(57)【要約】【課題】光デバイスの発光効率を向上させる。【解決手段】ある実施形態における光デバイスは、金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、を備える。前記蛍光層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長く、前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。【選択図】図１
2018142531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、
前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、
を備え、
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長く、
前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる、
光デバイス。
【請求項２】
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が８０％以上になる波長域の幅は、５００ｎｍ以上である、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる第１の波長は、前記蛍光体層の側から前記光反射膜に入射角４５°で入射する光の反射率が最大になる第２の波長よりも長く、前記第１の波長と前記第２の波長との差は、７０ｎｍ以下である、
請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１の波長と前記第２の波長との差は、４０ｎｍ以下である、
請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記誘電体層の膜厚は、４００ｎｍ以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項６】
前記誘電体層の膜厚は、２００ｎｍ以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項７】
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数１】
2018142531.tif 000029
を満たす、
請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数２】
2018142531.tif 000030
を満たす、
請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項９】
【数３】
2018142531.tif 000031
を満たす、
請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数４】
2018142531.tif 000032
を満たす、
請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記蛍光体層の発光スペクトルは、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に、少なくとも１つのピークを有する、
請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記金属層を支持する基板をさらに有する、
請求項１から１１のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記金属層は、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも１つを含む、
請求項１から１２のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記蛍光体層は、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネットを含む、
請求項１から１３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記光源は、固体レーザを含む、
請求項１から１４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記光源からの光は、前記蛍光体層の、前記誘電体層とは反対側の面から入射する、
請求項１から１５のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１７】
金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、
前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、
を備え、
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記光源の発光スペクトルと、前記蛍光体層の発光スペクトルとを合わせた光スペクトルの重心波長よりも長く、
前記誘電体層は、２以上５以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる、
光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化および長寿命化のニーズにより、固体光源を用いた光学デバイスが注目されている。レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ（ＬＤ））および発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ（ＬＥＤ））などの固体光源と蛍光体とを組み合わせた高効率な蛍光体デバイスの開発が行なわれている。
【０００３】
従来、蛍光体デバイスを高効率化する方法として、励起光源と蛍光体層とを空間的に離して配置し、蛍光体層の温度上昇を抑制する反射方式の装置が提案されている。例えば、特許文献１は、そのような反射方式の装置を開示している。反射方式の蛍光体デバイスは、蛍光体層と基板との間に反射層を備える。励起光より励起された蛍光体層から発せられた光は、反射層で反射されて利用される。特許文献１の構成では、基板としてアルミニウム製の平板が用いられ、反射層として銀が用いられている。特許文献２は、反射層として、銀およびアルミニウムなどの金属膜が用いられた構成を開示している。
【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２０１６−０５８３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、蛍光体層から発せられた光を効率よく反射させることによって、光デバイスの効率を上げる新規な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る光デバイスは、金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、を備える。前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長く、前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。
【０００７】
本開示の他の態様に係る光デバイスは、金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、を備える。前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記光源の発光スペクトルと、前記蛍光体層の発光スペクトルとを合わせた光スペクトルの重心波長よりも長く、前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。
【０００８】
上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の技術によれば、蛍光体層から発せられた光を効率よく反射させることによって、光デバイスの効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態における、光デバイス５０の構成例を示す図である。
【図２】図２は、蛍光体層２０から発せられた光が、誘電体層４２に入射し、透過または反射されることを模式的に示す図である。
【図３】図３は、蛍光体層２０から光反射膜４０に入射する光量の入射角度依存性を説明するための図である。
【図４Ａ】図４Ａは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλより小さい場合における、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、蛍光体層２０の発光スペクトルとを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλに一致する場合における、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、蛍光体層２０の発光スペクトルとを示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλよりも大きい場合における、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、蛍光体層２０の発光スペクトルとを示す図である。
【図５】図５は、波長λ０およびλｃが等しい場合における、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルとを示す図である。
【図６】図６は、波長λ０と波長λｃが一致する場合から（図５参照）、Δλａだけ長波長側にシフトさせたときの、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルとを示す図である。
【図７】図７は、金属層４１上に４層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（実線）と、金属層４１上に１０層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（破線）とにおける、ある入射角度での光反射膜４０の反射率のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８は、金属層４１上に６０層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０の反射率のシミュレーション結果を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルおよび蛍光体層２０の発光スペクトルの例を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルおよび蛍光体層２０の発光スペクトルの他の例を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、光反射膜４０の反射スペクトルを示す図である。
【図１１】図１１は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光スペクトルを示す図である。
【図１２】図１２は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、様々なλ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。
【図１３】図１３は、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体の発光スペクトルを示す図である。
【図１４】図１４は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、λ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。
【図１５】図１５は、ＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた蛍光体の発光スペクトルを示す図である。
【図１６】図１６は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、λ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。
【図１７】図１７は、光反射膜の構成の一実施例を示す図である。
【図１８】図１８は、表１の条件で作製した光反射膜の反射スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１２】
本明細書において、「光」とは、可視光に加えて、紫外線および赤外線の範囲にある電磁波を意味する。より具体的には、波長がおよそ１０ｎｍ以上１ｍｍ以下の範囲にある電磁波を「光」と称する。
【００１３】
特許文献２は、反射層として金属材料を含み、さらに、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）または全方向性反射器（ＯＤＲ）を備えた構成を開示している。しかし、金属層上にＤＢＲを形成した場合、反射スペクトルに干渉の効果が現れ、ある波長において反射率が大きく低下する。そのため、４００−７００ｎｍの全波長領域にて反射率を約１００％にすることが困難であり、光デバイスの効率を高くすることが出来ない。
【００１４】
また、反射層に誘電体多層膜を適用する場合、入射角度によって反射スペクトルが短波長側にシフトし、反射率が徐々に低下する。そのため、後述する蛍光体層の直下に反射層を設ける本開示の光デバイスにおいては、反射層として誘電体多層膜は適さない。
【００１５】
蛍光体デバイスを作製する際に、蛍光体の発光スペクトルの重心波長と、反射層に垂直に入射した光の反射スペクトルが最大になる波長とが一致するように設計することが一般的である。重心波長とは、発光スペクトルを重みとする波長の加重平均である。言い換えれば、重心波長は、蛍光体から発せられる光の波長と当該波長の光の強度との積を発光波長の全域にわたって積分した値を、光の強度を発光波長の全域にわたって積分した値で割った値を意味する。重心波長を「平均波長」と称することもある。蛍光体が発する光に加えて、励起光源からの光（以下、「励起光」とも称する。）も利用する場合には、当該励起光も含めた重心波長と、垂直入射した光の反射スペクトルが最大になる波長とが一致するように設計することが一般的である。重心波長の代わりに、ピーク波長を用いてもよい。
【００１６】
金属は、反射特性に角度依存性を殆ど有しない。したがって、反射層として金属層を用いる場合には、上記の設計によって蛍光体デバイスの効率は最大になる。
【００１７】
一方、誘電体層は反射特性に角度依存性を有する。よって、増反射膜が誘電体層を含む場合、増反射膜は反射特性に角度依存性を有する。本発明者らの検討によれば、蛍光体から反射層に入射する光の量は、入射角度が大きくなるにつれて増加する。このため、大きい角度で反射層に入射する光の反射特性は、蛍光体デバイスの効率に大きく寄与する。しかし、従来の蛍光体デバイスでは、誘電体層の反射特性の角度依存性を考慮した設計はなされていなかった。本発明者らは、蛍光体デバイスの効率を上げるためには、反射特性の角度依存性を考慮して、光反射膜を設計することが望ましいことを見出した。
【００１８】
本発明者は、以上の知見に基づき、以下に説明する本開示の各態様に想到した。
【００１９】
本開示の一態様に係る光デバイスは、金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、を備える。前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長く、前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。
【００２０】
本開示の他の態様に係る光デバイスは、金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、を備える。前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直入射する光の反射率が最大になる波長は、前記光源の発光スペクトルと、前記蛍光体層の発光スペクトルとを合わせた光スペクトルの重心波長よりも長く、前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。
【００２１】
上記構成により、後述するように、光デバイスの効率を上げることができる。
【００２２】
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する機能を有する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００２３】
（実施形態）
本実施形態における光デバイスは、金属膜および誘電体層を含む光反射膜と、蛍光体層とを備える。誘電体層は、金属膜の上に配置される。蛍光体層は、誘電体層の上に配置される。蛍光体層は、光源からの光によって励起されることで発光する。蛍光体層の側から光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長い。あるいは、誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、光源の発光スペクトルと、蛍光体層の発光スペクトルとの両方を含む光スペクトルの重心波長よりも長い。前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。
【００２４】
上記の構成により、蛍光体層から発せられた光を効率よく反射させることができ、光デバイスの効率を上げることができる。
【００２５】
図１は、本実施形態における光デバイス５０の構成例を示す図である。光デバイス５０は、基板３０と、基板３０上の光反射膜４０と、蛍光体層２０とを備える。光反射膜４０は、金属層４１と、誘電体層４２とを含む。基板３０、金属層４１、誘電体層４２、および蛍光体層２０は、この順に積層されている。基板３０は、金属層４１を支持する。誘電体層４２は、金属層４１の上に配置される。蛍光体層２０は、誘電体層４２の上に配置される。蛍光体層２０は、光源１０からの光によって励起されることで発光する。
【００２６】
＜光反射膜の基本構成＞
上記の金属層４１および誘電体層４２を含む光反射膜４０の基本構成を説明する。誘電体層４２は、２以上６以下の層の積層構造体である。誘電体層４２における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる。なお、当該積層構造体が有する各層の厚みは、少なくとも３ｎｍ以上である。当該積層構造体は、厚み３ｎｍ未満の層を有してもよいが、その場合、当該層は、当該積層構造体の層数としてはカウントしない。従来のＤＢＲまたは誘電体多層膜と異なり、誘電体層４２は周期構造を有しない。したがって、誘電体層４２では、周期構造に起因するブラッグ反射は生じず、後述する薄膜干渉に起因する反射が生じる。誘電体材料による積層構造体は、一般に、当該積層構造体と同じ厚さおよび同じ平均屈折率を有する一様媒質よりも高い反射率を有する。そのため、本実施形態では、誘電体層４２として、誘電体材料による積層構造体を用いる。しかし、以下の説明では、定式化を容易にするために、積層構造体である誘電体層４２を、一様な媒質として近似する。
【００２７】
誘電体層４２の全体層数をＮ、各層の膜厚及び屈折率をｄｉ、ｎｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）とするとき、全体膜厚ｄＢおよび平均屈折率ｎＢは、式（１）および式（２）によって表される。
【数１】
2018142531.tif 000003
【数２】
2018142531.tif 000004
【００２８】
光反射膜４０の反射特性は、誘電体層４２で生じる薄膜干渉の繰り返しを考慮することで計算できる。
【００２９】
図２は、蛍光体層２０から発せられた光が、誘電体層４２に入射し、透過または反射されることを模式的に示す図である。蛍光体層２０（媒質１）の屈折率をｎＡとし、誘電体層４２（媒質２）の平均屈折率をｎＢとし、金属層４１（媒質３）の屈折率をｎＣとする。誘電体層４２の膜厚をｄＢとする。蛍光体層２０から発せられた光が誘電体層４２に入射する場合の入射角をθ１とし、屈折角をθ２とする。媒質ｉから媒質ｊに光が入射する場合の振幅反射率および振幅透過率をｒｉｊ（ｉ、ｊ＝１、２、３（ｉ≠ｊ））とする。反射率Ｒは、フレネルの公式を用いて、式（３）によって表される。
【数３】
2018142531.tif 000005
【００３０】
Δ２は、誘電体層４２の中を光が１往復したときに生じる位相差である。Δ２は、光の波長λを用いて、式（４）によって表される。
【数４】
2018142531.tif 000006
【００３１】
光反射膜４０の反射率が最大値をとる波長をλｒとすると、波長λｒは、干渉の条件（Δ２＝π）から、式（５）によって表される。
【数５】
2018142531.tif 000007
式（５）は、入射角度θ１が大きくなるにつれて波長λｒが短波長側にシフトすることを示している。
【００３２】
光の入射角度が０°のとき、すなわち光が垂直入射するときに、光反射膜４０の反射率が最大値をとる波長をλ０とする。光の入射角度が９０°のとき、すなわち光が水平入射するときに光反射膜４０の反射率が最大値をとる波長をλ９０とする。式（５）より、式（６）および式（７）が導出される。
【数６】
2018142531.tif 000008
【数７】
2018142531.tif 000009
【００３３】
＜入射光量の入射角度依存性＞
図３は、蛍光体層２０から光反射膜４０に入射する光量の入射角度依存性を説明するための図である。図３に示す半球の半径は１である。蛍光体層２０は、全方向に光を発する。したがって、蛍光体層２０から発せられた光は、光反射膜４０にあらゆる入射角度（０°≦θ１≦９０°）で入射する。蛍光体層２０からの光が、光反射膜４０に入射角度θ１で入射する場合を想定する。蛍光体層２０からのこの光は、２πｓｉｎθ１の周長およびｄθ１の幅をもつ微小表面を通過する。その微小表面の面積は２πｓｉｎθ１ｄθ１である。光反射膜４０の反射率をＲ（λ、θ１）とすると、上記の微小表面を通過した光が光反射膜４０に反射される際の反射強度は、Ｒ（λ、θ１）×２πｓｉｎθ１ｄθ１に比例する。Ｒ（λ、θ１）×２πｓｉｎθ１ｄθ１を、０°≦θ１≦９０°（０≦θ１≦π／２）の範囲で積分すれば、角度依存性を考慮した光反射膜４０の反射強度Ｙ（λ）が得られる。Ｙ（λ）は、式（８）によって表される。
【数８】
2018142531.tif 000010
【００３４】
式（８）は、入射角度が大きくなるにつれて、光反射膜４０に入射する光量が増えることを反映している。すわなち、式（８）は、小さい入射角度での光の反射特性よりも、大きい入射角度での光の反射特性の方が、光デバイス５０の効率に大きく寄与することを反映している。
【００３５】
＜蛍光体デバイスの性能指標＞
蛍光体層２０の発光スペクトルをＩ（λ）とし、光デバイス５０の性能指標をＺとする。光デバイス５０の性能指標Ｚは、角度依存性が考慮された光反射膜４０の反射強度Ｙ（λ）と、蛍光体層２０の発光スペクトルＩ（λ）との積の積分で計算できる。光デバイス５０の性能指標Ｚは、式（９）によって表される。
【数９】
2018142531.tif 000011
λｉ、λｆ（λｉ＜λｆ）は、蛍光体層２０の発光スペクトルの両端の波長を示している。
【００３６】
＜光デバイスのエネルギー変換効率向上の原理＞
光デバイス５０のエネルギー変換効率には、大きい入射角度での光反射膜４０の反射率の寄与が大きい。蛍光体層２０の発光スペクトルの重心波長をλｃとし、入射角度９０°で入射する波長λの光についての光反射膜４０の反射率をＲ９０（λ）とする。反射率Ｒ９０（λｃ）が高いほど、光デバイス５０の効率は高くなる。
【００３７】
図４Ａから４Ｃは、入射角度９０°で入射する光についての光反射膜４０の反射スペクトルおよび蛍光体層２０の発光スペクトルの例を示す図である。図４Ａは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλ（＝λ０−λ９０）よりも小さい場合の例を示している。図４Ｂは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλに一致する場合の例を示している。図４Ｃは、波長λ０と波長λｃとの差（λ０−λｃ）が、波長シフト量Δλよりも大きい場合の例を示している。
【００３８】
図４Ｂの例では、波長λ９０およびλｃは一致する（λ９０＝λｃ）。したがって、Ｒ９０（λｃ）＝Ｒ９０（λ９０）である。一方、図４Ａの例では、波長λ９０は、波長λｃよりも短波長側にずれ、Ｒ９０（λｃ）＜Ｒ９０（λ９０）になる。その結果、図４Ａに示す特性を有する光デバイス５０の効率は、図４Ｂに示す特性を有する光デバイス５０の効率よりも小さい。同様に、図４Ｃの例では、波長λ９０は、波長λｃよりも長波長側にずれ、Ｒ９０（λｃ）＜Ｒ９０（λ９０）になる。その結果、図４Ｃに示す特性を有する光デバイス５０の効率は、図４Ｂに示す特性を有する光デバイス５０の効率よりも小さい。
【００３９】
＜発光効率の向上のための条件＞
図５は、波長λ０およびλｃが等しい場合における、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルの例と、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルの例とを示す図である。この例では、従来の設計思想に従い、入射角度０°での光反射膜４０の反射率が最大になる波長λ０が、蛍光体層２０の発光スペクトルの重心波長λｃに一致するように誘電体層４２が設計されている。波長λｃの光が入射角度９０°で光反射膜４０に入射するときの反射率Ｒ９０（λｃ）は、当該反射率のピーク値よりも低い。
【００４０】
ここで、反射率がＲ９０（λｃ）と等しくなる他の波長をλａ（λａ＜λｃ）とし、波長λｃと波長λａとの差をΔλａ（＝λｃ−λａ）とする。仮に、光反射膜４０の反射スペクトルが全体的にΔλａよりも小さい波長だけ長波長側にずれたと仮定すると、入射角度９０°で光反射膜４０に入射する重心波長λｃの光の反射率が向上する。このため、全体的な発光効率が向上することが期待できる。以下、この点についてより詳細に説明する。
【００４１】
波長λａおよびλｃにおける反射率Ｒ９０が等しいことから、式（３）より、式（１０）が導出される。
【数１０】
2018142531.tif 000012
【００４２】
ΔａおよびΔｃは、それぞれ波長λａおよびλｃにおける位相差を示している。式（１０）より、式（１１）が導出される。
【数１１】
2018142531.tif 000013
【００４３】
λｃ＝λ０および入射角度θ１＝９０°から、Δｃは、式（４）および（６）より、式（１２）によって表される。
【数１２】
2018142531.tif 000014
【００４４】
式（４）、（６）、（１１）および（１２）より、λａは、式（１３）によって表される。
【数１３】
2018142531.tif 000015
【００４５】
波長λａは、式（１３）において取り得る値の中で最大になる値である。したがって、λａは、式（１４）によって表される。
【数１４】
2018142531.tif 000016
【００４６】
波長λｃと波長λａとの差をΔλａ（＝λｃ−λａ）とすると、Δλａは、式（１５）によって表される。
【数１５】
2018142531.tif 000017
【００４７】
λ９０とλａとの差をΔλｂ（＝λ９０−λａ）とすると、Δλｂは、式（７）および（１４）より、式（１６）によって表される。
【数１６】
2018142531.tif 000018
【００４８】
図６は、図５に示す例から、光反射膜４０の各反射スペクトルをΔλａだけ長波長側にシフトさせた場合の、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルと、入射角度９０°での光反射膜４０の反射スペクトルとを示す図である。図６には、比較のために、図５における光反射膜４０の２つの反射スペクトルも示されている。この場合における入射角度０°での反射スペクトルのピーク波長をλ０ｍ（＝λｃ＋Δλａ）とする。実際のデバイスにおいて、０°で入射する光の反射率がピークになる波長λ０が、λｃよりも大きく、波長λ０ｍよりも小さければ、図５に示す例よりも発光効率が向上することが期待できる。よって、その波長λ０ｍを、波長λ０の上限値にすることができる。λ０ｍ＝Δλｂ＋Δλ＋λｃであることから、波長λ０ｍは、式（７）および（１６）を用いて、式（１７）によって表される。
【数１７】
2018142531.tif 000019
【００４９】
以上より、λ０ｍを波長λ０の上限値とする場合、λ０のとり得る範囲は、式（１８）によって表される。
【数１８】
2018142531.tif 000020
【００５０】
波長λ０が式（１８）で表される波長範囲にある場合、光デバイス５０のエネルギー変換効率は、λｃ＝λ０のときと同じか、λｃ＝λ０のときよりも高くなる。
【００５１】
さらに、光デバイス５０のエネルギー変換効率が最大になる場合、すなわちλｃ＝λ９０を満たす場合の波長λ０の値を、波長λ０の上限値としてもよい。その場合、λ０のとり得る範囲は、式（１９）によって表される。
【数１９】
2018142531.tif 000021
式（１９）のλ０の波長範囲は、式（１８）のλ０の波長範囲よりも狭い。
【００５２】
波長λ０の下限値をλｃよりも大きくしてもよい。
【００５３】
例えば、波長λ０＝λｃの場合にθ１＝１０°での反射率がピークになる波長をλ１０として、λ０とλ１０との差（λ０−λ１０）を波長λｃに加えた値（２λｃ−λ１０）を、波長λ０の下限値としてもよい。その場合、λ０のとり得る範囲は、式（２０）によって表される。
【数２０】
2018142531.tif 000022
【００５４】
同様に、波長λ０＝λｃの場合にθ１＝３０°での反射率がピークになる波長をλ３０として、λ０とλ３０との差（λ０−λ３０）を波長λｃに加えた値（２λｃ−λ３０）を、波長λ０の下限値としてもよい。その場合、λ０のとり得る範囲は、式（２１）によって表される。
【数２１】
2018142531.tif 000023
【００５５】
式（１８）または（１９）において、下限値λｃの代わりに、式（２０）または（２１）の下限値を用いてもよい。本実施形態における光デバイス５０においては、例えば式（１８）または（１９）を満たすように、誘電体層４２が設計され得る。ただしこの条件に限定されない。本開示においては、誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長λ０が、蛍光体層２０の発光スペクトルの重心波長λｃよりも長ければよい。
【００５６】
次に、金属層４１上に、周期構造を有する従来の誘電体多層膜を形成する場合を説明する。誘電体多層膜は、例えば屈折率が異なる２層を交互に積層することによって形成される。その場合、周期数Ｍの誘電体多層膜の層数は２Ｍである。以下では、少ない周期数のために層数が少ない構造も「誘電体多層膜」と称する。誘電体多層膜では、周期構造に起因するブラッグ反射によって、ある特定の波長領域において高反射率が得られる。それ以外の波長領域では、誘電体多層膜全体を薄膜とした場合の薄膜干渉（例えば図２参照）による反射ピークが生じる。
【００５７】
図７は、金属層４１上に４層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（実線）と、金属層４１上に１０層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（破線）における、入射角度０°での光反射膜４０の反射率のシミュレーション結果を示す図である。４層は２周期に相当し、１０層は５周期に相当する。金属層４１上に４層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０は周期数が少なく、ブラッグ反射の効果は小さい。
【００５８】
金属層４１上に４層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（実線）では、反射率は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において９０％以上である。一方、金属層４１上に１０層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０（破線）では、反射率は、薄膜干渉によって波長６００ｎｍ付近において大きく低下する。したがって、薄膜干渉による反射率の低下を抑制するためには金属層４１上の積層の数は少ない方が望ましく、特に６層以下であればよい。これは、周期構造を有しない誘電体層４２についても同様である。本明細書では、２周期のように極端に周期数が少ない構造も、周期構造を有しない誘電体層４２とする。
【００５９】
光デバイス５０の効率を向上させるためには、すべての入射角度に対して４００−７００ｎｍの波長領域において反射率を高めることが望ましい。そこで、誘電体多層膜の入射角度の依存性に注目する。
【００６０】
図８は、金属層４１上に６０層の誘電体多層膜を形成した光反射膜４０の反射率のシミュレーション結果を示す図である。実線は、入射角度０°での反射率を表し、破線は、入射角度８０°での反射率を表す。６０層は３０周期に相当する。６０層の誘電体多層膜では、顕著なブラッグ反射が生じる。
【００６１】
入射角度が０°の場合、反射率は、およそ４００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長領域において約１００％である。この特定の波長領域における約１００％の反射率は、周期構造に起因するブラッグ反射によって得られる。それ以外の周波数領域における複数の反射ピークは、薄膜干渉によって得られる。一方、入射角度が８０°の場合、反射率が約１００％になる波長領域は、短波長側にシフトし、当該波長領域の幅は縮小する。
【００６２】
そのため、すべての入射角度に対して４００−７００ｎｍの波長領域において高反射率を得るためには、入射角度０°での高反射率の波長領域の幅は、４００−７００ｎｍの波長領域の幅よりも、反射率のシフト量と、シフトに伴い高反射率の波長領域の幅が縮小する量との合計の分だけ大きくなければならない。入射角度０°での高反射率の波長領域の幅は、例えば、５００ｎｍ以上であればよい。高反射率は、約１００％でなくてもよく、８０％以上であればよい。
【００６３】
光デバイス５０の効率には、大きい入射角度での光反射膜４０の反射スペクトルが大きく寄与する。そのため、効率を高くするためには、大きい入射角度（例えば８０°）での反射スペクトルのピーク波長が、蛍光体層２０の発光スペクトルの重心波長と一致するようにすればよい。また、光デバイス５０の効率には、入射角度の増加による反射スペクトルのピーク波長のシフト量も寄与する。
【００６４】
図９Ａは、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルおよび蛍光体層２０の発光スペクトルの例を模式的に示す図である。図９Ｂは、入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルおよび蛍光体層２０の発光スペクトルの他の例を模式的に示す図である。図９Ａおよび９Ｂには示されていないが、入射角度８０°での光反射膜４０の反射スペクトルのピーク波長は、蛍光体層２０の発光スペクトルの重心波長と一致するように設計されている。したがって、入射角度０°での反射率が最大になるピーク波長は、入射角度８０°での反射率が最大なるピーク波長よりも長い。
【００６５】
図９Ａに示す例では、入射角度の増加による光反射膜４０の反射スペクトルのピーク波長のシフト量が大きく、蛍光体層２０の発光スペクトルと光反射膜４０の反射スペクトルとの重なり積分は小さい。一方、図９Ｂに示す例では、入射角度の増加による光反射膜４０の反射スペクトルのピーク波長のシフト量が小さく、蛍光体層２０の発光スペクトルと光反射膜４０の反射スペクトルとの重なり積分は大きい。
【００６６】
光デバイスの効率を向上させるためには、入射角度が０°から９０°に向かって増加する際の、反射スペクトルのピーク波長のシフト量は小さくすればよい。例えば、入射角度０°および４５°におけるピーク波長の差は、例えば７０ｎｍ以下であり、ある例では４０ｎｍ以下であり得る。
【００６７】
また、反射スペクトルのピーク波長のシフト量は、金属層４１上に形成される誘電体層４２の膜厚が大きいほど、大きい傾向がある。そのため、誘電体層４２の膜厚は小さい値に設定され得る。誘電体層４２の膜厚は、例えば、４００ｎｍ以下であってもよく、２００ｎｍ以下であってもよい。
【００６８】
本実施形態における光デバイス５０の効率は、入射角度０°での光反射膜４０の反射率が８０％以上になる波長領域の幅が広く、入射角度の変化による反射スペクトルのピーク波長のシフト量が小さく、誘電体層４２の層数が少なく、誘電体層４２の膜厚が小さい場合に向上する。
【００６９】
＜光デバイスの構成要素＞
以下に、図１における光デバイス５０の構成要素をより詳細に説明する。
【００７０】
光源１０は、例えば波長４５０ｎｍ以下の光を発する固体光源であり得る。光源１０として、例えば、紫外光から青色光の領域に発光波長を持つＬＤまたはＬＥＤなどの光源を用いることができる。光源１０は、蛍光体層２０に向けて励起光を出射する。図１に示す例では、光源１０からの励起光は、蛍光体層２０の、誘電体層４２とは反対側の面（以下、「上面」と呼ぶ。）から入射する。光源１０は、蛍光体層２０、光反射膜４０、および基板３０から離れて配置されている。これは、光源１０が発する熱によって蛍光体層２０が加熱されて発光効率が低下することを防ぐためである。光源１０は、ＬＤまたはＬＥＤなどの発光素子に加えて、出射光を集束する１つ以上のレンズを備えていてもよい。
【００７１】
光源１０からの励起光を、蛍光体層２０の、誘電体層４２と同じ側の面から入射させる構成も可能である。あるいは、励起光を、蛍光体層２０の側面から入射させる構成も可能である。これに対して、励起光を蛍光体層２０の上面から入射させる構成では、光源１０と蛍光体層２０との距離を確保し易い。このため、光源１０が発する熱によって蛍光体層２０の蛍光特性が低下することを抑制し易い。
【００７２】
光源１０は、固体レーザを含む光源であってもよい。固体レーザには、遷移金属イオンまたは希土類イオンなどがドープされた、結晶またはガラスなどの固体材料が用いられる。ＬＥＤと比較して、固体レーザは、高い集光性を有する。したがって、固体レーザを用いて蛍光体層２０を励起すれば、蛍光体層２０の発光点を小さくすることができる。発熱の影響を避ける場合には、固体レーザ光源は、蛍光体層２０からできるだけ離れて配置される。
【００７３】
蛍光体層２０は、光源１０が発する励起光を受け、励起光の波長よりも長波長の蛍光を発する。蛍光体層２０から発せられた光は、例えば４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長域に少なくとも一つのピークを有する。蛍光体層２０は、青色光、緑色光、黄色光、赤色光を発する複数の蛍光体材料を含んでいてもよい。青色の光を発する蛍光体材料として、例えば、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ２＋（ＳＣＡ）またはＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋（ＢＡＭ）等を用いることができる。緑色の光を発する蛍光体材料として、例えば、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＬｕＡＧ）等を用いることができる。黄色の光を発する蛍光体材料として、例えばＹＡＧ：Ｃｅ（セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）を含む材料を用いることができる。具体的には、例えばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＹＡＧ）等を用いることができる。赤色の光を発する蛍光体材料として、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋（ＣＡＳＮ）、Ｌａ３Ｓｉ６Ｎ１１：Ｃｅ３＋（ＬＳＮ）等を用いることができる。
【００７４】
蛍光体層２０が発する光と、光源１０が発する励起光とを組み合わせて所望のスペクトルの発光を実現してもよい。例えば、青色の励起光を発する光源１０と、励起光を受けて黄色の光を発する蛍光体層２０とを組み合わせて、白色の発光を実現してもよい。
【００７５】
蛍光体層２０は、例えば、蛍光体粉末をガラスまたは樹脂に分散させた形態、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、または蛍光体セラミックスなどを用いることができる。
【００７６】
蛍光体層２０の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下に設計され得る。このような範囲に設定することにより、蛍光体層２０に熱が蓄積されることを抑制することができる。これにより、輝度低下を抑えることができる。
【００７７】
蛍光体層２０の光出射面、すなわち光源１０からの励起光が入射する面には、必要に応じて、励起光の反射を防止するための処理が施されていてもよい。光出射面には、反射防止膜が設けられていてもよい。
【００７８】
基板３０は、蛍光体層２０から発せられる熱を外部に逃がす放熱基板としても機能し得る。このため、基板３０は、例えば高い熱伝導特性を持つ材料で構成され得る。
【００７９】
金属層４１には、例えば可視光領域において高い反射率を有する金属材料が用いられ得る。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、またはＡｕ（金）などの金属、あるいはこれらの金属の合金（アルミニウム合金、銀合金または金合金など）が用いられ得る。つまり、金属層４１は、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも１つを含み得る。特に、反射率を高くするためには、例えばＡｇまたはＡｇ合金が用いられる。
【００８０】
誘電体層４２は、例えば、屈折率が互いに異なる誘電体材料を含む高屈折率材料と低屈折率材料とを有する。高屈折率材料および低屈折率材料は、交互に複数回積層され得る。誘電体層４２を構成する誘電体薄膜の各層の厚さは、例えば約１ｎｍ〜約１００ｎｍであり得る。誘電体層４２の全体の厚さは、例えば約５０ｎｍ〜４００ｎｍであり得る。低屈折率材料としては、例えば、ＭｇＦ２（ｎ＝１．３８）、ＳｉＯ２（ｎ＝１．４６）、またはＡｌ２Ｏ３（ｎ＝１．７７）などが用いられ得る。高屈折率材料としては、例えば、Ｔａ２Ｏ５（ｎ＝２．２０）、ＴｉＯ２（ｎ＝２．５０）またはＮｂ２Ｏ５（ｎ＝２．３５）などが用いられ得る。
【００８１】
光反射膜４０は、金属層４１と、金属層４１の上に配置された誘電体層４２とを有する。光反射膜４０は、蛍光体層２０から発せられた光、および蛍光体層２０を透過した励起光を、蛍光体層２０の光出射面に向けて反射する。光反射膜４０は、蛍光体層２０および基板３０の間に配置される。入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルは、例えば、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長域に少なくとも一つのピークを有し得る。当該反射スペクトルは、他の波長域にピークを有していてもよい。
【００８２】
図１０は、光反射膜４０の反射スペクトルの一例を示す図である。図１０に示すように、光反射膜４０は、反射特性に角度依存性を有する。入射角度が大きくなると、反射スペクトルの反射率のピークは短波長側にシフトする。光反射膜４０の反射スペクトルは、０°から９０°までの入射角度の変化によって反射スペクトルのピーク値をとる波長のシフト量が、例えば約１０ｎｍ以上変化し得る。そのような波長シフトを示す光反射膜４０において、本開示の実施形態の効果を特に顕著に得ることができる。
【００８３】
＜シミュレーション結果との比較＞
本発明者らは、本実施形態の光反射膜４０を設けることにより、光デバイス５０の効率が向上することをシミュレーションによって確認した。本シミュレーションにおいては、式（９）で表される光デバイスの性能指標Ｚの計算を行なった。
【００８４】
以下、その結果を説明する。計算する上で、以下のパラメータを設定した。金属層４１には、Ａｇ合金（Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ）を用いた。誘電体層４２はＴｉＯ２−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３の３層で構成した（図１７参照）。光反射膜４０の反射スペクトルは、Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＲＣＷＡ）法による回折光学素子設計・解析ソフトウェアであるＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いた光学シミュレーションによって計算した。以下の式（１８）および式（１９）の計算では、ｎＡ＝１．０およびｎＢ＝２．０５を用いた。
【００８５】
まず、蛍光体材料にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を用いた場合の結果を説明する。
【００８６】
図１１は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光スペクトルの例を示す図である。このＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光スペクトルの重心波長は、λｃ＝５６５ｎｍである。
【００８７】
図１２は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、λ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。図１２に示すように、波長λ０がＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光スペクトルの重心波長よりも長波長側にある場合、光デバイスの効率は高くなる。
【００８８】
蛍光体材料にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を用いた場合、式（１８）における波長λ０の波長範囲は、５６５＜λ０≦７１７ｎｍになる。また、式（１９）における波長λ０の波長範囲は、５６５＜λ０≦６５３ｎｍになる。さらに、式（２０）および（２１）における波長λ０の波長範囲は、それぞれλ０≧５６７ｎｍおよびλ０≧５８２ｎｍになる。
【００８９】
図１２に示す光学シミュレーションの結果から、光デバイス５０の効率が改善するλ０の波長範囲は、５６５ｎｍ〜６７７ｎｍ（図１２における横方向の両矢印の範囲）である。光デバイスの効率が最高になるのは、λ０＝６２８ｎｍ（図１２における上向きの矢印）の場合である。したがって、式（１８）および式（１９）の範囲を満たす。
【００９０】
次に、蛍光体材料にＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体を用いた場合の結果を示す。
【００９１】
図１３は、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体の発光スペクトルを示す図である。ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体の発光スペクトルの重心波長は、λｃ＝６５４ｎｍである。
【００９２】
図１４は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、λ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。図１４に示すように、波長λ０がＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体の発光スペクトルの重心波長よりも長波長側にある場合、光デバイスの効率は高くなる。
【００９３】
蛍光体材料にＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ蛍光体を用いた場合、式（１８）における波長λ０の波長範囲は、６５４＜λ０≦８２３ｎｍになる。また、式（１９）における波長λ０の波長範囲は、６５４＜λ０≦７４９ｎｍになる。さらに、式（２０）および（２１）における波長λ０の波長範囲は、それぞれλ０≧６５６ｎｍおよびλ０≧６７４ｎｍになる。
【００９４】
図１４に示す光学シミュレーションの結果から、光デバイスの効率が改善するλ０の波長範囲は、６５４ｎｍ〜７５７ｎｍ（図１４における横方向の両矢印の範囲）である。光デバイスの効率が最高となるのは、λ０＝６９７ｎｍ（図１４における上向きの矢印）の場合である。したがって、式（１８）および式（１９）の範囲を満たす。
【００９５】
蛍光体層２０は、複数の蛍光体材料を含んでいてもよい。以下、蛍光体材料として、ＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた蛍光体を用いた場合の結果を示す。
【００９６】
図１５は、ＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた蛍光体の発光スペクトルを示す図である。ＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた蛍光体の発光スペクトルの重心波長は、λｃ＝５４４ｎｍである。
【００９７】
図１６は、式（９）によって計算された光デバイスの性能指標Ｚを、λ０を様々に変えてプロットした結果を示す図である。図１６に示すように、波長λ０の波長がＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた蛍光体の発光スペクトルの重心波長よりも長波長側にある場合、光デバイスの効率は高くなる。
【００９８】
蛍光体材料として、ＳＣＡ：Ｅｕ蛍光体およびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜ合わせた場合、式（１８）における波長λ０の波長範囲は、５４４＜λ０≦６８４ｎｍになる。また、式（１９）における波長λ０の波長範囲は、５４４＜λ０≦６２３ｎｍになる。さらに、式（２０）および（２１）における波長λ０の波長範囲は、それぞれλ０≧５４６ｎｍおよびλ０≧５６０ｎｍになる。
【００９９】
図１６に示す光学シミュレーションの結果から、光デバイスの効率が改善するλ０の波長範囲は、５４４ｎｍ〜６１１ｎｍ（図１６における横方向の両矢印の範囲）である。光デバイスの効率が最高となるのは、λ０＝５８４ｎｍ（図１６における上向きの矢印）の場合である。したがって、式（１８）および式（１９）の範囲を満たす。
【０１００】
以上のシミュレーションの結果から、式（１８）および式（１９）に示す範囲の妥当性が確認された。
【０１０１】
上記の例では、蛍光体層の発光スペクトルのみを考慮した。本実施形態は、光源の発光スペクトルと、蛍光体層の発光スペクトルとの両方を含む光スペクトルを用いる場合にも有効である。その場合は、光源の発光スペクトルと、蛍光体層の発光スペクトルとの両方を合わせた光スペクトルの重心波長をλｃとして用いればよい。
【０１０２】
次に、光学シミュレーションの結果と、式（１８）および式（１９）の計算結果とが一致しない理由を検討する。
【０１０３】
式（１８）および式（１９）の計算では、光デバイスの効率は、光デバイスの効率に最も大きく寄与するθ１＝９０°での反射率Ｒ（λ、θ１）のみに依存すると仮定している（式（８）参照）。しかし、光学シミュレーションでは、光デバイスの効率は、式（８）に示すように、θ１＝９０°での反射率だけでなくθ１＝９０°以外での反射率にも依存する。
【０１０４】
すなわち、式（１８）および式（１９）の計算における上記の仮定により、光学シミュレーションの結果と、式（１８）および式（１９）の計算結果とに差が生じる。それでもなお、式（１８）および式（１９）は、光デバイスの効率が高くなる波長範囲の簡単な見積もりとして有効である。
【０１０５】
＜光反射膜の成膜＞
光反射膜の製造方法の一実施例を説明する。本発明者らは、以下の方法により、光反射膜を試作した。
【０１０６】
まず、鏡面加工された基板に、金属層をスパッタ法により成膜した。金属層の材料は、Ａｇ合金（Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ）である。金属層の厚さを１５０ｎｍとした。さらに、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２を順次スパッタ法により成膜し、金属層上に誘電体層を形成した。誘電体層の厚さは１００ｎｍ〜１５０ｎｍとした。なお、成膜はスパッタ法に限られず、蒸着等の方法でもよい。
【０１０７】
＜光反射膜の反射スペクトル＞
光反射膜の構成の一実施例を図１７に示す。図１７に示すように、金属層４１としてＡｇ合金（Ａｇ−Ｐｄ−Ｃｕ）を用い、膜の厚さを１５０ｎｍとした。金属層４１上に形成する誘電体層４２は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２の積層構造によって構成した。
【０１０８】
表１は、各誘電体薄膜の屈折率および厚さを示している。
【０１０９】
【表１】
2018142531.tif 000024
【０１１０】
図１７の例では、金属層４１上にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２の誘電体薄膜がこの順番で積層されている。３層構造の誘電体層４２において、空気層に接する上の層の屈折率が最も高く、真中の層の屈折率が最も低い。これは、誘電体層４２の反射率を高くするためである。一般に、隣り合う２つの層の屈折率差が大きいほど、積層構造体の反射率が高くなる傾向にある。表１におけるＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２の組み合わせの中で、金属層４１上にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およびＴｉＯ２の誘電体薄膜をこの順番で積層したとき、誘電体層４２は、最も高い反射率を有する。
【０１１１】
上記の例では、３層構造の誘電体層４２を用いたが、例えば、５層構造の誘電体層４２を用いても同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
３層構造の誘電体層４２の平均屈折率ｎＢおよび全体膜厚ｄＢは、それぞれｎＢ＝２．０５、ｄＢ＝１２５ｎｍである。
【０１１３】
図１８は、表１の条件で作製した光反射膜の反射スペクトルを示す図である。光反射膜４０の反射スペクトルは、入射角度が大きくなるにつれて短波長側にシフトする。入射角度０°での光反射膜４０の反射スペクトルが最大になるときの波長はλ０＝６２０ｎｍである。
【０１１４】
蛍光体層の蛍光体として、ＹＡＧ：Ｃｅを用いた場合について検討する。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の発光スペクトルの重心波長はλｃ＝５６５ｎｍである。したがって、式（１８）における波長λ０の波長範囲は、５６５＜λ０≦７１１ｎｍとなる。また、式（１８）における波長λ０の波長範囲は、５６５＜λ０≦６４７ｎｍとなる。
【０１１５】
上記の光反射膜４０では、波長λ０＝６２８ｎｍであり、５６５≦λ０≦６４７ｎｍの波長範囲にある。
【０１１６】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のデバイスを含む。
【０１１７】
［項目１］
金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、
前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、
を備え、
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長よりも長く、
前記誘電体層は、２以上６以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる、
光デバイス。
【０１１８】
［項目２］
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が８０％以上になる波長域の幅は、５００ｎｍ以上である、
項目１に記載の光デバイス。
【０１１９】
［項目３］
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる第１の波長は、前記蛍光体層の側から前記光反射膜に入射角４５°で入射する光の反射率が最大になる第２の波長よりも長く、前記第１の波長と前記第２の波長との差は、７０ｎｍ以下である、
項目１または２に記載の光デバイス。
【０１２０】
［項目４］
前記第１の波長と前記第２の波長との差は、４０ｎｍ以下である、
項目１または２に記載の光デバイス。
【０１２１】
［項目５］
前記誘電体層の膜厚は、４００ｎｍ以下である、
項目１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２２】
［項目６］
前記誘電体層の膜厚は、２００ｎｍ以下である、
項目１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２３】
［項目７］
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数２２】
2018142531.tif 000025
を満たす、
項目１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２４】
［項目８］
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数２３】
2018142531.tif 000026
を満たす、
項目１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２５】
［項目９］
【数２４】
2018142531.tif 000027
を満たす、
項目８に記載の光デバイス。
【０１２６】
［項目１０］
前記蛍光体層の屈折率をｎＡとし、
前記誘電体層の平均屈折率をｎＢとし、
前記誘電体層に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長をλ０とし、
前記蛍光体層の発光スペクトルの重心波長をλｃとするとき、
【数２５】
2018142531.tif 000028
を満たす、
項目１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２７】
［項目１１］
前記蛍光体層の発光スペクトルは、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に、少なくとも１つのピークを有する、
項目１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２８】
［項目１２］
前記金属層を支持する基板をさらに有する、
項目１から１１のいずれかに記載の光デバイス。
【０１２９】
［項目１３］
前記金属層は、銀、銀合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金の少なくとも１つを含む、
項目１から１２のいずれかに記載の光デバイス。
【０１３０】
［項目１４］
前記蛍光体層は、セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネットを含む、
項目１から１３のいずれかに記載の光デバイス。
【０１３１】
［項目１５］
前記光源は、固体レーザを含む、
項目１から１４のいずれかに記載の光デバイス。
【０１３２】
［項目１６］
前記光源からの光は、前記蛍光体層の、前記誘電体層とは反対側の面から入射する、
項目１から１５のいずれかに記載の光デバイス。
【０１３３】
［項目１７］
金属層および前記金属層上の誘電体層を含む光反射膜と、
前記誘電体層上の蛍光体層であって、光源からの光によって励起されることで発光する蛍光体層と、
を備え、
前記蛍光体層の側から前記光反射膜に垂直に入射する光の反射率が最大になる波長は、前記光源の発光スペクトルと、前記蛍光体層の発光スペクトルとを合わせた光スペクトルの重心波長よりも長く、
前記誘電体層は、２以上５以下の層の積層構造体であって、前記誘電体層における隣り合う任意の２層の屈折率は異なる、
光デバイス。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本開示の実施形態における光デバイスは、発光デバイスなどの用途に利用できる。
【符号の説明】
【０１３５】
１    入射媒質
１０  固体光源
２０  蛍光体
３０  基板
４０  光反射膜
４１  金属層
４２  誘電体層
５０  蛍光体デバイス
【図１】
2018142531.tif 000033
【図２】
2018142531.tif 000034
【図３】
2018142531.tif 000035
【図４Ａ】
2018142531.tif 000036
【図４Ｂ】
2018142531.tif 000037
【図４Ｃ】
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【図５】
2018142531.tif 000039
【図６】
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【図７】
2018142531.tif 000041
【図８】
2018142531.tif 000042
【図９Ａ】
2018142531.tif 000043
【図９Ｂ】
2018142531.tif 000044
【図１０】
2018142531.tif 000045
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018142531.tif 000048
【図１４】
2018142531.tif 000049
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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