(57)【要約】      （修正有）【課題】色ムラ及び強度ムラを抑制し、小型で、また高い光取り出し効率を得ることが可能な波長変換装置及び光源装置を提供する。【解決手段】入射面及び出射面を有し、入射面から入射された入射光の波長を変換して波長変換光を生成し、波長変換光を出射面から出射する波長変換体と、波長変換体上に形成され、波長変換光の波長変換体内での光学波長程度の周期で各アンテナが配置された複数のアンテナからなるアンテナアレイと、を有する。【選択図】図２
2018013688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面及び出射面を有し、前記入射面から入射された入射光の波長を変換して波長変換光を生成し、前記波長変換光を前記出射面から出射する波長変換体と、
前記波長変換体上に形成され、前記波長変換光の前記波長変換体内での光学波長程度の周期で各アンテナが配置された複数のアンテナからなるアンテナアレイと、を有することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記複数のアンテナの各々は柱状又は錐状の金属突起であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記複数のアンテナの各々の最大幅及び高さをそれぞれＷ１及びＨとすると、前記最大幅Ｗ１及び高さＨは、０．６≦（Ｈ／Ｗ１）≦１．４の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記複数のアンテナの各々の前記最大幅Ｗ１は、１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記複数のアンテナの各々はＡｇ（銀）又はＡｌ（アルミニウム）からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記波長変換体は、単相のイットリウム・アルミニウム・ガーネットからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記波長変換体は、前記蛍光体プレートの側面に設けられた光反射膜を有することを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１つに記載の波長変換装置と、
前記入射光を生成するレーザ光源と、を含むことを特徴とする光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置及び当該波長変換装置を含む光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光色（スペクトル）を有する光を得る光源として、発光装置と当該発光装置からの光の波長を変換する波長変換装置とを含む光源が知られている。例えば、波長変換装置は波長変換体として蛍光体を含む。そして、発光装置からの励起光と蛍光体からの蛍光とを混色することで、光源からは所望のスペクトルの光を取り出すことができる。例えば、特許文献１には、主光源を有するチップと、チップからの第１の波長の光を第２の波長の光へ変換する波長変換材料を備えるキャップとを具備する光源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2005-33211号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蛍光体などの波長変換体を含む波長変換装置は、一般に、波長変換体からの光の色ムラ、強度ムラ及び光取り出し効率の点で課題を有している。例えば、蛍光体内で波長が変換された光は、全方向に拡散する。また、蛍光体は一般的に屈折率が高いため、一部の波長変換光は全反射によって外部に出射されず、蛍光体内で減衰又は消滅する。例えば、白色光源で最も良く用いられるＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は約１．８２の屈折率を有し、外部媒体を空気とした場合の全反射角は約３０°であり、ほとんどの光は蛍光体内から取り出されない。また、近年では、発光ダイオードや半導体レーザなどを用いることで、容易に高密度かつ高出力な光を波長変換装置に照射することができる。しかし、高密度かつ高出力な光による波長変換体の励起は、輝度飽和や温度消光など、波長変換体の波長変換効率の低下を招く。これにより、色ムラ（混色ムラ）や強度ムラが生ずる。
【０００５】
また、例えば、波長変換装置からの波長変換光を用いて灯具を構成する場合、所望の配光を得るために、投光レンズなどの光学系を設ける。しかし、波長変換光は波長変換体の出射面から等方的に拡散するランバーシアン配光のため、多くの光を取り出すことを考慮すると投光レンズのサイズが大型化し、重量が増大する。これは光源装置全体の大型化を招く。
【０００６】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、色ムラ及び強度ムラを抑制し、小型で、また高い光取り出し効率を得ることが可能な波長変換装置及び光源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による波長変換装置は、入射面及び出射面を有し、入射面から入射された入射光の波長を変換して波長変換光を生成し、波長変換光を出射面から出射する波長変換体と、波長変換体上に形成され、波長変換光の波長変換体内での光学波長程度の周期で各アンテナが配置された複数のアンテナからなるアンテナアレイと、を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１に係る光源装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）は、実施例１に係る光源装置の波長変換装置の断面図であり、（ｂ）は、当該波長変換装置の上面図である。
【図３】実施例１に係る光源装置の波長変換装置からの出射光の出射角度と強度との関係を示す図である。
【図４】実施例１に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナ高さ及びアスペクト比に応じた出射角度と出射強度との関係を示す図である。
【図５】実施例１に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナの高さ及びアスペクト比とアンテナ近傍の電場増強の程度との関係を模式的に示す図である。
【図６】実施例１に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナの高さ及びアスペクト比とアンテナ近傍の電場増強の程度との関係を示す図である。
【図７】実施例１の変形例に係る光源装置の波長変換装置の上面図である。
【図８】実施例１の変形例に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナ高さ及びアスペクト比に応じた出射角度と出射強度との関係を示す図である。
【図９】実施例１の変形例に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナ高さ及びアスペクト比に応じた出射角度と出射強度との関係を示す図である。
【図１０】実施例１に係る光源装置の波長変換装置におけるアンテナ高さ及びアスペクト比に応じた出射角度と出射強度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、実施例１に係る光源装置１０の構成を模式的に示す図である。光源装置１０は、筐体１１に収容された光源１２、波長変換装置１３及び投光レンズ１４を含む。本実施例においては、光源１２は、半導体レーザなどのレーザ光源である。光源１２は、１次光Ｌ１を生成する。波長変換装置１３は、一次光Ｌ１を受けて波長変換を行い、波長変換されなかった通過光及び波長変換光からなる二次光Ｌ２を生成する。投光レンズ１４は、二次光Ｌ２を所望の配光に成形し、照明光Ｌ３を生成する。照明光Ｌ３は、筐体１１の外部に取り出される。
【００１１】
筐体１１には、光源１２を固定する開口と、投光レンズ１４を固定する開口とが設けられている。波長変換装置１３は、光源１２の光出射部と投光レンズ１４との間に配置されている。また、波長変換装置１３及び投光レンズ１４は一次光Ｌ１の光軸上に配置されている。
【００１２】
図２（ａ）は、波長変換装置１３の断面図である。また、図２（ｂ）は、波長変換装置１３の上面図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図２（ａ）に示すように、波長変換装置１３は、蛍光体プレート２１及び光反射膜２２を含む波長変換体２０と、波長変換体２０上に形成され、複数のアンテナ３１からなるアンテナアレイ３０と、を有する。
【００１３】
まず、波長変換体２０について説明する。波長変換体２０は、一次光Ｌ１が入射する入射面Ｓ１と、二次光Ｌ２が出射する出射面Ｓ２とを有する。本実施例においては、蛍光体プレート２１は、平板形状を有し、主面の一方を入射面Ｓ１とし、主面の他方を出射面Ｓ２とする。すなわち、一次光Ｌ１は、蛍光体プレート２１の主面の一方である波長変換体２０の入射面Ｓ１から入射され、蛍光体プレート２１の主面の他方である波長変換体２０の出射面Ｓ２から出射される。
【００１４】
波長変換体２１の出射面Ｓ２から出射される二次光Ｌ２は、波長変換体２０によって波長が変換された波長変換光Ｌ２１と、波長変換体２０を通過した通過光（波長が変換されていない一次光）Ｌ２２とを含む。すなわち、波長変換体２０は、入射面Ｓ１から入射された一次光Ｌ１の一部の波長を変換して波長変換光Ｌ２１を生成する。
【００１５】
以下においては、一次光Ｌ１を波長変換体２０への入射光と称する場合がある。換言すれば、波長変換体２０は、入射面Ｓ１及び出射面Ｓ２を含み、入射面Ｓ１から入射された入射光Ｌ１の波長を変換して波長変換光Ｌ２１を生成し、波長変換光Ｌ２１及び通過光Ｌ２２を出射面Ｓ２から出射するように構成されている。なお、本実施例においては、波長変換体２０は、その入射面Ｓ１が入射光Ｌ１の光軸に垂直となるように配置されている。
【００１６】
本実施例においては、蛍光体プレート２１は、セリウムを発光中心としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）の単相からなるセラミックス蛍光体プレートである。また、光源１２は、ＩｎＧａＮ系半導体を発光層とする半導体レーザである。すなわち、本実施例においては、一次光Ｌ１は約４５０ｎｍの波長の青色光、波長変換光Ｌ２１は約４６０〜７５０ｎｍの波長の黄色光であり、二次光Ｌ２は黄色光と青色光とが混色された白色光である。なお、蛍光体プレート２１は、安定した白色化を行うことを考慮すると、４０〜２００μｍの範囲内の厚さＴを有することが好ましい。
【００１７】
また、光反射膜２２は、蛍光体プレート２１の側面に設けられている。光反射膜２２は、例えば蛍光体プレート２１の側面上に設けられた白色塗料の膜である。なお、光反射膜２２は、例えば黒色塗料などの光吸収膜に置換されることができる。
【００１８】
次に、アンテナアレイ３０について説明する。本実施例においては、アンテナアレイ３０は、波長変換体２０の出射面Ｓ２上に形成され、波長変換光Ｌ２１の波長変換体２０内での光学波長程度の周期Ｐで各アンテナ３１が配置された複数のアンテナ３１からなる。これら複数のアンテナ３１の各々は、本実施例においては、柱状又は錐状の金属突起である。また、本実施例においては、アンテナ３１の各々は、円柱形状を有し、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体からなる。
【００１９】
また、本実施例においては、アンテナ３１の各々は同程度のアンテナ高さＨ及びアンテナ幅（直径）Ｗ１を有する。なお、アンテナ３１が柱状又は錐状の形状を有する場合、アンテナ幅Ｗ１とはアンテナ３１の最大幅をいう。また、本実施例においては、これら複数のアンテナ３１は、波長変換体２０の出射面Ｓ２上に正方格子状に周期Ｐで配列されている。また、アンテナアレイ３０は、出射面Ｓ２の中央部分にアレイ幅Ｗ２で正方形状に形成されている。
【００２０】
本実施例においては、アンテナ幅Ｗ１は１５０±２０ｎｍ、アレイ幅Ｗ２は６ｍｍである。また、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は約１．８２の屈折率を有し、４６０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。これにより、光学波長は（発光波長／屈折率）で計算され、アンテナ周期Ｐは２５０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲内であることが好ましい。さらに、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は５００ｎｍ以上の波長領域で強い発光を示すため、アンテナ周期Ｐは３００ｎｍ〜４２０ｎｍとするのがより好ましい。
【００２１】
アンテナアレイ３０の各アンテナ３１に光が照射されると、アンテナ３１の表面での局在表面プラズモン共鳴によりアンテナ３１近傍の電場強度が増大する。また、アンテナ３１の配置周期Ｐを波長変換光Ｌ２１の光学波長程度とすることで、隣接する個々のアンテナ３１の局在表面プラズモン共鳴が光回折介した共振を起こし、さらなる電場強度の増大が生じ、波長変換光Ｌ２１の光取り出し効率が向上する。なお、本明細書においては、波長変換光Ｌ２１の波長変換体２０内での光学波長程度とは、例えば蛍光体プレート２１内における蛍光体の発光波長帯に前後５０ｎｍを加えた波長帯域をいう。
【００２２】
これらによって、波長変換体２０からの波長変換光Ｌ２１が増幅され、また、狭角な配光分布（低エタンデュ）となってアンテナアレイ３０から出射される。すなわち、アンテナアレイ３０は、波長変換体２０内の光を増強し、また、二次光Ｌ２（波長変換光Ｌ２１）の出射方向を絞る機能を有する。
【００２３】
図３は、波長変換装置１３からの波長変換光Ｌ２１の出射角度及び出射強度（光度）の関係を模式的に示す図である。図３は、アンテナアレイ３０の中心から波長変換体２０の出射面Ｓ２の法線方向（正面方向）を０°とし、出射面Ｓ２に平行な方向を９０°としたときの波長変換光Ｌ２１の強度分布を示す図である。なお、波長変換装置１３と比較するため、アンテナアレイ３０を有さない点を除いては同様の構成を有する波長変換装置１００と、波長変換装置１００の強度分布及び波長変換装置１３と同等の全光束を有し通常のランバーシアン配光を有する波長変換装置２００との強度分布を示した。
【００２４】
図３に示すように、本実施例の波長変換装置１３は、約６０°以下で、比較例の波長変換装置１００よりも高い強度を示し、また、強度分布から計算される全光束も波長変換装置１００の約２倍であった。すなわち、多くの光が波長変換体２０から取り出され、かつ出射面Ｓ２に垂直な方向に近い方向に進んでいることを示している。これは、上記した局在表面プラズモン共鳴と光回折を利用したアンテナアレイ３０のアンテナ作用（増強出射及び狭角出射）によるものである。また、全光束が同一の波長変換装置２００の強度と比べても約４５°以下で波長変換装置１３がより高い強度を示し、正面方向（０°）の強度は２倍に増強されている。
【００２５】
このように、波長変換装置１３がナノメートル（サブミクロン）周期で配列された複数のアンテナ３１を有することで、狭角配光（低エタンデュ）かつ高い光取り出し効率で波長変換光Ｌ２１を得ることができる。また、本実施例のように、一次光Ｌ１を生成する光源１３としてレーザ光源を用いる。従って、レーザ光源の持つ狭角配光分布特性や高出力特性を利用し、一次光Ｌ１及び二次光Ｌ２（つまり波長変換光Ｌ２１及び通過光Ｌ２２）の両方の配光及び強度分布を一致させることができる。従って、色ムラ及び強度ムラを抑制し、また高い光取り出し効率を得ることが可能な波長変換装置１３及び光源装置１０を提供することができる。
【００２６】
図４は、アンテナ高さＨを５０ｎｍ〜２５０ｎｍで異なる波長変換装置１３の出射角度及び光強度の関係を示す図である。図４を得るために、アンテナアレイ３０の材料にＡｌを使用し、アンテナ高さＨを５０ｎｍから５０ｎｍ単位で異なる５つの波長変換装置１３を作製した。また、出射面Ｓ２の法線方向を０°として出射面Ｓ２に平行な方向（９０°）まで異なる位置に光検出器を配置し、それぞれの角度で光強度測定を行った。なお、この際、光源１３からの一次光Ｌ１の波長を４４５ｎｍとし、アンテナ周期Ｐを４００ｎｍとし、アンテナ幅Ｗ１は１５０ｎｍを目安にアンテナアレイ３０を作製した。また、光源１２及び波長変換装置１３間にコリメート光学系（図示せず）を配置した。また、測定した光強度を極座標上にプロットした。
【００２７】
また、それぞれの波長変換装置１３についてアンテナ３１のアスペクト比（Ｈ／Ｗ１）を求め、図４に記載した。なお、アンテナ幅Ｗ１は１５０ｎｍを目安に作製し、ＳＥＭ像により実際のアンテナ幅Ｗ１を測定した。アンテナ高さＨは触針段差計によって測定し、全てのアンテナアレイ３０において狙い通りのアンテナ高さＨ（５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ及び２５０ｎｍ）が得られていることを確認した。
【００２８】
図４に示すように、まず、アンテナアレイ３０を有する５つ全ての波長変換装置１３で、アンテナアレイ３０を有さない波長変換装置１００よりも大きな強度を得ることができた。さらに、アンテナ高さＨが１００ｎｍ〜２００ｎｍ（アスペクト比が約０．６〜１．４）の３つの波長変換装置１３は他のアンテナ高さＨのものに比べて大きな強度分布を示し、いずれもほぼ似たような狭角出射の強度分布を示した。
【００２９】
次にアンテナアレイ３０のより好ましい構成について説明する。図５は、波長変換装置１３におけるアンテナアレイ３０の近傍の電場増強（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）の様子を、有限要素法を用いたシミュレーションで求めた図である。シミュレーションは、アンテナ幅Ｗ１を１５０ｎｍとし、アンテナ高さＨが１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ（アスペクト比０．０７〜２．００）となる場合について求めた。蛍光体プレート２１、アンテナアレイ３０、及び外部媒体にはそれぞれ、実施例と同じＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体、Ａｌ、及び空気として求めた。また、電場増強（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）はアンテナ３１を有さない波長変換装置１００の電場強度をＥ0とし、アンテナ３１を有する波長変換装置１３の電場強度をＥとして求めた。
【００３０】
図５においては、蛍光体プレート２１内の電場増強（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）が大きいほど波長変換光Ｌ２１が多く留まって（局在表面プラズモン共鳴によってアンテナアレイ３０に捕捉されて）おり、波長変換効率が向上していることを示す。一方、空気中での電場増強は波長変換光Ｌ２１及び通過光Ｌ２２の光取り出しを阻害する反射成分の増大につながるため小さいことが好ましい。アンテナ高さＨが５０ｎｍ以上で蛍光体プレート２１内の電場増強が起きていることがわかる。また、アンテナ高さＨが１００ｎｍ以上で蛍光体プレート２１の表面のアンテナ３１端部の極近傍で特に強い電場増強が観測された。一方で空気中の電場増強はアンテナ高さＨが５０ｎｍ及び２００ｎｍ以上で強くなっていることがわかった。
【００３１】
図６は、アンテナ３１のアスペクト比（アンテナ高さＨ／アンテナ幅Ｗ１）と、上記シミュレーションから求められた蛍光体プレート２１内の電場増強の大きさ（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）及びアンテナアレイ３０の反射率との関係を示す図である。図６の下側の横軸はアンテナ高さＨを、上側の横軸はアスペクト比を示す。
【００３２】
また、図６の右側の縦軸は電場増強の大きさ（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）を、左側の縦軸はアンテナアレイ３０の反射率を示す。蛍光体プレート２１内の電場増強の大きさは、特に波長変換効率及び光取り出し効率を大きく寄与するアンテナアレイ３０の極近傍領域を計算領域とした。具体的には、蛍光体プレート２１内の表面から深さ５０ｎｍまでを蛍光体プレート２１表面の極近傍領域として電場増強の大きさを調べた。アンテナアレイ３０の反射率は空気中の電場増強の積算値から求められる。
【００３３】
図６に示すように、アンテナアレイ３０の極近傍の電場増強の大きさ、すなわち波長変換装置１３の波長変換効率及び光取り出し効率は、アンテナ３１のアスペクト比とも相関があることがわかる。具体的には、図６に示すように、アンテナ３１は、アンテナ幅Ｗ１が１５０ｎｍに対してアンテナ高さＨが５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内で、電場増強の大きさ（｜Ｅ｜2／｜Ｅ0｜2）が１．０を十分に上回り、アンテナアレイ３０による電場増強効果が現れていることを示す。
【００３４】
ここで、図６ではアンテナ高さＨが５０ｎｍと２００ｎｍ、すなわちアスペクト比（Ｈ／Ｗ１）が０．３３及び１．３３において、同程度の電場増強の大きさ及び反射率を示している。しかし、実施例においては、図４から分かるようにアンテナ高さＨが５０ｎｍの波長変換装置１３よりもアンテナ高さＨが２００ｎｍの波長変換装置１３が大きい電場増強もしくは光取り出し効率が得られている。これは、図５で示したように、アンテナ高さＨが５０ｎｍの場合に比べて、アンテナ高さＨが２００ｎｍの方がアンテナ３１の端部極近傍に集中した電場増強が大きいためと考えられる。すなわち、高い電場増強がアンテナ３１の極近傍に（局所的に）集中している方が光回折を利用した光取り出し効率の向上に寄与しやすいためと考えられる。これらの結果から、アンテナ高さＨは１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００３５】
また、図６に示すように、アンテナ３１のアンテナ幅Ｗ１及びアンテナ高さＨは、０．６≦（Ｈ／Ｗ１）≦１．４の関係を満たすことが好ましい。また、特にアスペクト比が１のとき、電場増強が最大でかつ反射率が最小となり、より好ましい。これは、アンテナ３１のアスペクト比が１の場合、隣接する局在表面プラズモン共鳴の光回折を介した共振が最大となり、蛍光体プレート２１内の電場増強が増大しかつアンテナ３１の極近傍に集中しやすいためと考えられる。
【００３６】
換言すれば、波長変換装置１３の波長変換効率及び光取り出し効率は、アンテナ３１のアスペクト比にも依存するということができる。従って、このアスペクト比（Ｈ／Ｗ１）に基づいてアンテナ３１の構成を最適化することで、高い波長変換効率及び光取り出し効率を得ることができる。
【００３７】
なお、光源装置１０を灯具に用いる場合、アンテナ３１の材料としては、上記した材料のうち、使用する蛍光体の発光波長範囲内に局在表面プラズモン共鳴のプラズマ周波数を有する材料を用いることが好ましい。これらを考慮すると、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を用いる場合のアンテナ３１は、Ａｇ（銀）又はＡｌ（アルミニウム）からなることが好ましい。
【００３８】
なお、本実施例においては、アンテナ３１が正方格子状に配列される場合について説明したが、アンテナ３１の配列形態はこれに限定されない。アンテナ３１は、一定の周期で配列されていればよく、例えば三角格子状、六角格子状又は長方格子状に配列されていてもよい。なお、例えば、長方格子状など、各アンテナ３１が波長変換体２０の出射面Ｓ２上の複数方向（例えば互いに直交するｘ方向及びｙ方向）によって異なる周期Ｐ及びＱを有する場合、周期Ｐ及びＱが二次光Ｌ２の波長変換体２０内での光学波長程度の周期であることが好ましい。
【００３９】
図７は、本実施例の変形例に係る光源装置１０Ａの波長変換装置１３Ａの上面図である。波長変換装置１３Ａは、図７に示すように、三角格子状に周期Ｐで配置された複数のアンテナ３１Ａからなるアンテナアレイ３０Ａを有する。本変形例のように、三角格子状にアンテナ３１Ａを配列してもよい。なお、本変形例においては、アンテナ３１Ａの各々が３方向の全てで周期Ｐの配置周期を有する。
【００４０】
図８〜１０に、アンテナ周期Ｐが異なる波長変換装置１３又は１３Ａの配光を示した。図８は三角格子配列のアンテナ３１Ａを有する波長変換装置１３Ａにおいて、周期Ｐを３５０ｎｍとした場合、図９は三角格子配列のアンテナ３１Ａを有する波長変換装置１３Ａにおいて、周期Ｐを４００ｎｍとした場合、図１０は正方格子配列のアンテナ３１を有する波長変換装置１３において、周期Ｐを３５０ｎｍとした場合の配光である。いずれの場合においても配列及び周期Ｐ以外は本実施例又はその変形例と同じ構成にて波長変換装置１３又は１３Ａを作製した。配光の形状はそれぞれの場合で異なるが、いずれの場合においても同様に、０．６≦（Ｈ／Ｗ１）≦１.４の範囲で比較的高い波長変換効率と光取り出し効率が得られ、Ｈ／Ｗ１＝１のとき最も好ましいことが確認された。
【００４１】
なお、アンテナ幅Ｗ１は、１００ｎｍより小さいと可視光に対して小さすぎるため十分な波長変換効率の向上を期待できない。従って、アンテナ幅Ｗ１は１００ｎｍ以上とするのが好ましい。より好ましくはアンテナ幅Ｗ１を周期Ｐに対して０．３Ｐ≦Ｗ１≦０．７とする。上記範囲よりアンテナ幅Ｗ１が小さいとアンテナ３０による散乱断面積が小さく十分な強度の局在表面プラズモン共鳴を得られず、一方で上記範囲よりアンテナ幅Ｗ１が大きいと出射面Ｓ２上のアンテナアレイ３０の占有面積が大きくなり、入射光Ｌ１及び波長変換光Ｌ２がアンテナアレイ３０に吸収される割合が増え光取り出し効率が低下する。
【００４２】
また、本実施例においては蛍光体プレート２１が単相のＹＡＧ：Ｃｅからなる場合について説明したが、蛍光体プレート２１は、例えば蛍光体粒子を含有する樹脂又はガラスを媒体としたプレートでもよい。また、蛍光体プレート２１の形状は一例に過ぎない。また、蛍光体プレート２１の側面に光反射膜２２が設けられる場合について説明したが、求められる配光によっては光反射膜２２を設ける必要はない。なお、例えば、本実施例で示した白色塗料の他にも光学多層反射膜や金属反射膜やこれらの組み合わせた反射部材とすることができる。
【００４３】
また、本実施例においては、波長変換装置１３の入射面Ｓ１は蛍光体プレート２１が露出した構成としたがこれに限らない。例えば、一次光Ｌ１の蛍光体プレート２１への入射効率を向上させるため、蛍光体プレート２１の入射面Ｓ１の表面に反射防止膜（ＡＲコート）や凹凸構造を形成することができる。また、アンテナアレイ３０は波長変換光Ｌ２１を入射面Ｓ１側にも挟角放射する。すなわち、出射面Ｓ２を対称面として図５に示した配光と同様の波長変換光Ｌ２１が出射面Ｓ２から入射面Ｓ１に向かって放射される。一次光Ｌ１を透過し、入射面Ｓ１に向かう波長変換光Ｌ２１を選択的に反射する光学多層反射膜（ダイクロイックミラー）を入射面Ｓ１に形成することで波長変換装置１３の効率を更に向上させることができる。
【００４４】
また、本実施例においては光源１２がレーザ光源である場合について説明したが、光源１２はレーザ光源である場合に限定されない。例えば光源１２は発光ダイオードであってもよい。また、光源１２と波長変換装置１３との間には、コリメート光学系、集光光学系等の各種光学系を配置することができる。各光学系を配置し、組み合わせることで一次光Ｌ１の配光を所望の形状に成形し、一次光Ｌ１の蛍光体プレート２１への入射効率向上、二次光Ｌ２（通過光Ｌ２２）の配光を波長変換光Ｌ２１により近づけて更に色ムラを低減することが可能になる。また、光源装置１０の構成は一例に過ぎない。光源装置１０は投光レンズ１４を有さず、二次光Ｌ２を外部に取り出す開口が筐体１１に設けられていてもよい。
【００４５】
また、本実施例ではアンテナアレイ３０を蛍光体プレート２１の出射面Ｓ２に形成したが、入射面Ｓ１側に形成することもできる。しかし、アンテナアレイ３０は出射面Ｓ２に形成することが好ましい。具体的には、アンテナアレイ３０は一次光Ｌ１（通過光Ｌ２２）を一部反射、吸収する。従って、アンテナアレイ３０を入射面Ｓ１に設けると一次光Ｌ１が蛍光体プレート２１へ入射する前に一部が反射、吸収されるため光源装置１０の効率が低下してしまう。従って、実施例のようにアンテナアレイ３０を蛍光体プレート２１の出射面Ｓ２に形成し、一次光Ｌ１を十分に波長変換させてから出射面Ｓ２及びアンテナアレイ３０を介して二次光Ｌ２を放射させる形態が好ましい。
【００４６】
また、アンテナアレイ３０の損傷や形状安定性を向上させるため、アンテナアレイ３０及び出射面Ｓ２を酸化膜などの保護膜で覆ってもよい。例えば、アンテナアレイ３０にＡｌを用いる場合は、酸素含有雰囲気中で室温放置もしく加熱することでアンテナ３１の表面に酸化膜（Ａｌ2Ｏ3）を簡単に形成できる。形成される酸化膜は１ｎｍ以下の膜厚であり、アンテナアレイ３０の光学的特性に影響と与えずに保護膜を形成できる。
【００４７】
また、本実施例では蛍光体プレート２１の出射面Ｓ２に対向する面を入射面Ｓ１としたが、蛍光体プレート２１のいずれの面も入射面２１とすることができる。すなわち、蛍光体プレート２１の各側面、入射面Ｓ１、出射面Ｓ２のうちいずれかもしくは複数の面から一次光Ｌ１を入射させることができる。いずれの場合も、投光レンズ１４もしくは光源装置１０の開口は出射面Ｓ２の法線上に配置する。また、入射面Ｓ１と出射面Ｓ２を同一の面とすることも可能であり、その場合は蛍光体プレート２１の出射面Ｓ２及び入射面Ｓ１と対向する面の表面に反射膜を形成することが好ましい。
【００４８】
上記したように、本実施例においては、波長変換装置１３は、入射面Ｓ１及び出射面Ｓ２を有し、入射面Ｓ１から入射された入射光Ｌ１の波長を変換して波長変換光Ｌ２１を生成し、波長変換光Ｌ２１を出射面Ｓ２から出射する波長変換体２０と、波長変換体２０上に形成され、波長変換光Ｌ２１の波長変換体２０内での光学波長程度の周期Ｐで各々が配置された複数のアンテナ３１からなるアンテナアレイ３０と、を有する。従って、色ムラ及び強度ムラを抑制し、また、低エタンデュで高い光取り出し効率を得ることが可能な波長変換装置１３及び光源装置１０を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０、１０Ａ  光源装置
１１  筐体
１２  光源（レーザ光源）
１３  波長変換装置
２０  波長変換体
２１  蛍光体プレート
２２  光反射膜
３０  アンテナアレイ
３１  アンテナ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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