WO2013008361A1 - 光学素子及びそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents

光学素子及びそれを用いた半導体発光装置 Download PDF

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optical
phosphor
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山中　一彦
瀧川　信一
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パナソニック株式会社
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    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical element and a semiconductor light emitting device using the optical element, and more particularly to an optical element capable of obtaining directional light and a semiconductor light emitting device using the optical element.
  • semiconductor light-emitting elements such as high-efficiency and high-power light-emitting diodes (Light Emitting Diodes: LEDs) using gallium nitride-based materials or gallium arsenide-based materials have been commercialized.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • gallium nitride-based materials or gallium arsenide-based materials have been commercialized.
  • commercialization of light sources for display devices using semiconductor light emitting elements has also been carried out.
  • an edge light type light source that guides LED light arranged on the side of the screen to the entire screen of the display device using a light guide plate arranged on the back of the screen is attracting attention. ing. It has also been studied to further reduce the energy loss of the light source for the display device by using a semiconductor laser element having better directivity than the LED (see, for example, Patent Document 1).
  • a light source for a display device converts light emitted from a light emitting element such as a laser element into light having a different wavelength.
  • the wavelength conversion is performed, for example, by causing light emitted from the light emitting element to enter a reflecting plate including a phosphor.
  • the phosphor When light is incident on the phosphor, the phosphor is excited, and fluorescent light having a wavelength different from that of the incident light is emitted.
  • wavelength conversion is performed using a phosphor, the directivity of light is lost. For this reason, even if a light emitting element with excellent directivity such as a laser element is used, it is difficult to realize a light source for a display device with excellent directivity.
  • An object of the present disclosure is to solve the above problems and to realize an optical element that can obtain light having directivity even when wavelength conversion is performed, and a semiconductor light-emitting device using the optical element.
  • the present disclosure has an optical element configured to convert light emitted from the phosphor layer into parallel light.
  • a first optical element includes a phosphor layer that includes a phosphor that is excited by light having a first wavelength and emits light having a second wavelength different from the first wavelength; A first optical member formed on the first surface of the phosphor layer and condensing light on the phosphor layer, and formed on a second surface opposite to the first surface of the phosphor layer. And a second optical member that converts light emitted from the phosphor layer into parallel light.
  • the first optical element is formed on the first surface of the phosphor layer and is formed on the second surface, and is emitted from the phosphor layer.
  • a second optical member that converts the emitted light into parallel light. Therefore, in the phosphor layer, the first wavelength light can be converted into the second wavelength light and can be emitted from the optical element as parallel light.
  • the first optical member may be a first transparent substrate having a condenser lens or a first transparent substrate having a diffraction grating.
  • the second optical member may be a second transparent substrate formed on the second surface and having a collimating lens.
  • the second optical element is excited by light having a first wavelength and includes a phosphor layer including a phosphor that emits light having a second wavelength different from the first wavelength, and a first surface of the phosphor layer. And a third optical member that condenses the light on the phosphor layer and converts the light emitted from the phosphor layer into parallel light.
  • the second optical element is formed on the first surface of the phosphor layer, collects light on the phosphor layer, and converts the light emitted from the phosphor layer into parallel light. It has. Therefore, in the phosphor layer, the first wavelength light can be converted into the second wavelength light and can be emitted from the optical element as parallel light.
  • the third optical member has a third transparent member having a diffraction grating provided on the surface opposite to the phosphor layer and a reflecting mirror provided on the surface facing the phosphor layer. It may be a substrate.
  • the second optical element may further include a reflective layer formed on the second surface opposite to the first surface of the phosphor layer, and the third optical member may be a convex lens.
  • the first optical element may further include a heat conductive layer formed between the phosphor layer and the first optical member or the second optical member and having a higher thermal conductivity than the phosphor layer.
  • the second optical element may further include a heat conductive layer formed on the second surface opposite to the first surface of the phosphor layer and having a higher thermal conductivity than the phosphor layer.
  • the heat conductive layer may be zinc oxide, aluminum nitride, or diamond.
  • the heat conductive layer may be a multilayer film.
  • the phosphor layer surrounds the plurality of first regions each including the phosphor and the plurality of first regions, and the second region has a higher thermal conductivity than the first region.
  • the first optical member may be configured to collect light on each of the plurality of first regions.
  • the phosphor layer surrounds the plurality of first regions each including the phosphor and the plurality of first regions, and the second region has a higher thermal conductivity than the first region.
  • the third optical member may be configured to collect light in each of the plurality of first regions.
  • the second region may be zinc oxide, aluminum nitride, or diamond.
  • the semiconductor light emitting device includes any one of the optical elements according to the present disclosure and a light emitting element that emits light having a first wavelength.
  • the semiconductor light emitting device may further include a light branching unit that divides the light emitted from the light emitting element into a plurality of optical paths having optical axes parallel to each other and makes the light enter the optical element.
  • optical element and the semiconductor light emitting device it is possible to realize an optical element capable of obtaining directional light even when wavelength conversion is performed, and a semiconductor light emitting device using the optical element.
  • (A) And (b) shows the optical element which concerns on 1st Embodiment, (a) is a top view, (b) is sectional drawing in the Ib-Ib line
  • the parallel light includes not only perfect parallel light but also substantially parallel light having a spread of several degrees to several tens of degrees.
  • the optical element 110 of the first embodiment is a phosphor optical element that converts the wavelength of incident light and emits it.
  • FIG. 1 shows an optical element 110 having a rod shape suitable for an edge light type light source such as a liquid crystal television receiver.
  • the optical element 110 includes a phosphor layer 113, a first optical member 111 provided on the first surface 113 a of the phosphor layer 113 via a heat conductive layer 114, and a second optical element 110. And a second optical member 112 provided on the surface 113b.
  • the phosphor layer 113 includes a phosphor that is excited by incident light having a first wavelength and emits fluorescent light having a second wavelength.
  • Any phosphor may be used, for example, rare earth phosphors such as cerium-doped yttrium aluminum garnet (YAG: Ce3 +) or ⁇ -sialon, cadmium selenide (CdSe), zinc selenide, zinc sulfide or indium phosphide.
  • YAG cerium-doped yttrium aluminum garnet
  • CdSe cadmium selenide
  • a core / shell type quantum dot phosphor formed of a compound semiconductor such as the above may be used.
  • the heat conductive layer 114 may be a layer that absorbs less light and has a higher average thermal conductivity than the phosphor layer 113.
  • a zinc oxide (ZnO) film, an aluminum nitride (AlN) film, or a layer made of diamond may be used.
  • the first optical member 111 has a first transparent substrate 111A and a micro lens 111B formed on the first surface of the first transparent substrate 111A.
  • the first optical member 111 is fixed on the first surface 113a of the phosphor layer 113 with the heat conduction layer 114 interposed with the second surface opposite to the first surface facing the phosphor layer 113.
  • the second optical member 112 has a second transparent substrate 112A and a micro lens 112B formed on the first surface of the second transparent substrate 112A.
  • the second optical member 112 is fixed on the second surface 113b of the phosphor layer 113 with the second surface opposite to the first surface being the phosphor layer 113 side.
  • the first transparent substrate 111A and the second transparent substrate 112A may be soda lime, borosilicate crown glass (BK7), synthetic quartz, or the like.
  • the first optical member 111 is thicker than the second optical member 112.
  • the micro lens 111B of the first optical member 111 has a longer focal length than the micro lens 112B of the second optical member 112.
  • FIG. 2 shows the operation of the optical element 110 of the present embodiment.
  • the light 121 having the first wavelength is incident on the first optical member 111.
  • the light 121 having the first wavelength may be parallel light generated using a light emitting element (not shown) such as a semiconductor laser element and an optical element (not shown) such as a lens.
  • the light emitting element may be, for example, a semiconductor laser element having a light emission wavelength of about 430 nm to 480 nm using a gallium nitride based compound semiconductor. Note that the emission wavelength of 430 nm to 480 nm means that the peak wavelength of the emitted light is in the range of 430 nm to 480 nm.
  • the light 121 having the first wavelength which is parallel light incident on the first optical member 111, is condensed on the minute region 113c of the phosphor layer 113 by the minute lens 111B which is a condenser lens.
  • the phosphor contained in the phosphor layer 113 absorbs the light 121 with the first wavelength and emits the light 122 with the second wavelength.
  • the first wavelength is about 430 nm to 480 nm
  • the second wavelength can be set to about 480 nm to 700 nm by using YAG: Ce3 + or CdSe-based quantum dot phosphors.
  • the second wavelength being 480 nm to 700 nm means that the peak wavelength of the second wavelength light emitted from the phosphor is in the range of 480 nm to 700 nm, and the spectral distribution of the second wavelength light is 480 nm. It means that it is ⁇ 700 nm.
  • the light 122 having the second wavelength emitted from the phosphor is emitted from the phosphor layer 113 as diffused light.
  • the light directed toward the second optical member 112 is emitted as parallel light to the outside of the optical element 110 by the micro lens 112B that is a collimating lens.
  • the light 122 having the second wavelength emitted from the phosphor layer 113 is diffused light, it is emitted from the minute region 113c, so that it can be efficiently collimated by the minute lens 112B of the second optical member 112.
  • a part of the light 121 with the first wavelength is scattered without being absorbed by the phosphor and travels toward the second optical member 112, and is output to the outside of the optical element 110 as parallel light similar to the light with the second wavelength. Emitted.
  • a part of the light 121 having the first wavelength absorbed by the phosphor is not converted into fluorescence but converted into heat.
  • the heat generated in the phosphor layer 113 is efficiently transmitted to the peripheral portion of the optical element 110 and dissipated by the heat conducting layer 114 in contact with the phosphor layer 113.
  • the heat conductive layer 114 is preferably about 1 ⁇ 4 of the second wavelength. In this way, the heat conductive layer 114 functions as a reflection film for the light 122 having the second wavelength. Therefore, the light 122 having the second wavelength emitted from the phosphor layer 113 can be efficiently guided to the second optical member 112 side.
  • FIG. 1 shows an example in which the heat conductive layer 114 is formed on the first surface 113a, but the heat conductive layer 114 may be formed on the second surface 113b.
  • the heat conductive layer 114 has a thickness that functions as a reflective film with respect to the light 121 with the first wavelength and does not easily function as a reflective film with respect to the light 122 with the second wavelength.
  • ⁇ thermal conductivity
  • ⁇ 0.3 W / mK
  • the optical element has a major axis L of 45 mm and a minor axis D of 5 mm, and a heat sink 130 is fixed to the side surface in the major axis direction. At this time, the optical element is thermally connected to the heat radiating plate 130, and the interface is fixed at 40 ° C.
  • the thickness of the first optical member 111 was 0.5 mm
  • the thickness of the second optical member 112 was 0.2 mm
  • the thicknesses of the phosphor layer 113 and the heat conductive layer 114 were both 0.1 mm.
  • the first optical member 111 has nine condensing lenses in the long axis direction, and the excitation light incident on each condensing lens is condensed on an area of about 1.0 mm square on the phosphor layer 113. He said.
  • the first optical member 111 and the second optical member 112 are made of glass, and the phosphor layer 113 is made of a resin material having a thermal conductivity substantially equal to that of glass.
  • a light source (not shown) having an optical output of 5 W is arranged, and light divided into nine parts by a separation element (not shown) (assuming that 10% energy loss occurs at this time) is caused by individual microlenses 111B. It is assumed that the light is focused on the minute region 113c of the phosphor layer 113. The 0.5 W light condensed on the minute region 113c is converted into light of the second wavelength with a conversion efficiency of 80% (loss of 20%), and a Stokes loss of 25% occurs when the wavelength is converted. And In this case, 0.2 W Joule heat is generated in the minute region 113c. When the heat conductive layer 114 is made of glass, the temperature of the minute region where the excitation light is condensed exceeds 300 ° C.
  • the phosphor exceeds 200 ° C., the conversion efficiency is remarkably lowered, and in this case, the function of the optical element is greatly lowered.
  • the heat conductive layer 114 is made of ZnO, the temperature of the minute region where the excitation light is collected is about 150 ° C., and the functional degradation of the optical element can be significantly suppressed.
  • heat dissipation can be improved by making the heat conductive layer 114 ZnO, and the local temperature rise can be suppressed. For this reason, the light conversion efficiency by the phosphor can be improved.
  • Table 1 shows the thermal conductivity of various materials.
  • the thermal conductivity of glass and resin material is about 0.3 W / mK, whereas the thermal conductivity of ZnO is about 5 W / mK. Therefore, it is more effective if the heat conductive layer 114 is formed of a material having a higher thermal conductivity than the phosphor layer 113 made of a resin material. In particular, it is more effective if AlN or diamond having a high heat conductivity is used. Is. Further, the heat conductive layer 114 may be a multilayer film composed of a plurality of layers.
  • the heat conductive layer 114 By forming the heat conductive layer 114 as a multilayer film, it is possible to easily adopt a configuration in which light having the first wavelength is difficult to reflect and light having the second wavelength is easily reflected. If the light of the second wavelength is easily reflected, the light emitted from the phosphor layer 113 to the heat conducting layer 114 side can be efficiently reflected to the second optical member 112 side. Will improve.
  • the heat conductive layer 114 is a multilayer film, not all layers need to be made of the same material. In this case, the average thermal conductivity of the heat conductive layer 114 may be higher than that of the phosphor layer 113.
  • the multilayer film can be easily formed by using sapphire and an AlN film having different refractive indexes and high thermal conductivity. If the phosphor layer 113 is made of a plurality of materials and the thermal conductivity is not uniform, the thermal conductivity of the thermal conductive layer 114 may be higher than the average thermal conductivity of the phosphor layer 113. .
  • the optical element of this embodiment can be used as a light source for an image display apparatus 200 as shown in FIG.
  • the image display device 200 has a plurality of light sources 210.
  • the light source 210 is disposed on the side surface of the light guide plate 212 such that light emitted from the light source 210 enters the light guide plate 212.
  • the light guide plate 212 is disposed on the back surface of the image display unit 214.
  • FIG. 5 shows an example in which five light sources 210 are provided, but the number of light sources 210 may be changed as appropriate according to the size of the image display unit 214.
  • the semiconductor light-emitting device that serves as the light source 210 includes an optical element 110 according to the present embodiment, a light-emitting element 140 such as a semiconductor laser element, and light emitted from the light-emitting element 140 as parallel light. And a light guide element 150 to be incident on 110.
  • the light emitting element 140 is preferably a light emitting element that generates light having high directivity, such as a semiconductor laser element.
  • the light emitting element 140 is fixed on the base 142 via the submount 141 so as to emit light in a direction parallel to the main surface of the base 142.
  • the light guide element 150 is fixed on the base 142 so that the light emitted from the light emitting element 140 enters.
  • the light guide element 150 includes a light branching portion 151 and a collimator lens 152 provided between the light emitting element 140 and the light branching portion 151.
  • the light emitted from the light emitting element 140 is collimated by the collimator lens 152 and then enters the light branching unit 151.
  • the light branching unit 151 includes a plurality of separation mirrors that reflect a part of incident light and transmit the remaining part. For this reason, the light incident on the light branching unit 151 is branched into a plurality of optical paths whose optical axes are parallel to each other.
  • Each of the light branched into the plurality of optical paths by the light branching unit 151 enters the plurality of microlenses 111B provided on the first optical member 111 in the optical element 110.
  • the optical element 110 and the light guide element 150 are arranged so that the optical axis of the micro lens 111 ⁇ / b> B and the optical axis of the light branched by the light branching unit 151 coincide.
  • the light incident on the optical element 110 is converted in wavelength as described above, and is emitted as parallel light by the minute lens 112B of the second optical member 112.
  • the image display device 200 has the following advantages because the light source 210 emits parallel light.
  • the light emitted from the light source 210 enters the light guide plate 212, is guided while being reflected inside the light guide plate 212, and a part thereof is guided to the image display unit 214.
  • the brightness of the image display unit 214 can be changed along the scanning direction by adjusting the light amount of the light source 210.
  • FIG. 7A shows a state in which only the light source 210 arranged at the second position from the top emits light
  • FIG. 7B shows the light source 210 arranged at the fourth position from the top. Only the state of emitting light is shown. In this way, by causing some of the light sources 210 to emit light, only a necessary portion of the signal input to the image display unit 214 can be displayed as an image. Therefore, it is possible to control the image display device more precisely.
  • FIG. 1 shows an example in which microlenses that are condensing lenses and collimating lenses are arranged in a row, but as shown in FIGS. 8A and 8B, microlenses 111B and 112B are arranged in a matrix.
  • the optical element 110A may be used.
  • An image display device 250 as shown in FIG. 9 can be realized by using the optical element 110A in which minute lenses are arranged in a matrix.
  • the light emitted from the light emitting element 251 is collimated by the collimator lens 252 and then enters the optical element 110A.
  • the light incident on the optical element 110 ⁇ / b> A is condensed on each of the plurality of light collection regions by the micro lens 111 ⁇ / b> B of the first optical member 111.
  • the fluorescent light generated in each condensing region is emitted as parallel light by the corresponding microlens 112B.
  • the parallel light emitted from the optical element 110 ⁇ / b> A enters the light modulation element 253.
  • the light modulation element 253 modulates incident light to generate an image, and the projection lens 254 projects a projection image 255.
  • required the temperature part distribution of the fluorescent substance layer 113 in the case of setting it as ((lambda) 1500W / mK) by simulation is shown.
  • the incident area of light is 45 mm square
  • the micro lenses are arranged in a 9 ⁇ 9 matrix, and each condenser lens collects light in a 1 mm square area. If the incident light from the light source is 40 W and is divided into 81 parts and collected on a minute area, 0.5 W of light is collected on each minute area. The heat generated at this time is 0.2 W as described above, the periphery of the optical element is fixed at 40 ° C. by a heat radiating plate (not shown), and the micro lens surface is thermally insulated.
  • the heat conductive layer 114 is made of glass, the temperature of the condensing region at the center of the optical element protrudes and rises to a temperature exceeding 4000 ° C.
  • the heat conductive layer 114 is made of an AlN film or diamond, the temperature of the light converging region is only slightly higher than the ambient temperature, and the temperature can also be set to 150 ° C. or lower.
  • FIG. 8 shows an example in which the microlenses are arranged in a 9 ⁇ 9 matrix, but any size matrix may be used.
  • the optical element of this embodiment may be formed as follows. First, as shown in FIG. 11A, a mask pattern 161 made of a resist or the like is formed on the first surface of the first transparent substrate 111A to be the first optical member 111.
  • the transparent substrate may be glass such as BK7.
  • the first surface of the first transparent substrate 111A is selectively etched with an etchant such as hydrofluoric acid. Thereby, the 1st optical member 111 which has the micro lens 111B which is a condensing lens is obtained.
  • a heat conductive layer 114 made of ZnO or diamond is formed on the second surface of the first optical member 111.
  • the heat conductive layer 114 may be formed by sputtering or chemical vapor deposition (CVD).
  • an ultraviolet curable resin 113 ⁇ / b> A containing a phosphor that becomes the phosphor layer 113 is applied on the heat conductive layer 114 on the heat conductive layer 114.
  • the phosphor may be appropriately selected according to the wavelengths of incident light and outgoing light.
  • YAG: Ce3 + may be used.
  • the ultraviolet curable resin may be a silicone resin or an epoxy resin.
  • the resin forming the phosphor layer is not limited to an ultraviolet curable resin, and a thermosetting resin or the like can also be used.
  • the resin 113A is cured by irradiating it with ultraviolet rays to cause fluorescence.
  • the body layer 113 is formed and the second transparent substrate 112A is bonded.
  • a mask pattern 162 made of a resist or the like is formed on the second transparent substrate 112A.
  • the mask pattern 162 is aligned with the minute lens 111B.
  • the second transparent substrate 112A is selectively etched with an etchant such as hydrofluoric acid. Thereby, the 2nd optical member 112 which has the micro lens 112B which is a collimating lens is formed.
  • microlenses 111B and 112B can be formed in the same manner whether they are arranged in a single row or arranged in a matrix.
  • the thickness of the first transparent substrate 111A relatively thick such as about 10 mm
  • the heat conductive layer 114, the phosphor layer 113, and the second optical member 112 are easily formed on the first optical member 111. It becomes possible to do.
  • the microlens 112B can be a collimating lens having a relatively large curvature, and the second transparent substrate 112A is radiated in all directions from the microregion of the phosphor layer 113. Light can be converted into parallel light more efficiently.
  • the method of forming the microlens by etching has been shown, it may be formed using a low temperature softening transparent material and a mold.
  • FIG. 1 shows an example in which a heat conductive layer is formed separately from the phosphor layer.
  • the phosphor need only exist in the region where the light is collected. Therefore, an optical element 110B having a configuration as shown in FIG. 13 may be used.
  • the optical element 110B includes a phosphor layer 173 having a first region 173A containing a phosphor and a second region 173B surrounding the first region 173A and having a higher thermal conductivity than the first region 173A. is doing.
  • the first region 173A may be a resin layer containing a phosphor such as YAG: Ce3 +.
  • the second region 173B may be a layer having higher thermal conductivity than the first region 173A, such as ZnO or diamond.
  • the optical element 110B may be formed as follows. First, the first optical member 111 having the microlenses 111B is formed by a process similar to the process shown in FIGS. 11A and 11B. Next, as shown in FIG. 14A, a ZnO layer or the like to be the second region 173B is formed on the second surface of the first optical member 111 by sputtering or CVD. Subsequently, the ZnO layer and the like are patterned to form a plurality of openings 173a from which the first optical member 111 is exposed. Next, as shown in FIG. 14B, an ultraviolet curable resin containing a phosphor that becomes the first region 173A is applied so as to fill the opening 173a.
  • the phosphor may be appropriately selected according to the wavelengths of incident light and outgoing light.
  • YAG: Ce3 + may be used.
  • the ultraviolet curable resin may be a silicone resin or an epoxy resin. Thereafter, the curing of the ultraviolet curable resin, the formation of the second optical member 112, and the like may be performed by a process similar to the process of FIGS. 12 (a) to 12 (c).
  • the resin forming the phosphor layer is not limited to an ultraviolet curable resin, and a thermosetting resin or the like can also be used. Furthermore, you may comprise a fluorescent substance layer using inorganic transparent materials, such as fluorescent substance particle and low melting glass. For example, by using an inorganic transparent material such as spin-on glass, there is an advantage that patterning and the like are facilitated.
  • the optical element 110B may have a configuration in which microlenses are arranged in a line like the optical element 110, or a configuration in which microlenses are arranged in a matrix like the optical element 110A.
  • the optical element 110B can be used similarly to the optical element 110 and the optical element 110A, but may be combined with a plurality of light emitting elements 261 as shown in FIG. The light emitted from each light emitting element 261 is collimated by the corresponding collimator lens 262 and then enters the optical element 110B.
  • the optical element 110 and the optical element 110A can also have such a configuration.
  • an optical element 110 ⁇ / b> C that condenses light on the first region 173 ⁇ / b> A of the phosphor layer 173 using the first optical member 181 having the first transparent substrate 181 ⁇ / b> A and the diffraction grating 181 ⁇ / b> B. Also good. With such a configuration, the collimating lens 262 is not necessary, and the number of parts can be reduced. Instead of the phosphor layer 173 integrated with the heat conduction layer, the phosphor layer and the heat conduction layer may be formed separately.
  • an optical element 110D configured to convert fluorescence into parallel light by a reflecting mirror 191C instead of the microlens 112B may be used.
  • the optical element 110D includes a first transparent substrate 191A having a diffraction grating 191B on a first surface and a reflecting mirror 191C on a second surface, a second transparent substrate 192, and a second transparent substrate 192. And a phosphor layer 193 formed with a heat conductive layer 194 interposed therebetween.
  • the reflecting mirror 191C may be a parabolic mirror having a parabolic surface formed by rotating a parabola around its axis of symmetry.
  • the light emitted from the light emitting element 261 passes through the reflecting mirror 191C by the diffraction grating 191B and is condensed on the phosphor layer 193.
  • the light condensed on the phosphor layer 193 becomes light of a predetermined wavelength and enters the reflecting mirror 191C.
  • the light incident on the reflecting mirror 191 is reflected and collimated, and is transmitted through the second transparent substrate 192 and emitted. Since the light incident on the phosphor layer 193 undergoes Lambertian reflection, the Lambertian reflected light can be used, and the light utilization efficiency can be further improved.
  • the optical element 310 of the second embodiment includes a first substrate 311, a phosphor layer 313 formed on the first substrate 311 with a reflective layer 314 interposed therebetween, and a fluorescence And a microlens 312 formed on the body layer 313.
  • the first substrate 311 may be a silicon substrate or the like.
  • the reflective layer 314 may be a metal material having a high visible light reflectance such as silver or aluminum.
  • the phosphor layer 313 includes a first region 313A made of a phosphor-containing material in which phosphor particles and a binder material are mixed, and a second region 313B formed so as to surround the first region 313A. is doing.
  • the phosphor may be a rare earth phosphor such as YAG: Ce3 + or a quantum dot phosphor.
  • the binder material may be a resin or a transparent inorganic material. In the case of a resin, a transparent resin such as silicone or epoxy may be used.
  • the second region 313B may be made of a material having higher thermal conductivity than the first region 313A, such as graphene, diamond, or ZnO.
  • the minute lens 312 is made of glass or the like, and is formed so as to be focused on the first region 313A in the phosphor layer 313.
  • FIG. 19 shows a configuration and an operation method of a light emitting device 300 using the optical element 310 of the embodiment.
  • the light emitting device 300 includes a light emitting element 340, a collimating lens 352 that makes the light emitted from the light emitting element 340 parallel light, and a dichroic mirror 360 that reflects the parallel light and enters the optical element 310.
  • the light reflected by the dichroic mirror 360 and incident on the optical element 310 is collected by the micro lens 312 of the optical element 310 onto the first region 313A of the phosphor layer 313.
  • the light condensed on the first region 313A is converted into light of a predetermined wavelength by the phosphor and is reflected by Lambertian.
  • the reflected light is converted into parallel light by the micro lens 312 and emitted from the optical element 310.
  • the light emitted from the optical element 310 passes through the dichroic mirror 360 and is emitted from the light emitting device 300 as parallel light.
  • the heat generated when converting the wavelength of light in the phosphor layer 313 is efficiently transmitted to the peripheral portion of the optical element 310 by the second region 310B of the phosphor layer 313 and the reflective layer 314, and is radiated.
  • the optical element 310 of the present embodiment may be formed as follows. First, as shown in FIG. 20A, a reflective layer 314 made of silver, aluminum, or the like is formed on a first substrate 311 that is a silicon substrate or the like by an evaporation method, a sputtering method, a CVD method, or the like. Subsequently, after forming a layer made of graphene, diamond, ZnO, or the like to become the second region 313B of the phosphor layer 313, a plurality of openings 313a are formed using a semiconductor process technique such as photolithography, etching, and lift-off. To do. Next, as shown in FIG.
  • a resin containing a phosphor that becomes the first region 313A is applied by a spin coating method or the like so as to fill the opening 313a.
  • a second substrate 312A which is a transparent substrate, is bonded onto the phosphor layer 313, a resist mask 351 is formed on the second substrate 312A.
  • the resist mask 351 is formed so as to coincide with the first region 313A.
  • the second substrate 312A is selectively etched by wet etching using hydrofluoric acid or the like to form the microlens 312.
  • FIG. 20 shows an example in which each of the independent microlenses 312 is formed. However, depending on the thickness of the second substrate 312A, the required curvature of the microlens 312 and the like, one of the second substrates 312A is shown. A configuration may be employed in which a microlens 312 integrated with the surface is formed. In this case, it is preferable to make the joint portion of the microlens 312 as thin as possible.
  • the second substrate 312A on which the microlens 312 has been previously formed using a mold or the like is aligned with the microlens 312 and the first region 313A. Then, the phosphor layer 313 may be adhered.
  • the case where the light emitting element is a semiconductor laser element has been mainly described, but any light source having excellent directivity may be used.
  • a super luminescent diode may be used.
  • the wavelength of the first wavelength light is set to 430 nm to 480 nm, but any wavelength may be used as long as it can excite the phosphor.
  • ultraviolet light having a wavelength of 350 nm to 390 nm and near ultraviolet light having a wavelength of 390 nm to 430 nm may be used.
  • the phosphor is described centering on YAG: Ce3 +, but this is not restrictive.
  • ⁇ -sialon crystal or silicate crystal added with europium may be used.
  • Ce-added Ca 3 Sc 2 Si 3 O 12 or Ce-added CaSc 2 O 4 can also be used to obtain green light having a second wavelength around 520 nm with high conversion efficiency.
  • red fluorescence near the wavelength of 640 nm may be used.
  • a semiconductor light emitting device that emits white light can be configured by configuring an optical element by combining light having a first wavelength of 430 nm to 430 nm and phosphors emitting green and red.
  • phosphors emitting green and red and phosphors emitting blue such as (Ba, Sr) MgAl 10 O 17 : Eu or (Sr, Ca, Ba, Mg) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu, for example.
  • a semiconductor light emitting device that emits white light by excitation light such as ultraviolet light or near ultraviolet light can be configured.
  • the optical element according to the present disclosure is useful as an optical element or the like used in a light source device or the like that can obtain light having directivity even when wavelength conversion is performed, and has low energy loss.

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Abstract

光学素子１１０は、第１の波長の光により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層１１３と、蛍光体層１１３の第１の面の上に形成され、蛍光体層１１３に光を集光する第１の光学部材１１１と、蛍光体層１１３の第１の面又は第１の面と同じ側若しくは反対側の第２の面の上に形成され、蛍光体層１１３から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材１１２とを備えている。

Description

光学素子及びそれを用いた半導体発光装置
　本開示は光学素子及びそれを用いた半導体発光装置に関し、特に指向性を有する光を得ることができる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置に関する。
　近年、窒化ガリウム系材料又は砒化ガリウム系材料を用いた、高効率且つ高出力の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等の半導体発光素子が製品化されている。これに伴い、半導体発光素子を用いたディスプレイ装置用光源の製品化も行われている。半導体発光素子を用いたディスプレイ装置用光源として、画面の側面に配置したＬＥＤの光を、画面の背面に配置した導光板を用いて、ディスプレイ装置の画面全面に導くエッジライト型の光源が注目されている。ＬＥＤよりも指向性に優れた半導体レーザ素子を用いることにより、ディスプレイ装置用光源のエネルギー損失をさらに低減することも検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００９－１５８６２０号公報
　しかしながら、前記従来のディスプレイ装置用光源には以下のような問題がある。一般にディスプレイ装置用光源は、レーザ素子等の発光素子から出射された光を、異なる波長の光に変換して用いる。波長の変換は、例えば、発光素子から出射された光を蛍光体を含む反射板等に入射させることにより行う。蛍光体に光を入射させると、蛍光体が励起され、入射した光とは波長が異なる蛍光光が放出される。しかし、蛍光体を用いて波長の変換を行うと、光の指向性が失われてしまう。このため、レーザ素子等の指向性に優れた発光素子を用いたとしても、指向性に優れたディスプレイ装置用光源を実現することは困難である。
　本開示は、前記の問題を解決し、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置を実現できるようにすることを目的とする。
　前記の目的を達成するため、本開示は光学素子を、蛍光体層から放射された光を平行光に変換する構成とする。
　具体的に、本開示に係る第１の光学素子は、第１の波長の光により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面の上に形成され、蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備えている。
　第１の光学素子は、蛍光体層の第１の面の上に形成され蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、第２の面の上に形成され蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備えている。このため、蛍光体層において第１の波長の光を第２の波長の光に変換すると共に、平行光として光学素子から出射させることができる。
　第１の光学素子において、第１の光学部材は、集光レンズを有する第１の透明基板であっても、回折格子を有する第１の透明基板であってもよい。
　第１の光学素子において、第２の光学部材は、第２の面の上に形成され、コリメートレンズを有する第２の透明基板であってもよい。
　第２の光学素子は、第１の波長の光により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光し且つ蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第３の光学部材とを備えている。
　第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光し且つ蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第３の光学部材を備えている。このため、蛍光体層において第１の波長の光を第２の波長の光に変換すると共に、平行光として光学素子から出射させることができる。
　第２の光学素子において、第３の光学部材は、蛍光体層と反対側の面に設けられた回折格子と、蛍光体層と対向する面に設けられた反射鏡とを有する第３の透明基板であってもよい。
　第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面に形成された反射層をさらに備え、第３の光学部材は、凸レンズである構成としてもよい。
　第１の光学素子は、蛍光体層と第１の光学部材又は第２の光学部材との間に形成され、蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えていてもよい。
　第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面に形成され、蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えていてもよい。
　これら場合において、熱伝導層は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドとしてもよい。また、熱伝導層は、多層膜としてもよい。
　第１の光学素子において、蛍光体層は、それぞれが蛍光体を含む複数の第１の領域と、複数の第１の領域を囲み、第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、第１の光学部材は、複数の第１の領域のそれぞれに光を集光する構成としてもよい。
　第２の光学素子において、蛍光体層は、それぞれが蛍光体を含む複数の第１の領域と、複数の第１の領域を囲み、第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、第３の光学部材は、複数の第１の領域のそれぞれに光を集光する構成としてもよい。
　これらの場合において、第２の領域は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドとしてもよい。
　本開示に係る半導体発光装置は、本開示のいずれかの光学素子と、第１の波長の光を出射する発光素子とを備えている。
　本開示に係る半導体発光装置は、発光素子から出射された光を互いに並行な光軸を有する複数の光路に分割して、光学素子に入射させる光分岐部をさらに備えていてもよい。
　本開示に係る光学素子及び半導体発光装置によれば、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置を実現できる。
（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る光学素子を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ－Ｉｂ線における断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の動作を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子について蛍光体層の温度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）はシミュレーションに用いた光学素子の構成を示し（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ－IVｂ線における断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子を用いた画像表示装置の例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る光学装置を用いた発光装置を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は画像表示装置の動作例を示す模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る光学素子の第１変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIIｂ－VIIIｂ線における断面図である。 第１変形例の光学素子を用いた画像表示装置の例を示す模式図である。 第１変形例の光学素子について蛍光体層の温度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 第１の実施形態の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第１の実施形態の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第１の実施形態の光学素子の第２変形例を示す断面図である。 第２変形例の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第２変形例の光学素子を用いた発光装置を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の第３変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の第４変形例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光学素子を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光学素子を用いた発光装置を示す模式図である。 第２の実施形態に係る光学素子の製造工程を工程順に示す断面図である。
　本開示において、平行光とは、完全な平行光だけでなく、数度～十数度程度の拡がりを有する略平行光を含む。
　（第１の実施形態）
　図１(ａ)及び（ｂ）に示すように、第１の実施形態の光学素子１１０は、入射光の波長を変換して出射する蛍光体光学素子である。図１は、液晶テレビジョン受像器等のエッジライト型の光源に適した棒状の構成の光学素子１１０を示している。図１に示すように光学素子１１０は、蛍光体層１１３と、蛍光体層１１３の第１の面１１３ａの上に熱伝導層１１４を介して設けられた第１の光学部材１１１と、第２の面１１３ｂの上に設けられた第２の光学部材１１２とを有している。
　蛍光体層１１３は、第１の波長の入射光により励起され第２の波長の蛍光光を放出する蛍光体を含む。蛍光体は、どのようなものでもよいが例えば、セリウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋）若しくはβ－サイアロン等の希土類蛍光体又はセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、セレン化亜鉛、硫化亜鉛若しくはリン化インジウム等の化合物半導体により形成されたコア／シェル型の量子ドット蛍光体等とすればよい。
　熱伝導層１１４は、光の吸収が少なく且つ蛍光体層１１３よりも平均熱伝導率が高い層であればよい。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜又はダイヤモンドからなる層とすればよい。
　第１の光学部材１１１は、第１の透明基板１１１Ａと、第１の透明基板１１１Ａの第１の面に形成された微小レンズ１１１Ｂとを有している。第１の光学部材１１１は、第１の面と反対側の第２の面を蛍光体層１１３側にして熱伝導層１１４を介在させて蛍光体層１１３の第１の面１１３ａの上に固定されている。第２の光学部材１１２は、第２の透明基板１１２Ａと、第２の透明基板１１２Ａの第１の面に形成された微小レンズ１１２Ｂとを有している。第２の光学部材１１２は、第１の面と反対側の第２の面を蛍光体層１１３側にして蛍光体層１１３の第２の面１１３ｂの上に固定されている。第１の透明基板１１１Ａ及び第２の透明基板１１２Ａは、ソーダライム、硼珪酸クラウンガラス（ＢＫ７）又は合成石英等とすればよい。通常は、第１の光学部材１１１が第２の光学部材１１２よりも厚い。また、第１の光学部材１１１の微小レンズ１１１Ｂは、第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂよりも焦点距離が長い。
　図２は、本実施形態の光学素子１１０の動作を示している。図２に示すように、第１の波長の光１２１を第１の光学部材１１１に入射させる。第１の波長の光１２１は、半導体レーザ素子等の発光素子（図示せず）とレンズ等の光学素子（図示せず）とを用いて発生させた平行光等とすればよい。発光素子は、例えば窒化ガリウム系の化合物半導体を用いた発光波長が４３０ｎｍ～４８０ｎｍ程度の半導体レーザ素子等とすればよい。なお、発光波長が４３０ｎｍ～４８０ｎｍであるとは、発光光のピーク波長が４３０ｎｍ～４８０ｎｍの範囲にあるということを意味する。
　第１の光学部材１１１に入射した平行光である第１の波長の光１２１は、集光レンズである微小レンズ１１１Ｂにより蛍光体層１１３の微小領域１１３ｃに集光される。蛍光体層１１３に含まれる蛍光体は第１の波長の光１２１を吸収し、第２の波長の光１２２を放射する。第１の波長が４３０ｎｍ～４８０ｎｍ程度の場合には、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋又はＣｄＳｅ系量子ドット蛍光体を用いることにより、第２の波長を４８０ｎｍ～７００ｎｍ程度とすることができる。なお、第２の波長が４８０ｎｍ～７００ｎｍであるとは、蛍光体から放出される第２の波長の光のピーク波長が４８０ｎｍ～７００ｎｍの範囲にあり、第２の波長の光のスペクトル分布が４８０ｎｍ～７００ｎｍにあるということを意味する。
　蛍光体から放射された第２の波長の光１２２は、拡散光として蛍光体層１１３から出射される。第２の波長の光１２２のうち第２の光学部材１１２側に向かった光は、コリメートレンズである微小レンズ１１２Ｂにより平行光として光学素子１１０の外部へ出射される。蛍光体層１１３から出射された第２の波長の光１２２は拡散光であるが微小領域１１３ｃから出射されるため第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂにより効率良く平行光とすることができる。また、第１の波長の光１２１の一部は蛍光体に吸収されず散乱されて第２の光学部材１１２側へ向かい、第２の波長の光と同様に平行光として光学素子１１０の外部へ出射される。
　一方、蛍光体に吸収された第１の波長の光１２１の一部は、蛍光に変換されず熱に変換される。蛍光体層１１３において発生した熱は、蛍光体層１１３と接する熱伝導層１１４により、光学素子１１０の周縁部に効率良く伝達され放熱される。熱伝導層１１４は、第２の波長の１／４程度の厚さとすることが好ましい。このようにすれば、熱伝導層１１４が第２の波長の光１２２に対して反射膜として機能する。従って、蛍光体層１１３から出射された第２の波長の光１２２を効率良く第２の光学部材１１２側に導くことができる。
　図１は、熱伝導層１１４が第１の面１１３ａの上に形成されている例を示しているが、熱伝導層１１４を第２の面１１３ｂの上に形成してもよい。この場合には、熱伝導層１１４が、第１の波長の光１２１に対して反射膜として機能し、第２の波長の光１２２に対して反射膜として機能しにくい厚さとすることが好ましい。
　以下に、熱伝導層１１４の効果について説明する。図３は、熱伝導層１１４をＺｎＯ（熱伝導率λ＝５Ｗ／ｍＫ）とした場合とガラス（λ＝０．３Ｗ／ｍＫ）とした場合とにおける蛍光体層の温度部分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。シミュレーションには、図４に示すような光学素子において、微小レンズがない薄い光学部材により熱伝導層と蛍光体層とが挟まれた簡単な構造のモデルを用いた。また、光源（図示せず）には波長４５０ｎｍの半導体レーザ素子、蛍光体はＹＡＧ：Ｃｅ３＋を仮定し、適当なパラメータを設定した。光学素子の外形は長軸Ｌを４５ｍｍ、短軸Ｄを５ｍｍとし、長軸方向の側面に放熱板１３０が固定されている。このとき光学素子は放熱板１３０と熱的に接続されており、その界面が４０℃で固定されているとした。また第１の光学部材１１１の厚さは０．５ｍｍ、第２の光学部材１１２の厚さが０．２ｍｍ、蛍光体層１１３及び熱伝導層１１４の厚さはともに０．１ｍｍとした。第１の光学部材１１１は、長軸方向に９個の集光レンズを有し、各集光レンズに入射した励起光は、蛍光体層１１３上の１．０ｍｍ角程度の領域に集光されるとした。第１の光学部材１１１及び第２の光学部材１１２はガラスとし、蛍光体層１１３は熱伝導率がガラスとほぼ等しい樹脂材料とした。
　ここで、光出力５Ｗの光源（図示せず）を配置し、分離素子（図示せず）において９分割された光（このとき１０％のエネルギーロスが生じるとする）が個々の微小レンズ１１１Ｂにより蛍光体層１１３の微小領域１１３ｃに集光されるとする。微小領域１１３ｃに集光された０．５Ｗの光は、８０％の変換効率（２０％の損失）で第２の波長の光に変換され、波長変換される際に２５％のストークスロスを生じるとする。この場合、微小領域１１３ｃには０．２Ｗのジュール熱が発生する。熱伝導層１１４がガラスからなる場合には、励起光が集光された微小領域の温度は光学素子中央部で最大で３００℃を越えてしまう。蛍光体は一般的に２００℃を越えると変換効率の低下が著しくなるため、この場合、光学素子の機能が大幅に低下する。一方、熱伝導層１１４がＺｎＯからなる場合には、励起光が集光された微小領域の温度は１５０℃程度であり、光学素子の機能低下を大幅に抑制することができる。このように、熱伝導層１１４をＺｎＯとすることにより放熱性を向上させることができ、局所的な温度の上昇を抑えることができる。このため、蛍光体による光の変換効率を向上させることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１には、種々の材料の熱伝導率を示している。ガラス及び樹脂材料の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫ程度であるのに対し、ＺｎＯの熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ程度である。従って、熱伝導層１１４は、樹脂材料からなる蛍光体層１１３よりも熱伝導率が高い材料により形成すればより効果的であり、特に、熱伝導率が高いＡｌＮ又はダイヤモンド等を用いるとより効果的である。また、熱伝導層１１４を複数の層からなる多層膜としてもよい。熱伝導層１１４を多層膜とすることにより、第１の波長の光は反射しにくく、第２の波長の光は反射しやすい構成とすることが容易にできる。第２の波長の光を反射しやすくすれば、蛍光体層１１３から熱伝導層１１４側に放射された光を第２の光学部材１１２側に効率良く反射させることが可能となり、光の利用効率が向上する。熱伝導層１１４を多層膜とする場合には、全ての層が同一の材料からなる必要はない。この場合、熱伝導層１１４の平均の熱伝導率が蛍光体層１１３の熱伝導率よりも高くなるようにすればよい。この場合、例えば、屈折率が互いに異なり、熱伝導率が高い、サファイアとＡｌＮ膜とにより構成することで容易に上記の多層膜を形成することができる。なお、蛍光体層１１３が複数の材料からなり熱伝導率が均一でない場合には、蛍光体層１１３の平均の熱伝導率よりも熱伝導層１１４の熱伝導率が高くなるようにすればよい。
　本実施形態の光学素子は、図５に示すような画像表示装置２００用の光源として用いることができる。画像表示装置２００は、複数の光源２１０を有している。光源２１０は、光源２１０から出射された光が導光板２１２に入射するように、導光板２１２の側面に配置されている。導光板２１２は画像表示部２１４の裏面に配置されている。図５は、光源２１０が５個設けられた例を示しているが、光源２１０の数は画像表示部２１４のサイズに応じて適宜変更してかまわない。
　光源２１０となる半導体発光装置は、例えば図６に示すように、本実施形態の光学素子１１０と、半導体レーザ素子等の発光素子１４０と、発光素子１４０から出射された光を平行光として光学素子１１０に入射させる導光素子１５０とを有している。発光素子１４０は、半導体レーザ素子等の指向性が高い光を発生させる発光素子とすることが好ましい。発光素子１４０は、基台１４２の主面と平行な方向に光を出射するように、サブマウント１４１を介して基台１４２の上に固定されている。
　導光素子１５０は、発光素子１４０から出射された光が入射するように基台１４２の上に固定されている。導光素子１５０は、光分岐部１５１と、発光素子１４０と光分岐部１５１との間に設けられたコリメートレンズ１５２とを有している。発光素子１４０から出射された光は、コリメートレンズ１５２により平行光とされた後、光分岐部１５１に入射する。光分岐部１５１は、入射した光の一部を反射し残部を透過する分離ミラーが複数積層されている。このため、光分岐部１５１に入射した光は、光軸が互いに並行な複数の光路に分岐される。
　光分岐部１５１により複数の光路に分岐された光のそれぞれは、光学素子１１０における第１の光学部材１１１に設けられた複数の微小レンズ１１１Ｂに入射する。微小レンズ１１１Ｂの光軸と光分岐部１５１により分岐された光の光軸とが一致するように、光学素子１１０と導光素子１５０とは配置されている。光学素子１１０に入射した光は、先に説明したように波長が変換され第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂにより平行光として出射される。
　画像表示装置２００は、光源２１０が平行光を出射するため以下のような利点を有している。光源２１０から出射された光は、導光板２１２に入射し、導光板２１２の内部を反射しながら導波すると共に一部が画像表示部２１４へと導かれる。光源２１０から出射された光が、平行光である場合には、光源２１０の光量を調整することにより画像表示部２１４の明るさを走査方向に沿って変化させることができる。例えば図７（ａ）には、上から２番目の位置に配置された光源２１０のみを発光させた状態を示し、図７（ｂ）には、上から４番目の位置に配置された光源２１０のみを発光させた状態を示している。このように、複数の光源２１０の一部を発光させることにより、画像表示部２１４に入力された信号のうち必要な部分のみを画像として表示させることができる。従って、画像表示装置をより精密に制御することが可能となる。
　図１は、集光レンズ及びコリメートレンズである微小レンズを一列に配置した例を示したが、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、微小レンズ１１１Ｂ及び１１２Ｂがマトリックス状に配置された光学素子１１０Ａとしてもよい。微小レンズをマトリックス状に配置した光学素子１１０Ａを用いることにより図９に示すような画像表示装置２５０を実現できる。発光素子２５１から出射された光は、コリメートレンズ２５２により平行光とされた後、光学素子１１０Ａに入射する。光学素子１１０Ａに入射した光は、第１の光学部材１１１の微小レンズ１１１Ｂにより複数の集光領域のそれぞれに集光される。各集光領域において生成された蛍光光は、対応する微小レンズ１１２Ｂによりそれぞれ平行光として出射される。光学素子１１０Ａから出射された平行光は、光変調素子２５３に入射する。光変調素子２５３において入射光が変調されて画像が生成され、投影レンズ２５４により投影画像２５５が投影される。
　微小レンズをマトリックス状に配置した場合には、蛍光体層１１３における光が集光される微小領域からの放熱がシングルラインの場合よりも重要となる。図１０は、熱伝導層１１４をガラス（λ＝０．３Ｗ／ｍＫ）とした場合、ＺｎＯ（λ＝５Ｗ／ｍＫ）とした場合、ＡｌＮ膜（λ＝２３０Ｗ／ｍＫ）とした場合、及びダイヤモンド(λ＝１５００Ｗ／ｍＫ)とした場合における蛍光体層１１３の温度部分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。シミュレーションに用いた光学素子は、光の入射領域が４５ｍｍ角であり、微小レンズが９×９のマトリックス状に配置され、各集光レンズが１ｍｍ角の領域に集光するとした。光源からの入射光が４０Ｗであり８１個に分割されて微小領域に集光されるとすると個々の微小領域には０．５Ｗの光が集光される。この際に生じる発熱は、先に述べた場合と同様に０．２Ｗとし、光学素子の周囲が放熱板（図示せず）により４０℃に固定され、微小レンズ面は熱的に断熱されているとすると、熱伝導層１１４がガラスからなる場合には光学素子中央部の集光領域の温度が突出して高くなり、４０００℃を超えるところまで上昇する。しかし、熱伝導層１１４がＡｌＮ膜又はダイヤモンドからなる場合には集光領域の温度は周囲の温度よりも若干高くなるだけであり、温度も１５０℃以下とすることができる。
　このように、微小レンズをマトリックス状に配置した場合にも、熱伝導率が高い熱伝導層１１４を設けることにより放熱性を向上させ、蛍光体における光の変換効率を向上させることができる。図８は、微小レンズが９×９のマトリックスに配置された例を示しているが、どのようなサイズのマトリックスとしてもよい。
　本実施形態の光学素子は、以下のようにして形成すればよい。まず、図１１（ａ）に示すように第１の光学部材１１１となる第１の透明基板１１１Ａの第１の面の上にレジスト等からなるマスクパターン１６１を形成する。透明基板は例えばＢＫ７等のガラスとすればよい。次に、図１１（ｂ）に示すように第１の透明基板１１１Ａの第１の面をフッ酸等のエッチング液により選択的にエッチングする。これにより、集光レンズである微小レンズ１１１Ｂを有する第１の光学部材１１１が得られる。次に、図１１（ｃ）に示すように第１の光学部材１１１の第２の面の上にＺｎＯ又はダイヤモンド等からなる熱伝導層１１４を形成する。熱伝導層１１４はスパッタ法又は化学気相堆積（ＣＶＤ）法等により形成すればよい。次に、図１１（ｄ）に示すように熱伝導層１１４の上に、蛍光体層１１３となる蛍光体を含有させた紫外線硬化型の樹脂１１３Ａを熱伝導層１１４の上に塗布する。蛍光体は入射光及び出射光の波長に応じて適宜選択すればよいが、例えばＹＡＧ：Ｃｅ３＋等とすればよい。紫外線硬化型の樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等とすればよい。なお、蛍光体層を形成する樹脂は、紫外線硬化型の樹脂に限らず熱硬化型の樹脂等を用いることも可能である。さらに、蛍光体層を蛍光体粒子と低融点ガラス等の透明無機材料とを用いて構成してもよい。
　次に、図１２（ａ）に示すように第２の光学部材１１２となる第２の透明基板１１２Ａを樹脂１１３Ａの上に貼り付けた後、樹脂１１３Ａに紫外線を照射することにより硬化させて蛍光体層１１３を形成すると共に第２の透明基板１１２Ａを接着する。次に、図１２（ｂ）に示すように、第２の透明基板１１２Ａの上にレジスト等からなるマスクパターン１６２を形成する。マスクパターン１６２は微小レンズ１１１Ｂに対して位置合わせする。次に、第２の透明基板１１２Ａをフッ酸等のエッチング液により選択的にエッチングする。これにより、コリメートレンズである微小レンズ１１２Ｂを有する第２の光学部材１１２が形成される。
　微小レンズ１１１Ｂ及び１１２Ｂが一列だけの場合も、マトリックス状に配置された場合も同様にして形成することができる。
　第１の透明基板１１１Ａの厚さを１０ｍｍ程度と比較的厚くすることにより、第１の光学部材１１１の上に、熱伝導層１１４、蛍光体層１１３及び第２の光学部材１１２を容易に形成することが可能となる。また、第２の透明基板１１２Ａは３ｍｍ程度と比較的薄くすることにより微小レンズ１１２Ｂを曲率が比較的大きいコリメートレンズとすることが可能となり、蛍光体層１１３の微小領域から全方位に放射された光をより効率良く平行光とすることができる。
　なお、微小レンズをエッチングにより形成する方法を示したが、低温度軟化透明材料と金型を用いて形成してもよい。
　図１等には、蛍光体層とは別に熱伝導層が形成された例を示した。しかし、蛍光体は、光が集光される領域にのみ存在していればよい。このため、図１３に示すような構成の光学素子１１０Ｂとしてもよい。光学素子１１０Ｂは、蛍光体を含む第１の領域１７３Ａと、第１の領域１７３Ａを囲み、第１の領域１７３Ａよりも熱伝導率が高い第２の領域１７３Ｂとを有する蛍光体層１７３を有している。第１の領域１７３Ａは、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋等の蛍光体を含む樹脂層とすればよい。第２の領域１７３Ｂは、ＺｎＯ又はダイヤモンド等の第１の領域１７３Ａよりも熱伝導率が高い層とすればよい。
　光学素子１１０Ｂは以下のようにして形成すればよい。まず、図１１（ａ）及び（ｂ）に示した工程と同様の工程により、微小レンズ１１１Ｂを有する第１の光学部材１１１を形成する。次に、図１４（ａ）に示すように、第１の光学部材１１１の第２の面の上に第２の領域１７３ＢとなるＺｎＯ層等をスパッタ法又はＣＶＤ法により形成する。続いて、ＺｎＯ層等をパターニングして、第１の光学部材１１１が露出する複数の開口部１７３ａを形成する。次に、図１４（ｂ）に示すように開口部１７３ａを埋めるように、第１の領域１７３Ａとなる蛍光体を含有させた紫外線硬化型樹脂を塗布する。蛍光体は入射光及び出射光の波長に応じて適宜選択すればよいが、例えばＹＡＧ：Ｃｅ３＋等とすればよい。紫外線硬化型樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等とすればよい。この後、図１２（ａ）～（ｃ）の工程と同様の工程により、紫外線硬化型樹脂の硬化及び第２の光学部材１１２の形成等を行えばよい。
　なお、蛍光体層を形成する樹脂は、紫外線硬化型の樹脂に限らず熱硬化型の樹脂等を用いることも可能である。さらに、蛍光体層を、蛍光体粒子と低融点ガラス等の無機透明材料とを用いて構成してもよい。例えば、スピンオングラス等の無機透明材料を用いることにより、パターニング等が容易となるという利点が得られる。
　光学素子１１０Ｂは、光学素子１１０のように微小レンズが一列に配置された構成としても、光学素子１１０Ａのように微小レンズがマトリックス状に配置された構成としてもよい。光学素子１１０Ｂは、光学素子１１０及び光学素子１１０Ａと同様に用いることができるが、図１５に示すように複数の発光素子２６１と組み合わせてもよい。各発光素子２６１から出射された光は、対応するコリメートレンズ２６２により平行光とされた後、光学素子１１０Ｂに入射する。なお、光学素子１１０及び光学素子１１０Ａについてもこのような構成とすることができる。
　図１６に示すように、第１の透明基板１８１Ａと回折格子１８１Ｂとを有する第１の光学部材１８１を用いて、蛍光体層１７３の第１の領域１７３Ａに光を集光する光学素子１１０Ｃとしてもよい。このような構成とすることにより、コリメートレンズ２６２が不要となるため、部品点数を低減することができる。なお、熱伝導層と一体となった蛍光体層１７３に代えて、蛍光体層と熱伝導層とを別々に形成してもよい。
　図１７に示すように、微小レンズ１１２Ｂに代えて反射鏡１９１Ｃにより蛍光を平行光に変換する構成の光学素子１１０Ｄとしてもよい。光学素子１１０Ｄは、第１の面に回折格子１９１Ｂを有し第２の面に反射鏡１９１Ｃを有する第１の透明基板１９１Ａと、第２の透明基板１９２と、第２の透明基板１９２の上に熱伝導層１９４を介在させて形成された蛍光体層１９３とを有している。反射鏡１９１Ｃは、放物線をその対称軸の周りに回転させることによりできる放物面を有する放物面鏡とすればよい。発光素子２６１から放射された光は、回折格子１９１Ｂにより反射鏡１９１Ｃを透過し、蛍光体層１９３に集光される。蛍光体層１９３に集光された光は所定の波長の光となり、反射鏡１９１Ｃに入射する。反射鏡１９１に入射した光は、反射されると共にコリメートされ第２の透明基板１９２を透過して出射される。蛍光体層１９３に入射された光はランバーシャン反射するため、ランバーシャン反射光を利用することができ、光の利用効率をさらに向上させることができるという利点を有する。
　（第２の実施形態）
　図１８に示すように、第２の実施形態の光学素子３１０は、第１の基板３１１と、第１の基板３１１の上に反射層３１４を介在させて形成された蛍光体層３１３と、蛍光体層３１３の上に形成された微小レンズ３１２とを有している。
　第１の基板３１１はシリコン基板等とすればよい。反射層３１４は銀又はアルミニウム等の可視光の反射率が高い金属材料とすればよい。蛍光体層３１３は、蛍光体粒子とバインダ材料とが混合された蛍光体含有材料からなる第１の領域３１３Ａと、第１の領域３１３Ａを囲むように形成された第２の領域３１３Ｂとを有している。蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋をはじめとする希土類蛍光体又は量子ドット蛍光体等とすればよい。バインダ材料は、樹脂又は透明無機材料等とすればよい。樹脂の場合には、シリコーン又はエポキシ等の透明樹脂とすればよく、透明無機材料の場合には、低融点ガラス等のガラス材料とすればよい。第２の領域３１３Ｂは、グラフェン、ダイヤモンド又はＺｎＯ等の第１の領域３１３Ａよりも熱伝導率が高い材料とすればよい。微小レンズ３１２はガラス等からなり、蛍光体層３１３における第１の領域３１３Ａに焦点が合うように形成されている。
　図１９は、実施形態の光学素子３１０を用いた発光装置３００の構成及び動作方法を示している。発光装置３００は、発光素子３４０と、発光素子３４０から出射された光を平行光とするコリメートレンズ３５２と、平行光を反射させて光学素子３１０に入射させるダイクロイックミラー３６０とを有している。
　ダイクロイックミラー３６０により反射されて光学素子３１０に入射した光は、光学素子３１０の微小レンズ３１２により蛍光体層３１３の第１の領域３１３Ａに集光される。第１の領域３１３Ａに集光された光は蛍光体により所定の波長の光に変換され、ランバーシャン反射される。反射された光は微小レンズ３１２により平行光となり光学素子３１０から出射される。光学素子３１０から出射された光はダイクロイックミラー３６０を透過し、平行光として発光装置３００から出射される。
　蛍光体層３１３において光の波長を変換する際に発生する熱は、蛍光体層３１３の第２の領域３１０Ｂ及び反射層３１４により効率良く光学素子３１０の周縁部に伝達され、放熱される。
　本実施形態の光学素子３１０は以下のようにして形成すればよい。まず、図２０（ａ）に示すように、シリコン基板等である第１の基板３１１の上に、銀又はアルミニウム等からなる反射層３１４を蒸着法、スパッタ法又はＣＶＤ法等により形成する。続いて、蛍光体層３１３の第２の領域３１３Ｂとなるグラフェン、ダイヤモンド又はＺｎＯ等からなる層を形成した後、フォトリソグラフィー、エッチング及びリフトオフ等の半導体プロセス技術を用いて複数の開口部３１３ａを形成する。次に、図２０（ｂ）に示すように、第１の領域３１３Ａとなる蛍光体を含む樹脂を開口部３１３ａを埋めるようにスピンコート法等を用いて塗布する。次に、図２０（ｃ）に示すように、透明基板である第２の基板３１２Ａを蛍光体層３１３の上に接着した後、第２の基板３１２Ａの上にレジストマスク３５１を形成する。レジストマスク３５１は、第１の領域３１３Ａに一致するように形成する。次に、図２０（ｄ）に示すようにフッ酸等を用いたウエットエッチングにより第２の基板３１２Ａを選択的にエッチングして微小レンズ３１２を形成する。
　図２０には、それぞれが独立した微小レンズ３１２を形成する例を示したが、第２の基板３１２Ａの厚さ及び必要とする微小レンズ３１２の曲率等によっては、第２の基板３１２Ａの一方の面に一体となった微小レンズ３１２が形成されている構成としてもよい。この場合には、微小レンズ３１２の接合部の厚さを可能な限り薄くすることが好ましい。
　なお、微小レンズ３１２をウエットエッチングにより形成する方法について説明したが、あらかじめ金型等を用いて微小レンズ３１２を形成した第２の基板３１２Ａを、微小レンズ３１２と第１の領域３１３Ａとの位置合わせを行った上で、蛍光体層３１３と接着してもよい。
　第１及び第２の実施形態では、発光素子が半導体レーザ素子である場合について主に説明したが、指向性に優れた光源であればどのようなものを用いてもよい。例えば、スーパールミネッセントダイオード等を用いてもよい。
　なお、第１及び第２の実施形態では、第１の波長の光の波長を４３０ｎｍ～４８０ｎｍとしたが蛍光体を励起できる波長の光であればどの波長でもよい。例えば、波長３５０ｎｍ～３９０ｎｍの紫外光及び波長３９０ｎｍ～４３０ｎｍの近紫外光でもよい。
　また第１及び第２の実施形態では、蛍光体をＹＡＧ：Ｃｅ３＋を中心に述べたがこの限りではない。例えば、波長５３０ｎｍ付近の緑色の蛍光を第２の波長の光としたい場合には、ユーロピウム添加のβサイアロン結晶やシリケート結晶でもよい。またＣｅ添加Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12又はＣｅ添加ＣａＳｃ2Ｏ4等によっても高い変換効率で波長５２０ｎｍ付近の緑色の第２の波長の光を得ることができる。また、波長６４０ｎｍ付近の赤色の蛍光を第２の波長の光としたい場合にはユーロピウム添加の（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ3又はＣａＡｌＳｉＮ3等を用いればよい。
　なお、第１及び第２の実施形態では、蛍光体層として１種類の蛍光体を用いる方法についてのみ述べたがこの限りではない。例えば、蛍光体層の蛍光体を面内で変えることにより複数の波長の光を第２の波長の光として出射させることができる。例えば、波長４３０ｎｍ～４３０ｎｍの第１の波長の光と、緑色及び赤色を発する蛍光体とを組み合わせて光学素子を構成することにより、白色の光を発する半導体発光装置を構成することができる。また、緑色及び赤色を発する蛍光体と、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ又は（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ等の青色を発する蛍光体とを組み合わせた光学素子を構成することで、紫外光又は近紫外光等の励起光により白色の光を発する半導体発光装置を構成することができる。
　本開示に係る光学素子は、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られ、エネルギー損失が小さい光源装置等に用いる光学素子等として有用である。
１１０　　　光学素子
１１０Ａ　　光学素子
１１０Ｂ　　光学素子
１１０Ｃ　　光学素子
１１０Ｄ　　光学素子
１１１　　　第１の光学部材
１１１Ａ　　第１の透明基板
１１１Ｂ　　微小レンズ
１１２　　　第２の光学部材
１１２Ａ　　第２の透明基板
１１２Ｂ　　微小レンズ
１１３　　　蛍光体層
１１３Ａ　　樹脂
１１３ａ　　第１の面
１１３ｂ　　第２の面
１１３ｃ　　微小領域
１１４　　　熱伝導層
１２１　　　光
１２２　　　光
１３０　　　放熱板
１４０　　　発光素子
１４１　　　サブマウント
１４２　　　基台
１５０　　　導光素子
１５１　　　光分岐部
１５２　　　コリメートレンズ
１６１　　　マスクパターン
１６２　　　マスクパターン
１７３　　　蛍光体層
１７３Ａ　　第１の領域
１７３Ｂ　　第２の領域
１７３ａ　　開口部
１８１　　　第１の光学部材
１８１Ａ　　第１の透明基板
１８１Ｂ　　回折格子
１９１　　　反射鏡
１９１Ａ　　第１の透明基板
１９１Ｂ　　回折格子
１９１Ｃ　　反射鏡
１９２　　　第２の透明基板
１９３　　　蛍光体層
１９４　　　熱伝導層
２００　　　画像表示装置
２１０　　　光源
２１２　　　導光板
２１４　　　画像表示部
２５０　　　画像表示装置
２５１　　　発光素子
２５２　　　コリメートレンズ
２５３　　　光変調素子
２５４　　　投影レンズ
２５５　　　投影画像
２６１　　　発光素子
２６２　　　コリメートレンズ
３００　　　発光装置
３１０　　　光学素子
３１０Ａ　　第１の領域
３１０Ｂ　　第２の領域
３１１　　　第１の基板
３１２　　　微小レンズ
３１２Ａ　　第２の基板
３１３　　　蛍光体層
３１３Ａ　　第１の領域
３１３Ｂ　　第２の領域
３１３ａ　　開口部
３１４　　　反射層
３４０　　　発光素子
３５１　　　レジストマスク
３５２　　　コリメートレンズ
３６０　　　ダイクロイックミラー

Claims (16)

  1. 　第１の波長の光により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、
    　前記蛍光体層の第１の面の上に形成され、前記蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、
    　前記蛍光体層の前記第１の面と反対側の第２の面の上に形成され、前記蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備えている光学素子。
  2. 　前記第１の光学部材は、集光レンズを有する第１の透明基板である、請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の光学部材は、回折格子を有する第１の透明基板である、請求項１に記載の光学素子。
  4. 　前記第２の光学部材は、前記第２の面の上に形成され、コリメートレンズを有する第２の透明基板である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 　第１の波長の光により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、
    　前記蛍光体層の第１の面の上に形成され、前記蛍光体層に光を集光し且つ前記蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第３の光学部材とを備えている光学素子。
  6. 　前記第３の光学部材は、前記蛍光体層と反対側の面に設けられた回折格子と、前記蛍光体層と対向する面に設けられた反射鏡とを有する第３の透明基板である、請求項５に記載の光学素子。
  7. 　前記蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面に形成された反射層をさらに備え、
    　前記第３の光学部材は、凸レンズである、請求項５に記載の光学素子。
  8. 　前記蛍光体層と前記第１の光学部材又は前記第２の光学部材との間に形成され、前記蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えている、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 　前記蛍光体層の前記第１の面と反対側の第２の面に形成され、前記蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えている、請求項５～７のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 　前記熱伝導層は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなる、請求項８又は９に記載の光学素子。
  11. 　前記熱伝導層は、多層膜である、請求項８に記載の光学素子。
  12. 　前記蛍光体層は、
    　それぞれが前記蛍光体を含む複数の第１の領域と、
    　前記複数の第１の領域を囲み、前記第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、
    　前記第１の光学部材は、複数の前記第１の領域のそれぞれに光を集光する、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学素子。
  13. 　前記蛍光体層は、
    　それぞれが前記蛍光体を含む複数の第１の領域と、
    　前記複数の第１の領域を囲み、前記第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、
    　前記第３の光学部材は、複数の前記第１の領域のそれぞれに光を集光する、請求項５～７のいずれか１項に記載の光学素子。
  14. 　前記第２の領域は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなる、請求項１２又は１３に記載の光学素子。
  15. 　請求項１～１４のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記第１の波長の光を出射する発光素子とを備えている、半導体発光装置。
  16. 　前記発光素子から出射された光を互いに並行な光軸を有する複数の光路に分割して、前記光学素子に入射させる光分岐部をさらに備えている、請求項１５に記載の半導体発光装置。
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