm, more preferably the emission wavelength is 400 nm to 700 nm, and still more preferably the emission wavelength is 420 nm to 750 nm.

なお、このような蛍光特性を得る観点から、原料となる炭素系量子ドットの水分散体における蛍光特性としては、励起光300nm~420nmの少なくとも何れかの波長に対して、発光波長(ピーク波長)が380nm~600nmであることが好ましく、発光波長が400nm~550nmであることがより好ましく、発光波長が420nm~500nmであることが更に好ましい。 In addition, from the viewpoint of obtaining such fluorescence characteristics, the fluorescence characteristics of the aqueous dispersion of carbon-based quantum dots used as a raw material are determined by the emission wavelength (peak wavelength) for at least one of the wavelengths of excitation light from 300 nm to 420 nm. is preferably from 380 nm to 600 nm, more preferably from 400 nm to 550 nm, even more preferably from 420 nm to 500 nm.

また、蛍光体組成物の量子収率(発光効率)は、25%以上が好ましく、さらに50%以上がより好ましく、特に70~80%が好ましい。 Further, the quantum yield (luminous efficiency) of the phosphor composition is preferably 25% or more, more preferably 50% or more, and particularly preferably 70 to 80%.

(シリコン量子ドット)
半導体はナノ粒子化すると,量子サイズ効果(閉じ込め効果)によりバンド構造が変化し,粒径に応じた色の蛍光を示す。シリコン量子ドットは,代表的なIV族半導体の量子ドットである。
(Silicon quantum dot)
When a semiconductor is made into nanoparticles, its band structure changes due to the quantum size effect (confinement effect), and it emits fluorescence of a color depending on the particle size. Silicon quantum dots are typical group IV semiconductor quantum dots.

シリコン量子ドットの合成法の代表的なものとして,シリコンウェハーのエッチングが挙げられる。フッ化水素酸(HF)を用いた電解エッチングによりバルクのシリコンを微細化することで,ナノ粒子を得ることができる。このとき,得られる粒子の粒径は,エッチング時間などで制御することが可能である。比較的多い量の粒子を生成できるボトムアップ的な合成法としては,シラン(SiH)の熱分解による粒子合成が知られている。シランの熱分解によってSi原子が生成され,これが過飽和となり,核発生・成長することで粒子が生成される。このとき生成される粒子はサイズが比較的大きいため,その後フッ化水素酸(HF)/硝酸(HNO)の混合液によって粒子をエッチングすることで,量子サイズ効果が現れる領域まで粒径を小さくしている。 Etching of silicon wafers is a typical method for synthesizing silicon quantum dots. Nanoparticles can be obtained by refining bulk silicon by electrolytic etching using hydrofluoric acid (HF). At this time, the particle size of the particles obtained can be controlled by controlling the etching time and the like. Particle synthesis by thermal decomposition of silane (SiH 4 ) is known as a bottom-up synthesis method capable of producing a relatively large amount of particles. Thermal decomposition of silane produces Si atoms, which become supersaturated and generate and grow nuclei to produce particles. Since the particles generated at this time are relatively large in size, the particles are then etched with a mixture of hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ) to reduce the particle size to a region where the quantum size effect appears. are doing.

エッチングの過程を経ずに一段階でシングルナノメートルの粒子を合成する方法として,プラズマCVD法を用いた合成方法も知られている。前駆体である四臭化ケイ素(SiBr)をRFプラズマ場で分解してSi原子を生成し,これを反応器内で核発生・成長させることで,ナノ粒子を生成させることができる。 A synthesis method using plasma CVD is also known as a method for synthesizing single nanometer particles in one step without going through an etching process. Nanoparticles can be generated by decomposing the precursor silicon tetrabromide (SiBr 4 ) in an RF plasma field to generate Si atoms, which are then nucleated and grown in a reactor.

シリコン量子ドットは、GSアライアンス株式会社、シグマ-アルドリッチ社などから市販されており、それらを使用することが可能である。市販されているシリコン量子ドットは、サイズが数Åから10nm以下の大きさであり、量子収率は約20~30%である。 Silicon quantum dots are commercially available from GS Alliance Co., Ltd., Sigma-Aldrich, etc., and can be used. Commercially available silicon quantum dots have a size ranging from several angstroms to 10 nm or less, and a quantum yield of about 20 to 30%.

シリコン量子ドットは、粒子径に応じた発光波長とすることができ、本発明では、緑色~黄色を得るための波長変換部材、又は赤色を得るための波長変換部材の両者に使用することができる。 Silicon quantum dots can have an emission wavelength depending on the particle size, and in the present invention, they can be used both as a wavelength conversion member for obtaining green to yellow color or as a wavelength conversion member for obtaining red color. .

シリコン量子ドットを固体ガラス中に分散させた棒状体では、青色レーザダイオードの励起光である400nm~470nmの波長に対して、赤色光を発光させる場合、発光波長(ピーク波長)が610nm~640nmであることが好ましく、発光波長が620nm~640nmであることがより好ましい。また、緑色~黄色の光を発光させる場合、発光波長(ピーク波長)が520nm~560nmであることが好ましく、発光波長が530nm~550nmであることがより好ましい。 In a rod-shaped body in which silicon quantum dots are dispersed in solid glass, when emitting red light in contrast to the wavelength of 400 nm to 470 nm, which is the excitation light of a blue laser diode, the emission wavelength (peak wavelength) is 610 nm to 640 nm. It is preferable that the emission wavelength be 620 nm to 640 nm. Further, when emitting green to yellow light, the emission wavelength (peak wavelength) is preferably 520 nm to 560 nm, more preferably 530 nm to 550 nm.

(ペロブスカイト型量子ドット)
ペロブスカイト型量子ドットは、ペロブスカイト結晶構造を有するものである。一般的にペロブスカイト結晶構造は、イオンA、イオンBおよびイオンXを用いたABXの組成式で表され、8つの頂点にイオンAが、6つの面の中心にイオンXが、格子の中心部分にイオンBが存在し、イオンBがイオンAより比較的小さいため、イオンBが動きやすいことに起因して正負の電荷の重心が分かれた状態になることができる。ペロブスカイト型量子ドットにおいて、イオンXはハロゲン原子(好ましくは、F、Cl、Br、I)であることが好ましく、イオンAはCsであることが好ましく、イオンBはPbであることが好ましい。
(Perovskite quantum dot)
Perovskite quantum dots have a perovskite crystal structure. Generally, the perovskite crystal structure is represented by the composition formula ABX 3 using ions A, ion B, and ion X, with ion A at eight vertices, ion Since ion B is present in , and ion B is relatively smaller than ion A, ion B is easy to move, so that the centers of gravity of positive and negative charges can be separated. In the perovskite quantum dot, ion X is preferably a halogen atom (preferably F, Cl, Br, I), ion A is preferably Cs, and ion B is preferably Pb.

ペロブスカイト型量子ドットは、一般式(1):CsPbY(上記一般式(1)中、YおよびZはそれぞれ独立して、F、Cl、BrまたはIを表し、aおよびbはそれぞれ独立して、0以上3以下の実数を表し、a+b=3である。)であることが好ましい。また、CHNHPbX(X=Cl,Br,I)の組成であるものも使用できる。 Perovskite quantum dots have the general formula (1): CsPbY a Z b (In the above general formula (1), Y and Z each independently represent F, Cl, Br, or I, and a and b each independently represents a real number from 0 to 3, and a+b=3). Further, a material having a composition of CH 3 NH 3 PbX 3 (X=Cl, Br, I) can also be used.

ペロブスカイト型量子ドットは、赤色光を発光するペロブスカイト型量子ドットから選択される少なくとも1種の量子ドットを含むことが好ましい。量子ドットなどの発光用ナノ結晶の発光色は、量子ドットの粒子径と発光用ナノ結晶が有するエネルギーギャップとに依存するため、使用するペロブスカイト型量子ドットの種類とその粒子径を調整することにより発光色を選択することができる。 The perovskite quantum dots preferably include at least one type of quantum dot selected from perovskite quantum dots that emit red light. The emission color of light-emitting nanocrystals such as quantum dots depends on the particle size of the quantum dots and the energy gap of the light-emitting nanocrystals, so by adjusting the type of perovskite quantum dots used and their particle size. You can choose the emitting color.

市販されているペロブスカイト型量子ドットは、ペロブスカイト型化合物をナノ結晶化したものであり、CHNHPbX、CsPbX(X=Cl,Br,I)が代表的な組成である。また、量子収率は約50~80%であり、半値幅は約18nm~39nmである。 Commercially available perovskite quantum dots are nanocrystallized perovskite compounds, and typical compositions thereof are CH 3 NH 3 PbX 3 and CsPbX 3 (X=Cl, Br, I). Further, the quantum yield is about 50 to 80%, and the half width is about 18 to 39 nm.

ペロブスカイト型量子ドットを固体ガラス中に分散させた棒状体では、青色レーザダイオードの励起光である400nm~470nmの波長に対して、赤色光を発光させる場合、発光波長(ピーク波長)が610nm~650nmであることが好ましく、発光波長が615nm~635nmであることがより好ましい。 In a rod-shaped body in which perovskite quantum dots are dispersed in solid glass, when emitting red light, the emission wavelength (peak wavelength) is 610 nm to 650 nm, compared to the wavelength of 400 nm to 470 nm, which is the excitation light of a blue laser diode. It is preferable that the emission wavelength be 615 nm to 635 nm.

(カルコパイライト型量子ドット)
カルコパイライト型量子ドットは、カルコパイライト型半導体を含むナノ粒子からなる量子ドットであり、量子サイズ効果により、光吸収域や発光波長を変化させることが出来るという特徴を有する。
カルコパイライト型量子ドットとしては、CuInS2、CuAlS2、CuGaS2、CuAlSe2、CuGaSe2、AgInS2、AgAlS2、AgGaS2、AgAlSe2、AgGaSe2、AgInSe2、AgAlTe2、AgGaTe2、AgInTe2、Cu(In, Al)Se2、Cu(In, Ga)(S, Se)2、Ag(In,Ga)Se2、Ag(In, Ga)(S, Se)2等、又はこれらの化合物の構成元素比が化学量論と異なるものを挙げることができる。これらは1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらのなかでも、銅、インジウム、硫黄の三元素からなるカルコパイライト型量子ドットが、低い毒性と高い光吸収係数を有するため好ましい。このカルコパイライト型量子ドットのCu/Inのモル比は、0.5~3であればよく、S/Inのモル比は、0.5~3であればよいが、好ましくはCu/Inのモル比が1のCuInS2である。このようなカルコパイライト型量子ドットは、結晶構造に起因して、発光スペクトルの半値幅が比較的大きくなるため好ましく使用できる。
カルコパイライト型量子ドットは、単体として使用できるが、表面修飾により複合化した量子ドットとしても使用することができる。表面修飾には、硫化亜鉛などが使用できる。
カルコパイライト型量子ドット又は表面修飾したカルコパイライト型量子ドットは、GSアライアンス株式会社などから市販されており、本発明ではそれらを使用することができる。市販されているCuInS2/ZnSの量子収率は約10%~40%であり、半値幅は約60nm~130nmである。
他の量子ドットに比べ半値幅が広い理由として粒子径のバラツキに依存するところが大きく、遠心分離機による粒子径分別を行うことで半値幅を狭くし量子収率を高くすることが可能である。
(chalcopyrite quantum dot)
Chalcopyrite quantum dots are quantum dots made of nanoparticles containing a chalcopyrite semiconductor, and are characterized by being able to change the light absorption range and emission wavelength due to the quantum size effect.
Examples of chalcopyrite quantum dots include CuInS 2 , CuAlS 2 , CuGaS 2 , CuAlSe 2 , CuGaSe 2 , AgInS 2 , AgAlS 2 , AgGaS 2 , AgAlSe 2 , AgGaSe 2 , AgInSe 2 , AgAlTe 2 , AgGaTe 2 , AgInTe 2 , Cu(In, Al)Se 2 , Cu(In, Ga)(S, Se) 2 , Ag(In,Ga)Se 2 , Ag(In, Ga)(S, Se) 2 , etc., or compounds of these Examples include those in which the ratio of constituent elements differs from the stoichiometry. These can be used alone or in combination of two or more.
Among these, chalcopyrite-type quantum dots made of the three elements copper, indium, and sulfur are preferred because they have low toxicity and a high light absorption coefficient. The Cu/In molar ratio of the chalcopyrite quantum dots may be 0.5 to 3, and the S/In molar ratio may be 0.5 to 3, but preferably the Cu/In molar ratio is 0.5 to 3. CuInS 2 with a molar ratio of 1. Such chalcopyrite-type quantum dots can be preferably used because the half-width of the emission spectrum is relatively large due to their crystal structure.
Chalcopyrite quantum dots can be used alone, but they can also be used as composite quantum dots through surface modification. Zinc sulfide and the like can be used for surface modification.
Chalcopyrite quantum dots or surface-modified chalcopyrite quantum dots are commercially available from GS Alliance Co., Ltd., and can be used in the present invention. The quantum yield of commercially available CuInS 2 /ZnS is about 10% to 40%, and the half width is about 60 nm to 130 nm.
The reason why the half-width is wider than other quantum dots is that it largely depends on the variation in particle size, and by separating the particle size using a centrifuge, it is possible to narrow the half-width and increase the quantum yield.

カルコパイライト型量子ドットを固体ガラス中に分散させた棒状体では、青色レーザダイオードの励起光である400nm~470nmの波長に対して、赤色光を発光させる場合、発光波長(ピーク波長)が560nm~660nmであることが好ましい。また、棒状体の特性として、発光スペクトルの半値幅が80nm~120nmであることがより好ましい。
(棒状体の製造方法)
棒状体は、固体ガラスの合成時に量子ドットを分散させる方法、又は合成等によって得られた固体ガラスを微粉砕した後に、粉砕物中に量子ドットを分散させ固化させる方法などにより得ることができる。
In a rod-shaped body in which chalcopyrite quantum dots are dispersed in solid glass, when emitting red light, the emission wavelength (peak wavelength) is 560 nm to 470 nm, which is the excitation light of a blue laser diode. Preferably it is 660 nm. Further, as a characteristic of the rod-shaped body, it is more preferable that the half width of the emission spectrum is 80 nm to 120 nm.
(Method for manufacturing rod-shaped body)
The rod-shaped body can be obtained by a method in which quantum dots are dispersed during the synthesis of solid glass, or a method in which solid glass obtained by synthesis or the like is finely pulverized, and then quantum dots are dispersed in the pulverized material and solidified.

後者の方法では、固体ガラスを平均粒径100nm~5000nmに微粉砕したものを使用することができ、量子ドットを分散させた混合物を、常法により適当な温度と圧力で固化することができる。 In the latter method, solid glass finely pulverized to an average particle size of 100 nm to 5000 nm can be used, and a mixture in which quantum dots are dispersed can be solidified by a conventional method at an appropriate temperature and pressure.

本発明では、量子ドットの均一分散性、光学特性などの観点から、合成時に量子ドットを分散させる方法が好ましく、金属アルコキシドの加水分解と重縮合(ゾル-ゲル法)によりシリカガラスを合成する際に、量子ドットを分散させる製造方法を用いることがより好ましい。以下、この製造方法について詳述する。 In the present invention, from the viewpoint of uniform dispersibility and optical properties of quantum dots, it is preferable to disperse quantum dots during synthesis. It is more preferable to use a manufacturing method in which quantum dots are dispersed. This manufacturing method will be described in detail below.

<ゾル-ゲル法による製造方法>
ゾル-ゲル法による製造方法は、シリカを主成分とする固体ガラスの前駆体と、その前駆体中に分散した量子ドットとを含有する分散液を得る分散工程と、前記前駆体をゾル-ゲル反応により固化させて、固体ガラスとその固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有する蛍光体組成物を得る反応工程と、を含むものである。
<Production method using sol-gel method>
The manufacturing method using the sol-gel method includes a dispersion step to obtain a dispersion liquid containing a solid glass precursor containing silica as a main component and quantum dots dispersed in the precursor, and a dispersion step to obtain a dispersion liquid containing a solid glass precursor mainly composed of silica, and a dispersion step to obtain a dispersion liquid containing a solid glass precursor containing silica as a main component. The method includes a reaction step of solidifying by reaction to obtain a phosphor composition containing a solid glass and quantum dots dispersed in the solid glass.

(分散工程)
分散工程は、シリカを主成分とする固体ガラスの前駆体と、その前駆体中に分散した量子ドットとを含有する分散液を得るものである。量子ドットの分散は、固体ガラスの前駆体の各成分とともに混合・撹拌すればよい。攪拌にはスターラー、攪拌羽根などを用いることができる。
(Dispersion process)
The dispersion step is to obtain a dispersion liquid containing a solid glass precursor containing silica as a main component and quantum dots dispersed in the precursor. The quantum dots may be dispersed by mixing and stirring together with each component of the solid glass precursor. A stirrer, stirring blade, etc. can be used for stirring.

量子ドットは、前述したものを使用できるが、水分散体を使用することが好ましい。水分散体における量子ドットの濃度は、分散性、固形化時の粒子収率の観点より、質量基準で0.01ppm~10ppmであることが好ましく、0.5ppm~5ppmであることがより好ましい。 Although the quantum dots described above can be used, it is preferable to use an aqueous dispersion. The concentration of quantum dots in the aqueous dispersion is preferably from 0.01 ppm to 10 ppm, more preferably from 0.5 ppm to 5 ppm, based on mass, from the viewpoint of dispersibility and particle yield upon solidification.

量子ドットの含有量は、蛍光特性における適度な波長シフトを得ることと、適度な発光出力を得ることの観点から、蛍光体組成物中に0.0001~10質量%になるように添加することが好ましく、より好ましくは0.001~5質量%であり、更に好ましくは0.01~1質量%である。 The content of quantum dots should be added to the phosphor composition at 0.0001 to 10% by mass from the viewpoint of obtaining an appropriate wavelength shift in fluorescence characteristics and obtaining an appropriate luminescence output. It is preferably 0.001 to 5% by mass, and even more preferably 0.01 to 1% by mass.

固体ガラスの前駆体は、好ましくは、金属アルコキシド、アルコール、水、および酸触媒を含有する。金属アルコキシドとして、アルコキシシランのみを使用することも可能である。本発明では、得られる蛍光体のクラックや欠けの防止の観点から、分散工程で、多塩基酸を添加することが好ましい。 The solid glass precursor preferably contains a metal alkoxide, an alcohol, water, and an acid catalyst. It is also possible to use only alkoxysilanes as metal alkoxides. In the present invention, it is preferable to add a polybasic acid in the dispersion step from the viewpoint of preventing cracks and chips in the obtained phosphor.

金属アルコキシドとしては、テトラアルコキシシラン(Si(OR))が使用され、テトラアルコキシジルコニウム(Zr(OR))、テトラアルコキシチタン(Ti(OR))、トリアルコキシアルミニウム(Al(OR))等が任意の成分として例示される。 Tetraalkoxysilane (Si(OR) 4 ) is used as the metal alkoxide, and tetraalkoxyzirconium (Zr(OR) 4 ), tetraalkoxytitanium (Ti(OR) 4 ), trialkoxyaluminum (Al(OR) 3 ) etc. are exemplified as arbitrary components.

上記のROはアルコキシ基であり、好ましくは、C1-4のアルコキシ基である。具体的には、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラエトキシジルコニウム、テトライソプロポキシジルコニウム、テトラブトキシジルコニウム、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラブトキシチタン、トリエトキシアルミニウム、トリイソプロポキシアルミニウム、トリブトキシアルミニウム等が例示される。金属アルコキシドは、これらのうち、一種又は二種以上を用いることができる。金属アルコキシドとしてテトラアルコキシシランを用いるのが好ましく、テトラエトキシシランがより好ましい。二種以上を混合する場合は、テトラエトキシシランを主成分(例えば、80モル%以上)とするのが好ましい。 The above RO is an alkoxy group, preferably a C 1-4 alkoxy group. Specifically, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, tetraethoxyzirconium, tetraisopropoxyzirconium, tetrabutoxyzirconium, tetraethoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetrabutoxytitanium, triethoxyaluminum, triiso Examples include propoxyaluminum and tributoxyaluminum. As the metal alkoxide, one type or two or more types of these metal alkoxides can be used. It is preferable to use tetraalkoxysilane as the metal alkoxide, and tetraethoxysilane is more preferable. When two or more types are mixed, it is preferable to use tetraethoxysilane as the main component (for example, 80 mol% or more).

なお、本発明においては、原料として金属アルコキシドを用いることが好ましいが、必要に応じて一般式:
-Si(OR’)4-m
(式中、Xは、アミノアルキル基、メルカプトアルキル基等、R’はC1-3のアルキル基、m=1,2又は3を示す)
で表されるオルガノアルコキシシランを添加しても良い。オルガノアルコキシシランとしては、3-アミノプロピルトリメトキシシラン(APS)、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPS)等が挙げられる。通常、金属アルコキシドとオルガノアルコキシシランのモル比は、100:0~90:10程度であればよい。
In the present invention, it is preferable to use a metal alkoxide as a raw material, but if necessary, the general formula:
X m -Si(OR') 4-m
(In the formula, X represents an aminoalkyl group, a mercaptoalkyl group, etc., R' represents a C1-3 alkyl group, and m = 1, 2 or 3)
An organoalkoxysilane represented by the following may be added. Examples of the organoalkoxysilane include 3-aminopropyltrimethoxysilane (APS) and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPS). Usually, the molar ratio of metal alkoxide and organoalkoxysilane may be about 100:0 to 90:10.

用いるアルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等のC1-4のアルコールが挙げられる。使用する金属アルコキシドのアルコキシドに対応するアルコールを用いることが好ましい。例えば、金属アルコキシドとしてテトラエトキシシランを用いる場合、アルコールとしてエタノールが用いられる。 Examples of the alcohol used include C 1-4 alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and butanol. It is preferable to use an alcohol corresponding to the alkoxide of the metal alkoxide used. For example, when using tetraethoxysilane as the metal alkoxide, ethanol is used as the alcohol.

用いる酸触媒としては、塩酸、酢酸、硝酸等が挙げられる。酸の使用量は触媒量でよい。ゾル-ゲル法において酸を用いるのは、酸条件下では金属アルコキシドの加水分解は速いが続く脱水反応が遅いためである。なお、塩基を用いる場合には、金属アルコキシドの加水分解は遅いが続く脱水反応が速いため、ゲル化が急速に進行してしまう。 Examples of the acid catalyst used include hydrochloric acid, acetic acid, and nitric acid. The amount of acid used may be a catalytic amount. The reason why acids are used in the sol-gel method is that under acid conditions, metal alkoxides are rapidly hydrolyzed but the subsequent dehydration reaction is slow. Note that when a base is used, the hydrolysis of the metal alkoxide is slow but the subsequent dehydration reaction is fast, so that gelation progresses rapidly.

金属アルコキシド(オルガノアルコキシシランを含む場合は、オルガノアルコキシシランと金属アルコキシドの合計)、アルコール、及び水の配合量は、1:0.1~2:0.5~8程度のモル比であればよく、1:0.3~1:1~4程度のモル比であることが好ましい。酸は上述したように触媒量でよい。 The amount of metal alkoxide (if organoalkoxysilane is included, the total of organoalkoxysilane and metal alkoxide), alcohol, and water is in a molar ratio of about 1:0.1 to 2:0.5 to 8. The molar ratio is preferably about 1:0.3 to 1:1 to 4. The acid may be in catalytic amounts as described above.

多塩基酸としては、クエン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、酒石酸、グルタミン酸、セバシン酸、ヘキサフルオロケイ酸などが挙げられる。これはの多塩基酸は、水和物として添加することも可能である。 Examples of polybasic acids include citric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, tartaric acid, glutamic acid, sebacic acid, and hexafluorosilicic acid. This polybasic acid can also be added as a hydrate.

多塩基酸の添加量としては、得られる蛍光体組成物中(固形分中)に0.00001~0.1質量%となるように添加することが好ましく、0.0001~0.05質量%がより好ましく、0.001~0.01質量%が更に好ましい。 The amount of polybasic acid added is preferably 0.00001 to 0.1% by mass, and 0.0001 to 0.05% by mass in the resulting phosphor composition (in solid content). is more preferable, and even more preferably 0.001 to 0.01% by mass.

多塩基酸の添加により、得られる蛍光体のクラックや欠けを抑制できる理由の詳細は不明であるが、-SiO結合に対するキレート効果や、OH基との反応による官能基の不活性化などによる、ゲル構造の変性などが考えられる。 The details of why the addition of a polybasic acid can suppress cracks and chips in the obtained phosphor are unknown, but it is due to the chelating effect on -SiO bonds and the inactivation of functional groups by reaction with OH groups. Possible causes include denaturation of the gel structure.

上記各成分を混合する順序としては、最初に金属アルコキシドとアルコールを混合して完全に混和した後、水と量子ドット、多塩基酸を添加して混合することが好ましい。その後に、酸触媒を添加して、ゾル-ゲル反応を開始させることが好ましい。 As for the order in which the above components are mixed, it is preferable that the metal alkoxide and alcohol are first mixed and mixed completely, and then water, quantum dots, and polybasic acid are added and mixed. Preferably, an acid catalyst is then added to initiate the sol-gel reaction.

各成分の混合は、通常、15~80℃程度で5分~1時間程度撹拌すればよい。混合時の温度は、金属アルコキシドの種類等に応じて適宜選択できる。なお、テトラアルコキシシランを主成分とする二種以上の金属アルコキシドを混合する場合は、テトラアルコキシシランにアルコール、水及び触媒量の酸を加えて得られる加水分解溶液に、他の金属アルコキシドのアルコール溶液を滴下すればよい。 The components may be mixed by stirring at about 15 to 80° C. for about 5 minutes to about 1 hour. The temperature during mixing can be appropriately selected depending on the type of metal alkoxide and the like. When mixing two or more metal alkoxides containing tetraalkoxysilane as the main component, add the alcohol of the other metal alkoxide to the hydrolysis solution obtained by adding alcohol, water, and a catalytic amount of acid to the tetraalkoxysilane. Just drop the solution.

(反応工程)
反応工程は前駆体をゾル-ゲル反応により固化させて、固体ガラスとその固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有する蛍光体組成物を得るものである。この反応は所望の内面形状を有する型内で行なうことも可能である。
(Reaction process)
In the reaction step, the precursor is solidified by a sol-gel reaction to obtain a phosphor composition containing a solid glass and quantum dots dispersed in the solid glass. This reaction can also be carried out in a mold having the desired inner surface shape.

ゾル-ゲル反応は、常温で行なうことも可能であるが、反応を促進する上で、加熱条件下で行なうのが好ましい。加熱温度としては、25℃~60℃が好ましく30℃~50℃がより好ましい。また、加熱条件を2段階以上に変化させて、段階的に昇温させることも可能である。 Although the sol-gel reaction can be carried out at room temperature, it is preferably carried out under heated conditions in order to accelerate the reaction. The heating temperature is preferably 25°C to 60°C, more preferably 30°C to 50°C. It is also possible to increase the temperature in stages by changing the heating conditions in two or more stages.

反応時間としては、常温の場合、3日~7日程度が好ましく、加熱条件下の場合、反応温度にもよるが、12時間~36時間程度が好ましい。より高温で、より長時間の反応を行なうことで、硬度及び比重がより大きい蛍光体を得ることができる。 The reaction time is preferably about 3 to 7 days at room temperature, and preferably about 12 to 36 hours when heated, depending on the reaction temperature. By performing the reaction at a higher temperature and for a longer time, a phosphor with greater hardness and specific gravity can be obtained.

また、生成するアルコールや水分を除去しながら、ゾル-ゲル反応を行なってもよい。 Furthermore, the sol-gel reaction may be carried out while removing generated alcohol and water.

また、金属アルコキシドの加水分解溶液に対して、pHを5.5~8.5に調製する工程を有していてもよい。上記の加水分解溶液は、酸触媒により液性が酸性にあるため、アルカリ(例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等)水溶液を用いてpHを5.5~8.5に調製すると、ゾル状の加水分解溶液の脱水縮合反応が促進されることになる。 Further, the method may include a step of adjusting the pH of the metal alkoxide hydrolysis solution to 5.5 to 8.5. The above hydrolyzed solution is acidic due to the acid catalyst, so when the pH is adjusted to 5.5 to 8.5 using an aqueous alkali (e.g., sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.) solution, it becomes a sol. The dehydration condensation reaction of the hydrolyzed solution will be promoted.

本発明における棒状体は、所望の内面形状を有する型内でゾル-ゲル反応を行なうことで、製造することができる。なお、棒状体は、型内で成形物を得た後、これを加工したものでもよい。また、インサート成形により、他の部材と一体的に形成したものでもよい。 The rod-shaped body in the present invention can be manufactured by performing a sol-gel reaction in a mold having a desired inner surface shape. Note that the rod-shaped body may be obtained by processing the molded product after obtaining it in a mold. Alternatively, it may be formed integrally with other members by insert molding.

以下、本発明に関し実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using Examples, but the present invention is not limited to the following Examples unless it exceeds the gist thereof. Note that the evaluation items in Examples and the like were measured as follows.

(1)蛍光スペクトルの測定
液体の試料については、測定用セルを使用し、棒状の蛍光体については、長手方向に沿った外周面にはアルミニウムからなる反射層を蒸着により設けた測定用試料を作成し、蛍光分光光度計(RF-5300PC、島津製作所製)を用いて蛍光スペクトルを測定した。このとき、各試料について、まず励起光による発光強度が最大になる励起光波長をスキャンして決定し、次いで決定した波長の励起光を用いて、試料の蛍光スペクトルを測定した。
(1) Measurement of fluorescence spectrum For liquid samples, a measurement cell is used, and for rod-shaped phosphors, a measurement sample with a reflective layer made of aluminum provided by vapor deposition on the outer peripheral surface along the longitudinal direction is used. The fluorescence spectrum was measured using a fluorescence spectrophotometer (RF-5300PC, manufactured by Shimadzu Corporation). At this time, for each sample, first, the excitation light wavelength at which the excitation light emission intensity was maximum was determined by scanning, and then the fluorescence spectrum of the sample was measured using the excitation light at the determined wavelength.

(2)密度の測定
実施例1等と同様に作製した円板状の蛍光体を用いて、その体積(3.1cm)を水中投下して溢れた水の体積から求め、測定した蛍光体の質量(6g)を体積で除して求めた。
(2) Measurement of density Using a disk-shaped phosphor produced in the same manner as in Example 1, etc., the volume (3.1 cm 3 ) of the phosphor was determined from the volume of water that overflowed, and the phosphor was measured. It was calculated by dividing the mass (6g) of by the volume.

(3)量子収率
実施例1と同様にして製造した、0.01重量%のグラフェン量子ドットを分散させた蛍光体生成物を短冊状に切断し試料ホルダーに並べ、浜松ホトニクス社製のQuantaurus-QY絶対PL量子収率測定装置C11347を用いて測定を行ったところ、励起波長445nmの時58%の量子収率を得た。
(3) Quantum yield A phosphor product in which 0.01% by weight of graphene quantum dots were dispersed, which was produced in the same manner as in Example 1, was cut into strips and arranged on a sample holder. -QY Measurement was performed using an absolute PL quantum yield measuring device C11347, and a quantum yield of 58% was obtained at an excitation wavelength of 445 nm.

<水分散体1>(グラフェン量子ドット)
グラフェン量子ドットの水分散体(GSアライアンス株式会社製、グラフェン量子ドット、量子収率70%)について、前述した方法により励起光波長370nmで蛍光スペクトルを測定した。その結果、この水分散体1の発光のピーク波長は445nmであり、半値幅は75nmであった。
<Aqueous dispersion 1> (graphene quantum dots)
The fluorescence spectrum of an aqueous dispersion of graphene quantum dots (manufactured by GS Alliance Co., Ltd., graphene quantum dots, quantum yield 70%) was measured using the method described above at an excitation light wavelength of 370 nm. As a result, the peak wavelength of light emission of this water dispersion 1 was 445 nm, and the half width was 75 nm.

<メタノール分散体2>(シリコン量子ドット、赤色)
シリコン量子ドットのメタノール分散体(GSアライアンス株式会社製、シリコン量子ドット、量子収率40%))について、前述した方法により励起光波長420nmで蛍光スペクトルを測定した。その結果、このメタノール分散体2の発光のピーク波長は625nmであり、半値幅は60nmであった。
<Methanol dispersion 2> (silicon quantum dots, red)
The fluorescence spectrum of a methanol dispersion of silicon quantum dots (manufactured by GS Alliance Co., Ltd., silicon quantum dots, quantum yield 40%) was measured at an excitation light wavelength of 420 nm by the method described above. As a result, the peak wavelength of light emission of this methanol dispersion 2 was 625 nm, and the half width was 60 nm.

<水分散体3>(ペロブスカイト型量子ドット)
ペロブスカイト型量子ドットの有機系分散体(GSアライアンス株式会社製、ペロブスカイト型量子ドット、組成式CsPbX(X=Cl,Br,I)、量子収率60%))について、前述した方法により励起光波長460nmで蛍光スペクトルを測定した。その結果、この有機系分散体の発光のピーク波長は625nmであり、半値幅は40nmであった。この有機系分散体を用いて、シランカップリング剤と量子ドットとを反応させた後に溶剤を置換することで、原料として使用する水分散体3を得た。
<水分散体4>(カルコパイライト型量子ドット)
市販のカルコパイライト型量子ドット(GSアライアンス株式会社製、CuInS/ZnS、有機系溶剤分散タイプ)を用いて、溶剤を水に置換することで水分散体4を得た。
<Aqueous dispersion 3> (Perovskite quantum dots)
An organic dispersion of perovskite quantum dots (manufactured by GS Alliance Co., Ltd., perovskite quantum dots, compositional formula CsPbX 3 (X=Cl, Br, I), quantum yield 60%) was prepared using excitation light using the method described above. Fluorescence spectra were measured at a wavelength of 460 nm. As a result, the peak wavelength of light emission of this organic dispersion was 625 nm, and the half width was 40 nm. Using this organic dispersion, a silane coupling agent and quantum dots were reacted, and then the solvent was replaced to obtain an aqueous dispersion 3 to be used as a raw material.
<Aqueous dispersion 4> (chalcopyrite quantum dots)
Aqueous dispersion 4 was obtained by using commercially available chalcopyrite quantum dots (manufactured by GS Alliance Co., Ltd., CuInS 2 /ZnS, organic solvent dispersion type) and replacing the solvent with water.

<実施例1>(グラフェン量子ドット2質量%)
Si(OC(TEOS):エタノール(COH):水(HO)のモル比が2:1:4の比率となるように、TEOSをポリプロピレンビーカーにテフロン(登録商標)製メスピペットを用いて秤量し、メスピペットを用いて秤量したエタノールを加え、室温(25℃)にてスターラーで撹拌し、完全に混和した後、グラフェン量子ドットの水分散体1を水のモル比が4になるよう(量子ドット濃度は蛍光体中2質量%)と水とを加え(合計の水の比率を4とした)、さらに室温(25℃)で撹拌した。このとき、TEOS1モル(208.37g)に対して0.8mgのクエン酸水和物(C・HO)を加えた。この溶液に酸触媒である1M硝酸水溶液(HNO)を20ml添加し、ゲル化が開始するまで撹拌した。その後、底面が長方形(3mm×50mm)の容器に流し込み、室温(25℃)で60日間放置して、反応と乾燥を生じさせて、棒状(長さ10mm、断面1.5mm×1.5mmの四角柱)の蛍光体を製造した。その際、エタノールの除去を適宜行なった。この蛍光体は、グラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 1> (Graphene quantum dots 2% by mass)
TEOS was placed in a polypropylene beaker with Teflon ( (registered trademark) using a measuring pipette, add the measured amount of ethanol using the measuring pipette, stir with a stirrer at room temperature (25 ° C.), mix completely, and then add the aqueous dispersion 1 of graphene quantum dots. Water was added so that the molar ratio of water was 4 (quantum dot concentration was 2% by mass in the phosphor) (total water ratio was 4), and the mixture was further stirred at room temperature (25° C.). At this time, 0.8 mg of citric acid hydrate (C 6 H 8 O 7 ·H 2 O) was added to 1 mol (208.37 g) of TEOS. 20 ml of 1M nitric acid aqueous solution (HNO 2 ) as an acid catalyst was added to this solution, and the mixture was stirred until gelation started. After that, it was poured into a container with a rectangular bottom (3 mm x 50 mm) and left at room temperature (25°C) for 60 days to cause reaction and drying. A square prism) phosphor was manufactured. At that time, ethanol was removed as appropriate. This phosphor had graphene quantum dots uniformly dispersed, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長460nmで蛍光スペクトルを測定した結果を図6に示した。発光のピーク波長は540nmであり、半値幅は75nmであった。このように、使用したグラフェン量子ドットの水分散体の蛍光特性と比較して、100nm近い波長シフトが見られた。また、この蛍光体を200℃の大気炉中に24時間放置し、加熱前後の発光強度の比較を行ったところ、発光強度の変化がないことが確認できた。つまり、十分な耐熱性があることが確認できた。 The fluorescence spectrum of this phosphor was measured using the method described above at an excitation light wavelength of 460 nm, and the results are shown in FIG. The peak wavelength of light emission was 540 nm, and the half width was 75 nm. Thus, compared to the fluorescence characteristics of the aqueous dispersion of graphene quantum dots used, a wavelength shift of nearly 100 nm was observed. Furthermore, when this phosphor was left in an atmospheric furnace at 200° C. for 24 hours and the luminescence intensity before and after heating was compared, it was confirmed that there was no change in the luminescence intensity. In other words, it was confirmed that there was sufficient heat resistance.

<実施例2>(グラフェン量子ドット0.1質量%)
実施例1において、グラフェン量子ドットの濃度を2質量%とする代わりに、蛍光体中に0.1質量%となるようにグラフェン量子ドットの水分散体を混合したこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 2> (graphene quantum dots 0.1% by mass)
Example 1 except that an aqueous dispersion of graphene quantum dots was mixed into the phosphor at a concentration of 0.1% by mass instead of 2% by mass. Phosphors of the same shape were manufactured under the same conditions. This phosphor had graphene quantum dots uniformly dispersed, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長445nmで蛍光スペクトルを測定した結果、発光のピーク波長は515nmであり、半値幅は80nmであった。このように、使用したグラフェン量子ドットの水分散体の蛍光特性と比較して、50nm以上の波長シフトが見られた。また、実施例1との対比より、グラフェン量子ドットの濃度変化により、波長シフト量が変化することが分かった。 The fluorescence spectrum of this phosphor was measured using the excitation light wavelength of 445 nm using the method described above. As a result, the peak wavelength of emission was 515 nm and the half width was 80 nm. As described above, a wavelength shift of 50 nm or more was observed compared to the fluorescence characteristics of the aqueous dispersion of graphene quantum dots used. Further, from comparison with Example 1, it was found that the amount of wavelength shift changes as the concentration of graphene quantum dots changes.

<実施例3>(シリコン量子ドット、赤色)
実施例1において、グラフェン量子ドットの水分散体1を用いる代わりに、シリコン量子ドットのメタノール分散体2をメタノールのモル比が2になるよう(量子ドット濃度は蛍光体中0.5質量%)用いたこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。つまり、Si(OC(TEOS):エタノール(COH):水(HO):メタノールのモル比が2:1:4:2の比率となるように、原料を使用した。この蛍光体はシリコン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 3> (Silicon quantum dots, red)
In Example 1, instead of using water dispersion 1 of graphene quantum dots, methanol dispersion 2 of silicon quantum dots was used so that the molar ratio of methanol was 2 (quantum dot concentration was 0.5% by mass in the phosphor). A phosphor having the same shape as that of Example 1 was manufactured under the same conditions as in Example 1, except that the phosphor was used. In other words, the raw materials were adjusted so that the molar ratio of Si(OC 2 H 5 ) 4 (TEOS): ethanol (C 2 H 5 OH): water (H 2 O): methanol was 2:1:4:2. It was used. This phosphor had silicon quantum dots uniformly dispersed, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長420nmで蛍光スペクトルを測定した結果を図7に示した。発光のピーク波長は625nmであり、半値幅は60nmであった。 The fluorescence spectrum of this phosphor was measured using the method described above at an excitation light wavelength of 420 nm, and the results are shown in FIG. The peak wavelength of light emission was 625 nm, and the half width was 60 nm.

<実施例4>(200℃加熱)
実施例1において、室温(25℃)で60日間放置する代わりに、加熱装置中で70℃14日加熱した後、200℃で20時間加熱したこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 4> (200°C heating)
In Example 1, the same shape was prepared under the same conditions as in Example 1, except that instead of being left at room temperature (25 °C) for 60 days, it was heated in a heating device at 70 °C for 14 days, and then heated at 200 °C for 20 hours. phosphor was manufactured. This phosphor had graphene quantum dots uniformly dispersed, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長445nmで蛍光スペクトルを測定した結果、実施例1と同じ蛍光特性を示すことが分かった。また、実施例1の蛍光体が密度2.0g/cmであるのに対して、得られた蛍光体の密度は1.8g/cmであった。 As a result of measuring the fluorescence spectrum of this phosphor at an excitation light wavelength of 445 nm using the method described above, it was found that it exhibited the same fluorescence characteristics as Example 1. Further, while the phosphor of Example 1 had a density of 2.0 g/cm 3 , the density of the obtained phosphor was 1.8 g/cm 3 .

<実施例5>(クエン酸添加なし)
実施例1において、クエン酸水和物(C・HO)を加えないこと以外は、実施例1と同じ条件で蛍光体を製造した。このとき、実施例1と同じ形状にすると、クラックが生じ易くなるため、原料の混合後に少量の混合物を用いて(組成は同じ)、厚さ5mmの薄膜状の蛍光体を作成した。この蛍光体はグラフェン量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 5> (No citric acid added)
In Example 1, a phosphor was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that citric acid hydrate (C 6 H 8 O 7 .H 2 O) was not added. At this time, if the shape was the same as in Example 1, cracks would easily occur, so after mixing the raw materials, a small amount of the mixture was used (the composition was the same) to create a thin film phosphor with a thickness of 5 mm. This phosphor had graphene quantum dots uniformly dispersed, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長445nmで蛍光スペクトルを測定した結果、実施例1と同じ蛍光特性を示すことが分かった。また、実施例1の蛍光体が密度2.0g/cmであるのに対して、得られた蛍光体の密度は1.8g/cmであった。 As a result of measuring the fluorescence spectrum of this phosphor at an excitation light wavelength of 445 nm using the method described above, it was found that it exhibited the same fluorescence characteristics as Example 1. Further, while the phosphor of Example 1 had a density of 2.0 g/cm 3 , the density of the obtained phosphor was 1.8 g/cm 3 .

<実施例6>(ペロブスカイト型量子ドット)
実施例1において、グラフェン量子ドットの水分散体1を用いる代わりに、ペロブスカイト型量子ドットの水分散体3を水のモル比が同じになるように用いたこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はペロブスカイト型量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
<Example 6> (Perovskite quantum dots)
In Example 1, the same conditions as in Example 1 were used, except that instead of using water dispersion 1 of graphene quantum dots, water dispersion 3 of perovskite quantum dots was used so that the molar ratio of water was the same. A phosphor with the same shape was manufactured using the same method. This phosphor had perovskite quantum dots uniformly dispersed therein, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長460nmで蛍光スペクトルを測定した結果を図8に示した。発光のピーク波長は630nmであり、半値幅は30nmであった。
<実施例7>(カルコパイライト型量子ドット)
実施例1において、グラフェン量子ドットの水分散体1を用いる代わりに、カルコパイライト型量子ドットの水分散体4を水のモル比が同じになるように用いたこと以外は、実施例1と同じ条件で同じ形状の蛍光体を製造した。この蛍光体はカルコパイライト型量子ドットが均一に分散したものであり、クラック、欠けなどは存在しないものであった。
The fluorescence spectrum of this phosphor was measured using the method described above at an excitation light wavelength of 460 nm, and the results are shown in FIG. The peak wavelength of light emission was 630 nm, and the half width was 30 nm.
<Example 7> (chalcopyrite quantum dots)
In Example 1, the same as Example 1 except that instead of using water dispersion 1 of graphene quantum dots, water dispersion 4 of chalcopyrite quantum dots was used so that the molar ratio of water was the same. Phosphors of the same shape were manufactured under the same conditions. This phosphor had chalcopyrite quantum dots uniformly dispersed therein, and there were no cracks or chips.

この蛍光体について、前述した方法により励起光波長420nmで蛍光スペクトルを測定した結果を図13に示した。発光のピーク波長は620nmであり、半値幅は100nmであった。 The fluorescence spectrum of this phosphor was measured using the method described above at an excitation light wavelength of 420 nm, and the results are shown in FIG. The peak wavelength of light emission was 620 nm, and the half width was 100 nm.

<波長変換部材の他の実施形態>
先の実施形態では、図4及び図5に示すように、励起光L1は、棒状体73の入射側の端面S2から入射される構成例を示したが、例えば、下記に示すように、波長変換部材71は、棒状体73の長手方向に沿った外周面S1の少なくとも一部と接触する接触部82を有する導光体81が設けられ、励起光L1は、導光体81を介して棒状体73の外周面S1から入射される、という構成であってもよい。
<Other embodiments of wavelength conversion member>
In the previous embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, a configuration example was shown in which the excitation light L1 is incident from the end surface S2 on the incident side of the rod-shaped body 73. The conversion member 71 is provided with a light guide 81 having a contact portion 82 that contacts at least a part of the outer circumferential surface S1 along the longitudinal direction of the rod-shaped body 73, and the excitation light L1 is transmitted to the rod-shaped body through the light guide 81. The configuration may be such that the light is incident from the outer circumferential surface S1 of the body 73.

(1)図9に示すように、波長変換部材71は、棒状体73の外周面S1の全体と接触する導光体81が設けられている。そして、光ファイバ51は、導光体81の入射側の端面である入射面S4に接触又は固定(接着、溶着など)されている。なお、例えば、複数本の光ファイバ51が導光体81の入射面S4に接触又は固定されていてもよい。また、導光体81は、棒状体73の外周面S1の全長に渡って接触している必要はなく、棒状体73の入射側及び/又は出射側が、導光体81より突出した構造であってもよい。また、導光体81が棒状体73の全周を覆う必要はなく、例えば長手方向に垂直な断面が三日月形、三角形などの導光体81であってもよい。その場合、複数の導光体81を設けて、別々に光ファイバ51から励起光L1を入射してもよい。 (1) As shown in FIG. 9, the wavelength conversion member 71 is provided with a light guide 81 that contacts the entire outer peripheral surface S1 of the rod-shaped body 73. The optical fiber 51 is in contact with or fixed (glued, welded, etc.) to the entrance surface S4, which is the end surface on the entrance side of the light guide 81. Note that, for example, a plurality of optical fibers 51 may be in contact with or fixed to the entrance surface S4 of the light guide 81. Further, the light guide 81 does not need to be in contact with the outer circumferential surface S1 of the rod-shaped body 73 over the entire length, and the light guide 81 may have a structure in which the incident side and/or the output side of the rod-shaped body 73 protrudes from the light guide 81. It's okay. Further, the light guide 81 does not need to cover the entire circumference of the rod-shaped body 73, and the light guide 81 may have a crescent-shaped or triangular cross section perpendicular to the longitudinal direction, for example. In that case, a plurality of light guides 81 may be provided and the excitation light L1 may be input from the optical fibers 51 separately.

光ファイバ51は、マルチモード又はシングルモードの光ファイバである。マルチモード光ファイバは、コア径が50μm~100μmであることが好ましく、シングルモード光ファイバは、コア径が5μm~20μmであることが好ましい。 The optical fiber 51 is a multimode or single mode optical fiber. The multimode optical fiber preferably has a core diameter of 50 μm to 100 μm, and the single mode optical fiber preferably has a core diameter of 5 μm to 20 μm.

導光体81は、入射側を下面とする中空の円錐台状又は角錐台状であり、中空内部の形状が棒状体73の外形と同じであることが好ましい。この構成により、棒状体73の出射側に位置する導光体81の端面S5と接触部82とが成す角Θ1を鋭角にするこができる。これにより、棒状体73の長手方向と平行に進む励起光L1も棒状体73の内部に反射させて入射させることができ、変換光L2の取出効率を高くすることができる。なお、導光体81の端面S5と接触部82とが成す角Θ1は、45°以下であることが好ましい。 It is preferable that the light guide 81 has a hollow truncated cone shape or a truncated pyramid shape with the incident side as the lower surface, and the shape of the hollow interior is the same as the outer shape of the rod-shaped body 73. With this configuration, the angle Θ1 formed between the end surface S5 of the light guide 81 located on the output side of the rod-shaped body 73 and the contact portion 82 can be made into an acute angle. Thereby, the excitation light L1 traveling parallel to the longitudinal direction of the rod-shaped body 73 can also be reflected into the inside of the rod-shaped body 73 and enter the rod-shaped body 73, and the extraction efficiency of the converted light L2 can be increased. Note that the angle Θ1 formed by the end surface S5 of the light guide 81 and the contact portion 82 is preferably 45° or less.

そして、導光体81は、二酸化ケイ素や樹脂(アクリル、ポリカーボネート)などで形成されていることが好ましい。なお、接触部82においては、導光体81と棒状体73とが固定(接着、溶着など)されていてもよい。接着剤を用いる場合、接触部82での励起光L1の反射を防止する観点から、導光体81と同じ又は近い屈折率の接着剤を用いることが好ましい。 The light guide 81 is preferably made of silicon dioxide, resin (acrylic, polycarbonate), or the like. Note that in the contact portion 82, the light guide 81 and the rod-shaped body 73 may be fixed (adhesive, welded, etc.). When using an adhesive, from the viewpoint of preventing reflection of the excitation light L1 at the contact portion 82, it is preferable to use an adhesive having the same or similar refractive index as the light guide 81.

導光体81の入射面S4以外の外面及び棒状体73の入射側の端面S2には、励起光L1及び変換光L2を反射する反射層74が設けられていることが好ましい。そして、導光体81の入射面S4には、変換光反射膜75及び励起光反射防止膜76が設けられ、棒状体73の出射側の端面S3には、励起光反射膜77及び変換光反射防止膜78が設けられていることが好ましい。反射層74、変換光反射膜75、励起光反射防止膜76、励起光反射膜77及び変換光反射防止膜78の材質、形成方法などは先述のとおりである。 It is preferable that a reflective layer 74 that reflects the excitation light L1 and the converted light L2 is provided on the outer surface of the light guide 81 other than the entrance surface S4 and on the end surface S2 of the rod-shaped body 73 on the entrance side. A converted light reflection film 75 and an excitation light antireflection film 76 are provided on the incident surface S4 of the light guide 81, and an excitation light reflection film 77 and a converted light reflection film 76 are provided on the exit side end surface S3 of the rod-shaped body 73. Preferably, a preventive film 78 is provided. The materials, forming methods, etc. of the reflective layer 74, the converted light reflective film 75, the excitation light antireflection film 76, the excitation light reflection film 77, and the converted light antireflection film 78 are as described above.

この構成により、励起光L1を棒状体73の外周面X1から入射させることができる。これにより、励起光L1が棒状体73の内部を通過する距離が増え、励起光L1が棒状体73の量子ドットに当たる率が増加し、変換光L2の取出効率を高くすることができる。また、棒状体73の入射側の端面S2から励起光L1を入射させた場合と比べ、棒状体73の出射側の端面S3に近い位置で変換光L2を取り出すことができるので、変換光L2が棒状体73の内部を通過することによる光の減衰を抑えることができる。 With this configuration, the excitation light L1 can be made to enter from the outer circumferential surface X1 of the rod-shaped body 73. Thereby, the distance through which the excitation light L1 passes through the inside of the rod-shaped body 73 increases, the rate at which the excitation light L1 hits the quantum dots of the rod-shaped body 73 increases, and the extraction efficiency of the converted light L2 can be increased. Furthermore, compared to the case where the excitation light L1 is incident from the input side end surface S2 of the rod-shaped body 73, the converted light L2 can be extracted at a position closer to the output-side end surface S3 of the rod-shaped body 73, so that the converted light L2 is Attenuation of light due to passing through the inside of the rod-shaped body 73 can be suppressed.

(2)(1)の波長変換部材71は、図9に示すように導光体81の入射面S4以外の外面に反射層74が設けられている例を示したが、例えば、導光体81の入射面S4以外の外面に励起光反射膜77が設けられ、棒状体73の外周面S1に変換光反射膜75が設けられていてもよい。 (2) In the wavelength conversion member 71 of (1), as shown in FIG. The excitation light reflection film 77 may be provided on the outer surface of the bar 81 other than the entrance surface S4, and the converted light reflection film 75 may be provided on the outer peripheral surface S1 of the rod-shaped body 73.

(3)(1)の導光体81は、図9に示すように入射側を下面とする中空の円錐台状又は角錐台状であり、接触部82が棒状体73の外周面S1の全体と接触する、という構成例を示したが、例えば、導光体81は、図10に示すように略円筒状又は略角筒状であり、接触部82が棒状体73の外周面S1の一部と接触する、という構成であってもよい。 (3) The light guide 81 in (1) has a hollow truncated cone shape or a truncated pyramid shape with the incident side as the lower surface, as shown in FIG. For example, as shown in FIG. The configuration may be such that the contact area is in contact with the part.

この構成においては、導光体81は、棒状体73の出射側に位置する導光体81の端面S5が傾斜している。これにより、導光体81の端面S5と接触部82とが成す角Θ1を鋭角とすることができる。また、接触部82と接触していない棒状体73の外周面S1には、反射層74が設けられている。これにより、棒状体73の外周面S1から励起光L1及び変換光L2が漏れることを防ぐことができる。 In this configuration, the end surface S5 of the light guide 81 located on the exit side of the rod-shaped body 73 is inclined. Thereby, the angle Θ1 formed by the end surface S5 of the light guide 81 and the contact portion 82 can be made into an acute angle. Further, a reflective layer 74 is provided on the outer circumferential surface S1 of the rod-shaped body 73 that is not in contact with the contact portion 82. Thereby, the excitation light L1 and the converted light L2 can be prevented from leaking from the outer peripheral surface S1 of the rod-shaped body 73.

なお、光ファイバ51がマルチモードの光ファイバである場合は、励起光L1が光ファイバ51内で反射を繰り返しながらジグザグに進み、光ファイバ51から励起光L1が直接、導光体81の端面S5に到達することは少ないので、導光体81の端面S5が傾斜していなくてもよい。 Note that when the optical fiber 51 is a multimode optical fiber, the excitation light L1 travels in a zigzag pattern while repeating reflection within the optical fiber 51, and the excitation light L1 from the optical fiber 51 directly reaches the end surface S5 of the light guide 81. , the end surface S5 of the light guide 81 does not need to be inclined.

(4)(1)の波長変換部材71は、図9に示すように棒状体73の外周面S1の全体と接触する導光体81が設けられ、光ファイバ51が導光体81の入射面S4に接触又は固定されている、という構成例を示したが、例えば、波長変換部材71は、図11及び図12に示すように光ファイバ51のコア511が棒状体73の外周面S1に接触している、という構成であってもよい。 (4) The wavelength conversion member 71 of (1) is provided with a light guide 81 that contacts the entire outer peripheral surface S1 of the rod-shaped body 73, as shown in FIG. For example, the wavelength conversion member 71 has a configuration in which the core 511 of the optical fiber 51 contacts or is fixed to the outer circumferential surface S1 of the rod-shaped body 73, as shown in FIGS. 11 and 12. It may be configured such that the

この構成においては、光ファイバ51のクラッド512の一部が、光ファイバ51の先端から取り除かれている。そして、光ファイバ51のクラッド512が取り除かれ露出したコア511が棒状体73の外周面S1に接触している。これにより、光ファイバ51によって、棒状体73の外周面S1から棒状体73の内部に励起光L1を直接入射させることができる。 In this configuration, a portion of the cladding 512 of the optical fiber 51 is removed from the tip of the optical fiber 51. The cladding 512 of the optical fiber 51 is removed and the exposed core 511 is in contact with the outer peripheral surface S1 of the rod-shaped body 73. Thereby, the excitation light L1 can be made to directly enter the inside of the rod-shaped body 73 from the outer circumferential surface S1 of the rod-shaped body 73 through the optical fiber 51.

なお、例えば、光ファイバ51のコア511及びクラッド512と棒状体73の外周面S1とを接着により固定してもよい。その場合、接着部での励起光L1の反射を防止する観点から、光ファイバ51のコア511と同じ又は近い屈折率の接着剤を用いることが好ましい。 Note that, for example, the core 511 and cladding 512 of the optical fiber 51 and the outer circumferential surface S1 of the rod-shaped body 73 may be fixed by adhesive. In that case, from the viewpoint of preventing reflection of the excitation light L1 at the adhesive part, it is preferable to use an adhesive having the same or similar refractive index as the core 511 of the optical fiber 51.

また、この構成においては、光ファイバ51のコア511から入射した励起光L1が漏れないように、光ファイバ51のコア511及びクラッド512の棒状体73との接触部513を除く棒状体73の外周面S1と光ファイバ51の先端面S6とに反射層74が設けられていることが好ましい。そして、光ファイバ51の先端面S6と接触部513との成す角Θ2が鋭角(好ましくは45°以下)であることが好ましい。 In addition, in this configuration, in order to prevent the excitation light L1 incident from the core 511 of the optical fiber 51 from leaking, the outer periphery of the rod-shaped body 73 except for the core 511 of the optical fiber 51 and the contact portion 513 of the cladding 512 with the rod-shaped body 73. It is preferable that a reflective layer 74 is provided on the surface S1 and the distal end surface S6 of the optical fiber 51. Further, it is preferable that the angle Θ2 formed between the distal end surface S6 of the optical fiber 51 and the contact portion 513 is an acute angle (preferably 45 degrees or less).

なお、波長変換部材71及び内視鏡10は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、波長変換部材71及び内視鏡10は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上記した実施形態の波長変換部材71は、プロジェクタ光源などにも使用可能である。 Note that the wavelength conversion member 71 and the endoscope 10 are not limited to the configurations of the embodiments described above, nor are they limited to the effects described above. Moreover, it goes without saying that the wavelength conversion member 71 and the endoscope 10 can be modified in various ways without departing from the gist of the present invention. Furthermore, the wavelength conversion member 71 of the above-described embodiment can also be used as a projector light source.

10 内視鏡
20 挿入部
50 照明光学系
51 光ファイバ
71 波長変換部材
72 発散レンズ
73 棒状体
74 反射層
75 変換光反射膜
76 励起光反射防止膜
77 励起光反射膜
78 変換光反射防止膜
81 導光体
82 接触部
91 光源
100 撮像系
L1 励起光
L2 変換光
L3 照明光
10 Endoscope 20 Insertion part 50 Illumination optical system 51 Optical fiber 71 Wavelength conversion member 72 Diverging lens 73 Rod-shaped body 74 Reflection layer 75 Converted light reflection film 76 Excitation light antireflection film 77 Excitation light reflection film 78 Conversion light antireflection film 81 Light guide 82 Contact part 91 Light source 100 Imaging system L1 Excitation light L2 Converted light L3 Illumination light

Claims (11)

内視鏡システムの光源装置からの励起光を波長変換して変換光を含む照明光とするための内視鏡用波長変換部材であって、
シリカを主成分とする固体ガラスと、前記固体ガラス中に分散した量子ドットとを含有し、長手方向の長さが3mm以上の棒状体を含み、
前記棒状体の長手方向に沿った外周面が前記励起光を前記棒状体まで導く光ファイバのコアの接触部と接触し、
前記光ファイバの先端面と前記接触部との成す角が鋭角であり、前記光ファイバの先端面に少なくとも前記励起光を反射する反射層が設けられている内視鏡用波長変換部材。
A wavelength conversion member for an endoscope for converting the wavelength of excitation light from a light source device of an endoscope system into illumination light including converted light,
A rod-shaped body containing solid glass mainly composed of silica and quantum dots dispersed in the solid glass, and having a longitudinal length of 3 mm or more,
an outer peripheral surface along the longitudinal direction of the rod-shaped body contacts a contact portion of a core of an optical fiber that guides the excitation light to the rod-shaped body;
A wavelength conversion member for an endoscope, wherein the angle formed between the tip end surface of the optical fiber and the contact portion is an acute angle, and the tip end surface of the optical fiber is provided with a reflective layer that reflects at least the excitation light.
前記棒状体の長手方向に沿った外周面には少なくとも変換光を反射する反射層が設けられている請求項1に記載の内視鏡用波長変換部材。 The wavelength conversion member for an endoscope according to claim 1, wherein a reflective layer that reflects at least converted light is provided on an outer circumferential surface of the rod-shaped body along the longitudinal direction. 前記棒状体の入射側の端面には、変換光反射膜が設けられ、その変換光反射膜の表面には励起光反射防止膜が設けられている請求項1又は2に記載の内視鏡用波長変換部材。 3. The endoscope according to claim 1, wherein a converted light reflecting film is provided on the incident side end surface of the rod-shaped body, and an excitation light antireflection film is provided on the surface of the converted light reflecting film. Wavelength conversion member. 前記棒状体の出射側の端面には、励起光反射膜及び/又は変換光反射防止膜が設けられている請求項1~3いずれか1項に記載の内視鏡用波長変換部材。 The wavelength conversion member for an endoscope according to any one of claims 1 to 3, wherein an excitation light reflection film and/or a converted light antireflection film is provided on the exit side end face of the rod-shaped body. 前記棒状体の長手方向に沿った外周面の少なくとも一部と接触する接触部を有する導光体が設けられ、
前記導光体は、前記励起光が入射される入射面と、前記入射面以外の外面を覆い、少なくとも前記励起光を反射する反射層と、が設けられている請求項1に記載の内視鏡用波長変換部材。
A light guide having a contact portion that contacts at least a part of the outer circumferential surface of the rod-shaped body along the longitudinal direction is provided,
The endoscope according to claim 1, wherein the light guide is provided with an entrance surface into which the excitation light is incident, and a reflective layer that covers an outer surface other than the entrance surface and reflects at least the excitation light. Wavelength conversion material for mirrors.
前記棒状体の出射側に位置する前記導光体の端面と前記接触部との成す角が鋭角である請求項5に記載の内視鏡用波長変換部材。 6. The wavelength conversion member for an endoscope according to claim 5, wherein an angle formed between an end surface of the light guide located on the output side of the rod-shaped body and the contact portion is an acute angle. 前記棒状体の波長500nmにおける屈折率が1.45~1.80である請求項1~6いずれか1項に記載の内視鏡用波長変換部材。 The wavelength conversion member for an endoscope according to any one of claims 1 to 6, wherein the rod-shaped body has a refractive index of 1.45 to 1.80 at a wavelength of 500 nm. 先端を体内へ挿入するための挿入部と、
前記先端で撮像又は像の取込みを行なって、前記挿入部の基端側に出力する撮像系と、
光源側からの光を前記挿入部の先端付近まで導く光ファイバを含む照明光学系と、を備える内視鏡であって、
前記照明光学系に、請求項1~7いずれか1項に記載の内視鏡用波長変換部材を設けてある内視鏡。
an insertion section for inserting the tip into the body;
an imaging system that performs imaging or captures an image at the distal end and outputs it to the proximal end side of the insertion section;
An endoscope comprising: an illumination optical system including an optical fiber that guides light from the light source side to near the distal end of the insertion section,
An endoscope, wherein the illumination optical system is provided with the endoscope wavelength conversion member according to any one of claims 1 to 7.
前記波長変換部材が、前記光ファイバの先端側に設けられると共に、前記波長変換部材の出射側には、光学窓、又は発散レンズが設けられている請求項8に記載の内視鏡。 The endoscope according to claim 8, wherein the wavelength conversion member is provided on the distal end side of the optical fiber, and an optical window or a diverging lens is provided on the output side of the wavelength conversion member. 前記光源が前記光ファイバに励起光を直接出射するレーザダイオードである請求項8又は9に記載の内視鏡。 The endoscope according to claim 8 or 9, wherein the light source is a laser diode that directly emits excitation light to the optical fiber. 前記照明光学系が複数の光学系からなり、いずれかの光学系を構成する前記波長変換部材が炭素系量子ドット及び/又はシリコン量子ドットを含有し、他の光学系を構成する前記波長変換部材がシリコン量子ドット及び/又はペロブスカイト型量子ドットを含有する請求項8~10いずれか1項に記載の内視鏡。 The illumination optical system includes a plurality of optical systems, the wavelength conversion member constituting one of the optical systems contains carbon-based quantum dots and/or silicon quantum dots, and the wavelength conversion member constituting the other optical system. The endoscope according to any one of claims 8 to 10, wherein the endoscope contains silicon quantum dots and/or perovskite quantum dots.
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