(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源からの入射光の波長に対して透明な透明基材の上に順に形成された、下地部材と、蛍光体微粒子を含んだ透明部材で構成される蛍光体含有部材と、カバー部材とを備え、
前記蛍光体微粒子の粒子径は、前記入射光の波長以下であり、
前記蛍光体含有部材の前記透明基材の主面に垂直な方向における任意の断面線による断面において、前記透明基材の主面に垂直な方向および水平な方向の少なくとも一方における前記蛍光体含有部材の厚みは、前記入射光の波長以下である
蛍光体光学素子。
【請求項２】
前記下地部材および前記カバー部材の少なくとも一方が、前記透明基材に垂直な方向に積層された多層膜からなる
請求項１記載の蛍光体光学素子。
【請求項３】
前記多層膜は、誘電体多層膜である
請求項２記載の蛍光体光学素子。
【請求項４】
前記下地部材は、前記入射光を透過し、かつ、前記蛍光体含有部材から放射される蛍光を反射する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
【請求項５】
前記蛍光体含有部材は、前記透明基材の主面に平面な方向である二次元平面方向において、二次元周期構造による屈折率分布を有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
【請求項６】
前記二次元周期構造は、フォトニック結晶によって構成されている
請求項５記載の蛍光体光学素子。
【請求項７】
前記蛍光体含有部材は、屈折率が異なる２種類の透明材料により構成され、
前記蛍光体微粒子は、前記屈折率が異なる２種類の透明材料の少なくともいずれか一方に含まれる
請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子。
【請求項８】
前記屈折率が異なる２種類の透明材料の少なくともいずれか一方は、ＺｎＯが含まれる
請求項７記載の蛍光体光学素子。
【請求項９】
前記下地部材の最上層は、ＺｎＯ膜である
請求項８記載の蛍光体光学素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の蛍光体光学素子と、励起光源である発光素子とを備える発光装置であって、
前記発光素子の光軸は、前記蛍光体光学素子における前記透明基材の表面に対して垂直である
発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体光学素子およびそれを用いた発光装置に関し、特に、プロジェクタ用光源や液晶表示装置のバックライト用光源として用いられる発光装置における蛍光体光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄型テレビやプロジェクタなどの表示装置の市場が急速に伸びてきている。これらの表示装置内には液晶パネルが備えられている。液晶パネルの裏面には白色の光を放射する発光装置が白色光源装置として備えられている。液晶パネルは、透過型の光変調素子として用いられ、発光装置から照射された光の透過率を制御することにより画像を形成する。これら発光装置として従来は冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｌａｍｐ）や超高圧水銀（ＵＨＰ：Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）ランプが用いられてきたが、近年、省エネ化や環境面からの水銀レス化の流れの中で、このような光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの半導体発光素子と、半導体発光素子からの光を蛍光体により変換して蛍光を取り出す蛍光体光学素子とを組み合わせた発光装置の開発が進んでいる。【０００３】
発光装置の構成としては、同一のパッケージ上に半導体発光素子と蛍光体光学素子を配置させた蛍光体一体型のものと、半導体発光素子と蛍光体光学素子を表示装置内の離れた場所に配置する蛍光体分離型のものがある。【０００４】
いずれの発光装置においても、蛍光体光学素子では、蛍光体からの発光である蛍光は、全方位方向に放射されるため、蛍光を効率良く取り込む光学系や蛍光の指向性を向上させることが課題である。【０００５】
既存技術として、例えば特許文献１には、蛍光体が含有された樹脂とＬＥＤ素子との間にダイクロイックミラーを配置して、全方位に放射される蛍光のうちＬＥＤ素子側への光を反射させることにより、蛍光の利用効率を改善する技術が開示されている。以下、図１４を用いて従来の発光装置１０００について説明する。【０００６】
図１４に示すように、従来の発光装置１０００は、開口部１０４２を有する凹型のケース１００４と、ケース１００４の凹部底面である素子搭載面１０４０上に実装された蛍光体励起用光源であるＬＥＤ素子１００２と、ＬＥＤ素子１００２の上部に設けられたダイクロイックミラー１００３とを備える。また、ＬＥＤ素子１００２の上方には、粒子径が１０〜２０μｍ程度であるＹＡＧ：Ｃｅなどの希土類賦活蛍光体がシリコーン樹脂に含有されている蛍光体含有シリコーン樹脂１００８がシリコーン樹脂１００７を介して形成されている。ケース１００４の凹部側面は、ＬＥＤ素子１００２の光出射方向に対して斜めに傾斜するように形成された傾斜面１０４１であり、ＬＥＤ素子１００２からの光とともに、蛍光体含有シリコーン樹脂１００８から放射された蛍光を、発光装置１０００の前方向に反射させる機能を有する。【０００７】
このような構成の発光装置１０００において、ＬＥＤ素子１００２から放射された光は、シリコーン樹脂１００７を透過し、蛍光体含有シリコーン樹脂１００８に入射する。蛍光体含有シリコーン樹脂１００８に入射した光については、その一部の光は反射し、他の一部の光は蛍光体で吸収されて蛍光として放射される。蛍光体含有シリコーン樹脂１００８による蛍光は、全方位に放射され、傾斜面１０４１およびダイクロイックミラー１００３等で多重反射されて開口部１０４２全面から発光装置１０００の外部に放射される。【０００８】
また、特許文献２には、ダイクロイックミラーと蛍光体とを組み合わせた蛍光体発光素子に励起光源の光を入射させ、得られた蛍光をプロジェクタの光源として利用する発光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１８６０２２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９８８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の蛍光体光学素子においては、得られた蛍光を所望の発光面積で所定の方向に効率よく放射させることが難しいという課題を有する。具体的には、蛍光体が含有された部材（蛍光体含有部材）とダイクロイックミラーとを組み合わせることで、蛍光を所定の方向に出射させることは可能であるが、蛍光体含有部材の層の平面方向には蛍光が自由に伝搬することができるため、蛍光体含有部材の全面から蛍光が放射されることになり蛍光の発光面積が大きくなってしまうという課題を有する。この場合、蛍光体光学素子から出射された蛍光をレンズ等を用いて平行光に変換する場合、斜め光成分が増えてしまい、後段の光学系でのロスとなり、結局光学系の効率が低下してしまう。このような課題に対して、例えば蛍光体含有部材の面積を小さくすることも考えられるが、この場合、蛍光体含有部材と発光素子との位置合わせ精度を高くする必要があるため、蛍光体光学素子のコストアップとなってしまう。【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、蛍光体含有部材の面積を小さくすることなく、容易に蛍光の発光面積を小さくすることができる蛍光体光学素子および発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題に対して、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様は、励起光源から放射される入射光の波長に対して透明な透明基材の上に順に形成された、下地部材と、蛍光体微粒子を含んだ透明部材で構成される蛍光体含有部材と、カバー部材とを備え、前記蛍光体微粒子の粒子径は、前記入射光の波長以下であり、前記蛍光体含有部材の前記透明基材の主面に垂直な方向における任意の断面線による断面図において、前記透明基材の主面に垂直な方向および水平な方向の少なくとも一方における前記蛍光体含有部材の厚みは、前記入射光の波長以下であることを特徴とする。【００１３】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減することができる。このため、蛍光の発光面積を励起光源から放射される入射光の入射面積と同程度とすることができる。【００１４】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記下地部材および前記カバー部材の少なくとも一方が、前記透明基材に垂直な方向に積層された多層膜からなる構成としてもよい。この場合、前記多層膜は、誘電体多層膜であることが好ましい。【００１５】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる。【００１６】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記下地部材は、前記入射光を透過し、かつ、前記蛍光体含有部材から放射される蛍光を反射することが好ましい。【００１７】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる。【００１８】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記蛍光体含有部材は、前記透明基材の主面に平行な方向である二次元平面方向において、二次元周期構造による屈折率分布を有するように構成してもよい。この場合、前記二次元周期構造は、フォトニック結晶によって構成することができる。【００１９】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる。【００２０】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記蛍光体含有部材が、屈折率が異なる２種類の透明材料により構成され、前記蛍光体微粒子は、前記屈折率が異なる２種類の透明材料の少なくともいずれか一方に含まれるようにしてもよい。【００２１】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる。【００２２】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記屈折率が異なる２種類の透明材料の少なくともいずれか一方は、ＺｎＯによって構成してもよい。【００２３】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる蛍光体光学素子を容易に構成することができる。【００２４】
また、本発明に係る蛍光体光学素子の一態様において、前記下地部材の最上層は、ＺｎＯ膜によって構成してもよい。【００２５】
この構成により、蛍光体微粒子で生成された蛍光の一部が、透明基材の主面に平行な方向に伝搬することを低減し、蛍光を所定の出射方向に誘導させることができる蛍光体光学素子を容易に構成することができる。【００２６】
また、本発明に係る発光装置の一態様は、上記の蛍光体光学素子と、励起光源である発光素子とを備える発光装置であって、前記発光素子の光軸は、前記蛍光体光学素子における前記透明基材の表面に対して垂直であること特徴とする。【００２７】
この構成により、発光素子から出射した光の波長を簡単な構成で容易に変換することができるとともに、光の伝搬方向を維持させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、蛍光体含有部材の面積を小さくすることなく、容易に蛍光の発光面積を小さくすることができる。これにより、後段の光学系等によって自由に光の進行方向を制御することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子の動作を説明するための図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子の機能を説明するための計算パラメータを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの計算パラメータによって求めた本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子における下地部材およびカバー部材の透過率を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子における励起光および蛍光の光強度を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子を用いた発光装置の構成および動作を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１の変形例に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ線における本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子の動作を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子の機能を説明するための計算パラメータを説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの計算パラメータによって求めた本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子における蛍光体含有層の透過率を示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子における励起光および蛍光の光強度を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子の製造方法における各工程を説明するための断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２の変形例１に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施の形態２の変形例３に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ線における本発明の実施の形態２の変形例３に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子を用いた発光装置の構成および動作を説明するための図である。
【図１４】図１４は、従来例における発光装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものであり、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲の記載に基づいて特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００３１】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子および発光装置について説明する。まず、本発明の実施の形態１に係る蛍光体光学素子について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施の形態における蛍光体光学素子１は、励起光源からの入射光によって蛍光発光する発光素子であって、透明基材１０と、透明基材１０の上に順に形成された、下地部材２０、蛍光体含有部材３０およびカバー部材４０からなる積層構造体とを備える。
【００３３】
透明基材１０は、励起光源からの入射光の波長に対して透明な材料によって構成されており、例えばガラスや透明樹脂フィルムなどの透明基板を用いることができる。
【００３４】
下地部材２０は、例えばＴｉＯ２からなる第２の屈折率層２１ｂがＺｎＯからなる第１の屈折率層２１ａで挟み込まれた構成である第１の下地層２１（第１の層）と、例えばＳｉＯ２からなる第２の下地層２２（第２の層）とによって形成された誘電体多層膜であり、各層は、透明基材１０の主面（表面）に対して垂直な方向に積層されている。下地部材２０は、第１の下地層２１と第２の下地層２２とが交互に積層され、複数の第１の下地層２１と複数の第２の下地層２２とが例えば５層以上積層された多層膜である。本実施の形態における下地部材２０は、４層の第１の下地層２１と３層の第２の下地層２２との７層によって構成されている。なお、下地部材２０における最下層と最上層とはいずれもＺｎＯ膜からなる第１の下地層２１となっている。
【００３５】
また、下地部材２０は、励起光源からの入射光（励起光）の波長に対して透明であり、かつ、蛍光体含有部材３０から放射される蛍光の波長に対してミラーである。すなわち、下地部材２０は、励起光を透過するとともに蛍光体含有部材３０からの蛍光を反射する第１のダイクロイックミラーとして機能する。
【００３６】
蛍光体含有部材３０は、下地部材２０の上に積層された蛍光体含有層であって、透明材料によって構成される透明部材３１と、透明部材３１に含有され、励起光源からの入射光（励起光）によって蛍光発光する蛍光体微粒子３２とからなる。蛍光体微粒子３２としては、例えば、ＩｎＰ／ＺｎＳのコア・シェル型量子ドット蛍光体のような粒子直径が１００ｎｍ以下の半導体微粒子を用いることができる。量子ドット蛍光体は、量子サイズ効果によって同一材料の微粒子であっても粒径を制御することで可視光領域における所望の波長帯の蛍光スペクトルを得ることができる。また、透明部材３１としては、例えば、屈折率が１．４であるシリコーン樹脂などの透明樹脂材料を用いることができる。
【００３７】
カバー部材４０は、蛍光体含有部材３０の上に形成されており、例えばＴｉＯ２からなる第４の屈折率層４１ｂがＺｎＯからなる第３の屈折率層４１ａで挟み込まれた構成である第１のカバー層４１（第３の層）と、例えばＳｉＯ２からなる第２のカバー層４２（第４の層）とからなる誘電体多層膜であり、各層は、透明基材１０の主面に対して垂直な方向に交互に積層されている。カバー部材４０は、第１のカバー層４１と第２のカバー層４２とが交互に積層され、複数の第１のカバー層４１と複数の第２のカバー層とが例えば５層以上積層された多層膜である。本実施の形態におけるカバー部材４０は、４層の第１のカバー層４１と４層の第２のカバー層４２との８層によって構成されている。
【００３８】
また、カバー部材４０は、下地部材２０とは逆に、励起光源からの入射光（励起光）の波長に対してミラーであり、かつ、蛍光体含有部材３０から放射される蛍光の波長に対して透明である。すなわち、カバー部材４０は、励起光を反射するとともに蛍光体含有部材３０からの蛍光を透過する第２のダイクロイックミラーとして機能する。
【００３９】
このように構成される蛍光体光学素子１において、蛍光体含有部材３０における蛍光体微粒子３２の粒子径は、励起光源からの入射光の波長以下となるように構成されている。また、蛍光体含有部材３０の透明基材１０の主面に垂直な方向における任意の断面線による断面において、透明基材１０の主面に垂直な方向（積層方向）における蛍光体含有部材３０の厚み、すなわち、蛍光体含有部材３０の膜厚も、励起光源からの入射光の波長以下となるように構成されている。
【００４０】
この構成により、例えば、蛍光体含有部材３０の蛍光体微粒子３２は、波長４０５ｎｍの励起光（入射光）を長波長変換して、例えばピーク波長が５４０ｎｍ、スペクトルの半値全幅が５０ｎｍの蛍光を発する。この場合、蛍光体含有部材３０の上記断面における厚みは、励起光の波長以下、すなわち、４０５ｎｍ以下とする。より具体的には、蛍光体含有部材３０の上記断面における厚みは、例えば蛍光のピーク波長（５４０ｎｍ）を透明部材３１の屈折率（１．４）で割った約３９０ｎｍ以下とする。
【００４１】
次に、このように構成された本実施の形態に係る蛍光体光学素子１の動作について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の動作を説明するための図である。
【００４２】
図２に示すように、透明基材１０側から入射した励起光源からの入射光６３は、透明基材１０および下地部材２０を透過し、蛍光体含有部材３０に入射する。蛍光体含有部材３０に入射した入射光６３の一部は、蛍光体微粒子３２によって蛍光６５に変換されて放射され、一方、蛍光体微粒子３２に吸収されない入射光６３の他の一部は、蛍光体含有部材３０を通過する。蛍光体含有部材３０を通過した入射光６３は、カバー部材４０によって反射されて再び蛍光体含有部材３０に入射する。蛍光体含有部材３０に再入射した光は、蛍光体微粒子３２によって蛍光６５に変換される。このように、蛍光体含有部材３０を通過した光はカバー部材４０によって反射して蛍光体含有部材３０に再入射するため、入射光６３を効率よく蛍光６５に変換することができる。
【００４３】
蛍光体含有部材３０において生成された蛍光６５は、全方位に放射される。このうち、カバー部材４０に入射した蛍光６５は、カバー部材４０を通過して所定の出射方向に放射される。一方、下地部材２０に進行する蛍光６５は、下地部材２０によって反射され、蛍光体含有部材３０およびカバー部材４０を通過して所定の出射方向に放射される。
【００４４】
この場合、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１では、上述のとおり、蛍光体含有部材３０の膜厚が入射光６３（励起光）の波長以下となるように構成されているので、蛍光体含有部材３０の膜厚は蛍光６５に対して十分薄くなっている。これにより、蛍光６５は、蛍光体含有部材３０の平面方向、すなわち透明基材１０の主面に平行な二次元方向（積層方向に垂直な方向）にはほとんど伝搬しない。従って、蛍光６５の発光面積を入射光６３（励起光）の入射面積と同程度とすることができるので、蛍光体含有部材３０の面積を小さくすることなく、容易に蛍光６５の発光面積を小さくすることができる。この結果、蛍光体光学素子１の後段に配置される光学系等によって自由に光の進行方向を制御することができる。
【００４５】
次に、図２における本実施の形態に係る蛍光体光学素子１の動作について、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃの計算結果に基づいて説明する。図３Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の機能を説明するための計算パラメータを示す図である。図３Ｂは、図３Ａの計算パラメータによって求めた本実施の形態に係る蛍光体光学素子における下地部材およびカバー部材の透過率を示す図である。図３Ｃは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子における励起光および蛍光の光強度を示す図である。
【００４６】
ここで、図３Ｃに示すように、励起光（入射光６３）の波長は４０５ｎｍであり、本実施の形態における励起光はレーザ光とした。蛍光６５は、ピーク波長が５４０ｎｍであり、量子ドット蛍光体からなる蛍光体微粒子３２からの光であるとした。
【００４７】
図３Ｂに示すように、図３Ａの計算パラメータによって求められた下地部材２０およびカバー部材４０の透過率によると、下地部材２０は、波長４０５ｎｍの入射光６３を透過する一方で、中心波長５４０ｎｍの蛍光６５のほとんどを反射する。また、カバー部材４０は、波長４０５ｎｍの入射光６３を反射する一方で、中心波長５４０ｎｍの蛍光６５を透過することが分かる。
【００４８】
このように、本実施の形態において、蛍光体含有部材３０は、下地部材２０およびカバー部材４０によるダイクロイックミラーによって挟まれているので、図２において説明したように、入射光６３は下地部材２０を透過するとともにカバー部材４０によって反射されるので蛍光体含有部材３０において効率良く蛍光６５を生成することができる。また、蛍光体含有部材３０で生成された蛍光６５は、カバー部材４０を透過するとともに下地部材２０によって反射されるので、得られた蛍光６５を、効率良く蛍光体光学素子１の外部に出射させることができる。また、本実施の形態では、蛍光体含有部材３０の厚みが入射光６３（励起光）の波長以下となるように構成されているので、蛍光６５は蛍光体含有部材３０の平面方向にはほとんど伝搬しない。従って、蛍光体含有部材３０の面積を小さくすることなく、蛍光６５の発光面積を小さくすることできる。
【００４９】
次に、図１に示す蛍光体光学素子１を用いた発光装置９９の構成および動作について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る蛍光体光学素子を用いた発光装置の構成および動作を説明するための図である。
【００５０】
図４に示すように、本実施の形態における発光装置９９は、蛍光体光学素子１と、複数の半導体レーザ（半導体発光素子）によって構成された励起光源である発光素子５０とを備え、発光素子５０の光軸は、蛍光体光学素子１における透明基材１０の表面に対して垂直である。また、発光装置９９は、複数の発光素子５０のそれぞれの光出射位置に配置された複数のコリメートレンズ５２と、各コリメートレンズ５２に対応し、各コリメートレンズ５２の前方（光進行方向）に配置された複数の反射ミラー５４と、複数の反射ミラー５４によって反射された全ての光を集光するように、反射ミラー５４による反射光の光路に配置された一つの集光レンズ５６とを備える。蛍光体光学素子１は、集光レンズ５６の集光位置に蛍光体光学素子１の蛍光体含有部材３０が位置合わせされるように配置される。すなわち、蛍光体光学素子１の蛍光体含有部材３０は、集光レンズ５６の焦点に配置されている。なお、蛍光体光学素子１の光出射側には、蛍光体光学素子１と対向する位置にコリメートレンズ５８が配置される。
【００５１】
続いて発光装置９９の動作を説明する。まず、複数の発光素子５０から出射した各出射光６０（励起光）は、対応するコリメートレンズ５２によって平行光６１となり、さらに反射ミラー５４により光伝搬面積が整形された平行光６２となる。平行光６２は集光レンズ５６により集光光となり、入射光６３として蛍光体光学素子１に入射して蛍光体含有部材３０に集光する。蛍光体含有部材３０において、入射光６３は半導体微粒子によって蛍光６５に変換され、蛍光体光学素子１から出射される。蛍光体光学素子１から出射された蛍光６５はコリメートレンズ５８により平行光６７に変換される。
【００５２】
本実施の形態に係る発光装置９９によれば、蛍光体光学素子１によって蛍光６５の発光面積を小さくすることできるため、蛍光体光学素子１から出射する光を、コリメートレンズ５８によって容易に平行光に変換することが出来る。このように、発光装置９９によれば、蛍光体光学素子１によって生成される蛍光６５の発光面積を小さくすることできるので、蛍光体光学素子１の後段の配置される光学系等によって自由に光の進行方向を制御することができる。
【００５３】
次に、本発明の実施の形態１の変形例に係る蛍光体光学素子１Ａについて、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態の変形例に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。なお、本変形例に係る蛍光体光学素子１Ａの構成は、実施の形態１に係る蛍光体光学素子１の構成とほとんど同じであるので、本変形例では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。なお、図５において、図１における構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００５４】
図５に示すように、本変形例に係る蛍光体光学素子１Ａは、図１に示す実施の形態１に係る蛍光体光学素子１と比較して、蛍光体含有部材の構成が異なっており、本変形例における蛍光体含有部材３０Ａは、透明材料からなる複数の層によって構成されている。
【００５５】
具体的に、本変形例に係る蛍光体光学素子１Ａでは、蛍光体含有部材３０Ａが、第１の蛍光体含有部材３０ａおよび第２の蛍光体含有部材３０ｂの２つの蛍光体含有部材を有し、さらに、第１の蛍光体含有部材３０ａと第２の蛍光体含有部材３０ｂとの間に形成された透明部材３５を有する。
【００５６】
第１の蛍光体含有部材３０ａおよび第２の蛍光体含有部材３０ｂのそれぞれは、図１の蛍光体含有部材３０と同様に、透明部材３１と、透明部材３１に含有された蛍光体微粒子３２とからなる。ここで、第１の蛍光体含有部材３０ａおよび第２の蛍光体含有部材３０ｂの透明部材３１と、透明部材３５とは、屈折率の異なる透明材料によって構成されることが好ましい。また、透明部材３５は、透明材料のみによって形成されており、蛍光体微粒子は含有されていない。
【００５７】
本変形例においても、複数の蛍光体含有部材のそれぞれは、すなわち第１の蛍光体含有部材３０ａおよび第２の蛍光体含有部材３０ｂは、実施の形態１と同様に、各蛍光体含有部材の厚みが蛍光および入射光の波長以下に設定されている。この構成により、各蛍光体含有部材の厚みを増やし、実効的な蛍光体微粒子の量を増やした場合においても、個々の蛍光体含有部材の厚みを蛍光および入射光の波長以下としているので、蛍光の水平方向の伝搬を抑制することができ、蛍光の発光面積を小さくすることができる。
【００５８】
なお、本変形例において、第１の蛍光体含有部材３０ａおよび第２の蛍光体含有部材３０ｂのいずれにも蛍光体微粒子３２を含有させたが、蛍光体微粒子３２はいずれか一方のみに含有させても構わない。
【００５９】
以上、実施の形態１に係る蛍光体光学素子および発光装置について説明したが、本発明は、上記の実施の形態や変形例に限られるものではない。
【００６０】
例えば、図４に示す本実施の形態に係る発光装置９９においては、発光素子５０として、半導体レーザを用いたが、光導波路が形成された端面出射型の発光素子としてスーパールミネッセントダイオードを用いてもよい。また、励起光源である半導体レーザの発光波長を４０５ｎｍとしたが、例えば４２０ｎｍから４９０ｎｍの波長の光を出射する半導体レーザであってもよい。
【００６１】
また、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１において、蛍光体含有部材３０の蛍光体微粒子３２は、ＩｎＰ／ＺｎＳのコア・シェル型の量子ドット蛍光体としたが、この限りではない。量子ドット蛍光体の材料としては、例えばＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂおよびＢＮから選択される少なくとも１つ、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体である、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択される少なくとも１つ、または、これらの混晶結晶よりなる群から選択される少なくとも１つを用いることができる。
【００６２】
また、本実施の形態において、蛍光体微粒子３２は、ノンドープ型の量子ドット蛍光体を用いたが、ドープ型の量子ドット蛍光体を用いてもよい。ドープ型の量子ドット蛍光体を構成する材料としては、例えば、ＺｎＳ：Ｍｎ２＋、ＣｄＳ：Ｍｎ２＋およびＹＶＯ４：Ｅｕ３＋の少なくとも１つを用いることができる。さらに、蛍光体微粒子３２は、より広義には蛍光体の大きさが蛍光の波長以下でありかつ表面欠陥による非発光再結合ロスを低減させた蛍光体微粒子あればよく、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅのナノ粒子を用いてもよい。
【００６３】
また、本実施の形態において、透明部材３１の樹脂材料はシリコーン樹脂としたが、この限りではない。透明部材３１の樹脂材料としては、シリコーン樹脂のほかに、アクリル樹脂やエポキシ樹脂のような透明な樹脂材料を用いることもできる。また、透明部材３１は、樹脂材料によって構成する必要はなく、例えば、低融点ガラスのような無機透明材料によって構成してもよい。この場合、無機透明材料に蛍光の波長以下の粒子径の蛍光体微粒子３２を混合させることで蛍光体含有部材３０を構成することができる。
【００６４】
また、本実施の形態において、第１の下地層２１、第２の下地層２２、第１のカバー層４１および第２のカバー層４２は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２およびＳｉＯ２の組み合わせによる多層膜としたが、この限りではない。下地部材２０およびカバー部材４０は、低屈折率材料と高屈折率材料との誘電体多層膜であることが好ましく、屈折率の低い材料としては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ（ｘ≦１）、ＬａＦ３、Ｌａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の複合酸化物、および、Ｐｒ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の複合酸化物のいずれか１つ、または、これらのうちの２種以上の材料による複合酸化物、あるいは、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＬｉＦ等のフッ化物等の誘電体材料を用いることができる。また、屈折率が高い材料としては、例えば、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のいずれか１つ、または、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のいずれかを主成分とした複合酸化物等を用いることができる。
【００６５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ線における本実施の形態に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。なお、図６Ａにおいて、図１に示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その説明は省略または簡略化する。
【００６６】
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、本実施の形態における蛍光体光学素子１００は、励起光源からの入射光によって蛍光発光する発光素子であって、例えばガラスや透明樹脂フィルムなどからなる透明基材１０と、透明基材１０の上に順に形成された、下地部材１２０、蛍光体含有層１３０およびカバー部材２４０からなる積層構造体とを備える。
【００６７】
下地部材１２０は、例えばＴｉＯ２からなる第２の屈折率層１２１ｂがＺｎＯからなる第１の屈折率層１２１ａで挟み込まれた第１の下地層１２１と、例えばＳｉＯ２からなる第２の下地層１２２とによって形成された誘電体多層膜であり、各層は、透明基材１０の主面（表面）に対して垂直な方向に積層されている。下地部材１２０は、第１の下地層１２１と第２の下地層１２２とが交互に積層され、複数の第１の下地層１２１と複数の第２の下地層１２２とが例えば５層以上積層された多層膜である。本実施の形態における下地部材１２０は、４層の第１の下地層１２１と３層の第２の下地層１２２との７層によって構成されている。なお、下地部材１２０における最下層と最上層とはいずれもＺｎＯ膜からなる第１の下地層２１となっている。
【００６８】
また、下地部材１２０は、励起光源からの入射光（励起光）の波長に対して透明であり、かつ、蛍光体含有層１３０から放射される蛍光の波長に対してミラーである。すなわち、下地部材１２０は、励起光を透過するとともに蛍光体含有層１３０からの蛍光を反射する第１のダイクロイックミラーとして機能する。
【００６９】
蛍光体含有層１３０は、下地部材１２０の上に形成されており、蛍光体含有部材１３３と、透明部材１３５とによって構成されている。蛍光体含有部材１３３は、透明材料によって構成される透明部材１３１と、透明部材１３１に含有され、励起光源からの入射光（励起光）によって蛍光発光する蛍光体微粒子１３２とからなる。蛍光体微粒子１３２は、例えば、ＩｎＰ量子ドット蛍光体のような粒子直径が１００ｎｍ以下の半導体微粒子を用いることができる。透明部材１３１は、第１の透明部材であって、例えば屈折率が１．４であるシリコーン樹脂などの透明材料を用いることができる。
【００７０】
透明部材１３５は、透明材料によって構成された複数の円柱状のロッドによって構成された第２の透明部材であって、図６Ｂに示すように、互いに三角格子の位置関係となるように下地部材１２０の上に立設されている。本実施の形態において、透明部材１３５は、透明材料のみによって構成されている。また、同図に示すように、蛍光体含有層１３０における蛍光体含有部材１３３は、立設された柱状の透明部材１３５の間を埋めるように形成されている。透明部材１３５の透明材料としては、蛍光体含有部材１３３における透明部材１３１における透明材料とは異なる屈折率の材料を用いることが好ましく、例えば屈折率が２．０のＺｎＯを用いることができる。
【００７１】
このように、本実施の形態において、蛍光体含有層１３０は、透明基材１０の主面に平面な方向である二次元平面方向において、蛍光体含有部材１３３と透明部材１３５とが交互に配置され、二次元周期構造による屈折率分布を有するように構成されている。このような二次元周期構造は、例えば、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であるフォトニック結晶によっても構成することができる。
【００７２】
カバー部材２４０は、ガラスなどの透明材料からなる透明基板であり、蛍光体含有層１３０の上に形成される。本実施の形態におけるカバー部材２４０は、一枚のガラス基板によって構成されている。
【００７３】
このように構成される蛍光体光学素子１００において、蛍光体含有部材１３３における蛍光体微粒子１３２の粒子径は、励起光源からの入射光の波長以下となるように構成されている。また、蛍光体含有層１３０の透明基材１０の主面に垂直な方向における任意の断面線による断面において、透明基材１０の主面に水平な方向における蛍光体含有部材１３３の厚み、すなわち、蛍光体含有層１３０の水平方向の厚みのうち透明部材１３５の厚みを除いた厚みも、励起光源からの入射光の波長以下となるように構成されている。
【００７４】
この構成により、例えば、蛍光体含有部材１３３の蛍光体微粒子１３２は、波長４５０ｎｍの励起光（入射光）を長波長変換して、例えばピーク波長が５４０ｎｍの蛍光を発する。この場合、蛍光体含有部材１３３の上記断面における厚み、すなわち、三角格子状に形成された透明部材１３５のピッチは、励起光の波長である４５０ｎｍ以下とする。より具体的には、蛍光体含有部材１３３の上記断面における厚みは、例えば蛍光のピーク波長（５４０ｎｍ）を透明部材１３１の屈折率（１．４）で割った３８０ｎｍ以下とする。
【００７５】
次に、このように構成された本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００の動作について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の動作を説明するための図である。
【００７６】
図７に示すように、透明基材１０側から入射した励起光源からの入射光１６３は、透明基材１０および下地部材１２０を透過し、蛍光体含有層１３０に入射する。蛍光体含有層１３０に入射した入射光１６３の一部は、蛍光体微粒子１３２によって蛍光１６５に変換され、蛍光体微粒子１３２に吸収されない入射光１６３の他の一部は、蛍光体含有層１３０を通過する。蛍光体含有層１３０を通過した入射光１６３の一部は、カバー部材２４０によって反射されて再び蛍光体含有層１３０に入射する。蛍光体含有層１３０に再入射した光の一部は、蛍光体微粒子１３２によって蛍光１６５に変換される。
【００７７】
蛍光体含有層１３０において変換された蛍光１６５や蛍光体微粒子１３２に反射された入射光１６３は、全方位に放射される。このうち、カバー部材２４０に入射した蛍光１６５は、カバー部材２４０を通過して所定の出射方向に放射される。一方、下地部材１２０に進行する蛍光１６５は、下地部材１２０によっては反射され、再び蛍光体含有層１３０およびカバー部材２４０を通過して所定の出射方向に放射される。
【００７８】
この場合、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００は、上述のとおり、蛍光体含有部材１３３の厚みが入射光１６３（励起光）の波長以下となるように、蛍光体含有層１３０は、蛍光１６５に対して、平面方向には蛍光１６５が伝搬しにくい周期構造が形成されているので、蛍光１６５は蛍光体含有層１３０の平面方向、すなわち透明基材１０の主面に平行な二次元方向にはほとんど伝搬しない。従って、蛍光１６５の発光面積を入射光１６３（励起光）の入射面積と同程度とすることができるので、蛍光体含有層１３０の面積を小さくすることなく、容易に蛍光１６５の発光面積を小さくすることができる。この結果、蛍光体光学素子１００の後段に配置される光学系等によって自由に光の進行方向を制御することができる。
【００７９】
次に、図７における本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００の動作について、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃの計算結果に基づいて説明する。図８Ａは、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の機能を説明するための計算パラメータを説明するための図である。具体的に図８Ａの左側図は、図６Ｂと同様に、蛍光体含有層１３０を断面方向から見た図であり、透明部材１３５のピッチがＰ、直径がＤとなるように定義される。また、任意の点で入射光１６３が蛍光１６５に変換され、当該蛍光１６５が三角格子状の透明部材１３５へ角度θで入射し、距離Ｌを伝搬したとする。このとき、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００における蛍光体含有層１３０の透過率は、図８Ａの右側図の計算パラメータに基づいて図８Ｂに示される。なお、図８Ｂでは、角度θが０度の場合と１５度の場合における透過率を示している。また、図８Ｃは、蛍光体含有層１３０の透過率の特性の効果を説明するための入射光１６３と蛍光１６５のスペクトルを示す図である。
【００８０】
ここで、励起光（入射光１６３）の波長は４５０ｎｍであり、本実施の形態における励起光はレーザ光とした。蛍光１６５は、ピーク波長が５４０ｎｍであり、量子ドット蛍光体からなる蛍光体微粒子１３２からの光であると仮定した。
【００８１】
図８Ｂに示すように、図８Ａの計算パラメータによって求められた蛍光体含有層１３０の透過率によると、蛍光体含有層１３０は、平面方向に対して、波長５２０ｎｍから波長５８０ｎｍの光は伝搬距離３μｍ以下の範囲でほとんど伝搬しないことが分かる。これらの光は蛍光体含有層１３０では吸収されず、また、下地部材１２０の方向へも伝搬できないため、蛍光体光学素子１００の上方、つまりカバー部材２４０の方向へと進む。このように、蛍光１６５の発光面積を大きくさせることなく、蛍光１６５を蛍光体光学素子１００から同一の方向へ放射させることができる。すなわち、蛍光体含有部材３０の面積を小さくすることなく、蛍光１６５の発光面積を小さくすることできる。
【００８２】
なお、波長４５０ｎｍの入射光１６３は、蛍光体微粒子１３２により散乱されて横方向に伝搬するが、入射位置の近傍の蛍光体微粒子１３２で吸収されて蛍光に変換されるため、発光面積が大きくなることはない。
【００８３】
次に、図９を用いて、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００の製造方法を説明する。図９は、本実施の形態に係る蛍光体光学素子の製造方法における各工程を説明するための断面図である。
【００８４】
まず、図９の（ａ）に示すように、例えばガラスや透明樹脂フィルムなどの透明な基材からなる透明基材１０の上に、例えばＴｉＯ２をＺｎＯで挟んだ膜からなる第１の下地層１２１と例えばＳｉＯ２からなる第２の下地層１２２とを交互に例えば９層積層して下地部材１２０を形成する。このとき、下地部材１２０の最表面がＺｎＯからなる第１の下地層１２１となるように形成する。
【００８５】
続いて、図９の（ｂ）に示すように、下地部材１２０（第１の下地層１２１）の上に、蛍光体含有層１３０の透明部材１３５の三角格子状の配置に対応させてパターニングされたレジスト１３６を形成する。なお、本実施の形態において、レジスト１３６は、平面視形状が円形の複数の開口が形成されている。
【００８６】
続いて、下地部材１２０上にレジスト１３６が形成された状態の透明基材１０を、７０℃に加熱した硝酸亜鉛六水和物およびヘキサメチレンテトラミンからなる酸化亜鉛結晶成膜用の水溶液におよそ５時間浸漬させることにより、図９の（ｃ）に示すように、ＺｎＯからなる柱状の透明部材１３５を形成する。
【００８７】
具体的には、０．１Ｍの硝酸亜鉛六水和物（和光純薬工業株式会社製、和光特級）と、０．１Ｍのヘキサメチレンテトラミン（和光純薬工業株式会社製、試薬特級）とを純水に溶解して調整することにより、酸化亜鉛結晶成膜用の水溶液を準備し、その調整した水溶液の溶液温度を７０℃として、上記の透明基材１０を当該水溶液に浸漬させる。これにより、パターニングされたレジスト１３６の開口部から露出する下地部材１２０（第１の下地層１２１）に、例えば５００ｎｍのＺｎＯ結晶が成長する。その後、水溶液から透明基材１０を取り出し、純水洗浄および乾燥を行う。
【００８８】
次に、図９の（ｄ）に示すように、レジスト１３６を除去する。これにより、下地部材１２０上に三角格子状に複数立設された円柱状の透明部材１３５を形成することができる。
【００８９】
次に、図９の（ｅ）に示すように、例えばＩｎＰ／ＺｎＳからなるコア・シェル型の量子ドット蛍光体である蛍光体微粒子１３２が例えばシリコーン樹脂からなる透明部材１３１に含有された蛍光体含有樹脂材料を、三角格子状に配置された透明部材１３５の上部から滴下する。その後、真空中に放置することにより、蛍光体微粒子１３２を含む蛍光体含有樹脂材料が透明部材１３５の間に充填される。
【００９０】
次に、図９の（ｆ）に示すように、例えばガラスからなるカバー部材２４０を透明部材１３５の上部から加圧しながら押し付けることで、蛍光体微粒子１３２が含有された透明部材１３１からなる蛍光体含有部材１３３と透明部材１３５とによって構成された蛍光体含有層１３０を形成することができる。これにより、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００を容易に製造することができる。
【００９１】
次に、本発明の実施の形態２の変形例１に係る蛍光体光学素子１００Ａについて、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態２の変形例１に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。なお、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ａの構成は、実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００の構成とほとんど同じであるので、本変形例では、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。なお、図１０において、図６Ａにおける構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００９２】
図１０に示すように、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ａは、図６Ａに示す実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００と比較して、カバー部材の構成が異なる。
【００９３】
すなわち、本変形例におけるカバー部材１４０は、例えばＴｉＯ２からなる第４の屈折率層１４１ｂがＺｎＯからなる第３の屈折率層１４１ａで挟み込まれた例えばＺｎＯ／ＴｉＯ２／ＺｎＯからなる第１のカバー層１４１と、例えばＳｉＯ２からなる第２のカバー層１４２とで構成される誘電体多層膜である。なお、第１のカバー層１４１と第２のカバー層１４２とは、透明基材１０の主面に対して垂直な方向に交互に積層されている。
【００９４】
また、カバー部材１４０は、下地部材１２０とは逆に、励起光源からの入射光（励起光）の波長に対してミラーであり、かつ、蛍光体含有層１３０から放射される蛍光の波長に対して透明である。すなわち、カバー部材１４０は、励起光を反射するとともに蛍光体含有層１３０からの蛍光を透過する第２のダイクロイックミラーとして機能する。
【００９５】
本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ａによれば、蛍光体含有層１３０の二次元周期構造における効果とともに、実施の形態１で説明したように、誘電体多層膜からなる下地部材１２０およびカバー部材１４０のダイクロイックミラーによる蛍光体含有層１３０を挟み込む効果を得ることができる。すなわち、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ａは、実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００と比べて、入射光が下地部材１２０を透過するとともにカバー部材１４０によって反射されるので蛍光体含有層１３０において効率良く蛍光を生成することができ、また、蛍光体含有層１３０で生成された蛍光は、カバー部材１４０を透過するとともに下地部材１２０によって反射するので、生成した蛍光を、効率良く蛍光体光学素子１００Ａの外部に出射させることができる。
【００９６】
次に、本発明の実施の形態２の変形例２に係る蛍光体光学素子１００Ｂについて、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。なお、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ｂの構成は、実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００の構成とほとんど同じであるので、本変形例では、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。なお、図１１において、図６Ａにおける構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００９７】
図１１に示すように、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ｂは、図６Ａに示す実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００と比較して、柱状の透明部材の構成が異なる。
【００９８】
すなわち、本変形例における透明部材１３５Ｂは、透明基材１０側（下地部材１２０側）から光出射側である表面側（カバー部材１４０側）に向かって、断面積の大きさが漸次小さくなるテーパー構造を有するように円錐台形状に構成されている。
【００９９】
本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ｂは、この構成により、蛍光体含有層１３０に占める蛍光体含有部材１３３の比率を、入射光の進行方向に対して傾斜をつけることができる。これにより、蛍光体微粒子１３２における蛍光変換効率を向上させることができるとともに、蛍光体微粒子１３２から放射される蛍光を透明部材１３５Ｂの側面で反射させて蛍光体光学素子１００Ｂの出射側に導くことができる。従って、蛍光体含有層１３０で生成した蛍光を、効率良く蛍光体光学素子１００Ｂの外部に出射させることができる。
【０１００】
次に、本発明の実施の形態２の変形例３に係る蛍光体光学素子１００Ｃについて、図１２Ａおよび図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、本発明の実施の形態２の変形例３に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ線における本発明の実施の形態２の変形例３に係る蛍光体光学素子の構成を示す断面図である。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて、図６Ａおよび図６Ｂにおける構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【０１０１】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ｃは、図６Ａおよび図６Ｂに示す蛍光体光学素子１００における蛍光体含有層１３０の蛍光体含有部材１３３と透明部材１３５とを反転させた構成となっている。
【０１０２】
すなわち、本変形例における蛍光体含有層１３０Ｃでは、蛍光体含有部材１３３が複数の円柱状のロッドからなり、互いに三角格子状に配置されている。また、蛍光体含有部材１３３の間を埋めるように透明部材１３５が形成されている。
【０１０３】
本変形例に係る蛍光体光学素子１００Ｃの構成によっても実施の形態２に係る蛍光体光学素子１００と同様の効果を得ることができる。つまり、二次元周期構造の設計に応じて蛍光体含有部材１３３および透明部材１３５の構成を自由に変更することが出来る。
【０１０４】
続いて、図１３を用いて、本実施の形態に係る蛍光体光学素子を用いた発光装置１９９の構成および動作について説明する。図１３は、本発明の実施の形態２に係る蛍光体光学素子を用いた発光装置の構成および動作を説明するための図である。
【０１０５】
図１３に示すように、本実施の形態における発光装置１９９は、凹部を有するパッケージ１５１と、凹部の底面に実装された発光素子１５０と、パッケージ１５１の上部に形成された蛍光体光学素子１００とを備え、発光素子１５０の光軸は、蛍光体光学素子１００における透明基材１０の表面に対して垂直である。以下、発光装置１９９の各構成について説明する。
【０１０６】
パッケージ１５１は、例えば白色樹脂によって構成されており、凹部の内側面は発光素子１５０が発する光を光取り出し方向（蛍光体光学素子１００側）に反射させるように傾斜された反射面となっている。なお、パッケージ１５１の凹部内には、散乱材が分散された透明樹脂が充填されていてもよい。
【０１０７】
発光素子１５０は、蛍光体光学素子１００に対する励起光源であって、例えば発光波長が３５０〜５００ｎｍの紫外光〜青色光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子である。本実施の形態における発光素子１５０は、発光波長が４５０ｎｍのＬＥＤチップを用いた。なお、パッケージ１５１の凹部の底面に実装された発光素子１５０は、パッケージ１５１の凹部底面に埋め込まれたリードフレーム（不図示）と電気的に接続されている。
【０１０８】
蛍光体光学素子１００は、パッケージ１５１の上面に、発光素子１５０と所定の距離をあけて配置される。本実施の形態において、蛍光体光学素子１００は、パッケージ１５１の凹部の開口を覆うように形成されている。なお、発光装置１９９の光出射側には、コリメートレンズ１５８が配置されている。
【０１０９】
このように構成される発光装置１９９によれば、発光素子１５０から出射された入射光１６３（励起光）は蛍光体光学素子１００に入射し、蛍光１６５に変換される。この蛍光１６５は、発光素子１５０から出射した所定のランバーシャン分布の入射光１６３よりも狭い配光角で蛍光体光学素子１００から放射され、コリメートレンズ１５８により平行光１６７に変換される。このとき、蛍光１６５は、発光素子１５０と同程度の面積の小さい発光面積から放射されるため、コリメートレンズ１５８により斜め光成分の小さい良好の平行光を得ることが出来る。
【０１１０】
以上、実施の形態２に係る蛍光体光学素子および発光装置について説明したが、本発明は、上記の実施の形態や変形例に限られるものではない。
【０１１１】
例えば、本実施の形態に係る発光装置１９９においては、発光素子１５０として、発光ダイオードを用いたが、光導波路が形成された端面出射型の発光素子である半導体レーザやスーパールミネッセントダイオードを用いてもよい。この場合、発光素子の出射光は、凹部底面に平行に出射されるので、当該出射光は、パッケージ側面の傾斜面を利用して垂直に立ち上げることが好ましい。また、発光素子１５０の発光波長は４５０ｎｍとしたが、例えば波長３８０ｎｍから４４０ｎｍの波長の光を出射する半導体レーザなどを用いてもよい。
【０１１２】
また、本実施の形態に係る蛍光体光学素子１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃにおいて、蛍光体含有部材１３３の蛍光体微粒子１３２は、ＩｎＰ／ＺｎＳのコア・シェル型の量子ドット蛍光体としたが、この限りではない。量子ドット蛍光体の材料としては、例えばＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂおよびＢＮから選択される少なくとも１つ、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体である、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＺｎＴｅから選択される少なくとも１つ、または、これらの混晶結晶よりなる群から選択される少なくとも１つを用いることができる。
【０１１３】
また、本実施の形態において、蛍光体微粒子１３２は、ノンドープ型の量子ドット蛍光体を用いたが、ドープ型の量子ドット蛍光体を用いてもよい。ドープ型の量子ドット蛍光体としては、例えば構成する材料を、ＺｎＳ：Ｍｎ２＋、ＣｄＳ：Ｍｎ２＋およびＹＶＯ４：Ｅｕ３＋の少なくとも１つを用いることができる。さらに、蛍光体微粒子１３２は、より広義には蛍光体の大きさが蛍光の波長以下でありかつ表面欠陥による非発光再結合ロスを低減させた蛍光体微粒子あればよく、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅのナノ粒子でもよい。
【０１１４】
また、本実施の形態において、透明部材１３１の樹脂材料はシリコーン樹脂としたが、この限りではない。透明部材１３１の樹脂材料としては、シリコーン樹脂のほかに、アクリル樹脂やエポキシ樹脂のような透明な樹脂材料を用いることもできる。また、透明部材１３１は、樹脂材料によって構成する必要はなく、例えば、低融点ガラスのような無機透明材料によって構成してもよい。この場合、無機透明材料に蛍光の波長以下の蛍光体微粒子１３２を混合させることで蛍光体含有部材１３３を構成することができる。
【０１１５】
また、本実施の形態において、第１の下地層１２１、第２の下地層１２２、第１のカバー層１４１および第２のカバー層１４２は、ＴｉＯ２、ＺｎＯおよびＳｉＯ２の組み合わせによる多層膜としたが、この限りではない。下地部材１２０およびカバー部材１４０は、低屈折率材料と高屈折率材料との誘電体多層膜であることが好ましく、屈折率の低い材料としては、例えば、Ｂｉ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘ（ｘ≦１）、ＬａＦ３、Ｌａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の複合酸化物、および、Ｐｒ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の複合酸化物のいずれか１つ、または、これらのうちの２種以上の材料による複合酸化物、あるいは、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＬｉＦ等のフッ化物等の誘電体材料を用いることができる。また、屈折率が高い材料としては、例えば、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のいずれか１つ、または、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５のいずれかを主成分とした複合酸化物等を用いることができる。
【０１１６】
以上、本発明に係る蛍光体光学素子および発光装置について、実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明に係る蛍光体光学素子および発光装置は、液晶テレビや液晶モニタなどにおけるバックライトの光源、または、プロジェクタなどの投影型ディスプレイの光源として有用である。
【符号の説明】
【０１１８】
１、１Ａ、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ  蛍光体光学素子
１０  透明基材
２０、１２０  下地部材
２１、１２１  第１の下地層
２１ａ、１２１ａ  第１の屈折率層
２１ｂ、１２１ｂ  第２の屈折率層
２２、１２２  第２の下地層
３０、３０Ａ、１３３  蛍光体含有部材
３０ａ  第１の蛍光体含有部材
３０ｂ  第２の蛍光体含有部材
３１、３５、１３１、１３５、１３５Ｂ  透明部材
３２、１３２  蛍光体微粒子
４０、１４０、２４０  カバー部材
４１、１４１  第１のカバー層
４１ａ、１４１ａ  第３の屈折率層
４１ｂ、１４１ｂ  第４の屈折率層
４２、１４２  第２のカバー層
５０、１５０  発光素子
５２、５８、１５８  コリメートレンズ
５４  反射ミラー
５６  集光レンズ
６０  出射光
６１、６２、６７、１６７  平行光
６３、１６３  入射光
６５、１６５  蛍光
９９、１９９  発光装置
１３０、１３０Ｃ  蛍光体含有層
１３６  レジスト
１５１  パッケージ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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