特許 6489829 蛍光光源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6489829

(24)【登録日】2019年3月8日

(45)【発行日】2019年3月27日

(54)【発明の名称】蛍光光源装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20190318BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-559801(P2014-559801)

(86)(22)【出願日】2014年2月3日

(86)【国際出願番号】JP2014052438

(87)【国際公開番号】WO2014119783

(87)【国際公開日】20140807

【審査請求日】2015年9月18日

【審判番号】不服2017-16522(P2017-16522/J1)

【審判請求日】2017年11月7日

(31)【優先権主張番号】特願2013-19494(P2013-19494)

(32)【優先日】2013年2月4日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100153497

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 信男

(74)【代理人】

【識別番号】100092200

【弁理士】

【氏名又は名称】大城 重信

(74)【代理人】

【識別番号】100110515

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 益男

(74)【代理人】

【識別番号】100189083

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 圭介

(74)【代理人】

【識別番号】100078754

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 正彦

(72)【発明者】

【氏名】井上 正樹

(72)【発明者】

【氏名】北村 政治

(72)【発明者】

【氏名】蕪木 清幸

【合議体】

【審判長】 西村 直史

【審判官】 古田 敦浩

【審判官】 近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１０９４００号公報

【文献】 特開２０１２−１８２３７６号公報

【文献】 特開２００７−１０３９０１号公報

【文献】 特表２０１１−５１５８４８号公報

【文献】 特開２０１１−１５４９９５号公報

【文献】 特開２００６−０２４６１５号公報

【文献】 特開２００７−１９４８８号公報

【文献】 特開２００３−２５８２９６号公報

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01S 5/00-5/50

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、その表面が励起光受光面とされていると共に蛍光出射面とされており、当該波長変換部材の裏面に光反射膜が設けられており、
前記波長変換部材の表面に、略錐状の凸部が周期的に配列されてなる周期構造が形成されており、当該凸部の高さは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、当該周期構造における周期に対する凸部の高さの比であるアスペクト比が０．５〜０．８であり、
前記周期構造における周期が前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることを特徴とする蛍光光源装置。

【請求項2】

前記光反射膜が銀からなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。

【請求項3】

前記波長変換部材は、表面に前記周期構造を有する、蛍光体が含有されてなる蛍光部材を備えてなり、当該蛍光部材の表面が前記励起光受光面とされていると共に前記蛍光出射面とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。

【請求項4】

前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、この蛍光部材上に形成された、表面に前記周期構造を有する周期構造体層とを備えてなり、当該周期構造体層の表面が前記励起光受光面とされていると共に前記蛍光出射面とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光光源装置。

【請求項5】

前記周期構造体層の屈折率は、前記蛍光部材の屈折率の値以上であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、励起光によって蛍光体を励起することにより、当該蛍光体から蛍光を放射する蛍光光源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばプロジェクターに用いられる緑色光源としては、従来、レーザ光を励起光として蛍光体に照射することによって、当該蛍光体から蛍光として緑色光を放射する蛍光光源装置が知られている。このような蛍光光源装置の一例としては、回転ホイールの表面に蛍光体が塗布されてなる波長変換部材を備えてなり、この波長変換部材に青色領域のレーザ光を照射することによって、当該波長変換部材における蛍光体の緑色領域の光を生成する蛍光光源装置が知られている（特許文献１参照。）。
しかしながら、回転ホイールを備えた蛍光光源装置においては、回転ホイールを回転駆動するモーターの部品に劣化が生じて故障が生じやすく、また、駆動系自体の構成が複雑である、という問題がある。

【0003】

また、蛍光光源装置の他の例としては、図１０に示すように、裏面に放熱用フィン４５が設けられたＡＩＮ焼結体よりなる基板４２の表面に、硫酸バリウム層４３を介してＹＡＧ焼結体よりなる蛍光部材４１が配置されてなる波長変換部材を備えた蛍光光源装置が知られている。この蛍光光源装置は、波長変換部材における蛍光部材４１に、励起光として青色領域のレーザ光を照射することによって、当該蛍光部材４１において緑色領域の光を生成するものである（特許文献２参照）。
しかしながら、このような蛍光光源装置においては、励起光が蛍光部材４１に照射されたときに、当該蛍光部材４１の表面において励起光が後方散乱されるため、励起光が蛍光部材４１内に十分に取り込まれず、その結果、高い発光効率が得られない、という問題がある。

【0004】

而して、蛍光光源装置においては、波長変換部材における励起光受光面とされる表面に、凹凸構造を形成し、この凹凸構造によって励起光受光面における励起光の反射を抑制することが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
具体的に、引用文献３には、蛍光部材上に、表面に凸部が配列された凹凸構造を有する透光性基板が配設されてなる波長変換部材を備えており、当該透光性基板の表面が励起光受光面とされてなる蛍光光源装置が開示されている。この蛍光光源装置において、蛍光部材は、無機ガラス等のガラス材料またはシリコーン樹脂等の樹脂材料などの封止材に蛍光体が分散されてなるものであり、また透光性基板は、例えばサファイアなどの高い熱伝導率を有する材料よりなるものである。
しかしながら、引用文献３の蛍光装置においては、蛍光部材の内部において蛍光体から放射された蛍光は、その一部が、波長変換部材（具体的には、蛍光部材または透光性基板）と空気との屈折率差により生じる臨界角反射によって全反射する。そのため、蛍光の一部は、透光性基板の表面、または蛍光部材の表面および側面によって構成される蛍光出射面から出射されず、当該透光性基板内において繰り返し反射されて、側面から外部に出射される。このように、波長変換部材の内部において生じた蛍光を高い効率で蛍光出射面から取り出すことができないため、蛍光を有効に利用することができず、高い発光効率が得られないことが明らかとなった。このような問題は、波長変換部材の内部において生じる多くの蛍光が、蛍光出射面において、臨界角反射によって全反射することに起因して生じるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−１３３１６号公報

【特許文献2】特開２０１１−１９８５６０号公報

【特許文献3】特開２０１２−１０９４００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、波長変換部材に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制されると共に、波長変換部材の内部において生じる蛍光を有効に利用して高い効率で外部に出射することができ、従って、高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の蛍光光源装置は、励起光によって励起される蛍光体による波長変換部材を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記波長変換部材は、その表面が励起光受光面とされていると共に蛍光出射面とされており、当該波長変換部材の裏面に光反射膜が設けられており、
前記波長変換部材の表面に、略錐状の凸部が周期的に配列されてなる周期構造が形成されており、当該凸部の高さは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、当該周期構造における周期に対する凸部の高さの比であるアスペクト比が０．５〜０．８であり、
前記周期構造における周期が前記蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさであることを特徴とする。

【0008】

本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、表面に前記周期構造を有する、蛍光体が含有されてなる蛍光部材を備えてなり、当該蛍光部材の表面が前記励起光受光面とされていると共に前記蛍光出射面とされていることが好ましい。

【0009】

本発明の蛍光光源装置においては、前記波長変換部材は、蛍光体が含有されてなる蛍光部材と、この蛍光部材上に形成された、表面に前記周期構造を有する周期構造体層とを備えてなり、当該周期構造体層の表面が前記励起光受光面とされていると共に前記蛍光出射面とされていることが好ましい。
また、このような構成の本発明の蛍光光源装置においては、前記周期構造体層の屈折率は、前記蛍光部材の屈折率の値以上であることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材における励起光受光面に、略錐状の凸部が周期的に配列され、特定のアスペクト比を有する周期構造が形成されているため、当該励起光受光面に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができる。
また、周期構造の周期が、波長変換部材の内部において蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさとされているため、蛍光体から放射される蛍光を高い効率で波長変換部材から外部に取り出すことができる。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、励起光を波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生成された蛍光を有効に利用して高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。

【0012】

本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材を、蛍光部材と周期構造体層とを備えてなるものとすることにより、蛍光部材を周期構造が形成されたものとする必要がないため、周期構造の形成が容易となる。
また、周期構造体層の屈折率が蛍光部材の屈折率の値以上であることにより、蛍光部材と周期構造体層との界面において、蛍光が反射することが回避されるので、蛍光部材からの蛍光の発光効率を維持することができる。しかも、周期構造体層の屈折率が蛍光部材の屈折率の値より高い場合には、蛍光部材と周期構造体層との界面において屈折によって蛍光の進行方向が変更されるため、蛍光を波長変換部材における蛍光出射面から外部に高い効率で出射することができる。その結果、一層高い発光効率が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図である。

【図2】図１の蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。

【図3】波長変換部材における周期構造の変形例を模式的に示す説明図である。

【図4】励起光が蛍光部材よりなる波長変換部材の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光が伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図である。

【図5】蛍光部材の表面において蛍光に生ずる反射および回折を模式的に示す説明図である。

【図6】本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。

【図7】実験例１において得られた、波長変換部材の表面の周期構造を構成する凸部の高さ（周期構造におけるアスペクト比）と、当該波長変換部材の表面における光の反射率および光の取出し効率との関係を示すグラフである。

【図8】実験例２において得られた、波長変換部材の表面の周期構造を構成する凸部の高さ（周期構造におけるアスペクト比）と、当該波長変換部材の表面における光の反射率および光の取出し効率との関係を示すグラフである。

【図9】実験例３において得られた、波長変換部材の表面の周期構造を構成する凸部の高さ（周期構造におけるアスペクト比）と、当該波長変換部材の表面における光の反射率および光の取出し効率との関係を示すグラフである。

【図10】従来の蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の蛍光光源装置における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置は、図１に示すように、青色領域の光を出射するレーザダイオード１０と、このレーザダイオード１０に対向して配置された蛍光発光部材２０とを備えてなる。この蛍光発光部材２０は、レーザダイオード１０から出射されるレーザ光である励起光Ｌによって励起されて、例えば緑色領域の蛍光Ｌ１を出射する波長変換部材を有するものである。
レーザダイオード１０と蛍光発光部材２０との間における当該レーザダイオード１０に接近した位置には、レーザダイオード１０から入射された励起光Ｌを平行光線として出射するコリメータレンズ１５が配置されている。また、コリメータレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、レーザダイオード１０からの励起光Ｌを透過すると共に蛍光発光部材２０における波長変換部材からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメータレンズ１５の光軸に対して例えば４５°の角度で傾斜した姿勢で配置されている。

【0015】

蛍光発光部材２０は、図２に示すように、矩形の基板３１の表面（図２における上面）上に、略矩形板状の蛍光部材２２よりなる波長変換部材が設けられたものである。
この蛍光発光部材２０は、蛍光部材２２の表面（図２における上面）がレーザダイオード１０に対向するように配置されており、この蛍光部材２２の表面が励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材２２の裏面（図２における下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が設けられている。このように、蛍光部材２２の裏面および側面に光反射膜３３が設けられることにより、蛍光部材２２は、裏面および側面に反射機能を有するものとされている。この光反射膜３３と基板３１との間には、接合部材（図示省略）が介在されており、当該接合部材によって蛍光部材２２が基板３１上に接合されている。接合部材としては、排熱性の観点から、半田および銀焼結材などの熱伝導率が４０Ｗ／ｍＫ以上のものが用いられる。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。

【0016】

そして、波長変換部材を構成する蛍光部材２２には、励起光受光面すなわち当該蛍光部材２２の表面に、凸部２４が周期的に配列されてなる周期構造２３が形成されている。

【0017】

蛍光部材２２は、蛍光体が含有されてなるものであり、具体的には、単結晶または多結晶の蛍光体よりなるもの、蛍光体とセラミックとの共晶体よりなるもの、あるいは蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体よりなるものである。すなわち、蛍光部材２２は、蛍光体によって構成されたものである。また、蛍光部材２２の厚みは、励起光と蛍光との変換効率（量子収率）および排熱性の観点から、例えば０．０５〜２．０ｍｍである。
蛍光部材２２が単結晶または多結晶の蛍光体、蛍光体とセラミックとの共晶体、あるいは蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体よりなるものであることにより、蛍光部材２２は高い熱伝導性を有するものとなる。そのため、蛍光部材２２において励起光の照射によって発生した熱を効率よく排熱することができ、よって蛍光部材２２が高温となることが抑制される。その結果、蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減を抑制することができる。

【0018】

ここに、蛍光部材２２を構成する単結晶の蛍光体は、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させることにより、単結晶の蛍光体が得られる。
また、蛍光部材２２を構成する多結晶の蛍光体は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を得る。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。

【0019】

蛍光部材２２が単結晶または多結晶の蛍光体よりなるものである場合において、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：ＳｍおよびＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。このような蛍光体において、希土類元素のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度である。
また、蛍光部材２２が単結晶または多結晶の蛍光体よりなるものであることにより、蛍光部材２２は熱伝導率が１１Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導性を有するものとなる。
蛍光部材２２の熱伝導率が１１Ｗ／ｍＫ以上であることにより、蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減をより一層抑制することができる。

【0020】

また、蛍光部材２２が蛍光体とセラミックとの共晶体よりなるものである場合において、当該蛍光部材２２を構成する共晶体の具体例としては、蛍光体としてＹＡＧを用い、セラミック材料として酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）を用いたものが挙げられる。このＹＡＧと酸化アルミニウムとの共晶体は、ＹＡＧ成分と酸化アルミニウム成分とが三次元的に相互に絡み合った組織を有している。そして、この共晶体においては、ＹＡＧ成分を構成する蛍光体から放射された蛍光は酸化アルミニウム成分との界面で拡散しながら波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材２２の表面に至り、当該表面から外部に取り出される。なお、蛍光出射面である蛍光部材の表面が平坦である場合には、蛍光は、蛍光部材と空気との屈折率差により生じる臨界角反射によって全反射するため、当該蛍光出射面から外部に取出されることがない。

【0021】

また、蛍光部材２２が蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体よりなるものである場合において、当該焼結体としては、ガラスバインダーとして低融点ガラスおよびゾルゲル材料を用い、このガラスバインダーと蛍光体とを混合し、その混合物を低温で焼結したものが用いられる。この焼結体においては、ガラスバインダーの融点が３００〜４００℃程度と低いことから、蛍光体として種々の種類のものを用いることができる。具体的には、ＢＡＭおよびＣＭＳ等の青色蛍光体、ＹＡＧ、ＬｕＡＧおよびβサイアロン等の緑色蛍光体、ＣＡＳＮおよびＳＣＡＳＮ等の赤色蛍光体などが挙げられる。この単結晶または多結晶の蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体においては、蛍光体から放射された蛍光はガラスバインダーとの界面で拡散しながら波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材２２の表面に至り、当該表面から外部に取り出される。なお、蛍光出射面である蛍光部材の表面が平坦である場合には、蛍光は、その多くが蛍光部材と空気との屈折率差により生じる臨界角反射によって全反射するため、当該蛍光出射面から外部に取り出されることがない。
ここに、ガラスバインダーとして用いられるゾルゲル材料としては、具体的に、珪素、チタン、ジルコニウム等のアルコキシドを含んでおり、熱処理することによって反応（加水分解および縮重合）が進むことによって無機材料が形成されるゾル状の材料などが挙げられる。

【0022】

蛍光部材２２の表面において周期構造２３を構成する凸部２４は、図２に示されているように、裏面から表面に向かう方向に従って小径となる略錐状とされる。
具体的に、凸部２４に係る略錐状は、図２に示されているような錘状（図２においては円錐状）、または図３に示すような錐台状である。
ここに、凸部２４の形状が錐台状である場合には、上底部２４ａの寸法（最大寸法）ａは、励起光Ｌの波長未満とされる。例えば凸部２４の形状が円錐台状であり、励起光Ｌの波長が４４５ｎｍである場合には、円錐台状の凸部２４の上底部２４ａの寸法ａ（外径）は１００ｎｍである。

【0023】

凸部２４の形状が略錘状とされることによって、蛍光部材２２の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。このような作用が生じるのは、以下の理由による。
図４は、励起光Ｌが蛍光部材２２の表面に垂直な方向に入射した場合において、当該励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率の変化をマクロ的に示した図である。この図４において、左側の断面図は蛍光部材２２の一部を拡大して模式的に示すものであり、右側のグラフは蛍光部材２２の表面に対して垂直な方向における位置と屈折率とのマクロ的な関係を示すものである。
この図４に示すように、励起光Ｌは、空気（屈折率が１）中から蛍光部材２２（屈折率がＮ₁ ）の表面に照射されたときには、周期構造２３を構成する凸部２４のテーパ面に対して傾斜した方向から入射される。このため、マクロ的に見ると、励起光Ｌが伝播する媒体の屈折率は、蛍光部材２２の表面に垂直な方向に向かって１からＮ₁ に緩やかに変化することとなる。従って、蛍光部材２２の表面に、屈折率が急激に変化する界面が実質的にないため、蛍光部材２２の表面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。

【0024】

また、周期構造２３を構成する略錐状の凸部２４において、テーパ面（側面）の傾斜角度（側面と底面とのなす角度）は、１１°以上であることが好ましい。
テーパ面の傾斜角度が１１°未満である場合には、テーパ面を屈折率の異なる２つの媒体の境界面とみなすようになるため、空気と蛍光部材との屈折率差に従った反射光が生じてしまうおそれがある。

【0025】

また、周期構造２３において、周期ｄは、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲（ブラッグの条件）の大きさである。
具体的には、周期構造２３の周期ｄは、蛍光体から放射される蛍光Ｌ１のピーク波長を、周期構造２３を構成する材料（図示の例では蛍光部材２２を構成する蛍光体）の屈折率で割った値（以下、「光学長さ」という。）または光学長さの数倍程度の値である。
本発明において、周期構造の周期とは、周期構造において互いに隣接する凸部間の距離（中心間距離）（ｎｍ）を意味する。

【0026】

周期構造２３の周期ｄが蛍光部材２２内で生じる蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされることにより、蛍光部材２２の表面から蛍光Ｌ１を高い効率で外部に取り出すことができる。
具体的に説明すると、図５に示すように、蛍光部材２２内で生じた蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面（蛍光部材２２と空気との界面）に対する入射角θＩが臨界角未満である場合には、蛍光部材２２の表面を透過する透過光Ｌ２として無反射で蛍光部材２２の表面から外部に取り出される。また、蛍光Ｌ１の蛍光部材２２の表面に対する入射角θＩが臨界角以上である場合には、例えば蛍光部材２２の表面が平坦面であるときには、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面において全反射して反射光Ｌ３として蛍光部材２２の内部に向かうため、蛍光部材２２の表面から外部に取り出すことができない。しかしながら、蛍光部材２２の表面に上記の条件を満足する周期ｄを有する周期構造２３が形成されることにより、蛍光Ｌ１は、蛍光部材２２の表面において周期構造２３によって回折が生じることとなる。その結果、−１次回折光Ｌ４として蛍光部材２２の表面から出射角θｍ（θｍ＜θＩ）で出射されて外部に取り出される。

【0027】

また、周期構造２３における周期ｄに対する凸部２４の高さｈの比（ｈ／ｄ）であるアスペクト比は、０．２以上とされ、好ましくは０．２〜１．５であり、特に好ましくは０．５〜１．０である。
アスペクト比（ｈ／ｄ）が０.２未満である場合には、蛍光体２２の表面が平面に近くなるため回折による効果が十分に得られず、高い光取出し効率が得られない。

【0028】

このような周期構造２３は、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、矩形板状の蛍光部材の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、蛍光部材の表面における露出した領域に、ドライエッチング処理を施すことにより、周期構造２３が形成される。

【0029】

基板３１を構成する材料としては、樹脂に金属微粉末を混入させた放熱接着剤を介したアルミ基板などを用いることができる。また、基板３１の厚みは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。また、このアルミ基板は、放熱フィンの機能を兼ね備えたものであってもよい。

【0030】

上記の蛍光光源装置においては、レーザダイオード１０から出射された青色領域のレーザ光である励起光Ｌは、コリメータレンズ１５によって平行光線とされる。その後、この励起光Ｌは、ダイクロイックミラー１６を透過して蛍光発光部材２０における波長変換部材の励起光受光面すなわち蛍光部材２２の表面に対して略垂直に照射される。そして、蛍光部材２２においては、当該蛍光部材２２を構成する蛍光体が励起され、蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１は、波長変換部材の蛍光出射面すなわち蛍光部材２２の表面から出射され、ダイクロイックミラー１６によって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。

【0031】

このような蛍光光源装置においては、波長変換部材の励起光受光面である蛍光部材２２の表面に、略錐状の凸部２４が周期的に配列されてなる周期構造２３が形成されており、また周期構造２３におけるアスペクト比が０．２以上とされている。そのため、蛍光部材２２の表面に励起光Ｌが照射されたときに、当該励起光Ｌの後方散乱が抑制され、その結果、励起光Ｌを蛍光部材２２内に十分に取り込むことができる。
また、周期構造２３の周期ｄが、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１の回折が発生する範囲の大きさとされている。そのため、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１を高い効率によって波長変換部材の蛍光出射面である蛍光部材２２の表面から外部に取り出すことができる。
従って、この蛍光光源装置によれば、励起光Ｌを波長変換部材の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材の内部において生じた蛍光Ｌ１を有効に利用して高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。

【0032】

この蛍光光源装置においては、蛍光部材２２が、裏面および側面に反射機能を有するものとされることにより、波長変換部材における励起光受光面と蛍光出射面とが同一面、具体的には、蛍光部材２２の表面によって構成されている。そのため、蛍光部材２２の表面以外から蛍光が外部に出射されることがなく、よって波長変換部材における励起光を受光する面の面積と蛍光を出射する面の面積とが略同一となることから、蛍光出射面における輝度を最大にすることができる。また、蛍光部材２２の裏面全域が基板３１を介して放熱用フィンと接触した状態とされていることから、高い排熱性を得ることができるため、蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減をより一層抑制することができる。その結果、一層高い発光効率が得られる。

【0033】

また、この蛍光光源装置においては、蛍光部材２２が、単結晶または多結晶の蛍光体、蛍光体とセラミックとの共晶体、あるいは蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体よりなるものとされることにより、蛍光部材２２において発生した熱を、基板３１および放熱用フィンに効率よく伝導することができ、よって蛍光部材２２の裏面方向に向かって排熱することができる。そのため、蛍光部材２２の温度上昇が抑制され、よって蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減を抑制することができる。その結果、波長変換部材の温度上昇が抑制されるため、一層高い発光効率が得られる。

【0034】

図６は、本発明の蛍光光源装置の他の例における波長変換部材の構成を示す説明用断面図である。
この蛍光光源装置において、蛍光発光部材２０を構成する波長変換部材２１は、図６に示すように、矩形の基板３１上に設けられている。この波長変換部材２１は、矩形板状の蛍光部材２５と、この蛍光部材２５の表面（図６における上面）上に形成された、表面（図６において上面）に周期構造２７が形成された周期構造体層２６を有している。この周期構造体層２６の表面に形成された周期構造２７は、略錐状（具体的には、円錐状）の凸部２８が周期的に配列されてなるものである。
波長変換部材２１においては、周期構造体層２６の表面が、励起光受光面とされていると共に、蛍光出射面とされている。
また、蛍光部材２５の裏面（図６において下面）および側面の各々には、例えば銀よりなる光反射膜３３が形成されている。このように、蛍光部材２５の裏面および側面に光反射膜３３が形成されることにより、波長変換部材２１は、裏面および側面に反射機能を有するものとされている。また、基板３１の裏面には、例えば放熱用フィン（図示省略）が配置されている。基板３１および蛍光部材２５の構成は、当該蛍光部材２５の表面に周期構造が直接形成されていないこと以外は、図１の蛍光光源装置と同様である。

【0035】

周期構造体層２６の表面に形成された周期構造２７は、周期ｄに対する凸部２８の高さｈの比であるアスペクト比（ｈ／ｄ）が０．２以上とされ、好ましくは０．２〜１．５であり、特に好ましくは０．５〜１．０である。このように、周期構造２７におけるアスペクト比が０．２以上とされることによって、周期構造体層２６の表面において励起光が反射することを抑制することができる。
また、周期構造２７の周期ｄは、蛍光部材２５を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさである。このような条件を満足することにより、蛍光部材２５を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で周期構造体層２６の表面から外部に取り出すことができる。

【0036】

周期構造体層２６を構成する材料としては、屈折率が蛍光部材２５の屈折率の値以上のものを用いることが好ましい。屈折率が蛍光部材２５の屈折率の値以上の材料によって周期構造体層２６を構成することによれば、蛍光部材と周期構造体層との界面において、蛍光が反射することが回避されるので、蛍光部材からの蛍光の発光効率を維持することができる。特に、屈折率が蛍光部材２５の屈折率の値より高い材料によって周期構造体層２６を構成することによれば、蛍光部材２５と周期構造体層２６との界面に入射した蛍光は、当該界面を透過することによって屈折が生じる。そのため、蛍光の進行方向が蛍光部材２５と周期構造体層２６との界面において変更されることから、蛍光が波長変換部材２１の内部に閉じ込められることが抑制され、その結果、蛍光を周期構造体層２６の表面から外部に高い効率で取り出すことができる。
また、周期構造体層２６の材料として蛍光部材２５より高屈折率のものを用いることによれば、周期ｄが小さい周期構造２７を形成することが可能となる。従って、周期構造２７を構成する凸部２８としてアスペクト比が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、周期構造２７の形成が容易となる。具体的には、例えばナノプリント法を利用する場合には、モールド（テンプレート）の作製やインプリント作業を容易に行うことができる。このとき、周期構造２７が形成されている波長変換部材２１における蛍光体を励起するエネルギーは、約５Ｗ／ｍｍ² 以上の励起密度を持つため、周期構造体層２６を構成する材料は無機材料であることが望ましい。

【0037】

周期構造体層２６を構成する材料としては、シリカ（屈折率１．４５〜１．７）、チタニア（屈折率１．９〜２．２）、ジルコニア（屈折率１．７〜１．８）、窒化珪素（屈折率１．７〜２．０）などを用いることができる。
また、周期構造体層２６の厚みは、例えば０．１〜１．０μｍである。

【0038】

周期構造体層２６は、ゾルゲル法とナノインプリント法とを用いて形成することができる。具体的には、珪素、チタン、ジルコニウム等のアルコキシドを含むゾル状の材料を、例えばスピンコート法によって蛍光部材２５の表面に塗布して、モールド（テンプレート）型を押し付けた状態で加熱処理を行い、離型した後、熱処理を行う。この熱処理によって、反応（加水分解および縮重合）が進み、無機材料からなる周期構造体層２６が形成される。

【0039】

上記の蛍光光源装置において、レーザダイオードから出射された青色領域のレーザ光である励起光は、コリメータレンズによって平行光線とされる。その後、この励起光は、ダイクロイックミラーを透過して蛍光発光部材２０における波長変換部材２１の励起光受光面すなわち周期構造体層２６の表面に対して略垂直に照射され、当該周期構造体層２６を介して蛍光部材２５に入射される。そして、蛍光部材２５においては、当該蛍光部材２５を構成する蛍光体が励起される。これにより、蛍光部材２５において蛍光が放射される。この蛍光は、蛍光出射面すなわち周期構造体層２６の表面から出射され、ダイクロイックミラーによって垂直方向に反射された後、蛍光光源装置の外部に出射される。

【0040】

この蛍光光源装置においては、波長変換部材２１が蛍光部材２５の表面に周期構造体層２６を設けたものであり、この周期構造体層２６の表面によって励起光受光面が構成されている。そして、周期構造体層２６の表面には、略錐状の凸部２８が周期的に配列され、アスペクト比が０．２以上である周期構造２７が形成されている。そのため、波長変換部材２１の励起光受光面である周期構造体層２６の表面に励起光が照射されたときに、当該励起光の後方散乱が抑制され、その結果、励起光を波長変換部材２１における蛍光部材２５内に十分に取り込むことができる。
また、波長変換部材２１における周期構造体層２６の表面に形成された周期構造２７の周期ｄは、蛍光部材２５を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさである。そのため、蛍光部材２５を構成する蛍光体から放射される蛍光を高い効率で波長変換部材２１の蛍光出射面である周期構造体層２６の表面から外部に取り出すことができる。
従って、この蛍光光源装置によれば、励起光Ｌを波長変換部材２１の内部に十分に取り込むことができると共に、波長変換部材２１の内部において生じた蛍光を有効に利用して高い効率で外部に出射することができることから、高い発光効率が得られる。

【0041】

この蛍光光源装置においては、波長変換部材２１が、蛍光部材２５と周期構造体層２６とを備えたものであることから、蛍光部材２５を周期構造が形成されたものとする必要がないため、周期構造の形成が容易となる。
また、周期構造体層２６を構成する材料として、屈折率が蛍光部材２５の屈折率の値より高いものが用いられている。そのため、蛍光部材２５と周期構造体層２６との界面において、蛍光が反射することが回避されるので、蛍光部材２５からの蛍光の発光効率を維持することができる。しかも、蛍光部材２５と周期構造体層２６との界面においては、蛍光の進行方向が変更されるため、蛍光が波長変換部材２１の内部に閉じ込められることが抑制され、よって蛍光を周期構造体層２６の表面から外部に高い効率で取り出すことができる。その結果、一層高い発光効率が得られる。

【0042】

また、この蛍光光源装置においては、波長変換部材２１が、裏面および側面に反射機能を有するものとされることにより、波長変換部材における励起光受光面と蛍光出射面とが同一面、具体的には、周期構造体層２６の表面によって構成されている。そのため、周期構造体層２６の表面以外から蛍光が外部に出射されることがなく、よって波長変換部材２１における励起光を受光する面の面積と蛍光を出射する面の面積とが略同一となることから、蛍光出射面における輝度を最大にすることができる。また、波長変換部材２１の裏面全域が基板３１を介して放熱用フィンと接触した状態とされていることから、高い排熱性を得ることができるため、蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減をより一層抑制することができる。その結果、一層高い発光効率が得られる。

【0043】

また、この蛍光光源装置においては、蛍光部材２５が、単結晶または多結晶の蛍光体、蛍光体とセラミックとの共晶体、あるいは蛍光体とガラスバインダーとの混合物の焼結体よりなるものとされることにより、蛍光部材２５において発生した熱を、基板３１および放熱用フィンに効率よく伝導することができ、よって蛍光部材２５の裏面方向に向かって排熱することができる。そのため、蛍光部材２５の温度上昇が抑制され、よって蛍光体において温度消光が生じることに起因する蛍光光量の低減を抑制することができる。その結果、波長変換部材の温度上昇が抑制されるため、一層高い発光効率が得られる。

【0044】

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、波長変換部材は、内部において生じた蛍光が側面から出射されることを防止することができるため、図２および図６に示すように、側面が光反射機能を有するものであることが好ましいが、裏面および側面の少なくとも一方が光反射機能を有するものであってもよい。具体的には、例えば波長変換部材の側面のみに光反射膜が形成されており、波長変換部材の表面および裏面が蛍光出射面とされていてもよい。

【0045】

また、蛍光光源装置全体の構造は、図１に示すものに限定されず、種々の構成を採用することができる。
例えば、図１に係る蛍光光源装置１０では、１つのレーザ光源（例えば、レーザダイオード）の光を用いているが、レーザ光源が複数あり、波長変換部材の前に集光レンズを配置して、集光光を波長変換部材に照射する形態であってもよい。また、励起光はレーザ光源の光に限るものではなく、波長変換部材を励起できるものであれば、ＬＥＤの光を集光したものでもよく、更には、水銀、キセノン等が封入されたランプからの光であってもよい。尚、ランプやＬＥＤのように放射波長に幅を持つ光源を利用した場合、励起光の波長はランプ等から放射される主たる放射波長の領域である。ただし、本発明においては、これに限定されるものではない。

【0046】

以下、本発明の実験例について説明する。

【0047】

（実験例１）
図２に示す構成に基づいて、表面に周期構造を有する波長変換部材を複数作製した。
作製した複数の波長変換部材は、周期構造におけるアスペクト比が異なるものである。これらの複数の波長変換部材は、凸部（２４）の高さ（ｈ）を１００〜１１００ｎｍの範囲で変更することによってアスペクト比が調節されており、各々、円錐状の凸部（２４）を有し、周期（ｄ）が６００ｎｍであり、下記の仕様を有するものである。
ここに、周期（ｄ）は、蛍光部材（２２）を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさである。

【0048】

［基板（３１）］
材質：アルミ基板，寸法：２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）×１ｍｍ（厚み）
［蛍光部材（２２）］
材質：ＬｕＡＧ：Ｃｅの単結晶（組成＝Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂：Ｃｅ（Ｃｅのドープ量０．５ｍｏｌ％），屈折率＝１．８５，励起波長＝４５５ｎｍ，蛍光波長＝５３５ｎｍ），寸法：１．７ｍｍ（縦）×３．０ｍｍ（横）×１３０μｍ（厚み）
［光反射膜（３３）］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ

【0049】

また、周期構造を形成しなかったこと以外は、上記の表面に周期構造を有する波長変換部材と同様の構成および仕様の波長変換部材を作製した。

【0050】

作製した複数の波長変換部材の表面（蛍光部材の表面）の各々に、ピーク波長が４４５ｎｍの励起光を照射し、当表面における光の反射率（ＬＤ反射率）および光の取出し効率を測定した。結果を図７に示す。この図７において、光の反射率（ＬＤ反射率）の測定結果を破線で示し、光の取出し効率の測定結果を実線で示す。
その結果、波長変換部材においては、励起光受光面に、蛍光部材を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさの周期で略錐状の凸部が配列されてなる周期構造を形成し、当該周期構造のアスペクト比を０．２以上とすることにより、波長変換部材の表面における励起光の反射が抑制されると共に、波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができることが確認された。

【0051】

（実験例２）
実験例１において、波長変換部材における蛍光部材（２２）として屈折率が２．０のものを用いて複数の波長変換部材を作製し、また作製した複数の波長変換部材に対して励起光としてピーク波長が４６５ｎｍの光を照射したこと以外は、当該実験例１と同様の手法により、波長変換部材の表面における光の反射率（ＬＤ反射率）および光の取出し効率を測定した。結果を図８に示す。この図８において、光の反射率（ＬＤ反射率）の測定結果を破線で示し、光の取出し効率の測定結果を実線で示す。
その結果、波長変換部材においては、励起光受光面に、蛍光部材を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさの周期で略錐状の凸部が配列されてなる周期構造を形成し、当該周期構造のアスペクト比を０．２以上とすることにより、波長変換部材の表面における励起光の反射が抑制されると共に、波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができることが確認された。

【0052】

（実験例３）
実験例１において、波長変換部材における蛍光部材（２２）として屈折率が２．３のものを用いて複数の波長変換部材を作製したこと以外は、当該実験例１と同様の手法により、波長変換部材の表面における光の反射率（ＬＤ反射率）および光の取出し効率を測定した。結果を図９に示す。この図９において、光の反射率（ＬＤ反射率）の測定結果を破線で示し、光の取出し効率の測定結果を実線で示す。
その結果、波長変換部材においては、励起光受光面に、蛍光部材を構成する蛍光体から放射される蛍光の回折が発生する範囲の大きさの周期で略錐状の凸部が配列されてなる周期構造を形成し、当該周期構造のアスペクト比を０．２以上とすることにより、波長変換部材の表面における励起光の反射が抑制されると共に、波長変換部材の内部において生成された蛍光を高い効率で外部に出射することができることが確認された。

【符号の説明】

【0053】

１０ レーザダイオード
１５ コリメータレンズ
１６ ダイクロイックミラー
２０ 蛍光発光部材
２１ 波長変換部材
２２ 蛍光部材
２３ 周期構造
２４ 凸部
２４ａ 上底部
２５ 蛍光部材
２６ 周期構造体層
２７ 周期構造
２８ 凸部
３１ 基板
３３ 光反射膜
４１ 蛍光部材
４２ 基板
４３ 硫酸バリウム層
４５ 放熱用フィン
Ｌ 励起光
Ｌ１ 蛍光
Ｌ２ 透過光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ −１次回折光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】