WO2017149566A1 - 波長変換装置及び照明装置 - Google Patents

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WO2017149566A1
WO2017149566A1 PCT/JP2016/004501 JP2016004501W WO2017149566A1 WO 2017149566 A1 WO2017149566 A1 WO 2017149566A1 JP 2016004501 W JP2016004501 W JP 2016004501W WO 2017149566 A1 WO2017149566 A1 WO 2017149566A1
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light
light source
phosphor layer
wavelength
optical member
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正人 山名
昇 飯澤
中野　貴之
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion device and an illumination device.
  • white light is produced by irradiating the phosphor with blue light emitted from a solid light source.
  • the phosphor scatters yellow light excited by part of the blue light and the other part of the transmitted blue light, so that white light mixed with these can be created.
  • solid light sources such as lasers have strong directivity and high energy density. Therefore, when the phosphor is directly irradiated with the blue light emitted from the solid light source, the phosphor generates a large amount of heat in the irradiated region and becomes a high temperature. Since the phosphor has a temperature quenching characteristic in which the wavelength conversion efficiency decreases as the temperature rises, it is necessary to suppress the temperature rise of the phosphor.
  • Patent Document 1 discloses an illuminating device in which a diffusing means for diffusing light from a solid light source is formed on a phosphor layer. According to Patent Document 1, the energy distribution of the light from the solid light source is diffused by the diffusing means, thereby preventing energy concentration on the phosphor layer (reducing the thermal load) and suppressing the temperature rise of the phosphor layer. can do.
  • the above-described prior art can reduce the thermal load on the phosphor layer, there is a problem that a part of the light from the solid light source is scattered by diffusion. That is, the above-described conventional technique has a problem that it is difficult to increase the output of the lighting device.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a wavelength conversion device capable of achieving high output while reducing the thermal load on the phosphor layer and an illumination device using the same. Objective.
  • a wavelength conversion device includes a light source that emits light having a predetermined wavelength in a wavelength region from ultraviolet light to visible light, and the light source incident on an incident surface.
  • the wavelength conversion device it is possible to increase the output while reducing the thermal load on the phosphor layer.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an illumination device in which a wavelength conversion device according to an embodiment is used.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the wavelength conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing a top view of the configuration of the optical member in the embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram showing a top view and a cross-sectional view of the diffractive lens array shown in FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the wavelength conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the alignment of light by the optical member shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the comparative example.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating an example of a thermal analysis result in a comparative example.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating an example of a thermal analysis result in the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional view of another example of the configuration of the optical member in the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the wavelength conversion device having the optical member shown in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a configuration of a wavelength conversion device according to a modification.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a microlens array in a modified example.
  • FIG. 12 is a top view of the microlens array shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an illumination device 4 in which the wavelength conversion device 1 according to the present embodiment is used.
  • the illuminating device 4 shown in FIG. 1 is, for example, an endoscope or a fiberscope, and includes a wavelength conversion device 1, an optical fiber 2, and a lamp 3.
  • the optical fiber 2 is a transmission path that transmits light to a remote place.
  • the optical fiber 2 has a double structure in which a core having a high refractive index is wrapped with a cladding layer having a lower refractive index than the core. Both the core and the clad layer are made of quartz glass or plastic having a very high transmittance for light.
  • the lamp 3 is used for irradiating the observation object with the light from the wavelength conversion device 1 transmitted through the optical fiber 2.
  • the lamp 3 includes, for example, a stainless steel fiber coupling, a stainless steel ferrule, a glass lens, an aluminum holder, and an aluminum shell.
  • the wavelength conversion device 1 corresponds to light source means using a laser in the illumination device 4 and makes light incident on the optical fiber 2. Details of the wavelength conversion device 1 will be described below.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the wavelength conversion device 1 according to the present embodiment.
  • the wavelength conversion device 1 includes a light source 11, an optical member 12, and a phosphor layer 13.
  • the light source 11 emits light having a predetermined wavelength in a wavelength region from ultraviolet light to visible light.
  • the light source 11 is a laser that emits blue light.
  • FIG. 3A is a diagram showing a top view of the configuration of the optical member 12 in the present embodiment.
  • 3B is a diagram showing a top view and a cross-sectional view of the diffractive lens array 122 shown in FIG. 3A.
  • the optical member 12 is disposed between the light source 11 and the phosphor layer 13, aligns the light emitted from the light source 11 in a ring shape, and enters the incident surface of the phosphor layer 13.
  • the optical member 12 causes the light emitted from the light source 11 to be oriented in a ring shape having a diameter equal to or smaller than the diameter of the light emitted from the light source 11 with the optical axis of the light source 11 as the center, and is incident on the incident surface of the phosphor layer 13.
  • the optical member 12 is an example of a diffractive microlens array, for example, and includes a base 121 and a diffractive lens array 122 as shown in FIGS. 2 and 3A, for example.
  • the substrate 121 is a substrate of a diffractive microlens array. Specifically, a diffractive lens array 122 is formed on the substrate 121.
  • the base material 121 As a material which forms the base material 121, arbitrary things, such as glass and a plastics, can be used, for example. Here, for example, soda glass, non-alkali glass, or the like can be used as the glass. Examples of the plastic that can be used include acrylic resin, polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET), and polyethylene naphthalate (PEN). Moreover, the material of the base material 121 needs to be selected in consideration of heat resistance. Furthermore, the base material 121 is preferably transparent without light absorption, and is preferably formed of a material having an extinction coefficient of approximately zero.
  • the diffractive lens array 122 orients the light emitted from the light source 11 in a ring shape and makes it incident on the incident surface of the phosphor layer 13.
  • the diffractive lens array 122 is provided on the exit surface of the optical member 12 (diffractive microlens array). For example, as shown in FIGS. 3A and 3B (a), the diffractive lens array 122 diffracts the light emitted from the light source 11.
  • a plurality of diffractive lenses and a rectilinear portion 122c that linearly travels the light emitted from the light source 11.
  • the diffractive lens array 122 has one rectilinear portion 122c.
  • the center of the diffractive lens array 122 is indicated by the intersection of the X axis and the Y axis in the example shown in FIG. 3B, and is indicated by the Z axis in the example shown in FIG. 3B. Yes.
  • the direction from the center to the periphery of the diffractive lens array 122 is shown as a direction away from the Z axis along the X axis. Since the direction away from the axis is the same, the illustration is omitted.
  • the light spot diameter of the light source 11 is 3 mm
  • the thickness of the base 121 is 1 mm, for example
  • the diameter of the diffractive lens array 122 is 4 mm, for example.
  • the rectilinear portion 122c corresponds to an annular region in which a plurality of diffraction lenses are not provided when the optical member 12 is viewed from above, and a flat surface substantially parallel to the exit surface of the optical member 12. It is provided to become. More specifically, as shown in FIG. 3B (a), the rectilinear portion 122c is formed on the upper surface (optical) of the base 121 in a region where a plurality of diffractive lenses are not provided on the surface of the diffractive lens array 122. It is provided so as to be a flat surface substantially parallel to the emission surface of the member 12.
  • the rectilinear unit 122c advances the light emitted from the light source 11 incident from the negative side of the Z axis as it is (without diffracting).
  • the rectilinear portion 122c has a radius of 0. 0 with the center (Z axis) of the diffractive lens array 122 as the origin. It is provided in a region between a circle having a diameter of 9 mm and a circle having a radius of 1.1 mm.
  • the plurality of diffractive lenses are provided concentrically on the exit surface of the optical member 12 when the optical member 12 is viewed from above.
  • the plurality of diffractive lenses has a sawtooth cross section in a plane perpendicular to the exit surface.
  • the pitch of the plurality of diffractive lenses is different for each predetermined area.
  • the plurality of diffractive lenses have different pitches for each predetermined area in the surface portion of the diffractive lens array 122 where the rectilinear portion 122c is not provided. Are concentrically provided.
  • the diffractive lens array 122 corresponds to a so-called blazed diffraction grating because the cross-sections of the plurality of diffractive lenses in a plane perpendicular to the exit surface are serrated. Thereby, the diffractive lens array 122 can increase the first-order diffraction efficiency, and can reduce the light loss (optical loss) of the light source 11.
  • the pitch of the plurality of diffraction lenses is provided so as to increase from the center of the optical member 12 toward the rectilinear portion 122c and to decrease outward from the rectilinear portion 122c in a top view. More specifically, as shown in FIG. 3B (a), the pitches of the plurality of diffractive lenses are the same within the same area, but each of the areas 1 to 5 and each of the areas 6 to 10 are the same. Are provided differently. Further, the pitch of the plurality of diffractive lenses is set so as to increase as the distance from the rectilinear portion 122 c increases, such as the area 2 than the area 1 and the area 3 than the area 2. In the example shown in FIG.
  • the area 1 is an area between a circle with a radius of 0 mm and a circle with a radius of 0.1 mm with the Z axis as the origin
  • the area 2 is a circle with a radius of 0.1 mm with the Z axis as the origin. It is an area between circles with a radius of 0.3 mm.
  • Area 3 is an area between a circle with a radius of 0.3 mm and a circle with a radius of 0.5 mm with the Z axis as the origin
  • area 4 is a circle with a radius of 0.5 mm and the radius of 0.7 mm with the Z axis as the origin. The area between the circles.
  • Area 5 is an area between a circle with a radius of 0.7 mm and a circle with a radius of 0.9 mm with the Z axis as the origin
  • area 6 is a circle with a radius of 1.1 mm and a radius of 1.3 mm with the Z axis as the origin.
  • the area between. Section 7 is an area between a circle with a radius of 1.3 mm and a circle with a radius of 1.5 mm with the Z axis as the origin
  • area 8 is a circle with a radius of 1.5 mm and a radius of 1.7 mm with the Z axis as the origin.
  • Area 9 is an area between a circle with a radius of 1.7 mm and a circle with a radius of 1.9 mm with the Z axis as the origin, and area 8 is between a circle with a radius of 1.9 mm and the circle with a radius of 2 mm with the Z axis as the origin. It is an area. That is, each of the sections 2 to 9 is provided as an annular area having a width of 2 mm.
  • the grating height of the plurality of diffraction lenses is 0.9 ⁇ m.
  • the lattice pitch of the area 1 and the area 10 is 2.3 ⁇ m, and the lattice pitch of the area 2 and the area 9 is 2.9 ⁇ m.
  • the grating pitch of the area 3 and the area 8 is 3.8 ⁇ m, and the grating pitch of the area 4 and the area 7 is 5.6 ⁇ m.
  • the lattice pitch of the areas 5 and 6 is 11.3 ⁇ m, and the lattice pitch of the areas 4 and 7 is 5.6 ⁇ m.
  • the pitch of the plurality of diffractive lenses is widened from the center of the optical member 12 toward the rectilinear portion 122c in the top view, and is narrowed outward from the rectilinear portion 122c.
  • the plurality of diffractive lenses provided in this way can diffract the light emitted from the light source 11 incident from the negative side of the Z axis so as to travel toward the light traveling straight through the rectilinear portion 122c.
  • the diffractive lens array 122 configured as described above can orient the light emitted from the light source 11 in a ring shape and enter the incident surface of the phosphor layer 13, the energy on the incident surface of the phosphor layer 13. Concentration can be prevented.
  • the material of the diffractive lens array 122 is selected depending on the method of forming the diffractive lens array 122, heat resistance, and refractive index. Examples of the method for forming the diffractive lens array 122 include nanoimprint, printing, photolithography, EB lithography, particle orientation, and the like.
  • the material of the diffractive lens array 122 for example, when the diffractive lens array 122 is formed by nanoimprinting or printing, an epoxy resin or an acrylic resin is selected as a UV curable resin, and polymethyl methacrylate (PMMA) is selected as a thermoplastic resin. do it.
  • the material of the diffractive lens array 122 may be selected from glass or quartz in consideration of heat resistance, and the diffractive lens array 122 may be formed by photolithography or EB lithography.
  • the diffractive lens array 122 is preferably formed of a material having a refractive index comparable to that of the base 121 so that light from the base 121 can be easily incident. Further, like the base material 121, the diffractive lens array 122 is preferably transparent without light absorption, and is preferably formed of a material having an extinction coefficient of approximately zero.
  • the phosphor layer 13 produces white light from the blue light emitted from the light source 11 and makes the produced white light enter the optical fiber 2.
  • the phosphor layer 13 has a function of wavelength-converting part of the light incident on the lower surface (incident surface) shown in FIG.
  • the phosphor layer 13 receives the blue light from the light source 11 and emits yellow light excited by a part of the incident blue light.
  • the phosphor layer 13 emits (transmits) the other part of the incident blue light.
  • these blue light and yellow light are mixed and emitted, so that the phosphor layer 13 emits white light.
  • the phosphor layer 13 is formed in a flat plate shape, for example, as shown in FIG.
  • the phosphor layer 13 includes a phosphor and is formed by covering the phosphor with a resin such as silicon or epoxy.
  • the loss accompanying wavelength conversion changes to heat. Since the phosphor layer 13 has a temperature quenching characteristic in which the wavelength conversion efficiency decreases as the temperature rises, the heat radiation of the phosphor layer 13 is very important.
  • the phosphor layer 13 is preferably supported by a heat dissipation plate formed of a material having high thermal conductivity such as Al.
  • heat dissipation may be improved by mixing a material having high thermal conductivity, for example, an inorganic oxide such as ZnO, with the resin forming the phosphor layer 13. Further, a minute structure may be provided on the incident surface of the phosphor layer 13 so that light can easily enter the phosphor layer 13 or heat can be easily radiated from the incident surface.
  • a material having high thermal conductivity for example, an inorganic oxide such as ZnO
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the wavelength conversion device 1 in the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the orientation of light by the optical member 12 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the comparative example.
  • the wavelength conversion device 1 includes an optical member 12 disposed between the light source 11 and the phosphor layer 13, so that the light 11 a emitted from the light source 11 is ring-shaped. It can be oriented and incident on the incident surface of the phosphor layer 13 (so as to be a ring 13b in the figure).
  • the phosphor layer 13 can produce white light 13e.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a cross section in the z-axis plane shown in FIG. 4 of the wavelength conversion device 1 of the present embodiment. That is, as shown in FIG. 5, in the wavelength conversion device 1 of the present embodiment, the light 11 a emitted from the light source 11 goes straight as it is in the rectilinear portion 122 c as schematically shown as light 12 b, while In the diffractive lens, the light is diffracted so as to be directed to the light traveling straight through the rectilinear portion 122c. In this manner, the wavelength conversion device 1 according to the present embodiment causes the light 11 a from the light source 11 to be oriented in a ring shape by the optical member 12 and enter the phosphor layer 13.
  • the comparative example shown in FIG. 6 shows a wavelength conversion device 50 that does not include the optical member 12 of the present embodiment.
  • the light 11a emitted from the light source 11 is not oriented in a ring shape and is emitted as it is toward the region 52a on the incident surface of the phosphor layer 13, and white light 52b is emitted in the region 52a.
  • the wavelength conversion device 50 in the comparative example it is necessary to reduce the output of the light source 11 in order to reduce the energy of the light 11a.
  • the wavelength conversion device 1 unlike the comparative example in which the light 11a is directly incident on the incident surface of the phosphor layer 13, energy concentration on the incident surface can be prevented. Thereby, since the temperature rise of the fluorescent substance layer 13 can be suppressed, the whole quantity can be radiate
  • FIG. 7A is a diagram illustrating an example of a thermal analysis result of a phosphor layer in a comparative example.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating an example of a thermal analysis result of the phosphor layer in the embodiment.
  • the energy of the light 11a is concentrated in the region 52a of the phosphor layer 13 (a uniform region of ⁇ 3 mm in the figure), so the temperature of the central portion of the region 162 is the highest 162. It can be seen that it is 2 °C.
  • the energy of the light 11a is oriented in a ring shape and the energy is dispersed. Therefore, the temperature of the annular portion of ⁇ 2 mm to ⁇ 3 mm in the region 13a of the phosphor layer 13 Is the highest at 151.2 ° C.
  • the total calorific value was 5 W
  • the calorific value was 4 W at the annular portion of ⁇ 2 mm to ⁇ 3 mm
  • 1 W at the central portion of ⁇ 0 mm to ⁇ 2 mm.
  • the phosphor layer 13 of the present embodiment can prevent the concentration of the energy of the light 11a compared to the phosphor layer 13 of the comparative example.
  • the light incident from the light source 11 is oriented between the light source 11 and the phosphor layer 13 in a ring shape by diffraction, and the phosphor layer 13 An optical member to be incident on the incident surface is provided. Thereby, high output can be achieved while reducing the thermal load on the phosphor layer 13.
  • the wavelength conversion device includes a light source 11 that emits light having a predetermined wavelength in a wavelength region from ultraviolet light to visible light, and a light source 11 that is incident on an incident surface.
  • the phosphor layer 13 that converts the wavelength of the light of the light source, and an optical member that is disposed between the light source 11 and the phosphor layer 13 and that orients the light emitted from the light source 11 in a ring shape and enters the incident surface of the phosphor layer 13.
  • And 12 are provided.
  • the light emitted from the light source 11 is oriented in a ring shape and is incident on the incident surface of the phosphor layer 13, energy concentration on the incident surface of the phosphor layer 13 can be prevented. Thereby, even if the energy of the light emitted from the light source 11 is increased, the temperature rise of the phosphor layer 13 can be suppressed, so that the output of the wavelength conversion device 1 can be increased.
  • the light emitted from the light source 11 oriented in a ring shape by the optical member 12 is incident with a diameter equal to or smaller than the diameter of the light emitted from the light source 11 around the optical axis of the light source 11.
  • the optical member 12 is a diffractive microlens array.
  • optical loss of light emitted from the light source 11 can be reduced and high output can be achieved.
  • the configuration of the diffractive lens array 122 is not limited to the case where the diffractive lens array 122 has one rectilinear portion 122c as described above.
  • the light source 11 can be provided in a region included in the light spot diameter, the light source 11 may have two rectilinear portions, or may have three or more rectilinear portions.
  • the diffractive lens array has two rectilinear portions will be described.
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional view of another example of the configuration of the optical member 22 in the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the wavelength conversion device 1 having the optical member 22 shown in FIG. Elements similar to those in FIGS. 3B and 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the optical member 22 is disposed between the light source 11 and the phosphor layer 13, aligns the light emitted from the light source 11 in a ring shape, and enters the incident surface of the phosphor layer 13.
  • the optical member 22 converts the light emitted from the light source 11 into two rings having a diameter equal to or smaller than the diameter of the light emitted from the light source 11 with the optical axis of the light source 11 as the center (so as to be rings 13b and 13c in FIG. 9). Oriented and incident on the incident surface of the phosphor layer 13.
  • the two rings (ring 13b and ring 13c) are concentric.
  • the optical member 22 is an example of a diffractive microlens array, and includes, for example, a base 121 and a diffractive lens array 222 as shown in FIG.
  • the diffractive lens array 222 is provided on the exit surface of the optical member 22 (diffractive microlens array), and a plurality of diffractive lenses and a light source that diffract light emitted from the light source 11.
  • 11 has two rectilinear sections (straight sections 222c and 222d) that straighten the light emitted by the eleventh section.
  • the pitch of the plurality of diffractive lenses is provided so as to increase from the center of the optical member 22 toward the rectilinear portion 222c in the top view and narrow toward the intermediate position between the rectilinear portion 222c and the rectilinear portion 222c. It has been.
  • the pitches of the plurality of diffractive lenses are provided so as to increase from an intermediate position between the rectilinear portion 222c and the rectilinear portion 222d toward the rectilinear portion 222d and to narrow outward from the rectilinear portion 222d.
  • the light emitted from the light source 11 incident from the negative side of the Z axis can be diffracted so as to be directed to the light traveling straight through the straight traveling part 122c or the straight traveling part 122d.
  • the optical member 22 aligns the light 11 a emitted from the light source 11 in a ring shape (rings 13 b and 13 c in the drawing), and the incident surface of the phosphor layer 13. Can be made incident.
  • the phosphor layer 13 can produce white light 13e.
  • the light 11a emitted from the light source 11 is oriented in two rings and is incident on the incident surface of the phosphor layer 13, but the present invention is not limited to this. By providing three or more rectilinear portions, it may be oriented so as to be incident on the incident surface of the phosphor layer 13.
  • Modification 1 The configuration of the wavelength conversion device 1 of the present invention is not limited to that described in the above embodiment.
  • a microlens array having a diffractive lens array different from the diffractive lens array 122 described above may be further provided on the phosphor layer 13.
  • the example in this case is demonstrated as a modification.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the configuration of the wavelength conversion device 1A according to the present modification.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the microlens array 14 in this modification.
  • 12 is a top view of the microlens array 14 shown in FIG. Elements similar to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the microlens array 14 includes a base material 141 and a diffractive lens array 142.
  • the substrate 141 is a substrate of the microlens array 14 and is formed in a flat plate shape.
  • the base material 141 is formed on the phosphor layer 13.
  • a diffractive lens array 142 is formed on the substrate 141.
  • the base material 141 is the same as that of the base material 121, detailed description thereof is omitted.
  • the base material 141 is the same as the phosphor layer 13 so that light from the phosphor layer 13 can easily enter. It is preferably formed of a material having a refractive index of a certain degree. Here, the same refractive index means that the refractive index difference between them is ⁇ 0.2 or less.
  • the phosphor layer 13 and the base material 141 are preferably bonded with an adhesive layer having a refractive index comparable to both. Examples of the material for the adhesive layer include acrylic resin and epoxy resin.
  • the base material 141 and the adhesive layer are preferably transparent without light absorption, and are preferably formed of a material having an extinction coefficient of approximately zero.
  • the diffractive lens array 142 emits part of the light wavelength-converted by the phosphor layer 13 and the other part of the light transmitted through the phosphor layer 13 from the emission surface.
  • a plurality of diffractive lenses are provided on the exit surface of the diffractive lens array 142 to diffract and emit part of the wavelength-converted light and the other part of the transmitted light.
  • the plurality of diffractive lenses are concentrically provided on the exit surface.
  • the cross section of the diffractive lens in the plane perpendicular to the exit surface is described as being serrated, but is not limited thereto, and may be rectangular, triangular, or hemispherical.
  • the plurality of diffractive lenses diffract part of the blue light wavelength-converted into yellow light by the phosphor layer 13 and the blue light transmitted through the phosphor layer 13 to diffract the optical fiber 2 that is a predetermined region. It is provided so as to collect light at the opening. Therefore, the pitch of the plurality of diffractive lenses is different for each predetermined area (zone). The pitch of the plurality of diffractive lenses decreases from the center of the diffractive lens array 142 toward the periphery.
  • the diffractive lens array 142 is formed with the base material 141 so that light from the base material 141 can easily enter. It is preferable to be formed of a material having a similar refractive index. Further, like the base material 141, the diffractive lens array 142 is preferably transparent without light absorption, and is preferably formed of a material having an extinction coefficient of approximately zero.
  • the microlens array 14 may be directly formed (integrally formed) on the phosphor layer 13 so that light can easily enter the diffractive lens array 142 from the phosphor layer 13.
  • the microlens array 14 may be formed of a resin constituting the phosphor layer 13 or may be formed of a material having a refractive index comparable to that of the phosphor layer 13.
  • an illumination device using the wavelength conversion device 1 in the above embodiment is also included in the present invention.
  • the wavelength conversion device 1 in the above embodiment for an illumination device, it is possible to reduce the size of the illumination device using an LED light source.
  • the size of the diffractive lens array 122 only needs to be larger than the spot diameter of the light from the light source 11, and can take any value on condition that the light beam emitted from the light source 11 is not changed.

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Abstract

波長変換装置（１）は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源（１１）と、入射面に入射された光源（１１）からの光を波長変換する蛍光体層（１３）と、光源（１１）と蛍光体層（１３）との間に配置され、光源（１１）が発する光をリング状に配向して、蛍光体層（１３）の入射面に入射させる光学部材（１２）とを備える。

Description

波長変換装置及び照明装置
　本発明は、波長変換装置及び照明装置に関する。
　レーザーなどの固体光源を用いた照明がある。このような照明では、固体光源が発する青色光を蛍光体に照射することで白色光を作り出す。蛍光体は、青色光の一部により励起された黄色光と透過した青色光の他部とを散乱させるので、これらが混色された白色光を作り出すことができる。
　一方で、レーザーなどの固体光源は、指向性が強くエネルギー密度が高い。そのため、蛍光体に、固体光源の発する青色光が直接的に照射されたときには、蛍光体は、照射された領域で多くの熱が発生し高温となる。蛍光体は温度が高くなると波長変換効率が下がる温度消光特性を有するので、蛍光体の温度上昇を抑制する必要がある。
　そこで、例えば特許文献１には、固体光源からの光を拡散させる拡散手段を蛍光体層上に形成する照明装置について開示されている。特許文献１によれば、拡散手段により、固体光源からの光のエネルギー分布を拡散させることで、蛍光体層へのエネルギー集中を防ぎ（熱負荷を軽減し）、蛍光体層の温度上昇を抑制することができる。
特開２０１２－１０４２６７号公報
　しかしながら、上記の従来技術では、蛍光体層への熱負荷を軽減できるものの、固体光源からの光の一部が拡散により散乱ロスされてしまうという問題がある。つまり、上記の従来技術では、照明装置の高出力化を図るのが難しいという問題がある。
　本発明は、上述の課題を鑑みてなされたもので、蛍光体層への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる波長変換装置及びそれを用いた照明装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明の一態様に係る波長変換装置は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源と、入射面に入射された前記光源からの光を波長変換する蛍光体層と、前記光源と前記蛍光体層との間に配置され、前記光源が発する光をリング状に配向して、前記蛍光体層の前記入射面に入射させる光学部材とを備える。
　本発明の一態様に係る波長変換装置では、蛍光体層への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる。
図１は、実施の形態における波長変換装置が用いられる照明装置の一例を示す図である。 図２は、実施の形態における波長変換装置の構成の一例を示す図である。 図３Ａは、実施の形態における光学部材の構成の上面図を示す図である。 図３Ｂは、図３Ａに示す回折型レンズアレイの上面図及び断面図を示す図である。 図４は、実施の形態における波長変換装置の動作を説明するための図である。 図５は、図４に示す光学部材による光の配向を模式的に示す図である。 図６は、比較例の動作を説明するための図である。 図７Ａは、比較例における熱解析結果の一例を示す図である。 図７Ｂは、実施の形態における熱解析結果の一例を示す図である。 図８は、実施の形態における光学部材の構成の別の一例の断面図を示す図である。 図９は、図８に示す光学部材を有する波長変換装置の動作を説明するための図である。 図１０は、変形例における波長変換装置の構成の一例を示す図である。 図１１は、変形例におけるマイクロレンズアレイの断面図である。 図１２は、図１１に示すマイクロレンズアレイの上面図である。
　以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここで示す実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序等は、一例であって本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意に付加可能な構成要素である。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
　（実施の形態）
　［照明装置］
　以下では、まず、本実施の形態における波長変換装置が用いられる応用製品として、照明装置を例に挙げて説明する。
　図１は、本実施の形態における波長変換装置１が用いられる照明装置４の一例を示す図である。
　図１に示される照明装置４は、例えば内視鏡やファイバースコープなどであり、波長変換装置１と、光ファイバ２と、灯具３とを備える。
　光ファイバ２は、離れた場所に光を伝える伝送路である。光ファイバ２は、高屈折率のコアをコアより低屈折率のクラッド層が包んだ二重構造で構成される。コアおよびクラッド層はともに光に対して透過率が非常に高い石英ガラスまたはプラスチックからなる。
　灯具３は、光ファイバ２を介して伝送された波長変換装置１からの光を、観察対象物に照射するために用いられる。灯具３は、例えば、ステンレス製のファイバカップリング、ステンレス製のフェルール、ガラス製のレンズ、アルミ製のホルダー、およびアルミ製の外郭で構成される。
　波長変換装置１は、照明装置４においてはレーザーを用いた光源手段に該当し、光ファイバ２に光を入射する。以下、波長変換装置１の詳細について説明する。
　［波長変換装置］
　図２は、本実施の形態における波長変換装置１の構成の一例を示す図である。
　波長変換装置１は、図２に示すように、光源１１と、光学部材１２と、蛍光体層１３とを備える。
　（光源１１）
　光源１１は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する。本実施の形態では、光源１１は、青色光を発するレーザーである。
　（光学部材１２）
　図３Ａは、本実施の形態における光学部材１２の構成の上面図を示す図である。図３Ｂは、図３Ａに示す回折型レンズアレイ１２２の上面図及び断面図を示す図である。
　光学部材１２は、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光をリング状に配向して、蛍光体層１３の入射面に入射させる。光学部材１２は、光源１１が発する光を、光源１１の光軸を中心とした光源１１が発する光の径以下の径のリング状に配向して蛍光体層１３の入射面に入射させる。光学部材１２は、例えば回折型のマイクロレンズアレイの一例であり、例えば図２及び図３Ａに示すように、基材１２１と、回折型レンズアレイ１２２とを備える。
　基材１２１は、回折型のマイクロレンズアレイの基材である。具体的には、基材１２１上には、回折型レンズアレイ１２２が形成されている。
　なお、基材１２１を形成する材料としては、例えば、ガラス、プラスチックなど任意のものを用いることができる。ここで、ガラスとしては、例えば、ソーダガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。また、プラスチックとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などを用いることができる。また、基材１２１の材料は、耐熱性を考慮して選ぶ必要がある。さらに、基材１２１は、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。
　回折型レンズアレイ１２２は、光源１１が発する光をリング状に配向して、蛍光体層１３の入射面に入射させる。回折型レンズアレイ１２２は、光学部材１２（回折型のマイクロレンズアレイ）の出射面に設けられており、例えば図３Ａおよび図３Ｂの（ａ）に示されるように、光源１１が発する光を回折させる複数の回折レンズと光源１１が発する光を直進させる直進部１２２ｃとを有する。
　本実施の形態では、回折型レンズアレイ１２２が１つの直進部１２２ｃを有する場合について説明する。なお、回折型レンズアレイ１２２の中心は、図３Ｂの（ｂ）示す例ではＸ軸とＹ軸との交点で示されており、図３Ｂの（ａ）に示す例ではＺ軸で示されている。また、図３Ｂの（ａ）に示す例では、回折型レンズアレイ１２２の中心から周辺に向かう方向は、Ｘ軸に沿ってＺ軸から離れる方向で示されているが、Ｙ軸に沿ってＺ軸から離れる方向も同様のため図示を省略している。また、図３Ａおよび図３Ｂでは、光源１１の光のスポット径は３ｍｍであるとして、基材１２１の厚みが例えば１ｍｍ、回折型レンズアレイ１２２の直径が例えば４ｍｍとして示されている。
　直進部１２２ｃは、図３Ａに示すように、光学部材１２を上面視したときの複数の回折レンズが設けられていない円環領域に該当し、光学部材１２の出射面と略平行な平坦面となるように設けられている。より具体的には、直進部１２２ｃは、図３Ｂの（ａ）に示すように、回折型レンズアレイ１２２の表面のうち複数の回折レンズが設けられていない領域に、基材１２１の上面（光学部材１２の出射面）と略平行な平坦面となるように設けられている。直進部１２２ｃは、Ｚ軸の－側から入射した光源１１が発する光をそのまま（回折などさせずに）直進させる。なお、図３Ｂの（ａ）に示す例では、光源１１の光のスポット径が３ｍｍであることから、直進部１２２ｃは、回折型レンズアレイ１２２の中心（Ｚ軸）を原点とした半径０．９ｍｍの円～半径１．１ｍｍの円の間の領域に設けられている。
　複数の回折レンズは、図３Ａに示すように、光学部材１２を上面視したとき、光学部材１２の出射面において同心円状に設けられている。複数の回折レンズは、図３Ｂの（ａ）に示すように、当該出射面に垂直な面における複数の回折レンズの断面は鋸歯状である。ここで、複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なる。
　より具体的には、複数の回折レンズは、図３Ｂの（ａ）に示すように、回折型レンズアレイ１２２の表面部分のうち直進部１２２ｃが設けられていない領域に所定の区域ごとに異なるピッチで同心円状に設けられている。複数の回折レンズは、出射面に垂直な面における複数の回折レンズの断面は鋸歯状であるため、回折型レンズアレイ１２２は、いわゆるブレーズド回折格子に該当する。これにより、回折型レンズアレイ１２２は、一次回折効率を高くでき、光源１１の光のロス（光学ロス）を少なくすることができる。
　また、複数の回折レンズのピッチは、上面視において光学部材１２の中心から直進部１２２ｃに向かって広くなり、直進部１２２ｃから外側に向かって狭くなるように設けられている。より詳細には、図３Ｂの（ａ）に示すように、複数の回折レンズのピッチは、同一区域内では同一であるが、区域１～区域５のそれぞれ、および、区域６～区域１０のそれぞれにおいて異なるように設けられている。さらに、複数の回折レンズのピッチは、区域１よりも区域２、区域２よりも区域３というように直進部１２２ｃから近づくほど大きくなるように設けられている。図３Ｂに示す例では、区域１はＺ軸を原点とした半径０ｍｍの円～半径０．１ｍｍの円の間の領域であり、区域２はＺ軸を原点とした半径０．１ｍｍの円～半径０．３ｍｍの円の間の領域である。区域３はＺ軸を原点とした半径０．３ｍｍの円～半径０．５ｍｍの円の間の領域であり、区域４はＺ軸を原点とした半径０．５ｍｍの円～半径０．７ｍｍの円の間の領域である。区域５はＺ軸を原点とした半径０．７ｍｍの円～０．９ｍｍの円の間の領域であり、区域６はＺ軸を原点とした半径１．１ｍｍの円～半径１．３ｍｍの円の間の領域である。区域７はＺ軸を原点とした半径１．３ｍｍの円～１．５ｍｍの円の間の領域であり、区域８はＺ軸を原点とした半径１．５ｍｍの円～半径１．７ｍｍの円の間の領域である。区域９はＺ軸を原点とした半径１．７ｍｍの円～１．９ｍｍの円の間の領域であり、区域８はＺ軸を原点とした半径１．９ｍｍの円～半径２ｍｍの円の間の領域である。つまり、区域２～区域９のそれぞれは、２ｍｍ幅の円環領域として設けられている。
　また、図３Ｂに示す例では、複数の回折レンズの格子高さは０．９μｍである。そして、区域１および区域１０の格子ピッチは２．３μｍであり、区域２および区域９の格子ピッチは２．９μｍである。区域３および区域８の格子ピッチは３．８μｍであり、区域４および区域７の格子ピッチは５．６μｍである。また、区域５および区域６の格子ピッチは１１．３μｍであり、区域４および区域７の格子ピッチは５．６μｍである。このように、複数の回折レンズのピッチは、上面視において光学部材１２の中心から直進部１２２ｃに向かって広くなり、直進部１２２ｃから外側に向かって狭くなる。
　このように設けられる複数の回折レンズは、Ｚ軸の－側から入射した光源１１が発する光を、直進部１２２ｃを直進した光に向かうように回折することができる。
　以上のように構成される回折型レンズアレイ１２２は、光源１１が発する光をリング状に配向して蛍光体層１３の入射面に入射させることができるので、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。
　なお、回折型レンズアレイ１２２の材料は、回折型レンズアレイ１２２の形成方法や耐熱性、屈折率によって選択される。回折型レンズアレイ１２２の形成方法としては、ナノインプリント、印刷、フォトリソ、ＥＢリソ、粒子配向などが挙げられる。回折型レンズアレイ１２２の材料は、回折型レンズアレイ１２２を、例えばナノインプリントや印刷により形成する場合、ＵＶ硬化樹脂としてエポキシ樹脂やアクリル樹脂など、熱可塑性樹脂としてポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などを選択すればよい。また、回折型レンズアレイ１２２の材料は、耐熱性を考慮して、ガラスや石英を選択し、フォトリソやＥＢリソにより回折型レンズアレイ１２２を形成してもよい。また、回折型レンズアレイ１２２は、基材１２１からの光が入射しやすいように基材１２１と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。さらに、回折型レンズアレイ１２２は、基材１２１と同様に、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。
　（蛍光体層１３）
　蛍光体層１３は、光源１１が発する青色光から白色光を作り出し、作り出した白色光を光ファイバ２に入射する。
　より具体的には、蛍光体層１３は、図２に示す下面（入射面）に入射された光の一部を波長変換する機能を有する。本実施の形態では、蛍光体層１３は、光源１１からの青色光が入射され、入射された青色光の一部により励起された黄色光を出射する。また、蛍光体層１３は、入射された青色光の他部を出射（透過）する。蛍光体層１３では、これら青色光および黄色光が混色されて出射されることになるので、蛍光体層１３は白色光を出射することになる。
　蛍光体層１３は、図２に示すように例えば平板状に形成される。蛍光体層１３は、蛍光体を含み、当該蛍光体をシリコン、エポキシ等の樹脂で覆って形成される。なお、波長変換に伴う損失は熱に変わる。蛍光体層１３は温度が高くなると波長変換効率が下がる温度消光特性を有するため、蛍光体層１３の放熱は非常に重要である。ここでは特に図示しないが、蛍光体層１３は、例えばＡｌなどの高熱伝導率を持つ材料で形成された放熱プレートで支持されることが望ましい。また、蛍光体層１３を形成する樹脂に熱伝導率の高い材料、例えばＺｎＯ等の無機酸化物を混合することで放熱性を高めてもよい。また、蛍光体層１３の入射面に微小構造を設け、蛍光体層１３に光が入射しやすいように、または入射面から放熱されやすいようにしてもよい。
　［波長変換装置１の動作］
　次に、以上のように構成される波長変換装置１の動作について説明する。
　図４は、本実施の形態における波長変換装置１の動作を説明するための図である。図５は、図４に示す光学部材１２による光の配向を模式的に示す図である。図６は、比較例の動作を説明するための図である。
　図４に示すように、本実施の形態における波長変換装置１は、光源１１と蛍光体層１３との間に配置された光学部材１２を備えることにより、光源１１が発する光１１ａをリング状に（図でリング１３ｂとなるように）配向して蛍光体層１３の入射面に入射させることができる。そして、蛍光体層１３は、白色光１３ｅを作りだすことができる。
　図５には、本実施の形態の波長変換装置１の図４に示すｚ軸平面における断面の模式図が示されている。すなわち、図５に示すように、本実施の形態の波長変換装置１では、光源１１が発する光１１ａは、模式的に光１２ｂとして示されるように、直進部１２２ｃではそのまま直進する一方で、複数の回折レンズでは直進部１２２ｃを直進した光に向かうように回折される。このようにして、本実施の形態の波長変換装置１は、光源１１からの光１１ａを光学部材１２でリング状に配向して蛍光体層１３に入射する。
　このように、本実施の形態における波長変換装置１では、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。
　一方、図６に示す比較例では、本実施の形態の光学部材１２を備えない波長変換装置５０について示されている。
　図６に示す比較例における波長変換装置５０では、光源１１が発する光１１ａがリング状に配向されず、そのまま蛍光体層１３の入射面の領域５２ａに向けて出射され、領域５２ａにおいて白色光５２ｂを作りだす。しかし、蛍光体層１３の領域５２ａに、光１１ａのエネルギーが集中しているため、領域５２ａの温度上昇が抑制できない。つまり、比較例における波長変換装置５０を使用すればするほど、領域５２ａの温度が上昇し、波長変換効率が下がっていってしまう。そのため、比較例における波長変換装置５０では、光１１ａのエネルギーを減らすために光源１１の出力を絞る必要が発生する。
　以上のように、本実施の形態における波長変換装置１では、光１１ａを直接蛍光体層１３の入射面に入射する比較例の場合と異なり、当該入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。これにより、蛍光体層１３の温度上昇を抑制することができるので、光源１１が発する光をロスすることなく蛍光体層１３に全量出射することができる。つまり、本実施の形態における波長変換装置１によれば、光源１１が発する光のエネルギーを大きくしても蛍光体層１３の温度上昇を抑制できるので、高出力化を図ることができる。
　［波長変換装置１の熱解析結果］
　図７Ａは、比較例における蛍光体層の熱解析結果の一例を示す図である。図７Ｂは、実施の形態における蛍光体層の熱解析結果の一例を示す図である。
　図７Ａに示すように、比較例では、蛍光体層１３の領域５２ａ（図ではφ３ｍｍの均一領域）に、光１１ａのエネルギーが集中しているため、当該領域の中心部分の温度が最も高い１６２．２℃となっているのがわかる。
　一方、図７Ｂに示すように、本実施の形態では、光１１ａのエネルギーがリング状に配向されてエネルギーが分散されているため、蛍光体層１３の領域１３ａのφ２ｍｍ～φ３ｍｍの環状部分の温度が最も高く１５１．２℃となっている。また、図７Ｂに示す熱解析結果では、総発熱量５Ｗであり、φ２ｍｍ～φ３ｍｍの環状部分で４Ｗ、φ０ｍｍ～φ２ｍｍの中心部分で１Ｗの発熱量であった。
　したがって、本実施の形態の蛍光体層１３では、比較例の蛍光体層１３に比べると光１１ａのエネルギーの集中を防ぐことができるのがわかる。
　［効果等］
　以上のように、本実施の形態の波長変換装置１によれば、光源１１と蛍光体層１３との間に光源１１より入射された光を回折によりリング状に配向して蛍光体層１３の入射面に入射させる光学部材を備える。これにより、蛍光体層１３への熱負荷を軽減しつつ、高出力化を図ることができる。
　より具体的には、本発明の一態様に係る波長変換装置は、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源１１と、入射面に入射された光源１１からの光を波長変換する蛍光体層１３と、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光をリング状に配向して蛍光体層１３の入射面に入射させる光学部材と１２を備える。
　これにより、光源１１が発する光がリング状に配向されて蛍光体層１３の入射面に入射されるので、蛍光体層１３の入射面におけるエネルギー集中を防ぐことができる。それにより、光源１１が発する光のエネルギーを大きくしても蛍光体層１３の温度上昇を抑制できるので、波長変換装置１の高出力化を図ることができる。
　ここで、例えば、光学部材１２によりリング状に配向される光源１１が発する光は、光源１１の光軸を中心とした光源１１が発する光の径以下の径で入射される。
　また、例えば、光学部材１２は、回折型のマイクロレンズアレイである。
　これにより、当該マイクロレンズアレイにより入射光を回折することにより、光源１１が発する光の光学ロスを少なくし高出力化できる。
　なお、回折型レンズアレイ１２２の構成は、上述したように、１つの直進部１２２ｃを有する場合に限らない。光源１１の光のスポット径に含まれる領域に設けることができる場合には、２つの直進部を有するとしてもよいし、３以上の直進部を有するとしてもよい。以下、回折型レンズアレイが２つの直進部を有する場合について説明する。
　図８は、実施の形態における光学部材２２の構成の別の一例の断面図を示す図である。図９は、図８に示す光学部材２２を有する波長変換装置１の動作を説明するための図である。図３Ｂや図４と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
　光学部材２２は、光源１１と蛍光体層１３との間に配置され、光源１１が発する光をリング状に配向して、蛍光体層１３の入射面に入射させる。光学部材２２は、光源１１が発する光を、光源１１の光軸を中心とした光源１１が発する光の径以下の径の２つのリング状に（図９でリング１３ｂ、１３ｃとなるように）配向して蛍光体層１３の入射面に入射させる。ここで、２つのリング（リング１３ｂ、リング１３ｃ）は、同心である。光学部材２２は、回折型のマイクロレンズアレイの一例であり、例えば図４に示すように、基材１２１と、回折型レンズアレイ２２２とを備える。
　回折型レンズアレイ２２２は、例えば図８に示されるように、光学部材２２（回折型のマイクロレンズアレイ）の出射面に設けられており、光源１１が発する光を回折させる複数の回折レンズと光源１１が発する光を直進させる２つの直進部（直進部２２２ｃ、２２２ｄ）とを有する。
　なお、複数の回折レンズのピッチは、上面視において光学部材２２の中心から直進部２２２ｃに向かって広くなり、直進部２２２ｃから直進部２２２ｃおよび直進部２２２ｄの中間位置に向かって狭くなるように設けられている。また、複数の回折レンズのピッチは、直進部２２２ｃおよび直進部２２２ｄの中間位置から直進部２２２ｄに向かって広くなり、直進部２２２ｄから外側に向かって狭くなるように設けられている。
　複数の回折レンズは、このように設けられることにより、Ｚ軸の－側から入射した光源１１が発する光を、直進部１２２ｃまたは直進部１２２ｄを直進した光に向かうように回折することができる。
　このようにして、図９に示されるように、光学部材２２は、光源１１が発する光１１ａをリング状に（図でリング１３ｂ、１３ｃとなるように）配向して蛍光体層１３の入射面に入射させることができる。そして、蛍光体層１３は、白色光１３ｅを作りだすことができる。
　なお、上記例では、光源１１が発する光１１ａを２つのリング状に配向し蛍光体層１３の入射面に入射するとしたが、これに限らない。直進部を３以上設けることで、３以上のリング状に）配向して蛍光体層１３の入射面に入射させるとしてもよい。
　（変形例１）
　本発明の波長変換装置１の構成は、上記実施の形態で説明したものに限らない。蛍光体層１３上に、上述した回折型レンズアレイ１２２とは異なる回折型レンズアレイを有するマイクロレンズアレイをさらに備えるとしてもよい。以下、この場合の例を変形例として説明する。
　図１０は、本変形例における波長変換装置１Ａの構成の一例を示す図である。図１１は、本変形例におけるマイクロレンズアレイ１４の断面図である。図１２は、図１０に示すマイクロレンズアレイ１４の上面図である。図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
　マイクロレンズアレイ１４は、基材１４１と回折型レンズアレイ１４２とを備える。
　基材１４１は、マイクロレンズアレイ１４の基材であり、平板状に形成されている。本変形例では、基材１４１は、蛍光体層１３上に形成されている。基材１４１上には、回折型レンズアレイ１４２が形成される。
　基材１４１を形成する材料としては、基材１２１と同様であるため詳細な説明は省略するが、基材１４１は、蛍光体層１３からの光が入射しやすいように蛍光体層１３と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。ここで、同程度の屈折率とは両者の屈折率差が±０．２以下であることを意味する。また、蛍光体層１３と基材１４１の間は、特に図示していないが、両者と同程度の屈折率を持つ接着層で接着されることが好ましい。接着層の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂などが挙げられる。また、基材１４１および接着層は、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。
　回折型レンズアレイ１４２は、蛍光体層１３で波長変換された光の一部と蛍光体層１３を透過した光の他部とを出射面から出射する。回折型レンズアレイ１４２の出射面には、図１１に示すように、波長変換された光の一部と透過した光の他部とを回折して出射するための複数の回折レンズが設けられている。複数の回折レンズは、例えば図１２に示すように、出射面において同心円状に設けられている。本実施の形態では、出射面に垂直な面における回折レンズの断面は、鋸歯状であるとして説明するが、それに限らず、矩形状、三角形状または半球状でもよい。
　また、複数の回折レンズは、蛍光体層１３で黄色光に波長変換された青色光の一部と蛍光体層１３を透過した青色光を回折させて、予め定めた領域である光ファイバ２の開口部に集光させるように設けられている。そのため、複数の回折レンズのピッチは、所定の区域（ゾーン）ごとに異なる。また、複数の回折レンズのピッチは、回折型レンズアレイ１４２の中心から周辺に向かって狭くなっている。
　回折型レンズアレイ１４２の材料は、回折型レンズアレイ１２２と同様であるため詳細な説明は省略するが、回折型レンズアレイ１４２は、基材１４１からの光が入射しやすいように基材１４１と同程度の屈折率の材料で形成されていることが好ましい。さらに、回折型レンズアレイ１４２は、基材１４１と同様に、光の吸収が無く透明であることが好ましく、消衰係数がほぼ０の材料で形成されていることが好ましい。
　なお、蛍光体層１３から回折型レンズアレイ１４２に光が入射しやすいように、蛍光体層１３に直接マイクロレンズアレイ１４を形成（一体的に形成）してもよい。この場合、蛍光体層１３を構成する樹脂によってマイクロレンズアレイ１４を形成してもよいし、蛍光体層１３と同程度の屈折率を持つ材料で形成してもよい。
　（他の実施の形態等）
　上述した実施の形態は一例にすぎず、各種の変更、付加、省略等が可能であることは言うまでもない。
　また、上述した実施の形態で示した構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明の範囲に含まれる。その他、上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
　例えば、上記実施の形態における波長変換装置１を用いた照明装置も本発明に含まれる。上記実施の形態における波長変換装置１を照明装置に用いることでＬＥＤ光源を用いた照明装置よりも小型化できる。
　なお、回折型レンズアレイ１２２の大きさは、光源１１の光のスポット径よりも大きければよく、光源１１が発する光の光束を変化させないことを条件に任意の値を取ることができる。
　１１　光源
　１２　光学部材
　１３　蛍光体層

Claims (11)

  1. 　紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発する光源と、
    　入射面に入射された前記光源からの光を波長変換する蛍光体層と、
    　前記光源と前記蛍光体層との間に配置され、前記光源が発する光をリング状に配向して、前記蛍光体層の前記入射面に入射させる光学部材とを備える、
    　波長変換装置。
  2. 　前記光学部材は、前記光源が発する光を、前記光源の光軸を中心とした前記光源が発する光の径以下の径のリング状に配向して前記入射面に入射させる、
    　請求項１に記載の波長変換装置。
  3. 　前記光学部材は、回折型のマイクロレンズアレイである、
    　請求項１または２に記載の波長変換装置。
  4. 　前記光学部材の出射面には、前記光源が発する光を回折させる複数の回折レンズと、前記光源が発する光を直進させる直進部とが設けられており、
    　前記複数の回折レンズのピッチは、所定の区域ごとに異なる、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  5. 　前記複数の回折レンズのピッチは、上面視において前記光学部材の中心から前記直進部に向かって広くなり、前記直進部から外側に向かって狭くなる、
    　請求項４に記載の波長変換装置。
  6. 　前記複数の回折レンズは、前記出射面において同心円状に設けられている、
    　請求項４または５に記載の波長変換装置。
  7. 　前記出射面に垂直な面における前記複数の回折レンズの断面は、
    　鋸歯状である、
    　請求項４～６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  8. 　前記光学部材は、前記光源が発する光を複数のリング状に配向して、前記蛍光体層の前記入射面に入射させ、
    　前記複数のリングは、同心である、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  9. 　前記光学部材の出射面には、前記光源が発する光を回折させる複数の回折レンズと、前記光源が発する光を直進させる複数の直進部とが設けられている、
    　請求項８に記載の波長変換装置。
  10. 　前記光源は、前記光として、青色光を発し、
    　前記蛍光体層は、前記光の一部を、黄色を示す波長帯域に波長変換する、
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の波長変換装置。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の波長変換装置を用いた、照明装置。
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