(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起用レーザ光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置において、
前記波長変換部材における励起用レーザ光受光面に、錐状または錐台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０．２以上であり、
前記波長変換部材は、多結晶からなる蛍光体によるものであって、前記励起用レーザ光および当該蛍光体から放射される蛍光を散乱する、屈折率が１．０以上の微小散乱体を含有し、当該波長変換部材における励起用レーザ光受光面に照射された波長６００ｎｍの光の光透過割合Ｔ〔％〕と当該波長変換部材における励起用レーザ光受光面に照射された波長６００ｎｍの光の光反射割合Ｒ〔％〕との比（Ｔ／Ｒ）が１〜２０であるものであることを特徴とする蛍光光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光光源装置に関する。更に詳しくは、励起光によって蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蛍光光源装置としては、レーザ光を励起光として蛍光体に照射し、当該蛍光体から蛍光を放射する構成のものが知られている。
このような蛍光光源装置の或る種のものは、図６に示すように、蛍光体によって構成された蛍光部材４１よりなる波長変換部材と、当該波長変換部材に励起光Ｌを照射する励起用レーザ光源４６と、当該波長変換部材からの蛍光Ｌ１を集光するレンズ４８とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。この波長変換部材は、接合部４３を介して光反射性基板４９上に配設されており、当該波長変換部材の表面が、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。この蛍光光源装置４０においては、波長変換部材の内部、すなわち蛍光部材４１の内部には、気孔が含有されている。
また、蛍光光源装置においては、波長変換部材における励起光入射効率を改善するために、波長変換部材の励起光受光面とされる表面に、周期構造を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。具体的に、特許文献２には、平板状の蛍光部材と、この蛍光部材の表面および周面を覆うように設けられた、略平板状の透光性部材とよりなる波長変換部材を備えた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、透光性部材は、励起光および蛍光部材の内部において生じる蛍光に透光性を有しており、波長変換部材の励起光受光面とされる表面には、凸部が周期的に配列されてなる周期構造が形成されている。また、透光性部材の内部には、気孔や散乱微小粒子が含有されている。
【０００３】
しかしながら、このような蛍光光源装置においては、気孔や散乱微小粒子によって励起光および蛍光が散乱されることから、それ起因して十分な蛍光強度を得ることができない、という問題がある。
具体的に説明すると、励起光受光面から波長変換部材の内部に入射した励起光の一部が気孔や散乱微小粒子によって散乱され、蛍光に変換されることなく当該励起光受光面から外部に出射される。そのため、蛍光部材の内部に入射した励起光を有効に利用することができないことから、蛍光出射面から出射される蛍光の光量が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６４４８４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３０７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、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】
【０００６】
本発明の蛍光光源装置は、励起用レーザ光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置において、
前記波長変換部材における励起光受光面に、錐状または錐台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０．２以上であり、
前記波長変換部材は、多結晶からなる蛍光体によるものであって、前記励起用レーザ光および当該蛍光体から放射される蛍光を散乱する、屈折率が１．０以上の微小散乱体を含有し、当該波長変換部材における励起用レーザ光受光面に照射された波長６００ｎｍの光の光透過割合Ｔ〔％〕と当該波長変換部材における励起用レーザ光受光面に照射された波長６００ｎｍの光の光反射割合Ｒ〔％〕との比（Ｔ／Ｒ）が１〜２０であるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の蛍光光源装置においては、波長変換部材が、励起光受光面に特定の周期構造が形成されており、また特定の屈折率を有する微小散乱体が含有されていて、光透過割合Ｔ〔％〕と光反射割合Ｒ〔％〕との比（Ｔ／Ｒ）が特定の範囲にあるものである。
そのため、励起光受光面において励起光（励起用レーザ光）が反射することが抑制または防止されることから、波長変換部材には高い励起光入射効率が得られる。
また、波長変換部材の内部に入射した励起光が蛍光に交換されることなく励起光受光面から外部に出射されることが抑制されると共に、波長変換部材の内部において、励起光の進行方向が微小散乱体によって変更されることから、励起光を蛍光に変換するための光路長が長くなる。その結果、波長変換部材の内部に入射した励起光を有効に利用することができる。
更に、波長変換部材の内部において、蛍光の進行方向が微小散乱体によって変更されることから、蛍光が蛍光出射面に到達しやすくなり、波長変換部材の内部に閉じ込められることが抑制される。その結果、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る。
従って、本発明の蛍光光源装置によれば、波長変換部材において、高い励起光入射効率が得られ、また内部に入射した励起光を有効利用して蛍光を生じさせ、しかもその蛍光を高い効率で外部に出射させることができるため、高い光利用効率が得られる。その結果、高い発光効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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】実験例１において得られた、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフである。
【図３】実験例２において得られた、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフである。
【図４】実験例３において得られた、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフである。
【図５】実験例１〜実験例３の結果に基づいて得られた、微小散乱体の屈折率と光利用効率との関係を示すグラフである。
【図６】従来の蛍光光源装置の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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る。
この蛍光光源装置１０は、図１に示すように、レーザダイオード１１よりなる励起用レーザ光源と、このレーザダイオード１１に対向して配置された蛍光発光部材２０とを備えている。この蛍光発光部材２０は、レーザダイオード１１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蛍光Ｌ１を放射する蛍光体を含有する波長変換部材２１を有するものである。
レーザダイオード１１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１１に接近した位置には、入射されたレーザダイオード１１からの励起光Ｌを平行光線として出射するコリメートレンズ１５が配置されている。また、コリメートレンズ１５と蛍光発光部材２０との間には、レーザダイオード１１からの励起光Ｌを透過すると共に波長変換部材２１からの蛍光Ｌ１を反射するダイクロイックミラー１６が、コリメートレンズ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。更に、ダイクロイックミラー１６と蛍光発光部材２０との間には、波長変換部材２１から出射された蛍光Ｌ１を集光するコンデンサーレンズ１７が配置されている。
【００１０】
蛍光発光部材２０は、図１に示されているように、平板状の基板３１の表面（図１における上面）上に、略平板状の波長変換部材２１が設けられたものである。
この波長変換部材２１は、平板状の蛍光部材２２と、この蛍光部材２２の表面（図１における上面）上に形成された、略平板状の周期構造体層２６を有しており、蛍光部材２２を構成する蛍光体から放射される蛍光Ｌ１を出射するものである。
波長変換部材２１においては、周期構造体層２６の表面（図１における上面）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。この周期構造体層２６の表面には、複数の凸部２８が周期的に配列されてなる周期構造２７が形成されている。
また、波長変換部材２１の裏面、すなわち蛍光部材２２の裏面（図１における下面）には、光反射膜（図示省略）が設けられており、また波長変換部材２１の側面には光拡散膜（図示省略）が設けられている。更に、光反射膜と基板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波長変換部材２１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（具体的には、例えば金錫（ＡｕＳｎ）合金（Ｓｎの含有割合２０質量％）、鉛（Ｉｎ）および金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金などよりなるもの）、銀焼結材などが用いられる。また、基板３１の裏面には、例えば銅などの金属よりなる放熱部材（図示省略）が配置されている。
この図の例において、光反射膜としては、増反射銀膜が用いられている。また、光拡散膜としては、例えばシリカ（ＳｉＯ2 ）およびチタニア（ＴｉＯ2 ）などの無機化合物よりなり、粒径が０．２ｎｍ以上であって０．１μｍ以下の微粒子よりなるものが用いられている。この光拡散膜は、具体的には、無機化合物の微粒子の水溶性混濁液を波長変換部材２１の周囲に塗布して乾燥することによって得られた無機拡散材よりなり、波長５５０ｎｍの光の反射率が９５．７％以上のものである。
【００１１】
波長変換部材２１は、レーザダイオード１１からの励起光Ｌおよび蛍光部材２２を構成する蛍光体からの蛍光Ｌ１を散乱する微小散乱体２５を含有するものである。
また、波長変換部材２１においては、当該波長変換部材２１における光透過割合Ｔ〔％〕と当該波長変換部材２１における光反射割合Ｒ〔％〕との比（Ｔ／Ｒ）が１〜２０とされ、好ましくは１〜１０である。
ここに、光透過割合Ｔ〔％〕は、励起光受光面に非励起光（具体的には、波長変換部材２１を構成する蛍光体を励起することのない光であって、例えば波長６００ｎｍの光）が照射されたときに、その光のうちの波長変換部材２１を透過する光の割合を示す値である。一方、光反射割合Ｒ〔％〕は、励起光受光面に非励起光が照射されたときに、その光のうちの波長変換部材２１によってはね返される光（具体的には、励起光受光面において反射される光および励起光受光面から出射される光）の割合を示す値である。すなわち、光透過割合Ｔ〔％〕は、励起光受光面に照射された光のうちの当該励起光受光面を介して波長変換部材２１の内部に入射され、当該励起光受光面に対向する面に向かって進行する光の割合を示す値である。一方、光反射割合Ｒ〔％〕は、励起光受光面に照射された光のうちの波長変換部材２１によってはね返される光（具体的には、励起光受光面において反射される光、および励起光受光面に入射したものの、微小散乱体２５によって励起光受光面に向かって散乱されて当該励起光受光面から出射される光）の割合を示す値である。
【００１２】
比（Ｔ／Ｒ）が上記の範囲にあることにより、後述の実験例から明らかなように、波長変換部材２１に高い光利用効率が得られる。
具体的に説明すると、波長６００ｎｍの光（波長変換部材で励起されない光）の（Ｔ／Ｒ）が上記の範囲内であることによれば、周期構造体層２６（周期構造２７）によって励起光受光面での励起光Ｌの反射が抑制される。それと共に、波長変換部材２１内に微小散乱体２５がある構造のため、当該波長変換部材２１の内部に入射した励起光Ｌは吸収され、励起光受光面に向かう方向に散乱された励起光が励起光受光面から出射されることが抑制される。そのため、波長変換部材２１の内部に入射した励起光Ｌが蛍光Ｌ１に交換されることなく励起光受光面から外部に出射されることが抑制されると共に、波長変換部材２１の内部において、励起光Ｌの進行方向が微小散乱体２５によって変更されることによって、励起光Ｌを蛍光Ｌ１に変換するための光路長が長くなり、波長変換部材２１で励起光Ｌを十分吸収することが可能となる。更に、励起光受光面近傍で励起光Ｌは蛍光Ｌ１に変換されるため、蛍光Ｌ１は取出されやすく、また、波長変換部材２１内で発生した蛍光Ｌ１は微小散乱体２５で光の向きが変わるため、蛍光出射面より蛍光Ｌ１が取り出されやすくなるために、蛍光の高い光取り出し効率が得られる。その結果、波長変換部材２１に高い光利用効率が得られる。
【００１３】
ここに、波長変換部材２１に得られる光利用効率とは、励起光受光面に入射され、当該励起光受光面から出射されることのない励起光Ｌの割合（以下、「励起光受光面における励起光Ｌの透過率」ともいう。）と蛍光出射面における光の取り出し効率との積、すなわち、励起光受光面における励起光Ｌの反射率と蛍光出射面における光の取り出し効率とに基づいて、下記数式（１）によって算出される値である。この励起光Ｌの透過率と光の取り出し効率との積は、蛍光部材２２の蛍光効率に比例するものであるため、当該積を、波長変換部材２１が励起光Ｌを蛍光Ｌ１に変換する割合とみなすことができる。この光利用効率が高い波長変換部材ほど高い蛍光変換能を有するものである。具体的に、波長変換部材２１の光利用効率は、蛍光出射面における光の取り出し効率と光透過割合Ｔ〔％〕とを乗ずることによって得ることができる。なお、本明細書において、光透過割合Ｔ〔％〕は、「励起光受光面における励起光Ｌの透過率」とみなすことのできる値であり、また光反射割合Ｒ〔％〕は、「励起光Ｌの反射率」とみなすことのできる値である。
【００１４】
数式（１）：
波長変換部材の光利用効率〔％〕＝（１００−励起光受光面における励起光の反射率〔％〕）×蛍光出射面における光の取り出し効率〔％〕
【００１５】
光透過割合Ｔ〔％〕および光反射割合Ｒ〔％〕は、下記のように測定される。
光透過割合Ｔ〔％〕は、先ず、半球状の積分球を、当該積分球の開口が波長変換部材２１の励起光受光面に対向する面（以下、「裏面」ともいう。）に対向するよう配置し、当該励起光受光面に対して非励起光（例えば波長６００ｎｍの光）を照射する。そして、非励起光の光強度Ｉ0 を測定すると共に、積分球において測定される、波長変換部材２１の裏面からの光の光強度Ｉr を測定し、得られた光強度Ｉ0 と光強度Ｉr に基づいて算出することができる。すなわち、光透過割合Ｔ〔％〕は、光強度Ｉ0 に対する光強度Ｉr の割合によって示される。
一方、光反射割合Ｒ〔％〕は、先ず、半球状の積分球を、当該積分球の開口が波長変換部材２１の励起光受光面に対向するよう配置し、当該励起光受光面に対して非励起光（例えば波長６００ｎｍの光）を照射する。そして、非励起光の光強度Ｉ0 を測定すると共に、積分球において測定される、波長変換部材２１の励起光受光面からの光の光強度Ｉf を測定し、得られた光強度Ｉ0と光強度Ｉf に基づいて算出することができる。すなわち、光反射割合Ｒ〔％〕は、光強度Ｉ0 に対する光強度Ｉf の割合によって示される。
【００１６】
波長変換部材２１において、光透過割合Ｔ〔％〕および光反射割合Ｒ〔％〕は、例えば周期構造２７の形状（アスペクト比（ｈ／ｄ））、微小散乱体２５の寸法（直径）および含有割合などによって制御することができる。
【００１７】
波長変換部材２１には、図１に示されているように、複数の微小散乱体２５が含有されており、それらの複数の微小散乱体２５は、蛍光部材２２に含有されている。
そして、この蛍光部材２２に含有されている複数の微小散乱体２５は、屈折率が１．０以上のものである。
具体的には、複数の微小散乱体２５は、各々、気孔、蛍光部材２２と異なる屈折率を有する微小粒子（以下、「散乱微小粒子」ともいう。）または粒界析出相によって構成されたものである。
【００１８】
微小散乱体２５を構成する散乱微小粒子としては、例えばアルミナ、イットリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウムおよびフッ化ストロンチウムなどの無機化合物よりなるものが挙げられる。
【００１９】
蛍光部材２２は、多結晶の蛍光体によるものであり、具体的には、多結晶の蛍光体よりなり、気孔、散乱微小粒子または粒界析出相よりなる微小散乱体２５が含有されたものである。すなわち、蛍光部材２２は、気孔、散乱微小粒子または粒界析出相を含有する多結晶の蛍光体によって構成されたものである。
蛍光部材２２が多結晶の蛍光体によって構成された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においては励起光Ｌの照射によって発生した熱が効率よく排熱されることから、蛍光部材２２が高温となることが抑制される。特に、微小散乱体２５として散乱微小粒子が用いられており、その散乱微小粒子が、蛍光部材２２を構成する蛍光体の熱伝導率よりも熱伝導率が高いものである場合には、蛍光部材２２の温度上昇がより一層抑制される。また、蛍光部材２２が多結晶の蛍光体によって構成されたものであることによれば、微小散乱体２５を含有する波長変換部材２１を容易に得ることができる。
【００２０】
蛍光部材２２を構成する多結晶の蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、（Ｙ，Ｇｄ）ＡＧ：Ｃｅ、ＬｕＡＧ：Ｃｅ、ＣＡＳＮ：Ｅｕ、サイアロン：Ｅｕなどが挙げられる。このような蛍光体において、賦活材のドープ量は、微小散乱体２５の構成などに応じて適宜に定められるが、具体的には０．５ｍｏｌ％程度である。
ここに、蛍光部材２２を構成する蛍光体から生じる蛍光Ｌ１は、例えばピーク波長が５２０〜６５０ｎｍの光である。
【００２１】
また、蛍光部材２２の厚みは、励起光有効利用性および排熱性の観点から、０．０５〜２．０ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
微小散乱体２５として気孔を有する蛍光部材２２は、例えば下記の（１）〜（３）の手法によって得ることができる。
これらの下記の（１）〜（３）の手法のうちでは、微小散乱体２５の寸法（直径）および含有割合の制御容易性の観点から（１）の手法が好ましい。
【００２３】
（１）先ず、原材料（具体的には母材、賦活材および焼成助剤）を、ボールミルなどを用いて粉砕処理することにより、サブミクロン以下の原材料微粉末を得る。そして、得られた原材料微粉末と、気孔形成用の樹脂製ビーズと、有機溶剤とにより、原材料微粉末および樹脂製ビーズが有機溶剤中において均一に分散されてなるスラリーを調製する。
次いで、得られたスラリーからスリップキャスト法によって成形体を作製し、その成形体を焼成処理する。そして、焼成体が形成される過程において樹脂製ビーズが焼失し、よって焼成体よりなり、微小散乱体２５として気孔を含有する蛍光部材２２が得られる。
この手法によれば、用いる樹脂ビーズの形状、粒径および個数を調整することにより、得られる蛍光部材２２における気孔の形状、大きさおよび気孔の含有割合（気孔率）を調整することができる。よって、微小散乱体２５の寸法（直径）、波長変換部材２１における微小散乱体２５の含有割合を調整することができるため、比（Ｔ／Ｒ）を容易に制御することができる。
【００２４】
（２）先ず、原材料（具体的には母材、賦活材および焼成助剤）を、ボールミルなどを用いて粉砕処理することにより、例えば直径が０．２μｍの原材料微粉末を得、得られた原材料微粉末と有機溶剤とによって原材料微粉末が有機溶剤中において均一に分散されてなるスラリーを調製する。
次いで、得られたスラリーからスリップキャスト法によって成形体を作製し、その成形体を焼成処理した後、真空焼成処理を行うことにより、焼成体よりなり、微小散乱体２５として気孔を含有する蛍光部材２２が得られる。ここに、真空焼成処理条件は、真空度が１×１０-7Ｐａ、焼成温度が１３００〜１７５０℃、保持時間（処理時間）が３時間である。
この手法によれば、真空焼成処理条件（具体的には真空焼成処理の焼成温度）を上記の範囲内で調整することにより、得られる蛍光部材２２の気孔率を０．６％未満の範囲における任意の割合となるように調整することができる。よって、微小散乱体２５の含有割合を調整することができる。
【００２５】
（３）先ず、原材料（具体的には母材、賦活材および焼成助剤）を、ボールミルなどを用いて粉砕処理することにより、例えば直径が０．２μｍの原材料微粉末を得、得られた原材料微粉末と有機溶剤とによって原材料微粉末が有機溶剤中において均一に分散されてなるスラリーを調製する。
次いで、得られたスラリーからスリップキャスト法によって成形体を作製し、その成形体を焼成処理した後、真空焼成処理を行う。ここに、真空焼成処理条件は、真空度が１×１０-7Ｐａ、焼成温度が１７５０℃、保持時間（焼成時間）が３時間であり、この真空焼成処理条件によれば、気孔率が９９．２〜９９．４％の焼成体が得られる。
その後、得られた焼成体に対して熱間等方圧加圧加工処理（ＨＩＰ）を施すことにより、焼成体よりなり、微小散乱体２５として気孔を含有する蛍光部材２２が得られる。ここに、熱間等方圧加圧加工処理条件は、加熱温度が１３５０〜１８００℃、保持時間（処理時間）が５時間である。
この手法によれば、熱間等方圧加圧加工処理の条件（具体的には熱間等方圧加圧加工処理の加熱温度）を上記の範囲内で調整することにより、得られる蛍光部材２２の気孔率を０．１〜０．８％の範囲における任意の割合となるように調整することができる。よって、微小散乱体２５の含有割合を調整することができる。
【００２６】
また、微小散乱体２５として粒界析出相を有する蛍光部材２２は、原材料（具体的には、母材の構成材料、母材、賦活材および焼成助剤）の配合比率を調製することによって得ることができる。
具体的には、例えば（Ｙ，Ｇｄ）ＡＧ：Ｃｅにおいては、母材の製造過程において、ＹＡＧにＧｄがドープされる。Ｇｄは、ＹＡＧにおけるＹと置換されるが、Ｇｄのドープ量が固溶限界を超えている場合には、粒界面に、ガドリウムアルミネートペロブスカイト構造の析出相（粒界面相）が生成する。すなわち、（Ｙ，Ｇｄ）ＡＧ：Ｃｅよりなる多結晶の蛍光体によって構成された蛍光部材２２を、粒界析出相を有するものとすることができる。また、（Ｙ，Ｇｄ）ＡＧ：Ｃｅだけでなく、ＹＡＧにＳｍ、Ｃｅなどをドープする場合にも粒界析出相を析出させることができる。
【００２７】
また、微小散乱体２５として散乱微小粒子を有する蛍光部材２２は、例えば下記の手法によって得ることができる。
先ず、原材料（具体的には母材、賦活材および焼成助剤）を、ボールミルなどを用いて粉砕処理することにより、サブミクロン以下の原材料微粉末を得る。そして、得られた原材料微粉末と、散乱微小粒子と、有機溶剤とにより、原材料微粉末および散乱微小粒子が有機溶剤中において均一に分散されてなるスラリーを調製する。
次いで、得られたスラリーからスリップキャスト法によって成形体を作製し、その成形体を焼成処理ことにより、焼成体よりなり、微小散乱体２５として散乱微小粒子を含有する蛍光部材２２が得られる。
この手法によれば、用いる散乱微小粒子の形状、粒径および個数を調整することにより、得られる蛍光部材２２における微小散乱体２５の形状、大きさおよび気孔の含有割合（気孔率）を調整することができる。よって、微小散乱体２５の直径、波長変換部材２１における微小散乱体２５の含有割合を調整することができるため、比（Ｔ／Ｒ）を容易に制御することができる。
【００２８】
周期構造体層２６は、波長変換部材２１の励起光受光面とされる表面（図１における上面）に、周期構造２７が形成されたものである。
この周期構造２７を構成する凸部２８は、図１に示されているように、裏面から表面に向かう方向に沿って小径となる略錐状の形状とされる。
具体的に、凸部２８の形状は、図１に示されているような錐台状（図１においては円錐台状）、または錐状である。
ここに、凸部２８の形状が錐台状である場合には、上底部の寸法（最大寸法）は、励起光Ｌの波長未満とされる。
この図の例において、周期構造２７は、蛍光部材２２の表面を覆う平板状の薄膜部上に、円錐台状の凸部２８が密集した状態で二次元周期的に配列されてなるものである。
【００２９】
凸部２８の形状が錐状または錐台状とされることにより、励起光Ｌが空気（屈折率が１）中から励起光受光面、すなわち周期構造体層２６の表面に照射されたときに、励起光Ｌが凸部２８のテーパ面に対して傾斜した方向から入射されこととなる。そのため、屈折率が急激に変化する界面が実質的になくなることから、励起光受光面において励起光Ｌが反射することを防止または抑制することができる。
【００３０】
また、凸部２８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）は、１１°以上であることが好ましい。
テーパ面の傾斜角度が過小である場合には、空気と励起光受光面を構成する部材の材料（具体的には周期構造体層２６を構成する材料）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。
【００３１】
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。
ここに、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中心間距離（ｎｍ）を意味する。
【００３２】
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り、周期構造体層２６の表面、すなわち波長変換部材２１の表面において励起光Ｌが反射することを抑制することができる。そのため、周期構造体層２６の表面に励起光Ｌが照射されたときに、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２７におけるアスペクト比が０．２以上とされることによれば、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。
【００３３】
また、周期構造２７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）の大きさであることが好ましい。
具体的には、周期構造２７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２７を構成する材料（具体的には、周期構造体層２６を構成する材料）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。
周期構造２７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、波長変換部材２１の蛍光出射面である周期構造体層２６の表面から蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射することができる。
【００３４】
周期構造体層２６を構成する材料は、励起光Ｌおよび蛍光Ｌ１に対する透光性を有するものであり、また蛍光部材２２における蛍光体を励起するエネルギーが約５Ｗ／ｍｍ2 以上の励起密度を有することから、無機材料であることが好ましい。
【００３５】
また、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２２の屈折率より大きいものを用いることが好ましい。
周期構造体層２６を構成する材料として蛍光部材２２より高屈折率のものを用いることによれば、蛍光部材２２内で生じた蛍光Ｌ１が、蛍光部材２２と周期構造体層２６との界面において全反射することがない。しかも、蛍光部材２２と周期構造体層２６との界面に入射した蛍光Ｌ１は、当該界面を透過することによって界面での出射角が小さくなるように屈折が生じる。そのため、蛍光Ｌ１の進行方向が蛍光部材２２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Ｌ１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る。その結果、蛍光Ｌ１を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。また、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。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールドの作製やインプリント作業を容易に行うことができる。
【００３６】
周期構造体層２６を構成する材料としては、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。
【００３７】
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２２の表面に塗布して、モールド型を押付しつ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。
また、周期構造体層２６は、ナノインプリント法とドライエッチング処理とを用いても形成することができる。具体的には、平板状の無機材料層の表面に、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、ドライエッチング処理を施すことにより、表面に周期構造２７が形成された、無機材料からなる周期構造体層２６が形成される。
【００３８】
基板３１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、その他、銅、モリブデンと銅の合金（Ｍｏ−Ｃｕ）などの材料よりなる金属基板が用いられる。また、基板３１の厚みは、例えば０．５〜５．０ｍｍである。また、基板３１を構成するアルミ基板および金属基板は、放熱フィンの機能を兼ね備えたものであってもよい。
【００３９】
この蛍光光源装置１０において、レーザダイオード１１から出射された励起光Ｌは、コリメートレンズ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およびコンデンサーレンズ１７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２２に入射される。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る。これにより、蛍光部材２２において、蛍光体から蛍光Ｌ１が放射される。この蛍光Ｌ１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、コンデンサーレンズ１７によって集光された後、ダイクロイックミラー１６によって垂直方向に反射され、蛍光光源装置１０の外部に出射される。
【００４０】
而して、蛍光光源装置１０においては、波長変換部材２１が、励起光受光面に周期構造２７が形成されており、また特定の屈折率を有する微小散乱体２５を含有し、比（Ｔ／Ｒ）が特定の範囲にあるものである。
そのため、波長変換部材２１の励起光受光面において励起光Ｌが反射することが抑制されることから、波長変換部材２１には高い励起光入射効率が得られる。
また、蛍光部材２２の内部に入射した励起光が蛍光に交換されることなく励起光受光面から外部に出射されることが抑制されると共に、蛍光部材２２の内部において、励起光Ｌの進行方向が微小散乱体２５によって変更されることから、励起光Ｌを蛍光Ｌ１に変換するための光路長が長くなる。その結果、波長変換部材２１の内部に入射した励起光Ｌを有効に利用することができる。
更に、蛍光部材２２の内部において、蛍光Ｌ１の進行方向が微小散乱体２５によって変更されることから、蛍光が蛍光出射面に到達しやすくなり、蛍光Ｌ１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る。その結果、波長変換部材２１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。
従って、蛍光光源装置１０によれば、波長変換部材２１において、高い励起光入射効率が得られ、また内部に入射した励起光を有効利用して蛍光Ｌ１を生じさせ、しかもその蛍光Ｌ１を高い効率で外部に出射させることができるため、高い光利用効率が得られる。その結果、高い発光効率を得ることができる。
【００４１】
しかも、蛍光光源装置１０においては、蛍光部材２２の内部における励起光Ｌを蛍光Ｌ１に変換するための光路長が微小散乱体２５の作用によって長くなることから、励起光有効利用性が低下するという弊害を伴うことなく、蛍光部材２２の厚みを小さくし、よって波長変換部材２１の厚みを小さくすることができる。そして、波長変換部材２１の厚みを小さくすることによれば、当該波長変換部材２１の熱抵抗が低減されることから、波長変換部材２１の温度上昇が抑制される。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ことから、より一層高い発光効率が得られる。具体的には、波長変換部材２１における蛍光部材２２の厚みを０．１３ｍｍから０．１ｍｍと小さくすることにより、波長変換部材２１の温度を３０℃低減させ、光取り出し効率を１３％向上させることができる。
【００４２】
また、蛍光光源装置１０は、波長変換部材２１が、蛍光部材２２と周期構造体層２６とからなるものであることから、蛍光部材２２を周期構造が形成されたものとする必要がない。そのため、波長変換部材２１の励起光受光面における周期構造２７の形成が容易となる。
【００４３】
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、製造容易性の観点からは、蛍光部材と周期構造体層とからなるものであることが好ましいが、蛍光部材よりなり、当該蛍光部材の表面に特定の周期構造が形成されたものであってもよい。
具体的に、波長変換部材は、例えば図１の蛍光光源装置１０を構成する波長変換部材２１において、周期構造体層が設けられておらず、蛍光部材における励起光受光面とされる表面に周期構造が形成されていること以外は、当該図１の蛍光光源装置１０を構成する波長変換部材２１と同様の構成を有するものであってもよい。
【００４４】
また、波長変換部材は、励起光受光面に特定の周期構造が形成されていると共に、屈折率が１．０以上の微小散乱体を含有しており、比（Ｔ／Ｒ）が特定の範囲にあるものであればよく、波長変換部材における蛍光出射面が、励起光受光面を構成する面およびその面に対向する面によって形成されたものであってもよい。
【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では、１つの励起用レーザ光源（例えば、レーザダイオード）の光を用いているが、励起用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、励起用レーザ光はレーザダイオードのレーザ光に限るものではなく、波長変換部材を励起できるレーザ光を放射するものであれば種々のものを用いることができる。ここに、励起用レーザ光源としては、波長変換部材２１（蛍光部材２２）を構成する蛍光体の種類などに応じて適宜の波長の光を放射するものが用いられるが、例えば波長４４５〜４６５ｎｍの光を放射するものが用いられる。
【００４６】
以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００４７】
〔実験例１〕
先ず、直径が２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２０００ｎｍおよび４０００ｎｍの５種類の樹脂製ビーズを用意した。そして、これらの５種類の樹脂製ビーズの各々を用い、図１の構成を有し、直径が２５０ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２０００ｎｍまたは４０００ｎｍの気孔よりなる微小散乱体（２５）を含有し、比（Ｔ／Ｒ）が異なる複数の波長変換部材（２１）を作製した。これらの複数の波長変換部材（２１）において、各々、周期構造体層（２６）は、蛍光部材（２２）の表面にスパッタ膜を形成し、そのスパッタ膜の表面に凹凸構造を形成することによって得られたものである。その作製した複数の波長変換部材（２１）は、下記の仕様を有するものである。
また、微小散乱体（２５）を含有しないこと以外は、前記の複数の波長変換部材（２１）と同様の構成を有する波長変換部材を作製した。この波長変換部材(２１)における蛍光部材（２２）の気孔率は０．５％以下である。
作製した微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）の各々において、比（Ｔ／Ｒ）は、半球状の積分球を用い、波長６００ｎｍの光（非励起光）を照射することによって、光透過割合Ｔ〔％〕および光反射割合Ｒ〔％〕を測定し、得られた値に基づいて算出した。
【００４８】
［蛍光部材（２２）］
材質：ＹＡＧ：Ｃｅよりなる多結晶の蛍光体（Ｃｅのドープ量：０．５ｍｏｌ％，屈折率＝１．８３，励起波長＝４４５ｎｍ，蛍光波長＝５５０ｎｍ），寸法：５ｍｍ（縦）×５ｍｍ（横）×０．１３ｍｍ（厚み）
［周期構造体層（２６）］
材質：ＺｒＯ2 （屈折率＝２．１），寸法：５ｍｍ（縦）×５ｍｍ（横）×５５０ｎｍ（最大厚み），周期構造（２７）の形状：円錐台状の凸部（２８）の高さ（ｈ）＝２８０ｎｍ，凸部（２８）の下底部の幅＝３７０ｍｍ，周期（ｄ）＝４６０ｎｍ，アスペクト比（ｈ／ｄ）＝０．６，薄膜部（凸部（２８）以外の厚み）の厚み：２７０ｎｍ
【００４９】
作製した複数の波長変換部材（２１）の各々を用いて、下記の仕様を有する蛍光発光部材（２０）を作製した。
そして、作製した複数の蛍光発光部材（２０）の各々に対して、波長変換部材（２１）の表面（蛍光部材（２２）の表面）に、励起用レーザ光を照射し、当該表面における光取り出し効率を測定した。そして、上記数式（１）に基づいて、得られた光取り出し効率と光透過割合Ｔ〔％〕とを乗ずることによって光利用効率を算出した。微小散乱体（２５）を含有しない波長変換部材（２１）の光利用効率は７５％であった。また、微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）の各々に係る結果を図２に示す。この図２は、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフであり、直径２５０ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を三角プロットで示す。また、直径５００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を乗算記号プロットで示し、直径１０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果をアスタリスクプロットで示し、直径２０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を丸プロットで示し、直径４０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果をプラス記号プロットで示す。また、同図において、グラフ上の縦軸に平行な破線の直線は、比（Ｔ／Ｒ）が１の基準線であり、グラフ上の横軸に平行な破線の直線は、光利用効率が７５％の基準線である。なお、この基準線に係る光利用効率の値７５％は、微小散乱体（２５）を含有しない波長変換部材（２１）の光利用効率に基づくものである。
【００５０】
［基板（３１）］
材質：Ｍｏ−Ｃｕ基板，外形寸法：１７ｍｍ（縦）×１７ｍｍ（横）×０．５ｍｍ
［光反射膜］
材質：銀，厚み：１１０ｎｍ
［光拡散膜］
材質：無機拡散材（アルカリ性水溶液とシリカおよび酸化チタンの微小粒子との混濁液を乾燥したもの），光拡散特性：波長５５０ｎｍの光の反射率が９５．７％以上
［接合部材］
材質：半田（金錫（ＡｕＳｎ）合金（Ｓｎの含有割合２０質量％））
【００５１】
〔実験例２〕
実験例１において、５種類の樹脂製ビーズに代えて、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ2 ，屈折率１．３８）よりなり、直径が２０００ｎｍ、３０００ｎｍ、５０００ｎｍおよび８０００ｎｍの４種類の散乱微小粒子を用いたこと以外は、当該実験例１と同様の手法により、図１の構成を有し、直径が２０００ｎｍ、３０００ｎｍ、５０００ｎｍおよび８０００ｎｍの散乱微小粒子よりなる微小散乱体（２５）を含有し、比（Ｔ／Ｒ）が異なる複数の波長変換部材（２１）を作製した。ここに、比（Ｔ／Ｒ）は、実験例１と同様の手法によって算出した。
そして、作製した複数の波長変換部材（２１）の各々を用いて、上記の仕様を有する蛍光発光部材（２０）を作製し、それらの複数の蛍光発光部材（２０）の各々に対して、波長変換部材（２１）の表面（蛍光部材（２２）の表面）に、励起用レーザ光を照射し、当該表面における光取り出し効率を測定した。そして、上記数式（１）に基づいて、得られた光取り出し効率と光透過割合Ｔ〔％〕とを乗ずることによって光利用効率を算出した。結果を図３に示す。この図３は、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフであり、直径２０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を菱形プロットで示す。また、直径３０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を四角プロットで示し、直径５０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を三角プロットで示し、直径８０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を乗算記号プロットで示す。また、同図において、グラフ上の縦軸に平行な破線の直線は、比（Ｔ／Ｒ）が１の基準線であり、グラフ上の横軸に平行な破線の直線は、光利用効率が７５％の基準線である。なお、この基準線に係る光利用効率の値７５％は、図２と同様に、微小散乱体（２５）を含有しない波長変換部材（２１）の光利用効率に基づくものである。
【００５２】
〔実験例３〕
実験例１において、５種類の樹脂製ビーズに代えて、アルミナ（屈折率１．７６）よりなり、直径が５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２０００ｎｍおよび５０００ｎｍの４種類の散乱微小粒子を用いたこと以外は、当該実験例１と同様の手法により、図１の構成を有し、直径が５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２０００ｎｍおよび５０００ｎｍの散乱微小粒子よりなる微小散乱体（２５）を含有し、比（Ｔ／Ｒ）が異なる複数の波長変換部材（２１）を作製した。ここに、比（Ｔ／Ｒ）は、実験例１と同様の手法によって算出した。
そして、作製した複数の波長変換部材（２１）の各々を用いて、上記の仕様を有する蛍光発光部材（２０）を作製し、それらの複数の蛍光発光部材（２０）の各々に対して、波長変換部材（２１）の表面（蛍光部材（２２）の表面）に、励起用レーザ光を照射し、当該表面における光取り出し効率を測定した。そして、上記数式（１）に基づいて、得られた光取り出し効率と光透過割合Ｔ〔％〕とを乗ずることによって光利用効率を算出した。結果を図４に示す。この図４は、比（Ｔ／Ｒ）と光利用効率との関係を示すグラフであり、直径５００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を菱形プロットで示す。また、直径１０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を四角プロットで示し、直径２０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を三角プロットで示し、直径５０００ｎｍの微小散乱体（２５）を含有する波長変換部材（２１）に係る蛍光発光部材（２０）の測定結果を乗算記号プロットで示す。また、同図において、グラフ上の縦軸に平行な破線の直線は、比（Ｔ／Ｒ）が１の基準線であり、グラフ上の横軸に平行な破線の直線は、光利用効率が７５％の基準線である。なお、この基準線に係る光利用効率の値７５％は、図２および図３と同様に、微小散乱体（２５）を含有しない波長変換部材（２１）の光利用効率に基づくものである。
【００５３】
これらの実験例１〜実験例３の結果から、波長変換部材として、励起光受光面に特定の周期構造が形成されていると共に、屈折率が１．０以上の微小散乱体を含有し、比（Ｔ／Ｒ）が１〜２０の範囲内であるものを用いることにより、微小散乱体を含有しない波長変換部材を用いた場合よりも高い光利用効率（具体的には７５％以上）が得られることが確認された。すなわち、本発明の蛍光光源装置によれば、高い発光効率が得られることが確認された。また、特に、波長変換部材において、比（Ｔ／Ｒ）が１〜１０の範囲内である場合には、７８％以上のより高い光利用効率が得られることが確認された。
また、波長変換部材においては、微小散乱体が気孔および散乱微小粒子のいずれかによって構成されたものであってもよいことが確認された。このことから、波長変換部材における屈折率が１．０以上の微小散乱体は、気孔、散乱微小粒子および粒界析出相のいずれか、あるいはいずれの組み合わせによって構成できるものであることが明らかとなった。
【００５４】
また、実験例１〜実験例３の結果に基づいて、微小散乱体の屈折率と最大光利用効率との関係を確認した。ここに、最大利用効率とは、実験例１〜実験例３の各々において得られた光利用効率の最大値を示す。結果を図５に示す。
この結果から、微小散乱体の屈折率に比例して光利用効率が高くなることが確認された。
【符号の説明】
【００５５】
１０    蛍光光源装置
１１    レーザダイオード
１５    コリメートレンズ
１６    ダイクロイックミラー
１７    コンデンサーレンズ
２０    蛍光発光部材
２１    波長変換部材
２２    蛍光部材
２５    微小散乱体
２６    周期構造体層
２７    周期構造
２８    凸部
３１    基板
４０    蛍光光源装置
４１    蛍光部材
４３    接合部
４６    励起用レーザ光源
４８    レンズ
４９    光反射性基板
Ｌ    励起光
Ｌ１    蛍光
【要約】
【課題】高い発光効率が得られる蛍光光源装置を提供すること。
【解決手段】蛍光光源装置は、励起用レーザ光により蛍光を出射する波長変換部材を備えた蛍光光源装置において、前記波長変換部材における励起用レーザ光受光面に、錐状または錐台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０．２以上であり、前記波長変換部材は、多結晶からなる蛍光体によるものであって、前記励起用レーザ光および当該蛍光体から放射される蛍光を散乱する、屈折率が１．０以上の微小散乱体を含有し、当該波長変換部材における光透過割合Ｔ〔％〕と当該波長変換部材における光反射割合Ｒ〔％〕との比（Ｔ／Ｒ）が１〜２０であるものであることを特徴とする。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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