WO2020054192A1 - 波長変換部材及びそれを用いた光源装置、プロジェクタならびに車両 - Google Patents

波長変換部材及びそれを用いた光源装置、プロジェクタならびに車両 Download PDF

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Abstract

光源装置の輝度を向上させることができる波長変換部材を提供する。本開示の波長変換部材（１０）は、励起光の入射側に配置され、複数の第１蛍光体粒子（２３）を含む第１蛍光体層（２０）と、入射側とは反対側に配置され、複数の第２蛍光体粒子（３３）を含む第２蛍光体層（３０）と、を備える。第１蛍光体粒子（２３）は賦活成分を含み、第２蛍光体粒子（３３）は第１蛍光体粒子（２３）に含まれた賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含み、第１蛍光体層（２０）における賦活成分の濃度は、第２蛍光体層（３０）における賦活成分の濃度よりも低い。

Description

波長変換部材及びそれを用いた光源装置、プロジェクタならびに車両
　本開示は、波長変換部材及びそれを用いた光源装置に関する。
　発光素子及び波長変換部材を用いた光源装置が知られている。波長変換部材は、マトリクスに埋め込まれた蛍光体粒子を有する。発光素子の光が励起光として蛍光体粒子に照射され、励起光の波長よりも長い波長の光が蛍光体から放射される。このタイプの光源装置において、光の輝度及び出力を高めるための試みがなされている。
　特許文献１には、発光ダイオード(Light Emitting Diode、略してＬＥＤ)チップと、ＬＥＤチップからの光を吸収して発光するフォトルミネセンス蛍光体とを有する発光ダイオードが記載されている。ＬＥＤチップは、窒化物系化合物半導体である。フォトルミネセンス蛍光体は、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体である。
日本国特許第２９２７２７９号公報 国際公開第２０１３／１７２０２５号
D. S. Hamilton, et. Al.,「Optical-absorption and photoionization measurements from the excited states of Ce3+: Y3Al5O12」, Phys. Rev. B39, 8807 (1989) A. Lenef, et. al., SPIE, 2013 doi: 10.1117/12.2023498
　近年、波長変換部材を用いた光源装置の輝度の更なる向上が求められている。
　本開示の一態様の波長変換部材は、第１蛍光体層と、第２蛍光体層と、を備える。第１蛍光体層は、励起光の入射側に配置されるとともに、複数の第１蛍光体粒子を含む。第２蛍光体層は、励起光の入射側とは反対側に配置され、複数の第２蛍光体粒子を含む。複数の第１蛍光体粒子は、第１蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第１マトリクスに埋め込まれている。または、複数の第２蛍光体粒子は、第２蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第２マトリクスに埋め込まれている。第１蛍光体粒子は賦活成分を含む。第２蛍光体粒子は第１蛍光体粒子に含まれた賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含む。第１蛍光体層における賦活成分の濃度は、第２蛍光体層における賦活成分の濃度よりも低い。
　本開示の波長変換部材によれば、光源装置の輝度を向上させることができる。
図１は、本開示の一実施形態に係る波長変換部材の概略断面図である。 図２は、変形例１に係る波長変換部材の概略断面図である。 図３は、変形例２に係る波長変換部材の概略断面図である。 図４は、変形例３に係る波長変換部材の概略断面図である。 図５は、本開示の波長変換部材を用いた光源装置の概略断面図である。 図６は、本開示の波長変換部材を用いた他の光源装置の概略断面図である。 図７は、図５に示す光源装置を用いた照明装置の概略構成図である。 図８は、図６に示す光源装置を用いた照明装置の概略構成図である。 図９は、本開示の照明装置を用いた車両の概略構成図である。 図１０は、本開示の波長変換部材を用いた他の光源装置の概略構成図である。 図１１は、図１０に示す光源装置が備える波長変換部材の斜視図である。 図１２は、本開示の光源装置を用いたプロジェクタの概略構成図である。 図１３は、図１２に示すプロジェクタの斜視図である。 図１４は、内部量子効率の算出に用いた蛍光体層のモデルを示す図である。 図１５は、内部量子効率の算出に用いた蛍光体層のモデルを示す他の図である。 図１６は、入力エネルギー密度と内部量子効率の維持率との関係を示すグラフである。 図１７は、内部量子効率の低下率と出力との関係を示すグラフである。 図１８は、波長変換部材の入出力特性を示すグラフである。
　（本開示の基礎となった知見）
　波長変換部材を用いた光源装置において、励起光源の高出力化が進んでいる。本発明者らの知見によれば、励起光源の高出力化に伴い、次のような現象が起こる。
　図１８は、波長変換部材の入出力特性を示すグラフである。励起光の入力エネルギー密度が十分に高いとき、波長変換部材から出力される光のエネルギー（Ｗ）が励起光の入力エネルギー密度（Ｗ／ｍｍ２）に比例せず、入力エネルギー密度の増加率に対する出力エネルギーの増加率が低下する。励起光の入力エネルギー密度が大きければ大きいほど効率の低下が顕著である。この現象は、輝度飽和と呼ばれることがある。
　従来、輝度飽和の原因は、蛍光体粒子の温度上昇にあると考えられてきた。しかし、本発明者らの鋭意検討によれば、蛍光体粒子の温度上昇を十分に抑制したとしても、輝度飽和は起こりうる。輝度飽和の原因は、蛍光体粒子の温度以外にも存在すると考えられる。
　蛍光体粒子の温度以外の原因として、次の現象が考えられる。すなわち、蛍光体粒子の内部で励起光及び変換光が多重反射し、励起状態からの多重励起が高い確率で起こり、内部量子効率が著しく低下する。「励起状態からの多重励起」とは、励起光によって励起された電子が励起光又は蛍光光である変換光を吸収して非発光準位までさらに励起される現象を意味する。励起状態からの多重励起が起こる確率が上がれば上がるほど、内部量子効率が低下する。
　本発明者らは、輝度飽和による効率の低下を抑制するための新規な技術を見出すべく、波長変換部材の解析を進めた。具体的には、波長変換部材における励起光及び変換光の光密度分布をコンピュータシミュレーションによって調べた。その結果、本発明者らは、受光面に近い部分で光密度が特に高く、励起状態からの多重励起が高い確率で発生し、効率が大きく低下していることを突き止めた。そして、光密度の偏りを減らすことが輝度飽和の緩和に有効であるとの仮定のもとシミュレーションを繰り返し行い、本開示の波長変換部材を完成させるに至った。
　（本開示に係る一態様の概要）
　本開示の第１態様に係る波長変換部材は、第１蛍光体層と、第２蛍光体層と、を備える。第１蛍光体層は、励起光の入射側に配置されるとともに、複数の第１蛍光体粒子と第１のマトリクスとを含む。第２蛍光体層は、励起光の入射側とは反対側に配置されるとともに、複数の第２蛍光体粒子と第２のマトリクスとを含む。複数の第１蛍光体粒子は、第１蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第１マトリクスに埋め込まれている。または、複数の第２蛍光体粒子は、第２蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第２マトリクスに埋め込まれている。第１蛍光体粒子は賦活成分を含む。第２蛍光体粒子は第１蛍光体粒子に含まれた賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含む。第１蛍光体層における賦活成分の濃度は、第２蛍光体層における賦活成分の濃度よりも低い。
　本開示の第１態様に係る波長変換部材を用いることによって、高輝度かつ高効率の光源装置を得ることができる。
　本開示の第２態様として、例えば、第１態様に係る波長変換部材において、第１蛍光体層での単位体積あたりの励起光の吸収量は、第２蛍光体層での単位体積あたりの励起光の吸収量よりも大きくてよい。このような構成によれば、高輝度かつ高効率の光源装置を得やすい。
　本開示の第３態様として、例えば、第１又は第２態様に係る波長変換部材では、第１蛍光体粒子の賦活成分及び第２蛍光体粒子の賦活成分はＣｅであってよい。蛍光寿命の短いＣｅを賦活成分として用いることによって、励起状態から基底状態への発光遷移の確率が高くなり、励起状態からの多重励起の確率を低くすることができる。
　本開示の第４態様として、例えば、第１又は第２態様に係る波長変換部材において、第１蛍光体粒子は、Ｙ３－ｘ１－ｙ１Ｒｙ１Ｃｅｘ１Ａｌ５－ｚ１Ｇａｚ１Ｏ１２（ＲはＧｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、ｘ１は０．００３≦ｘ１≦０．０３６を満たし、ｙ１は０≦ｙ１≦２．１を満たし、ｚ１は０≦ｚ１≦２．２を満たす）で表される蛍光体を含んでいてよい。また、第２蛍光体粒子は、Ｙ３－ｘ２－ｙ２Ｒｙ２Ｃｅｘ２Ａｌ５－ｚ２Ｇａｚ２Ｏ１２（ＲはＧｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、ｘ２は０．０４５≦ｘ２≦０．１５を満たし、ｙ２は０≦ｙ２≦２．１を満たし、ｚ２は０≦ｚ２≦２．２を満たす）で表される蛍光体を含んでいてよい。第１蛍光体粒子の賦活成分及び第２蛍光体粒子の賦活成分はＣｅであってよい。第１蛍光体粒子及び第２蛍光体粒子が上記した各組成の蛍光体で作られている場合、励起光の光密度を上げても内部量子効率が低下しにくいので、高輝度かつ高効率の光源装置を得やすい。
　本開示の第５態様として、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係る波長変換部材において、第１蛍光体層は、複数の第１蛍光体粒子が埋め込まれた第１マトリクスを有していてよい。第２蛍光体層は、複数の第２蛍光体粒子が埋め込まれた第２マトリクスを有していてよい。このような構成によれば、第１蛍光体層における導波が抑制され、光の取り出し効率を上げやすい。
　本開示の第６態様として、例えば、第５態様に係る波長変換部材において、第１マトリクスがＺｎＯによって構成されていてよい。ＺｎＯが第１マトリクスの材料として使用されていると、第１蛍光体層の熱を外部に逃がしやすい。
　本開示の第７態様として、例えば、第５又は第６態様に係る波長変換部材において、第２マトリクスがＺｎＯによって構成されていてよい。ＺｎＯが第２マトリクスの材料として使用されていると、第２蛍光体層の熱を外部に逃がしやすい。
　本開示の第８態様として、例えば、第５から第７態様のいずれか１つに係る波長変換部材において、第２蛍光体層は、第２マトリクスに埋め込まれた複数の光反射粒子をさらに有していてよい。このような構成によれば、第２蛍光体層の内部において光が導波しにくい。
　本開示の第９態様として、例えば、第１から第８態様のいずれか１つに係る波長変換部材において、第１蛍光体層及び第２蛍光体層を支持する基板をさらに備えていてよく、第１蛍光体層と基板との間に第２蛍光体層が配置されていてよい。このような構成の波長変換部材は、反射型光源装置に適している。
　本開示の第１０態様として、例えば、第１から第８態様のいずれか１つに係る波長変換部材において、第１蛍光体層及び第２蛍光体層を支持する基板をさらに備えていてよい。第２蛍光体層と基板との間に第１蛍光体層が配置されていてよい。このような構成の波長変換部材は、透過型光源装置に適している。
　本開示の第１１態様に係る光源装置は、１０Ｗ／ｍｍ２以上のエネルギー密度を有する励起光を出射する励起光源と、励起光を受け入れて蛍光光を放射する第１から第１０態様のいずれか１つに係る波長変換部材と、を備えている。
　本開示の光源装置によれば、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。
　本開示の第１２態様として、例えば、第１１態様に係る光源装置において、励起光のピーク波長が３６０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲にあってよい。蛍光のスペクトルのピーク波長が５４８ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲にあってよい。このような構成によれば、白色光を得やすい。
　本開示の第１３態様として、例えば、第１１又は第１２態様に係る光源装置において、波長変換部材に入射する励起光のスポット径が１０μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にあってよい。励起光のスポット径が十分に小さい場合、波長変換された光をレンズによって平行光にしやすい。
　本開示の第１４態様に係るプロジェクタは、第１１から第１３態様のいずれか１つに係る光源装置を備えている。本開示のプロジェクタによれば、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。
　本開示の第１５態様に係る車両は、第１１から第１３態様のいずれか１つに係る光源装置を備えている。本開示の車両によれば、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
　（実施形態）
　図１は、本開示の一実施形態に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材１０は、基板１２及び蛍光体層１３を備えている。基板１２は、蛍光体層１３を支持している。蛍光体層１３は、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０を有する。基板１２と第１蛍光体層２０との間に第２蛍光体層３０が配置されている。第１蛍光体層２０が第２蛍光体層３０に直接接している。第２蛍光体層３０が基板１２に直接接している。第１蛍光体層２０と第２蛍光体層３０との間に他の層が配置されていてもよい。基板１２と蛍光体層１３との間に他の層が配置されていてもよい。基板１２は、省略されていてもよい。
　本実施形態の波長変換部材１０は、反射型光源装置に適している。波長変換部材１０が反射型光源装置に適用される場合、基板１２は、励起光及び変換光を反射する機能を有していてもよい。
　第１蛍光体層２０は、励起光の入射側に配置されている。第２蛍光体層３０は、入射側とは反対側に配置されている。第１蛍光体層２０は、励起光が入射される受光面２０ｐを有する。第２蛍光体層３０は、第１蛍光体層２０の受光面２０ｐの反対側に配置されている。励起光が受光面２０ｐに向けて照射される。第１蛍光体層２０には、第２蛍光体層３０よりも先に励起光が入射する。受光面２０ｐは、波長変換部材１０の最表面であってもよい。
　第１蛍光体層２０は、第１マトリクス２２及び複数の第１蛍光体粒子２３を有する。第１マトリクス２２は、第１蛍光体粒子２３の間に存在している。第１蛍光体粒子２３は、第１マトリクス２２に埋め込まれている。言い換えれば、第１蛍光体粒子２３は、第１マトリクス２２に分散されている。このような構成によれば、第１蛍光体層２０における導波が抑制され、光の取り出し効率を上げやすい。
　第２蛍光体層３０は、第２マトリクス３２及び複数の第２蛍光体粒子３３を有する。第２マトリクス３２は、第２蛍光体粒子３３の間に存在している。第２蛍光体粒子３３は、第２マトリクス３２に埋め込まれている。言い換えれば、第２蛍光体粒子３３は、第２マトリクス３２に分散されている。このような構成によれば、第２蛍光体層３０における導波が抑制され、光の取り出し効率を上げやすい。
　第１蛍光体層２０の厚さは、第２蛍光体層３０の厚さに一致していてもよく、異なっていてもよい。一例において、第１蛍光体層２０の厚さ及び第２蛍光体層３０の厚さは、１から１０００μｍの範囲にある。
　第１の波長帯域を有する励起光が波長変換部材１０に照射されたとき、波長変換部材１０は、励起光の一部を第２の波長帯域を有する光に変換して放射する。波長変換部材１０は、励起光の波長よりも長い波長の光を放射する。第２の波長帯域は、第１の波長帯域と異なる帯域である。ただし、第２の波長帯域の一部が第１の波長帯域に重なっていてもよい。波長変換部材１０から放射された光には、第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３から放射された蛍光光だけでなく、励起光そのものが含まれていてもよい。
　基板１２は、波長変換部材１０の剛性を高めるとともに、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０の作製を容易にする。
　基板１２の材料は特に限定されない。基板１２の材料として、金属、酸化物、窒化物、炭化物、ガラス、セラミックなどが挙げられる。金属としては、シリコン及びアルミニウムが挙げられる。酸化物としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、石英（ＳｉＯ２）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。窒化物としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。炭化物としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が挙げられる。基板１２の材料は、単結晶であってもよく、多結晶であってもよく、アモルファスであってもよい。基板１２は、複数の材料で構成されていてもよい。
　基板１２が透光性を有していない場合、波長変換部材１０は、反射型光源装置に使用されうる。
　基板１２は、鏡面研磨された表面を有していてもよい。基板１２と蛍光体層１３との間に反射層、応力緩和層、光散乱層などの他の層が配置されていてもよい。反射層としては、銀反射層及びアルミニウム反射層が挙げられる。光散乱層としては、フィラー粒子を含む層が挙げられる。
　第１蛍光体粒子２３の材料及び第２蛍光体粒子３３の材料は特に限定されない。種々の蛍光体が第１蛍光体粒子２３の材料及び第２蛍光体粒子３３の材料として使用されうる。
　第１蛍光体粒子２３の各々は、発光中心となる賦活成分を含む。賦活成分の種類は限定されない。賦活成分としては、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｍｎなどの元素が挙げられる。これらの元素から選ばれる１種又は２種以上の組み合わせを賦活成分として用いることができる。
　好ましい賦活成分の一例は、Ｃｅであればよい。蛍光寿命の短いＣｅを賦活成分として用いることによって、励起状態から基底状態への発光遷移の確率が高くなり、励起状態からの多重励起の確率を低くすることができる。
　第２蛍光体粒子３３の各々も発光中心となる賦活成分を含む。第２蛍光体粒子３３に含まれた賦活成分は、第１蛍光体粒子２３に含まれた賦活成分と同一であってもよく、異なっていてもよい。第２蛍光体粒子３３における賦活成分の種類も限定されない。第２蛍光体粒子３３における賦活成分としては、上記した元素が挙げられる。
　本実施形態において、第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度ＮＤ１は、第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度ＮＤ２よりも低い。このような構成によれば、蛍光体層１３における励起光の光密度の分布を蛍光体層１３の厚さ方向に関して均一化することができる。これにより、光線が蛍光体層１３の内部で多重反射する過程で発生する「励起状態からの多重励起」の発生確率を下げることができる。そのため、励起光の光密度を上げても第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３における内部量子効率が低下しにくい。本実施形態の波長変換部材１０を用いることによって、高輝度かつ高効率の光源装置を得ることができる。
　本明細書において、第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度ＮＤ１は、単位体積あたりの賦活原子の個数で表すことができる。第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度ＮD2は、単位体積あたりの賦活原子の個数で表すことができる。
　第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度ＮD1及び第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度ＮＤ２は、例えば、次の方法で分析することによって求めることができる。まず、蛍光体層１３の断面を走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、略してＳＥＭ）で観察する。得られたＳＥＭ像を二値化処理し、蛍光体層１３の一定領域における蛍光体粒子の体積充填率を算出する。蛍光体粒子の元素分析は、例えば、電子線マイクロアナライザによって実施できる。蛍光体粒子の組成は、任意の個数（例えば１０個）の蛍光体粒子のそれぞれの組成を平均したものであってもよい。蛍光体粒子の体積充填率の算出結果及び蛍光体粒子の組成の分析結果から、第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度ＮＤ１及び第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度ＮＤ２を求めることができる。
　第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３を構成する蛍光体としては、Ｃｅを賦活成分として含むＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体でありうる。Ｃｅを賦活成分として含むＹＡＧ蛍光体は、青色光によって励起され、黄色又は黄緑色の光を発することができる。他の蛍光体としては、ＬＡＧ（ルテチウム・アルミニウム・ガーネット、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２）蛍光体及びＬＳＮ（Ｌａ３Ｓｉ６Ｎ１１）蛍光体が挙げられる。
　第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３を構成する蛍光体の種類は特に限定されない。本開示の効果は、賦活成分の原子の分布によって得られるからである。シアン、緑、橙、赤などの様々な発光色の蛍光体が使用可能である。
　第１蛍光体粒子２３は、例えば、Ｙ３－ｘ１－ｙ１Ｒｙ１Ｃｅｘ１Ａｌ５－ｚ１Ｇａｚ１Ｏ１２で表される蛍光体で作られてよい。この組成式において、Ｒは、Ｇｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。ｘ１は０．００３≦ｘ１≦０．０３６を満たす。ｙ１は０≦ｙ１≦２．１を満たす。ｚ１は０≦ｚ１≦２．２を満たす。Ｙ３－ｘ１－ｙ１Ｒｙ１Ｃｅｘ１Ａｌ５－ｚ１Ｇａｚ１Ｏ１２で表される蛍光体は、ガーネット形結晶構造を有していてもよい。第１蛍光体粒子２３の賦活成分はＣｅでありうる。
　第１蛍光体粒子２３は、上記の蛍光体を主成分として含んでいてもよい。「主成分」とは、重量比で最も多く含まれた成分を意味する。第１蛍光体粒子２３は、実質的に、上記の蛍光体からなっていてもよい。
　本明細書において「実質的に・・・からなる」は、言及された材料の本質的特徴を変更する他の成分を排除することを意味する。
　第１蛍光体層２０には、第１蛍光体粒子２３として、互いに異なる組成を有する複数の種類の蛍光体粒子が含まれていてもよい。第１蛍光体粒子２３に照射されるべき励起光の波長、及び、第１蛍光体粒子２３から放射されるべき蛍光光の波長は、波長変換部材１０の用途に応じて選択される。
　第２蛍光体粒子３３は、例えば、Ｙ３－ｘ２－ｙ２Ｒｙ２Ｃｅｘ２Ａｌ５－ｚ２Ｇａｚ２Ｏ１２で表される蛍光体で作られてよい。この組成式において、Ｒは、Ｇｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。ｘ２は０．０４５≦ｘ２≦０．１５を満たす。ｙ２は０≦ｙ２≦２．１を満たす。ｚ２は０≦ｚ２≦２．２を満たす。Ｙ３－ｘ２－ｙ２Ｒｙ２Ｃｅｘ２Ａｌ５－ｚ２Ｇａｚ２Ｏ１２で表される蛍光体は、ガーネット形結晶構造を有していてもよい。第２蛍光体粒子３３の賦活成分はＣｅでありうる。
　第２蛍光体粒子３３は、上記の蛍光体を主成分として含んでいてもよい。第２蛍光体粒子３３は、実質的に、上記の蛍光体からなっていてもよい。
　第２蛍光体層３０には、第２蛍光体粒子３３として、互いに異なる組成を有する複数の種類の蛍光体粒子が含まれていてもよい。第２蛍光体粒子３３に照射されるべき励起光の波長、及び、第２蛍光体粒子３３から放射されるべき蛍光光の波長は、波長変換部材１０の用途に応じて選択される。
　第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３が上記した組成の蛍光体で作られている場合、励起光の光密度を上げても内部量子効率が低下しにくいので、高輝度かつ高効率の光源装置を得やすい。上記した各組成によれば、励起状態からの多重励起が起こる確率が低減されると推測される。
　第１蛍光体粒子２３を構成する蛍光体の母材は、第２蛍光体粒子３３を構成する蛍光体の母材と同一であってもよく、異なっていてもよい。「蛍光体の母材が同一」とは、特定の元素が賦活成分によって置換されなかったものと仮定したときの蛍光体の組成が同一であることを意味する。例えば、（Ｙ１－ｘ１Ｃｅｘ１）３Ａｌ５Ｏ１２の組成を有する蛍光体において、母材は、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２である。
　第１蛍光体粒子２３の平均粒径は、例えば、０．１μｍ以上かつ５０μｍ以下の範囲にある。第１蛍光体粒子２３の平均粒径は、例えば、次の方法によって特定することができる。まず、波長変換部材１０の断面を走査電子顕微鏡で観察する。得られた電子顕微鏡像において、特定の第１蛍光体粒子２３の面積を画像処理によって算出する。算出された面積と同じ面積を有する円の直径をその特定の第１蛍光体粒子２３の直径とみなす。任意の個数（例えば５０個）の第１蛍光体粒子２３の粒径をそれぞれ算出し、算出値の平均値を第１蛍光体粒子２３の平均粒径とみなす。本開示において、第１蛍光体粒子２３の形状は限定されない。第１蛍光体粒子２３の形状は、球状であってもよく、鱗片状であってもよく、繊維状であってもよい。本開示において、平均粒径の測定方法は上記の方法に限定されない。
　平均粒径に関する上記の説明は、第２蛍光体粒子３３にも当てはまる。
　第１蛍光体層２０における第１蛍光体粒子２３の含有率は、例えば、１０ｖｏｌ％から７５ｖｏｌ％の範囲にある。第２蛍光体層３０における第２蛍光体粒子３３の含有率は、例えば、１０ｖｏｌ％から７５ｖｏｌ％の範囲にある。なお、ここで「ｖｏｌ％」とは、体積％のことを指す。
　第１蛍光体粒子２３を構成する蛍光体の蛍光寿命は、例えば、１００ｎｓ以下である。蛍光寿命の長い蛍光体を用いることで、輝度飽和による効率の低下を抑制できる。蛍光寿命の下限値は特に限定されないが、例えば、０．１ｎｓであってよい。蛍光寿命は、市販の蛍光寿命測定装置によって測定することができる。
　蛍光寿命に関する上記の説明は、第２蛍光体粒子３３を構成する蛍光体にも当てはまる。
　第１マトリクス２２は、例えば、樹脂、ガラス又は他の無機材料によって構成されている。樹脂としては、シリコーン樹脂が挙げられる。他の無機材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ及びＳｉＯ２が挙げられる。他の無機材料は、結晶質であってもよい。第１マトリクス２２は、励起光及び変換光に対して透光性を有していてもよい。第１マトリクス２２は、第１蛍光体粒子２３の屈折率よりも高い屈折率を有していてもよいし、第１蛍光体粒子２３の屈折率よりも低い屈折率を有していてもよい。透明性及び熱伝導性の観点から、第１マトリクス２２の材料として、ＺｎＯが適している。ＺｎＯは高い熱伝導性を有するので、ＺｎＯが第１マトリクス２２の材料として使用されていると、第１蛍光体層２０の熱を外部に逃がしやすい。
　第１マトリクス２２の材料としてのＺｎＯは、詳細には、ＺｎＯ単結晶又はｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶である。ＺｎＯは、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。「ｃ軸に配向したＺｎＯ」とは、基板１２の主面に平行な面がｃ面であることを意味する。「主面」は、最も広い面積を有する面である。ｃ面は、受光面２０ｐに対しても平行でありうる。
　ｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶は、ｃ軸に配向した複数の柱状の結晶粒を含む。ｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶において、ｃ軸方向の結晶粒界は少ない。「柱状の結晶粒がｃ軸に配向している」とは、ｃ軸方向のＺｎＯの成長がａ軸方向のＺｎＯの成長よりも速く、基板１２の上に縦長のＺｎＯ結晶粒が形成されていることを意味する。ＺｎＯ結晶粒のｃ軸は、基板１２の法線方向に平行である。あるいは、基板１２の法線方向に対するＺｎＯ結晶粒のｃ軸の傾きが４°以下である。ここで、「ｃ軸の傾きが４°以下」とは、ｃ軸の傾きの分布が４°以下という意味であって、全ての結晶粒のｃ軸の傾きが４°以下であることを必ずしも意味しない。「ｃ軸の傾き」は、ｃ軸のＸ線ロッキングカーブ法による半値幅で評価できる。詳細には、ｃ軸のＸ線ロッキングカーブ法による半値幅が４°以下である。特許文献２は、ｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶によって構成されたマトリクスを詳しく開示している。
　第１マトリクス２２の材料の熱伝導率は、例えば、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよく、好ましくは１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるとよい。第１マトリクス２２の材料の熱伝導率の上限値は特に限定されないが、例えば、２０００Ｗ／ｍ・Ｋでよい。熱伝導率は、室温２５℃での値でありうる。高い熱伝導率を有する材料を用いることによって、波長変換部材１０の放熱性能が上がり、温度上昇が抑制される。その結果、高い変換効率を有する波長変換部材１０を提供できる。
　第１マトリクス２２に関する上記の説明は、第２マトリクス３２にも当てはまる。
　第１マトリクス２２を構成する材料は、第２マトリクス３２を構成する材料と異なっていてもよく、同一であってもよい。一例において、第１マトリクス２２の材料及び第２マトリクス３２の材料は、ＺｎＯである。
　第１蛍光体粒子２３を構成する蛍光体がＹ３－ｘ１－ｙ１Ｒｙ１Ｃｅｘ１Ａｌ５－ｚ１Ｇａｚ１Ｏ１２の組成を有する場合、Ｇｄ、Ｔｂ及びＧａの影響により、第１蛍光体粒子２３の熱伝導率は低い。この場合、第１マトリクス２２の材料としてＺｎＯを用いて第１蛍光体層２０の放熱性能を向上させることが推奨される。第１蛍光体層２０の温度上昇を抑制することによって、高効率な波長変換部材１０を提供できる。
　同様に、第２蛍光体粒子３３を構成する蛍光体がＹ３－ｘ２－ｙ２Ｒｙ２Ｃｅｘ２Ａｌ５－ｚ２Ｇａｚ２Ｏ１２の組成を有する場合、Ｇｄ、Ｔｂ及びＧａの影響により、第２蛍光体粒子３３の熱伝導率は低い。この場合、第２マトリクス３２の材料としてＺｎＯを用いて第２蛍光体層３０の放熱性能を向上させることが推奨される。第２蛍光体層３０の温度上昇を抑制することによって、高効率な波長変換部材１０を提供できる。
　一般に、１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する樹脂材料で構成されたマトリクスに蛍光体粒子が分散されていると、蛍光体層の温度上昇による熱損失の問題が顕在化しやすい。
　これに対し、マトリクスが十分に高い熱伝導率を有する無機材料で構成されている場合、蛍光体層の温度上昇が抑制されうる。例えば、ＺｎＯは、約１０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するので、蛍光体層の温度上昇を効果的に抑制することができる。ＺｎＯマトリクスは、励起光の入力エネルギー密度が１０Ｗ／ｍｍ２以上であったとしても、熱を外部に十分に逃がすことができる。そのため、波長変換部材のマトリクスにＺｎＯを使用すると、温度上昇と独立した輝度飽和に気付くことができる。
　第１マトリクス２２は、第１蛍光体粒子２３の屈折率と異なる屈折率を有していてもよい。第２マトリクス３２は、第２蛍光体粒子３３の屈折率と異なる屈折率を有していてもよい。このような構成によれば、光の反射及び屈折が多重に発生しやすい。励起光を蛍光体粒子に多数回入射させることにより、蛍光体粒子の内部を進む励起光の光路長を伸ばすことができる。また、発光位置が励起光の入射位置から離れていないため、点光源を実現しやすい。例えば、ＹＡＧ（屈折率ｎ＝１．７７）は、第１蛍光体粒子２３及び第２蛍光体粒子３３の材料として用いることができる。例えば、ＺｎＯ（屈折率ｎ＝１．９５）は、第１マトリクス２２及び第２マトリクス３２の材料として用いることができる。
　屈折率は、ナトリウムのＤ線（５８９．３ｎｍ）を用い、臨界角法によって測定されうる。本開示において、第１マトリクス２２の屈折率には、第１マトリクス２２を構成する材料と同じ材料で作製された試験片の測定値が使用されうる。同様に、第１蛍光体粒子２３の屈折率には、第１蛍光体粒子２３を構成する材料と同じ材料で作製された試験片の測定値が使用されうる。これらは、第２マトリクス３２及び第２蛍光体粒子３３にも当て嵌まる。温度が上がると屈折率は一般には低下する。しかし、温度の上昇による屈折率の低下の度合いは小さいので、室温（２０℃）で本明細書に記載の要件を満たすのであれば、波長変換部材１０の実際の使用時における温度においても所望の効果が十分に得られる。
　次に、波長変換部材１０の製造方法を説明する。
　基板１２の上に第２蛍光体層３０及び第１蛍光体層２０をこの順番で形成する。
　第１マトリクス２２及び第２マトリクス３２が樹脂によって構成されている場合、次の操作を行う。まず、樹脂及び溶媒を含む溶液に第２蛍光体粒子３３を混合し、塗布液を調製する。基板１２の上に塗膜が形成されるように基板１２に塗布液を塗布する。塗膜を乾燥させる又は塗膜を硬化させることによって、基板１２の上に第２蛍光体層３０が形成される。次に、第２蛍光体粒子３３に代えて第１蛍光体粒子２３を用いて塗布液を調製する。第２蛍光体層３０の上に塗膜が形成されるように第２蛍光体層３０に塗布液を塗布する。塗膜を乾燥させる又は塗膜を硬化させることによって、波長変換部材１０が得られる。
　第１マトリクス２２及び第２マトリクス３２がＺｎＯによって構成されている場合、例えば、ゾルゲル法によって第１マトリクス２２及び第２マトリクス３２を形成することができる。まず、亜鉛アルコキシドなどの前駆体及び第２蛍光体粒子３３を含む混合ゾルを調製する。基板１２の上に塗膜が形成されるように基板１２に混合ゾルを塗布する。塗膜をゲル化させ、焼成することによって、基板１２の上に第２蛍光体層３０が形成される。次に、第２蛍光体粒子３３に代えて第１蛍光体粒子２３を用いて混合ゾルを調製する。第２蛍光体層３０の上に塗膜が形成されるように第２蛍光体層３０に混合ゾルを塗布する。塗膜をゲル化させ、焼成することによって、波長変換部材１０が得られる。
　第１マトリクス２２又は第２マトリクス３２がＺｎＯ単結晶又はｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶である場合、溶液成長法によって基板１２の上に第１マトリクス２２又は第２マトリクス３２を形成することができる。まず、基板１２を準備する。基板１２は、サファイア板などの基板本体の上に結晶性のＺｎＯ薄膜を形成することによって得られる。ＺｎＯ薄膜を形成する方法としては、電子ビーム蒸着法、反応性プラズマ蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザ蓄積法などの真空成膜法が用いられる。ＺｎＯ薄膜は、ＺｎＯ単結晶薄膜又はＺｎＯ多結晶薄膜でありうる。次に、基板１２の上に第２蛍光体粒子３３を含む層を形成する。例えば、第２蛍光体粒子３３を含む分散液を調製する。基板１２を分散液中に配置し、電気泳動法を用いて第２蛍光体粒子３３を基板１２の上に堆積させる。これにより、第２蛍光体粒子３３を含む層を基板１２の上に形成することができる。基板１２を分散液中に配置し、第２蛍光体粒子３３を沈降させることによって基板１２の上に第２蛍光体粒子３３を含む層を形成することもできる。第２蛍光体粒子３３を含む塗布液を用い、印刷法などの薄膜形成方法によって第２蛍光体粒子３３を含む層を基板１２の上に形成することもできる。
　次に、Ｚｎを含有する溶液を使用した溶液成長法によって、粒子間に第２マトリクス３２を形成する。これにより、基板１２の上に第２蛍光体層３０が形成されうる。溶液成長法としては、大気圧下で行われる化学溶液析出法（chemical bath deposition）、大気圧以上の圧力下で行う水熱合成法（hydrothermal synthesis）、電圧又は電流を印加する電解析出法（electrochemical deposition）が挙げられる。結晶成長用の溶液として、例えば、ヘキサメチレンテトラミンを含有する硝酸亜鉛の水溶液が用いられる。結晶質の第２マトリクス３２は、ＺｎＯ薄膜の上にエピタキシャル成長する。
　第２蛍光体粒子３３に代えて第１蛍光体粒子２３を用いて上記と同じ操作を繰り返す。これにより、第２蛍光体層３０の上に第１蛍光体層２０が形成され、波長変換部材１０が得られる。
　次に、いくつかの変形例に係る波長変換部材を説明する。図１を参照して説明した実施形態と各変形例とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。実施形態及び各変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、実施形態及び各変形例は、相互に組み合わされてもよい。
　（変形例１）
　図２は、変形例１に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材５０は、基板１２及び蛍光体層１４を備えている。基板１２は、蛍光体層１４を支持している。蛍光体層１４は、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３１を有する。第２蛍光体層３１は、第２蛍光体粒子３３及び第２マトリクス３２に加え、複数のフィラー粒子３４をさらに含む。フィラー粒子３４は、第２マトリクス３２に埋め込まれている。
　フィラー粒子３４は、光反射粒子であり、励起光及び変換光を散乱させる。そのため、第２蛍光体層３１の内部において光が導波しにくい。励起光の光密度が小さい第２蛍光体層３１において光を積極的に散乱させることにより、多重励起を低減しつつ、励起光が第２蛍光体粒子３３に吸収される確率を向上させることができる。その結果、高効率、高出力及び高輝度の光源装置が得られる。
　フィラー粒子３４は、例えば無機粒子であり、典型的には金属酸化物を含む。フィラー粒子３４は、実質的に金属酸化物からなっていてもよい。金属酸化物の多くは、化学的に安定であり、蛍光光を殆ど放射しないので、フィラー粒子３４の材料として適している。
　フィラー粒子３４に励起光が照射されたとき、フィラー粒子３４は、蛍光光を放射しないか、無視できる強度の蛍光光のみを放射する。一例において、フィラー粒子３４は、ＳｉＯ２粒子及びＴｉＯ２粒子から選ばれる少なくとも１つを含む。これらの粒子は、上記の要件を満たし、化学的に安定であり、安価である。フィラー粒子３４の形状も限定されない。フィラー粒子３４の形状は、球状であってもよく、鱗片状であってもよく、繊維状であってもよい。
　第１蛍光体層２０にフィラー粒子３４が含まれていてもよい。
　（変形例２）
　図３は、変形例２に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材６０は、基板１２及び蛍光体層１５を有する。蛍光体層１５は、図１を参照して説明した第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０に加え、第３蛍光体層４０を有する。基板１２と第２蛍光体層３０との間に第３蛍光体層４０が配置されている。
　第３蛍光体層４０は、第３マトリクス４２及び複数の第３蛍光体粒子４３を有する。第３マトリクス４２は、第３蛍光体粒子４３の間に存在している。第３蛍光体粒子４３は、第３マトリクス４２に埋め込まれている。言い換えれば、第３蛍光体粒子４３は、第３マトリクス４２に分散されている。
　第１蛍光体層２０の構成に関する説明は、第３蛍光体層４０に援用されうる。
　本変形例において、第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度は、第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度よりも低く、第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度は、第３蛍光体層４０における賦活成分の濃度よりも低い。つまり、賦活成分の濃度が互いに異なる蛍光体層の数は、２層に限定されない。賦活成分の濃度は、波長変換部材６０の厚さ方向に沿って連続的に変化していてもよい。
　（変形例３）
　図４は、変形例３に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材７０は、基板１８及び蛍光体層１３を備えている。基板１８は、蛍光体層１３を支持している。蛍光体層１３は、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０を有する。基板１８と第２蛍光体層３０との間に第１蛍光体層２０が配置されている。第２蛍光体層３０が第１蛍光体層２０に直接接している。第１蛍光体層２０が基板１８に直接接している。
　本変形例の波長変換部材７０における基板１８、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０の位置関係は、図１を参照して説明した波長変換部材１０における基板１２、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０の位置関係と異なる。波長変換部材７０においては、基板１８と第２蛍光体層３０との間に第１蛍光体層２０が配置されている。波長変換部材１０においては、基板１２と第１蛍光体層２０との間に第２蛍光体層３０が配置されている。
　波長変換部材７０において、基板１８は、励起光及び変換光に対して透光性を有する。この場合、波長変換部材７０は、透過型光源装置に適している。基板１８は、蛍光体層１３に接していない受光面１８ｐを有する。受光面１８ｐは、基板１８の裏面でありうる。励起光は、受光面１８ｐを通じて基板１８に入射され、基板１８を透過した励起光が第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０にこの順番で照射される。第２蛍光体層３０は、励起光の入射側とは反対側に位置する出射面３０ｐを有する。出射面３０ｐは、第２蛍光体層３０の上面でありうる。変換光は、主に、出射面３０ｐから波長変換部材７０の外部へと放射される。基板１８と蛍光体層１３との間には、励起光を透過させ、変換光を反射するダイクロイックミラーが配置されていてもよい。
　波長変換部材７０は、基板１８の上に第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０をこの順番で形成することによって得られる。
　（光源装置の実施形態）
　図５は、本開示の波長変換部材を用いた光源装置の断面を概略的に示している。光源装置１００は、波長変換部材１０及び励起光源７１を備えている。励起光源７１と波長変換部材１０の基板１２との間に波長変換部材１０の第１蛍光体層２０が位置している。励起光源７１から励起光が出射され、励起光が第１蛍光体層２０の受光面２０ｐに照射される。励起光は、第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０にこの順番で到達する。つまり、光源装置１００は、反射型光源装置である。波長変換部材１０に代えて、波長変換部材５０及び６０も使用可能である。波長変換部材１０，５０及び６０から選ばれる２種以上の組み合わせを光源装置１００に使用することも可能である。ミラーで反射された励起光が受光面２０ｐに照射されてもよいので、励起光源７１の位置は図５に示す位置に限定されない。
　励起光源７１は、例えば、１０Ｗ／ｍｍ２以上のエネルギー密度を有する励起光を出射する。本開示の波長変換部材は、高いエネルギー密度を有する励起光を用いた光源装置に特に有用である。励起光の入力エネルギー密度の上限は特に限定されないが、例えば、１０００Ｗ／ｍｍ２であってよい。
　「エネルギー密度」とは、特定の範囲に照射された励起光の照射エネルギーを当該範囲の面積で除した値を意味する。エネルギー密度は、例えば、次の方法によって測定できる。励起光を対象物に照射する。励起光の照射強度がピーク強度の１／ｅ２以上（ここでｅは自然対数の底であり、ｅ＝２．７１８・・・である）である範囲を特定する。特定された範囲に照射された励起光の照射エネルギーを測定する。特定された範囲の面積を算出する。励起光の照射エネルギーを特定された範囲の面積で除することによって、エネルギー密度が定められる。
　励起光源７１は、典型的には、半導体発光素子である。半導体発光素子は、例えば、ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード（Superluminescent Diode、略してＳＬＤ）又はレーザーダイオード（Laser Diode、略してＬＤ）である。励起光源７１は、単一のＬＤによって構成されていてもよく、複数のＬＤを光学的に結合した複数のＬＤによって構成されていてもよい。
　励起光のピーク波長は、例えば、３６０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲にある。蛍光のスペクトルのピーク波長は、例えば、５４８ｎｍ以上５８０ｎｍ以下である。紫色から青色の励起光が波長変換部材１０において緑色から黄色の光に変換される。このような構成によれば、白色光を得やすい。
　波長変換部材１０に入射する励起光のスポット径は、例えば、１０μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にある。励起光のスポット径が十分に小さい場合、波長変換された光をレンズによって平行光にしやすい。なお、波長変換部材１０に入射する励起光のスポット径とは、当該励起光が波長変換部材１０に入射する際の波長変換部材１０表面における励起光のスポット径のことをいう。
　スポット径とは、励起光の照射強度がピーク強度の１／ｅ２以上である範囲の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。励起光のスポット径が小さければ小さいほど、蛍光体層１３から放射される光を容易に集光できる。すなわち、蛍光体層１３から放射される光を効率的に利用できる。ただし、励起光のスポット径が小さければ小さいほど、励起光のエネルギー密度が上昇する。励起光のスポット径が上記の範囲内であるとき、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。
　光源装置１００は、光学系７２をさらに備えている。励起光源７１から放射された励起光の光路上に光学系７２が位置していてもよい。光学系７２は、レンズ、ミラー、光ファイバーなどの光学部品を含む。
　図６は、本開示の波長変換部材を用いた他の光源装置の断面を概略的に示している。光源装置１０２は、波長変換部材７０及び励起光源７１を備えている。励起光源７１は、波長変換部材７０の基板１８に向かい合っている。励起光は、基板１８を透過して第１蛍光体層２０及び第２蛍光体層３０にこの順番で到達する。つまり、光源装置１０２は、透過型光源装置である。
　（照明装置の実施形態）
　図７は、図５に示す光源装置を用いた照明装置の構成を概略的に示している。照明装置２００は、光源装置１００及び光学部品７４を備えている。光学部品７４は、光源装置１００から放射された光を前方に導くための部品であり、具体的には、リフレクタである。光学部品７４は、例えば、Ａｌ、Ａｇなどの金属膜又は表面に保護膜が形成されたＡｌ膜を有する。光源装置１００の前方には、フィルタ７５が設けられていてもよい。フィルタ７５は、光源装置１００の発光素子からのコヒーレントな青色光が直接外部に出ないように、青色光を吸収又は散乱させる。照明装置２００は、いわゆるリフレクタータイプであってもよく、プロジェクタータイプであってもよい。照明装置２００は、例えば、車両用ヘッドランプである。
　図８は、図６に示す光源装置を用いた照明装置の構成を概略的に示している。反射型光源装置である光源装置１０２を用いて照明装置２０２を構成することが可能である。
　（車両の実施形態）
　図９は、本開示の照明装置を用いた車両の構成を概略的に示している。車両３００は、車両用ヘッドランプとしての照明装置２００（または２０２）及び電力供給源３０２を備える。照明装置２００及び電力供給源３０２は、車両３００の前部に配置されている。電力供給源３０２は、照明装置２００と電気的に接続している。電力供給源３０２は、例えば、電気回路と、エンジンなどの駆動源によって回転駆動され、電力を発生する発電機とを有する。電気回路は、例えば、バッテリー又はキャパシタを含む。
　光源装置１００によれば、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。そのため、車両３００の照明装置２００は、高い輝度を有する光を効率的に照射できる。照明装置２００から放射された光によれば、照明装置２００から離れた位置に存在する対象物を容易に照射できる。照明装置２００の消費電力は、従来のヘッドランプに比べて低い。
　（光源装置の変形例）
　図１０は、本開示の波長変換部材を用いた他の光源装置の構成を概略的に示している。光源装置４００は、波長変換部材１０及び複数の励起光源７１を備えている。波長変換部材１０の蛍光体層１３は、複数の励起光源７１と波長変換部材１０の基板１２との間に位置している。複数の励起光源７１は、波長変換部材１０の蛍光体層１３に向かい合っている。光源装置４００は、プロジェクタの用途に適している。
　図１１は、図１０に示す光源装置が備える波長変換部材１０の斜視図である。波長変換部材１０の基板１２は、円板の形状を有する。基板１２は、貫通孔１２ｈ及び透光部１２ｔを有する。貫通孔１２ｈは、基板１２の厚さ方向に延びている。貫通孔１２ｈは、例えば、基板１２の外周面によって規定された仮想円の中心に位置する。透光部１２ｔは、円弧の形状を有する。透光部１２ｔは、蛍光体層１３に接していてもよい。透光部１２ｔは、例えば、貫通孔である。透光部１２ｔは、透明樹脂又はガラスでできていてもよい。透光部１２ｔは、サファイア、石英などの透光性を有する材料でできていてもよい。
　蛍光体層１３は、円弧の形状を有している。蛍光体層１３の外周面によって規定された仮想円に沿って、蛍光体層１３と透光部１２ｔとが並んでいる。蛍光体層１３は、基板１２の主面を部分的に被覆している。
　図１０に示すように、光源装置４００は、モーター８８をさらに備える。波長変換部材１０は、モーター８８に配置されている。詳細には、モーター８８のシャフトが基板１２の貫通孔１２ｈに挿入されている。波長変換部材１０は、例えば、ネジなどの固定部材によって、モーター８８に固定されている。モーター８８によって波長変換部材１０が回転させられ、複数の励起光源７１から放射された励起光が波長変換部材１０に照射される。これにより、励起光が蛍光体層１３に部分的に照射されることを防ぐことができる。そのため、励起光及び蛍光光によって、蛍光体層１３の温度が上昇することを抑制できる。
　光源装置４００は、コリメートレンズ８１、ダイクロイックミラー８２、レンズ８３及び８４、並びに、反射ミラー８５、反射ミラー８６及び反射ミラー８７をさらに備える。コリメートレンズ８１、ダイクロイックミラー８２及びレンズ８３は、複数の励起光源７１と波長変換部材１０との間に位置する。コリメートレンズ８１、ダイクロイックミラー８２及びレンズ８３は、複数の励起光源７１から放射された励起光の光路上にこの順番で並んでいる。レンズ８４、反射ミラー８５、反射ミラー８６及び反射ミラー８７、並びに、ダイクロイックミラー８２は、波長変換部材１０を透過した励起光の光路上に、この順番で並んでいる。
　コリメートレンズ８１は、複数の励起光源７１から放射された励起光を集光する。コリメートレンズ８１によれば、平行光が得られる。ダイクロイックミラー８２は、励起光を透過し、かつ、波長変換部材１０から放射された光を効率的に反射できる。レンズ８３は、励起光及び波長変換部材１０から放射された光を集光する。レンズ８４は、波長変換部材１０を透過した励起光を集光する。レンズ８４によれば、平行光が得られる。反射ミラー８５，８６及び８７の各々は、励起光を反射する。
　光源装置４００は、ヒートシンク８９をさらに備える。ヒートシンク８９は、複数の励起光源７１に接している。ヒートシンク８９によれば、複数の励起光源７１の熱を外部に容易に逃がすことができる。これにより、複数の励起光源７１の温度が上昇することを抑制できるため、複数の励起光源７１におけるエネルギーの変換効率の低下を抑制できる。
　次に、光源装置４００の動作を説明する。
　まず、複数の励起光源７１が励起光を放射する。励起光は、コリメートレンズ８１によって集光され、平行光に変換される。次に、励起光は、ダイクロイックミラー８２を透過し、レンズ８３によってさらに集光される。レンズ８３によれば、蛍光体層１３に入射するべき励起光のスポット径を調節できる。次に、励起光が波長変換部材１０に入射する。波長変換部材１０は、モーター８８によって回転されている。そのため、光源装置４００の動作には、励起光が蛍光体層１３に入射する期間と、励起光が透光部１２ｔを透過する期間とが存在する。励起光が蛍光体層１３に入射するとき、波長変換部材１０は、励起光の波長よりも長い波長の光を放射する。波長変換部材１０から放射された光は、レンズ８３によって集光され、平行光に変換される。波長変換部材１０から放射された光は、ダイクロイックミラー８２によって反射され、光源装置４００の外部へ送られる。
　励起光が透光部１２ｔを透過するとき、励起光は、レンズ８４によって集光され、平行光に変換される。レンズ８４を通過した励起光は、反射ミラー８５、８６及び８７によって反射される。次に、励起光は、ダイクロイックミラー８２を透過する。これにより、励起光は、光源装置４００の外部へ送られる。このとき、励起光は、波長変換部材１０から放射された光と混ざる。
　（プロジェクタの実施形態）
　図１２は、本開示の光源装置を用いたプロジェクタの構成を概略的に示している。プロジェクタ５００は、光源装置４００、光学ユニット４０１及び制御部４０２を備える。光学ユニット４０１は、光源装置４００から放射された光を変換し、プロジェクタ５００の外部の対象物に画像又は映像を投射する。外部の対象物としては、例えば、スクリーンが挙げられる。光学ユニット４０１は、集光レンズ９０、ロッドインテグレータ９１、レンズユニット９２、表示素子９３及び投射レンズ９４を備える。
　集光レンズ９０は、光源装置４００から放射された光を集光させる。これにより、光源装置４００から放射された光は、ロッドインテグレータ９１の入射側の端面に集光する。
　ロッドインテグレータ９１は、例えば、四角柱の形状を有する。ロッドインテグレータ９１に入射した光は、ロッドインテグレータ９１内で全反射を繰り返し、ロッドインテグレータ９１の出射側の端面から出射される。ロッドインテグレータ９１から出射した光は、均一な輝度分布を有する。
　レンズユニット９２は、複数のレンズを有する。レンズユニット９２が有する複数のレンズとしては、例えば、コンデンサレンズ及びリレーレンズが挙げられる。レンズユニット９２は、ロッドインテグレータ９１から出射した光を表示素子９３に導く。
　表示素子９３は、レンズユニット９２を通過した光を変換する。これにより、プロジェクタ５００の外部の対象物に投射されるべき画像又は映像が得られる。表示素子９３は、例えば、デジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device、略してＤＭＤ）である。
　投射レンズ９４は、表示素子９３によって変換された光をプロジェクタ５００の外部に投射する。これにより、表示素子９３によって変換された光を対象物に投射することができる。投射レンズ９４は、１又は２以上のレンズを有する。投射レンズ９４が有するレンズとしては、例えば、両凸レンズ及び平凹レンズが挙げられる。
　制御部４０２は、光源装置４００及び光学ユニット４０１の各部を制御する。制御部４０２は、例えば、マイクロコンピュータ又はプロセッサである。
　図１３は、図１２に示すプロジェクタの斜視図である。プロジェクタ５００は、筐体５１０をさらに備える。筐体５１０は、光源装置４００、光学ユニット４０１及び制御部４０２を収容している。光学ユニット４０１の投射レンズ９４の一部は、筐体５１０の外部に露出している。
　光源装置４００によれば、高い輝度を有する光を効率的に得ることができる。そのため、プロジェクタ５００は、高い輝度を有する光を効率的に投射できる。光源装置４００によれば、従来のプロジェクタに比べて、必要とされる励起光源の数を減少できる。プロジェクタ５００の消費電力は、従来のプロジェクタに比べて低い。光源装置４００によれば、プロジェクタを小型化することもできる。
　以下の各構成を有する波長変換部材の内部量子効率（Internal Quantum Efficiency、略してＩＱＥ）をコンピュータシミュレーションによって算出した。具体的には、光線追跡によって蛍光体粒子内の光密度を算出し、蛍光体粒子内の光密度から内部量子効率を算出した。より詳しくは、下記（１）の光線追跡によって蛍光体層内の光密度を算出し、蛍光体層内の光密度から蛍光体粒子内の光密度を特定し、蛍光体粒子内の光密度を利用して下記（２）の方法によって内部量子効率を算出した。
　（１）蛍光体粒子内の光密度の算出
　図１４に示すように、蛍光体層のモデルとして、縦６４μｍ、横６４μｍ（６４μｍ×６４μｍ）の寸法の上面を持つ厚さ６０μｍの直方体を与えた。蛍光体層の底面及び側面は鏡面であった。縦４８μｍ、横４８μｍ（４８μｍ×４８μｍ）の広さを有する受光面を上面と中心を共有する位置に設定した。
　蛍光体層は、厚さ３０μｍの第１蛍光体層と厚さ３０μｍの第２蛍光体層とを含んでいた。第１蛍光体層が受光面を含む。第２蛍光体層は底面を含む。蛍光体層における蛍光体粒子の体積充填率が５０％となるように、蛍光体層に球状の蛍光体粒子を配置した。蛍光体粒子の直径は１２μｍであった。
　第１蛍光体層に配置された第１蛍光体粒子の組成は（Ｙ１－ｘ１Ｃｅｘ１）３Ａｌ５Ｏ１２であった。第２蛍光体層に配置された第２蛍光体粒子の組成は（Ｙ１－ｘ２Ｃｅｘ２）３Ａｌ５Ｏ１２であった。表１及び表２に示すように、実施例及び比較例において、ＹとＣｅの合計に対するＣｅの原子比率ｘ１及びｘ２を設定した。
　蛍光体粒子の屈折率は１．７７に設定した。第１マトリクス及び第２マトリクスは、屈折率１．４２の透明樹脂であった。吸収断面積の値と賦活成分の原子濃度Ｃ（％）とを用い、吸光係数αを下記式（１）から算出した。吸光係数αは、光強度が１／ｅに減衰する距離の逆数である。吸収断面積は、D. S. Hamiltonらによる論文（非特許文献１） に記載された値を用いた。
　賦活成分の原子濃度Ｃは、（Ｙ１－ｘ１Ｃｅｘ１）３Ａｌ５Ｏ１２及び（Ｙ１－ｘ２Ｃｅｘ２）３Ａｌ５Ｏ１２の各組成における値ｘ１及びｘ２に１００を乗じた値である。
　α＝４１．６７Ｃ［ｍｍ－１］・・・（１）
　蛍光体粒子の内部では、吸収係数α及び量子効率１００％で波長変換が行われ、蛍光光の進行方向はランダムに選ばれるように、シミュレーションの条件を設定した。
　波長４４５ｎｍの励起光源を蛍光体層の上方に配置し、合計１Ｗの一様な光密度（４３４Ｗ／ｍｍ２）の励起光を蛍光体層に入射させた。計測面で観測される励起光及び変換光の光密度を光線追跡法によって算出した。蛍光光である変換光の波長は５５０ｎｍであった。光密度４３４Ｗ／ｍｍ２と０．１Ｗ／ｍｍ２以上～５００Ｗ／ｍｍ２以下の範囲の所定の入射エネルギー密度との比率から、所定の入射エネルギー密度における蛍光体層の光密度分布を算出した。
　光密度の計測面は、上面と平行な６４μｍ×６４μｍの広さの面であった。上面から底面に向かって２．５μｍ、７．５μｍ、１２．５μｍ・・・５７．５μｍの合計１２箇所に光密度の計測面を設定した。計測面における解像度は１００×１００であり、画素ごとの光密度を記録した。
　一連の計算は、市販の光学シミュレータ（米国Zemax, LLC社製のZemax OpticStudio）によって実行した。
　（２）蛍光体粒子内の光密度から内部量子効率ＩＱＥを算出
　次に、図１５に示すように、上面と平行な方向に関して蛍光体層を縦１００分割、横１００分割（１００×１００の領域に分割）し、表面と垂直な厚さ方向に関して蛍光体層を１２の領域に分割し、蛍光体層を合計１２万個の領域に分割した。光線追跡によって求めた各測定面及び各画素の光密度を各分割領域に割り当てた。図１５において、ＩＸは、波長変換前の励起光の密度を表している。ＩＥは、波長変換前の蛍光光の密度を表している。ＩＸ ０は、波長変換後の励起光の密度を表している。ＩＥ ０は、波長変換後の蛍光光の密度を表している。
　各分割領域において、上記の光密度が出力されるときの吸収光子密度及び発光光子密度を定常状態の３準位モデルを用いて算出した。定常状態の３準位モデルは、例えば、A. Lenefらの論文（非特許文献２）に記載されている。
　励起状態からの励起が起こる遷移レートをD. S. Hamiltonらの論文（非特許文献１）に記載の吸収断面積を用いて算出した。蛍光体の蛍光寿命τｒは６０ｎｓであった。蛍光体の熱失活遷移の時定数τｎｒは８００ｎｓであった。分割領域の代表光路長ΔＬは、厚さ方向の分割幅（５μｍ）に一致させた。
　３準位モデルでは、直接解を求めてもよく、反復法を用いても近似解を求めてもよい。
　最後に、内部量子効率を求めるための式に３準位モデルの計算結果を代入し、内部量子効率を求めた。
　上記の計算は、市販の数式解析ソフトウェア（米国Wolfram Research社製のMathematica）を用いて実行した。
　さらに、入力エネルギー密度Ｐｉｎを０．１Ｗ／ｍｍ２から５００Ｗ／ｍｍ２まで段階的に増加させたときの内部量子効率（ＩＱＥ）の低下率及び維持率を算出した。内部量子効率（ＩＱＥ）の低下率は、下記式（２）によって求められる値である。内部量子効率（ＩＱＥ）の維持率は、下記式（３）によって求められる値である。変換光の出力は、次の方法によって求めた。内部量子効率を算出したときの１２万個の領域内の変換光のエネルギー強度を合計し、蛍光体層の全体から出力される変換光の出力強度を求めた。
　表１、表２及び図１６に結果を示す。表１は、励起光の入力エネルギー密度Ｐｉｎが１０Ｗ／ｍｍ２のときの結果である。表２は、励起光の入力エネルギー密度が５００Ｗ／ｍｍ２のときの結果である。図１６のグラフにおいて、横軸は、励起光の入力エネルギー密度Ｐｉｎを表している。縦軸は、内部量子効率の維持率を表している。
　内部量子効率の低下率＝（Ａ１－Ａ２）／Ａ１・・・（２）
　内部量子効率の維持率＝Ａ２／Ａ１・・・（３）
　Ａ１：入力エネルギー密度Ｐｉｎが０．１Ｗ／ｍｍ2のときの内部量子効率
　Ａ２：特定の入力エネルギー密度Ｐｉｎでの内部量子効率
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１及び表２に示すように、比較例１の出力に対する実施例１から７及び比較例２から４の出力の比率をそれぞれ算出した。比較例１の出力に対する比率に基づき、下記の基準にて出力判定を行った。
　（出力判定の基準）
　〇（良）：０．９８以上
　△（平均）：０．９０を超え０．９８未満
　×（平均より下）：０．９０以下
　表１及び表２に示すように、比較例１の内部量子効率の低下率に対する実施例１から７及び比較例２から４の内部量子効率の低下率の比率をそれぞれ算出した。比較例１の内部量子効率の低下率に対する比率に基づき、下記の基準にて効率判定を行った。
　（効率判定の基準）
　◎（優）：０．９０未満
　〇（良）：０．９０以上０．９５未満
　△（平均）：０．９５以上１．００未満
　×（平均より下）：１．００以上
　表１及び表２に示すように、実施例１から７の波長変換部材の出力判定及び効率判定の結果は、全て平均以上であった。
　実施例１、２及び６の波長変換部材の出力は平均的であったが、実施例１、２及び６の波長変換部材の効率は特に優れていた。つまり、実施例１、２及び６の波長変換部材の構成は、賦活成分の濃度を抑えて効率を重視する用途に特に有用である。
　比較例２の波長変換部材の効率も優れていたものの、比較例２の波長変換部材の出力は劣っていた。
　実施例３、４、５及び７の波長変換部材は、良好な出力及び良好な効率を示した。つまり、実施例３、４、５及び７の波長変換部材の構成は、出力と効率とのバランスを重視する用途に特に有用である。
　図１７は、励起光の入力エネルギー密度Ｐｉｎが５００Ｗ／ｍｍ２のときの内部量子効率の低下率と出力との関係を示している。四角印は抽出した比較例１から４のデータである。丸印は実施例１から５のデータである。各データは、表２中の値と同一である。
　図１７のグラフから理解できるように、実施例の波長変換部材は、内部量子効率の低下率と出力とのバランスに優れていた。実施例の波長変換部材は、高出力と高効率とを両立していると言える。
　図１４に示すように、蛍光体層の底面が鏡面であるモデルについて内部量子効率の計算を行った。ただし、底面を透過面として同様の計算を行っても表１及び表２に示した結果と同様の結果が得られる。
　表１及び表２に示された賦活成分の原子濃度は、（Ｙ１－ｘ１Ｃｅｘ１）３Ａｌ５Ｏ１２及び（Ｙ１－ｘ２Ｃｅｘ２）３Ａｌ５Ｏ１２の各組成における値ｘ１及びｘ２に１００を乗じた値である。第１蛍光体層２０における蛍光体粒子の分布は、第２蛍光体層３０における蛍光体粒子の分布に一致しており、蛍光体粒子の充填率も等しい。第１蛍光体層２０の体積は、第２蛍光体層３０の体積に等しい。したがって、実施例１から実施例７において、第１蛍光体層２０における賦活成分の濃度ＮＤ１は、第２蛍光体層３０における賦活成分の濃度ＮＤ２よりも低い。比較例１から比較例４において、賦活成分の濃度は各層で一定である。
　図１４を参照して説明したモデルの第１蛍光体層及び第２蛍光体層の吸収量及び吸収密度も算出した。結果を表３に示す。吸収密度の比率は、第２蛍光体層の吸収密度に対する第１蛍光体層の吸収密度の比率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例３～５及び７の波長変換部材において、第１蛍光体層での単位体積あたりの励起光の吸収量は、第２蛍光体層での単位体積あたりの励起光の吸収量よりも大きかった。このような要件は、出力と効率とのバランスに優れた波長変換部材で満たされることが多い。
　本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、シーリングライトなどの一般照明装置に使用されうる。また、本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、スポットライト、スタジアム用照明、スタジオ用照明などの特殊照明装置に使用されうる。また、本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、ヘッドランプなどの車両用照明装置に使用されうる。また、本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、デジタルカメラ、テレビ受像機などの画像装置に使用されうる。また、本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、内視鏡などの医療器具に使用されうる。本開示の波長変換部材を備えた光源装置は、パーソナルコンピュータ、タブレット・パーソナルコンピュータ、スマートフォン、携帯電話機などの情報機器に使用されうる。
１０、５０、６０、７０　波長変換部材
１２、１８　基板
１２ｈ　貫通孔
１２ｔ　透光部
１３、１４、１５　蛍光体層
２０　第１蛍光体層
１８ｐ、２０ｐ　受光面
２２　第１マトリクス
２３　第１蛍光体粒子
３０、３１　第２蛍光体層
３０ｐ　出射面
３２　第２マトリクス
３３　第２蛍光体粒子
３４　フィラー粒子
４０　第３蛍光体層
４２　第３マトリクス
４３　第３蛍光体粒子
７１　励起光源
７２　光学系
７４　光学部品
７５　フィルタ
８１　コリメートレンズ
８２　ダイクロイックミラー
８３、８４　レンズ
８５、８６、８７　反射ミラー
８８　モーター
８９　ヒートシンク
９０　集光レンズ
９１　ロッドインテグレータ
９２　レンズユニット
９３　表示素子
９４　投射レンズ
１００、１０２、４００　光源装置
２００、２０２　照明装置
３００　車両
３０２　電力供給源
４０１　光学ユニット
４０２　制御部
５００　プロジェクタ
５１０　筐体

Claims (15)

  1. 　励起光が照射されて蛍光光を生じる波長変換部材であって、
    　前記励起光の入射側に配置され、複数の第１蛍光体粒子と第１マトリクスとを含む第１蛍光体層と、
    　前記入射側とは反対側に配置され、複数の第２蛍光体粒子と第２マトリクスとを含む第２蛍光体層と、
    　を備え、
    　前記複数の第１蛍光体粒子が前記第１蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第１マトリクスに埋め込まれているか、又は、前記複数の第２蛍光体粒子が前記第２蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第２マトリクスに埋め込まれており、
    　前記第１蛍光体粒子は賦活成分を含み、
    　前記第２蛍光体粒子は前記第１蛍光体粒子に含まれた前記賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含み、
    　前記第１蛍光体層における前記賦活成分の濃度は、前記第２蛍光体層における前記賦活成分の濃度よりも低い、波長変換部材。
  2. 　前記第１蛍光体層での単位体積あたりの前記励起光の吸収量は、前記第２蛍光体層での単位体積あたりの前記励起光の吸収量よりも大きい、請求項１に記載の波長変換部材。
  3. 　前記第１蛍光体粒子の前記賦活成分及び前記第２蛍光体粒子の前記賦活成分はＣｅである、請求項１又は２に記載の波長変換部材。
  4. 　前記第１蛍光体粒子は、Ｙ３－ｘ１－ｙ１Ｒｙ１Ｃｅｘ１Ａｌ５－ｚ１Ｇａｚ１Ｏ１２、ここでＲはＧｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、ｘ１は０．００３≦ｘ１≦０．０３６を満たし、ｙ１は０≦ｙ１≦２．１を満たし、ｚ１は０≦ｚ１≦２．２を満たす、で表される蛍光体を含み、
    　前記第２蛍光体粒子は、Ｙ３－ｘ２－ｙ２Ｒｙ２Ｃｅｘ２Ａｌ５－ｚ２Ｇａｚ２Ｏ１２（ＲはＧｄ及びＴｂからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、ｘ２は０．０４５≦ｘ２≦０．１５を満たし、ｙ２は０≦ｙ２≦２．１を満たし、ｚ２は０≦ｚ２≦２．２を満たす）で表される蛍光体を含み、
    　前記第１蛍光体粒子の前記賦活成分及び前記第２蛍光体粒子の前記賦活成分はＣｅである、請求項１または２に記載の波長変換部材。
  5. 　前記第１マトリクスには前記複数の第１蛍光体粒子が埋め込まれ、
    　前記第２マトリクスには前記複数の第２蛍光体粒子が埋め込まれた、請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換部材。
  6. 　前記第１マトリクスがＺｎＯによって構成されている、請求項５に記載の波長変換部材。
  7. 　前記第２マトリクスがＺｎＯによって構成されている、請求項５又は６に記載の波長変換部材。
  8. 　前記第２蛍光体層は、前記第２マトリクスに埋め込まれた複数の光反射粒子をさらに含む、請求項５から７のいずれか１項に記載の波長変換部材。
  9. 　前記第１蛍光体層及び前記第２蛍光体層を支持する基板をさらに備え、
    　前記第１蛍光体層と前記基板との間に前記第２蛍光体層が配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の波長変換部材。
  10. 　前記第１蛍光体層及び前記第２蛍光体層を支持する基板をさらに備え、
    　前記第２蛍光体層と前記基板との間に前記第１蛍光体層が配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の波長変換部材。
  11. 　１０Ｗ／ｍｍ2以上のエネルギー密度を有する励起光を出射する励起光源と、
    　前記励起光源からの前記励起光を受け入れて蛍光光を放射する請求項１から１０のいずれかに記載の波長変換部材と、
    　を備えた、光源装置。
  12. 　前記励起光源が出射する前記励起光のピーク波長が３６０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲にあり、
    　前記蛍光のスペクトルのピーク波長が５４８ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の範囲にある、請求項１１に記載の光源装置。
  13. 　前記波長変換部材に入射する前記励起光のスポット径が１０μｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にある、請求項１１又は１２に記載の光源装置。
  14. 　請求項１１から１３のいずれか１項に記載の光源装置を備えたプロジェクタ。
  15. 　請求項１１から１３のいずれか１項に記載の光源装置を前照灯として備えた車両。
PCT/JP2019/026870 2018-09-12 2019-07-05 波長変換部材及びそれを用いた光源装置、プロジェクタならびに車両 WO2020054192A1 (ja)

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