CN112639544A - 波长转换构件及使用了它的白色光输出设备 - Google Patents

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Abstract

波长转换构件(10)转换激光(L)的波长。波长转换构件具备：对激光具有反射性的基板(1)；和荧光体层(2)，其包含将激光转换成比该激光更为长波长的光的荧光体，并且形成于基板上。荧光体层在被照射激光的一侧的表面具有多个相对于该荧光体层的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上的凹部(3)。而且，相邻的凹部的间隔比照射至荧光体层的表面的激光的光斑直径小。白色光输出设备(100)具备：放出激光的激光源(20)；和上述波长转换构件。

Description

波长转换构件及使用了它的白色光输出设备
技术领域
本发明涉及波长转换构件及使用了它的白色光输出设备。
背景技术
一直以来，已知有一种白色光输出设备，其通过将激光照射至包含荧光体的波长转换构件、并将激光的一部分与由荧光体放出的荧光的一部分进行加法混色来得到白色光。就这样的白色光输出设备而言，为了提高光输出功率，将功率密度高的激光照射至荧光体。但是，已知伴随着激光的大功率化，会产生荧光体的荧光输出饱和，其结果是，由激光向白色光的转换效率有可能降低。另外，荧光具有各向同性地进行扩散的配光分布(无指向性)，另一方面，激光具有直线传播性(指向性)高的配光分布。起因于这样的荧光和激光的特性，有时输出光的照射光斑产生色不均、色均匀性降低。
专利文献1公开了降低指向性强、干涉性高的相干光的发光元件。具体而言，专利文献1公开了接受从激发光源射出的激发光而发出荧光的发光元件。该发光元件由在基板上以层状沉积的多个荧光体粒子制成，在荧光体粒子的表面设置有涂层，进而，涂层在发光元件的表面形成有凹凸形状。通过像这样在发光元件的表面形成凹凸形状，从而使照射至发光元件的激发光发生散射，使激发光的直线传播性、指向性消失，由此变得能够改善输出光的照射光斑的色不均。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5269115号公报
发明内容
确实，如专利文献1那样，通过在荧光体粒子的表面设置涂层，涂层在发光元件的表面形成凹凸形状，从而能够使激发光散射、改善输出光的照射光斑的色不均。其另一方面，由于激发光变得难以到达至荧光体粒子，因此基于荧光体粒子得到的激发光的吸收率降低，其结果是存在下述问题：变得难以获得低色温度带的输出光等、将输出光的色度范围增大变得困难。
本发明是鉴于这样的现有技术所具有的课题而进行的。而且，本发明的目的在于提供能够增大输出光的色度范围、并且改善输出光的色不均的波长转换构件及使用了该波长转换构件的白色光输出设备。
为了解决上述课题，本发明的第一方案的波长转换构件是转换激光的波长的构件。波长转换构件具备：对激光具有反射性的基板；和荧光体层，其包含将激光转换成比该激光更为长波长的光的荧光体，并且形成于基板上。荧光体层在被照射激光的一侧的表面具有多个相对于该荧光体层的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上的凹部。相邻的凹部的间隔比照射至荧光体层的表面的激光的光斑直径小。
本发明的第二方案的白色光输出设备具备：放出激光的激光源；和上述波长转换构件。
附图说明
图1是示意性地表示使用了本实施方式的波长转换构件的白色光输出设备的截面图。
图2是示意性地表示使用了以往的波长转换构件的光输出设备的截面图。
图3是表示用于说明波长转换构件的荧光体层中的凹部的开口宽度的显示了荧光体层的厚度与扫描距离的关系的截面曲线的图。
图4是表示实施例及比较例的波长转换构件中的显示了荧光体层的厚度与扫描距离的关系的截面曲线的图。
图5是表示用于测定实施例及比较例的波长转换构件中的输出光的配光分布的装置的概略图。
图6是表示由实施例的波长转换构件发出的荧光及激光的放射角度及相对强度的关系的图。
图7是表示由比较例的波长转换构件发出的荧光及激光的放射角度及相对强度的关系的图。
具体实施方式
以下，对于本实施方式，在参照附图的同时进行说明。需要说明的是，以下说明的实施方式均表示本实施方式的优选的具体例子。因此，以下的实施方式中所示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态等只不过是一个例子，主旨并非限定本实施方式。
[波长转换构件]
本实施方式的波长转换构件10是转换作为激发光的激光L的波长的构件。如图1中所示的那样，波长转换构件10具备：对激光L具有反射性的基板1；和荧光体层2，其包含将激光L转换成比该激光L更为长波长的光的荧光体，并且形成于基板1上。而且，波长转换构件10如图1中所示的那样具有下述特征：沿所照射的激光L被基板1及荧光体层2反射那样的方向放出输出光。
照射至波长转换构件的激光L是具有可被荧光体层2中所含的荧光体吸收的波长的光。激光L的特征在于，功率密度与一般的扩散光相比较高，直线传播性及指向性高。
作为照射至波长转换构件10的激光L，可以使用放射紫外线的紫外线激光及放射可见光线的可见激光中的至少一种。另外，激光L优选在440nm以上且低于470nm、优选在445nm以上且低于460nm的波长区域内具有强度最大值。由此，变得能够将荧光体高效地激发。另外，在激光L在上述波长区域内具有强度最大值的情况下，激光L变成目视确认性良好的蓝色光，不仅可以作为荧光体的激发光有效地利用，而且也可以作为白色光输出设备100的输出光有效地利用。另外，如果利用这样的激光的构成，则可以将比较廉价并且具有高实用实际成绩的蓝色半导体激光元件作为激光源20来利用，因此成为适于工业生产的白色光输出设备100。
激光L的光密度的具体的数值没有特别限定，例如优选为3W/mm2以上且低于100W/mm2。在激光L的光密度为3W/mm2以上的情况下，与LED照明的区别变得明显，因此能够获得作为差异化商品的价值高的白色光输出设备100。在激光L的光密度低于100W/mm2的情况下，能够获得因荧光体层2的能量损失而引起的发热少的白色光输出设备100。
另外，作为一般照明用优选的激光L的光密度的最大值为3W/mm2以上且低于20W/mm2。作为内窥镜用优选的激光L的光密度的最大值为10W/mm2以上且低于50W/mm2。作为投影仪用优选的激光L的光密度的最大值为40W/mm2以上且低于100W/mm2。
波长转换构件10中的基板1优选对激光L具有反射性，例如优选由反射激光L的反射构件制成。通过使用反射构件作为基板1，如后文所述的那样，激光L在基板1的表面进行反射，变得能够通过反射光将荧光体层2中的荧光体有效地激发。
基板1的形状只要是在表面能够保持荧光体层2则没有特别限定，例如可以制成板状。另外，构成基板1的反射构件只要能够反射激光L则没有特别限定，可以使用由任意的固体物质形成的构件。作为反射构件，可以使用至少在表面具备金属或金属氧化物的构件。作为反射构件的金属，可列举出铝及硅，作为金属氧化物，可列举出氧化铝。由这样的材料形成的反射构件由于能够将通过激光L的照射而产生的热高效地散热，因此是优选的。
在基板1中，在反射构件的表面也可以设置反射激光L的反射膜。作为反射膜，例如可列举出由银形成的薄膜。
在波长转换构件10中，荧光体层2至少含有荧光体。作为荧光体，可以使用将激光L的一部分能量吸收、并将与激光L不同波长的荧光以各向同性的配光分布放出的荧光体。作为这样的荧光体，例如可以使用含有Ce3+作为发光中心的Ce3+活化荧光体。
作为Ce3+活化荧光体，可列举出以具有石榴石的晶体结构的化合物例如铝酸盐、硅酸盐、硅铝酸盐等作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，例如可以使用选自Lu3Ga2(AlO4)3：Ce3+、Lu3Al2(AlO4)3：Ce3+、Y3Ga2(AlO4)3：Ce3+、Y3Al2(AlO4)3：Ce3+、(Y，Gd)3Al2(AlO4)3：Ce3+、Ca3Sc2(SiO4)3：Ce3+、Lu2CaMg2(SiO4)3：Ce3+、(Lu，Ca)3(Al，Mg)2((Al，Si)O4)3：Ce3+中的至少一种。
作为Ce3+活化荧光体，可列举出以包含稀土类元素或碱土类金属的复合氧化物例如磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，例如可以使用选自LaPO4：Ce3+、YPO4：Ce3+、Y2SiO5：Ce3+、Ca2MgSi2O7：Ce3+、YAlO3：Ce3+、CeMgAl11O19中的至少一种。
作为Ce3+活化荧光体，可列举出以包含稀土类元素或碱土类金属的氮化物或氧氮化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，例如可以使用选自Y2Si3O3N4：Ce3+、La3Si6N11：Ce3+、CaAlSiN3：Ce3+、Ca(Al，Si)2(N，O)3：Ce3+中的至少一种。
作为荧光体，也可以使用余辉比较长、在直接照射激光L的情况下容易荧光输出饱和的荧光体。作为这样的荧光体，可列举出包含通过宇称禁阻型及自旋禁阻型中的至少一种电子能量跃迁来放出荧光的离子的荧光体。作为通过宇称禁阻型及自旋禁阻型中的至少一种电子能量跃迁来放出荧光的离子，例如可列举出利用稀土类元素的f电子能级间的跃迁或过渡金属元素的d电子能级间的跃迁来放出荧光的离子。作为这样的离子，可列举出除Ce3+以外的三价的稀土类离子(Pr3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+)、具有3dn的电子配置的一价～四价的过渡金属离子(Cr3+(3d3)、Mn2+(3d5)、Mn4+(3d3)、Fe3+(3d5))。
荧光体优选包含选自Eu2+、Eu3+、Tb3+及Mn4+中的一种离子作为发光中心。这样的荧光体由于放出适于照明用途的可见光，因此能够获得容易设计照明光的波长转换构件10。
作为Eu2+活化荧光体，可列举出以碱土类金属的复合氧化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用选自AE2SiO4：Eu2+等碱土类金属硅酸盐、AEMgAl10O17：Eu2+等碱土类金属铝酸盐、AE10(PO4)6Cl2：Eu2+等碱土类金属卤代磷酸盐、AE2P2O7：Eu2+等碱土类金属磷酸盐中的至少一种。另外，AE表示选自Ca、Sr及Ba中的至少一种。
作为Eu2+活化荧光体，可列举出以碱土类金属(AE)的复合氮化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用选自AE2Si5N8：Eu2+、AEAlSi4N7：Eu2+、AEAlSiN3：Eu2+中的至少一种。另外，作为Eu2+活化荧光体，可列举出以碱土类金属(AE)的复合氧氮化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用选自AESi2O2N2：Eu2+、AE3Si6O12N2：Eu2+中的至少一种。
另外，作为Eu3+活化荧光体，可列举出以稀土类元素的氧化物或复合氧化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用选自RE2O3：Eu3+等稀土类氧化物、REVO4：Eu3+、RE(P，V)O4：Eu3+等稀土类钒酸盐、REPO4：Eu3+等稀土类磷酸盐、RE2SiO5：Eu3+等稀土类硅酸盐、RE3Al5O12：Eu3+等稀土类铝酸盐、REBO3：Eu3+等稀土类硼酸盐中的至少一种。另外，RE表示选自Sc、Y、La及Gd中的至少一种。
作为Eu3+活化荧光体，可列举出以稀土类元素(RE)的氧硫化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可列举出RE2O2S：Eu3+。
另外，作为Tb3+活化荧光体，可列举出以稀土类元素的氧化物或复合氧化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用选自RE2O3：Tb3+等稀土类氧化物、REVO4：Tb3+、RE(P，V)O4：Tb3+等稀土类钒酸盐、REPO4：Tb3+等稀土类磷酸盐、RE2SiO5：Tb3+等稀土类硅酸盐、RE3Al5O12：Tb3+等稀土类铝酸盐、REBO3：Tb3+等稀土类硼酸盐中的至少一种。另外，RE表示选自Sc、Y、La、Gd中的至少一种。
作为Tb3+活化荧光体，可列举出以稀土类元素(RE)的复合氮化物、复合氧氮化物、复合碳氮化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用Y2Si4N6C：Tb3+。另外，作为Tb3+活化荧光体，可列举出以稀土类元素(RE)的氧硫化物作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用RE2O2S：Tb3+。
另外，作为Mn4+活化荧光体，可列举出以包含镁的锗酸盐作为母体的荧光体。作为这样的荧光体，可以使用3.5MgO·0.5MgF2·GeO2：Mn4+。另外，作为Mn4+活化荧光体，可列举出碱金属复合氟化物。作为这样的荧光体，可以使用K2SiF6：Mn4+。
另外，荧光体层2中所含的荧光体优选为放出在600nm以上且低于660nm、特别是610nm以上且低于640nm的波长范围内具有荧光峰的红色系的荧光的红色荧光体。由此，在波长转换构件10的输出光中变得包含红色系的荧光成分，因此成为面向要求高演色性、特别是平均演色评价数Ra的照明用途而言有利的波长转换构件10。
作为这样的红色荧光体，例如有被Eu2+活化的氮化物系的荧光体或被Mn4+活化的氟化物荧光体等，特别优选氮化物系的荧光体。由于这样的红色荧光体作为LED照明用的研究取得进展，具有高实用实际成绩，因此能够获得可靠性优异的波长转换构件10。
这里，荧光体优选为粉末状的荧光体。这样的粉末状的荧光体不仅获得容易，而且可以利用迄今为止的在光源技术、显示器装置技术中培养的传统的制膜技术来制造荧光体层2。因此，成为在工业生产的方面有利的波长转换构件10。
荧光体层2中所含的荧光体为粒子组，荧光体的平均粒径优选为15μm以上且低于50μm。另外，荧光体的平均粒径更优选为20μm以上且低于40μm，进一步优选为25μm以上且低于35μm。荧光体为由多个粒子形成的粒子组，通过该荧光体的平均粒径为上述范围内，从而荧光体层2中的荧光体变得能够将激光L高效地吸收并发出高强度的荧光。另外，荧光体的平均粒径可以通过用扫描型电子显微镜对荧光体层2进行观察并测定多个荧光体的粒径来求出。
另外，荧光体层2可以是多个荧光体粒子烧结而成的烧结体，也可以是荧光体的多晶体。
在本实施方式中，荧光体层2优选为仅由无机化合物形成的波长转换体。由此，荧光体层2成为对荧光体的散热有利的导热性优异的层。其结果是，由于变得能够利用高输出功率的激光L来激发荧光体，因此能够获得容易高输出化的波长转换构件10。另外，由于荧光体层2烧焦的顾虑消失，因此还变得能够照射比较高的能量密度的激光，变得能够实现波长转换构件10的高输出化。
这里，作为由无机化合物形成的波长转换体，可以使用选自荧光体的烧结体、荧光体的压粉体、将荧光体粒子进行玻璃密封而得到的结构物、用由无机化合物制成的粘结剂和/或微粒将荧光体粒子接合而成的结构物、使荧光体与化合物热粘接而成的复合体中的至少一种。另外，作为波长转换体，可以使用将它们与其他的荧光体粒子组合而成的复合体。另外，作为使荧光体与化合物热粘接而成的复合体，可列举出使荧光体与氧化铝热粘接而成的复合体。
荧光体层2优选为将荧光体用树脂材料密封而成的波长转换体。由树脂材料进行密封得到的波长转换体由于制造比较容易，因此能够廉价地制造所期望的波长转换体。另外，作为树脂材料，例如可以使用有机硅树脂等透明有机材料。
在本实施方式的波长转换构件10中，形成于基板1上的荧光体层2具备多个凹部3和凸部4。即，在荧光体层2中的被照射激光L的一侧的表面形成有多个凹部3和凸部4。而且，凹部3优选的是，相对于荧光体层2的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上。另外，所谓“荧光体层的膜厚”是指在使用表面粗糙度测定器来测定荧光体层的表面性状的情况下，对荧光体层的表面的任意的部位进行2mm扫描而得到的截面曲线中的具有从最高的山顶起按照高低排列顺序至第5个为止的山高度的凸部的厚度的平均值。
具体而言，可以如下那样操作来求出荧光体层2的膜厚。图3示出了使用表面粗糙度测定器对荧光体层2的表面进行2mm扫描的情况下的截面曲线的例子。而且，在图3的截面曲线中，箭头A～E的山为具有从最高的山顶起按照高低排列顺序至第5个为止的山高度的凸部4。而且，将该箭头A～E的凸部4的厚度的平均值设定为荧光体层2的膜厚。另外，在图3中，箭头A的凸部4的厚度为138μm，箭头B的凸部4的厚度为125μm，箭头C的凸部4的厚度为111μm，箭头D的凸部4的厚度为109μm，箭头E的凸部4的厚度为108μm。因此，图3所涉及的荧光体层2的膜厚成为他们的平均值即118.2μm。
而且，凹部3优选相对于荧光体层2的膜厚具有50％～80％的深度。具体而言，在图3的截面曲线中，凹部3优选的是，相对于荧光体层2的膜厚具有50％～80％的深度、即相对于该膜厚(118.2μm)具有59.1μm～94.6μm的深度。
进而，凹部3优选开口宽度为50μm以上。其中，所谓“开口宽度”是指在与荧光体层的膜厚时同样地操作而得到的截面曲线中，具有相对于荧光体层2的膜厚形成50％～80％的深度的斜面4a的凸部4的峰间距离(山顶间距离)。具体而言，如图3中所示的那样，是指具有形成上述的深度的斜面4a的凸部4的峰间距离d。而且，本实施方式中的荧光体层2的凹部3优选峰间距离d的开口宽度为50μm以上。像这样在凹部3的开口宽度为50μm以上的情况下，激发光变得容易进入荧光体层2的内部，变得容易增大输出光的色度范围并且提高色均匀性，因此是优选的。
如上所述，凹部3的开口宽度优选为50μm以上，更优选为100μm以上。另外，凹部3的开口宽度的上限优选为1000μm，优选为500μm。
荧光体层2的膜厚没有特别限定，例如优选为50μm～1000μm，更优选为50μm～300μm，进一步优选为50μm～200μm。
在具备上述那样的构成的波长转换构件10中，如图1中所示的那样，从激光源20发出的激光L到达至荧光体层2。然后，激光L的一部分直接照射至荧光体层2中的凸部4而被荧光体吸收，但其他的激光L通过荧光体层2中的凹部3，一部分到达至基板1的表面。基板1中的荧光体层2侧的表面由于可以反射激光L，因此到达至基板1的激光L在基板1的表面进行反射。所反射的激光L从与凹部3相邻的凸部4的壁面入射，被凸部4中所含的荧光体吸收。所吸收的激光L经波长转换，成为与激光L不同波长的荧光。另外，照射至荧光体层2的激光L的一部分有可能在荧光体层2的表面进行反射或者在基板1的表面反射后未被荧光体吸收而透过荧光体层2。因此，波长转换构件10放出激光L与从荧光体发出的荧光被加法混色而得到的输出光。
这里，从凸部4的壁面入射至波长转换构件10的荧光体层2的内部的激光L由于在荧光体层2中所含的荧光体的表面、多晶体的晶界等处进行散射，因此激光L丧失直线传播性和指向性，成为各向同性的配光分布。另外，从荧光体放出的荧光也成为各向同性的配光分布。因此，透过了荧光体层2的激光L与荧光经加法混色而成的输出光的色不均得以抑制，变得能够容易提高色均匀性。
另外，从凸部4的壁面入射的激光L被散射，与此同时被荧光体层2中所含的荧光体吸收。因此，激光L通过散射被转换成各向同性的配光分布，并且通过荧光体被转换成长波长的光，降低输出光的色温度。其结果是，波长转换构件10变得能够增大输出光的色度范围，并且变得容易提高色均匀性。
图2中示意性地示出了形成于荧光体层2a上的凹部的开口宽度低于50μm、且深度相对于膜厚低于50％的波长转换构件的例子。在图2的波长转换构件10a中，从激光源20放出的激光L到达至荧光体层2a。然后，激光L的一部分被荧光体层2a中的荧光体吸收，但其他的激光L在荧光体层2a的表面进行反射并散射。此时，由于散射的光不会被荧光体吸收，因此难以通过提高激发光的吸收率来降低输出光的色温度，其结果是变得难以增大输出光的色度范围。
在波长转换构件10中，相邻的凹部3的间隔优选比照射至荧光体层2的表面的激光L的光斑直径小。由此，激光L变得容易通过荧光体层2中的凹部3而到达至基板1的表面。然后，激光L在基板1的表面反射后，从凸部4的壁面入射至荧光体层2，因此激光L的一部分被荧光体散射，并且被吸收。其结果是，波长转换构件10变得能够增大输出光的色度范围，并且容易提高色均匀性。另外，照射至荧光体层2的表面的激光L的光斑直径是指从与基板1的表面垂直的方向观察荧光体层2的情况下的荧光体层表面处的光斑的大小。另外，光斑的大小是指该光斑的外周上的最大2点间距离。即，激光L的光斑直径在荧光体层表面处的光斑的形状为大致圆形的情况下是指直径，在大致椭圆形状的情况下是指长轴的长度。
在波长转换构件10中，相邻的凹部3的间隔更优选为照射至荧光体层2的表面的激光L的光斑直径的1/2以下，进一步优选为1/3以下。另外，激光L的光斑直径优选设定为100μm～10mm。
在波长转换构件10中，凹部3优选在荧光体层2的表面以3个/mm以上存在。即，在使用表面粗糙度测定器对荧光体层2的表面进行扫描的情况下，凹部3优选每1mm存在3个以上。存在于荧光体层2的表面的凹部3的数目变得越多，则激光L越丧失直线传播性、指向性而成为各向同性的配光分布，因此输出光的色不均越得以抑制从而变得能够提高色均匀性。另外，随着凹部3的数目变多，激光L在基板1的表面反射后入射至凸部4，因此变得能够增大输出光的色度范围并且容易提高色均匀性。
在波长转换构件10中，荧光体层2优选的是，由荧光体制成，并且包含使激光L散射的多个荧光体粒子。另外，在波长转换构件10中，荧光体层2优选至少一部分由具有晶界的多晶体形成。通过荧光体层2包含多个荧光体粒子，从而入射至荧光体层2的激光L在荧光体粒子的表面进行散射。由此，激光L丧失直线传播性、指向性，与荧光同样地成为各向同性的配光分布。因此，变得容易提高激光L与荧光被加法混色而成的输出光的色均匀性。
在波长转换构件10中，荧光体层2也可以具有使激光L散射的空隙。通过荧光体层2具有多个空隙，从而入射至荧光体层2的激光L在空隙与荧光体的界面处散射。由此，激光L丧失直线传播性、指向性，与荧光同样地成为各向同性的配光分布。因此，变得容易提高激光L与荧光被加法混色而成的输出光的色均匀性。
本实施方式的波长转换构件10的制造方法没有特别限定，可以应用能够在荧光体层2中形成凹部3的方法。波长转换构件10例如可以通过丝网印刷法来制造。丝网印刷法由于生产率优异，能够以低成本来生产波长转换构件，因此是优选的。
具体而言，首先，制备在基板1的表面进行涂布的荧光体涂布液。荧光体涂布液例如包含溶剂、增稠剂、无机粘接剂和荧光体。作为溶剂，例如使用蒸馏水、有机溶剂。作为增稠剂，例如使用聚环氧乙烷(PEO)。作为无机粘接剂，例如使用超微粒子氧化铝。
荧光体涂布液例如可以通过使增稠剂溶解于溶剂中之后，再依次添加荧光体及无机粘接剂并搅拌来制备。另外，通过改变荧光体涂布液中的荧光体与溶剂的混合量，能够改变荧光体涂布液的粘度从而调整荧光体层2的厚度。
接着，通过丝网印刷法，在基板1的表面涂布荧光体涂布液来形成涂布膜。此时，丝网印刷版的网格优选使用由防水性及防油性高的材料制成的网格。通过使用防水性及防油性高的网格，从而在荧光体涂布液经由网格的孔被挤出至基板1之后，在去除网格时，在涂布膜的表面形成大量的凹凸。然后，通过在涂布膜表面存在凹凸的状态下将设置有涂布膜的基板1加热来除去溶剂及增稠剂，能够获得具备形成有凹部3的荧光体层2的波长转换构件10。另外，设置有涂布膜的基板1的加热温度没有特别限定，例如可以设定为150℃～400℃。
另外，波长转换构件10的荧光体层2中的凹部3的深度及开口宽度可以通过改变荧光体涂布液的粘度、所使用的网格的网格数来调整。
另外，本实施方式的波长转换构件10也可以通过在基板1的表面形成包含荧光体的荧光体层后，使用聚焦离子束(FIB)形成凹部3来获得。FIB由于容易控制凹部3的深度、个数，变得容易实现波长转换构件10的所期望的特性，因此是优选的。
像这样，本实施方式的波长转换构件10为转换激光L的波长的构件。而且，波长转换构件10具备：对激光L具有反射性的基板1；和荧光体层2，其包含将激光L转换成比激光L更为长波长的光的荧光体，并且形成于基板1上。荧光体层2在被照射激光L的一侧的表面具有多个相对于荧光体层2的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上的凹部3。而且，相邻的凹部3的间隔比照射至荧光体层2的表面的激光L的光斑直径小。通过像这样荧光体层2具有规定的凹部3，从而激光L通过荧光体层2中所含的荧光体进行散射而成为各向同性的配光分布，因此激光L与荧光被加法混色而成的输出光的色不均得以抑制，变得能够提高色均匀性。另外，在波长转换构件10中，由于激光L在基板1的表面反射后，从凸部4的壁面入射至荧光体层2，因此激光L的一部分被荧光体散射，并且被吸收。因此，波长转换构件10变得能够增大输出光的色度范围，并且容易提高色均匀性。
如上所述，在波长转换构件10中，由于在基板1的附近被吸收的激光L的比例变多，因此变得更容易将在激光L的吸收过程中产生的热通过基板1进行散热。因此，能够难以表现出荧光体的因温度消光、发热而引起的失活、烧焦。另外，一般而言，输出低色温度的白色光的波长转换构件由于激发光向荧光体中的吸收率高因此容易发热，容易表现出荧光体的因温度消光、发热而引起的失活、烧焦。但是，根据本实施方式的构成，能够抑制发热，并且获得低色温度的白色光。
另外，显而易见的是，由波长转换构件10发出的输出光的色度可以通过荧光体层2的材料、面积、膜厚、荧光体密度等自如地调整。此外，激光L与从荧光体发出的荧光的比率也可以通过荧光体层2的膜厚、荧光体密度来调整。
[白色光输出设备]
接下来，基于附图对本实施方式的白色光输出设备进行详细说明。
如图1中所示的那样，本实施方式的白色光输出设备100具备放出激光L的激光源20和上述的波长转换构件10。而且，白色光输出设备100是具备被称为反射型的结构的发光装置。即，白色光输出设备100具有下述特征：沿激光L被基板1及荧光体层2反射那样的方向放出输出光。
作为白色光输出设备100的激光源20，可以使用放射激光L的发光元件。这样的激光源20没有特别限定，例如可以使用激光二极管。在激光二极管的情况下，由于容易在获得高的输出功率的同时构成小型的装置，因此是优选的。
波长转换构件10如上所述具备：对激光L具有反射性的基板1；和荧光体层2，其包含将激光L转换成比激光L更为长波长的光的荧光体，并且形成于基板1上，进一步具有规定的凹部。
为了从这样的白色光输出设备100放出输出光，首先，使用激光源20从荧光体层2侧朝向下方照射激光L。照射至荧光体层2的激光L的一部分被荧光体层2的荧光体吸收，并激发荧光体。然后，被激发的荧光体朝向三维方向各向同性地放出荧光。这里，基板1中的荧光体层2侧的表面具有将荧光反射的功能。因此，从荧光体朝向基板1侧放出的荧光在基板1的表面进行反射，沿输出方向被放出。
另外，照射至荧光体层2的激光L的一部分通过荧光体层2的凹部3到达至基板1的表面。基板1中的荧光体层2侧的表面由于可以将激光L反射，因此激光L在基板1的表面反射。所反射的激光L被与凹部3相邻的凸部4中的荧光体吸收，并激发荧光体。然后，被激发的荧光体朝向三维方向各向同性地放出荧光。但是，如上所述，由于基板1的表面具有反射荧光的功能，因此从荧光体朝向基板1侧被放出的荧光在基板1的表面反射，沿输出方向被放出。
进而，照射至荧光体层2的激光L的一部分由于在荧光体层2的表面进行反射或者在基板1的表面反射后未被荧光体吸收而透过荧光体层2，因此向上方被放出。因此，白色光输出设备100放出激光L与从荧光体发出的荧光被加法混色而成的输出光。
这里，从荧光体层2的荧光体放出的荧光具有各向同性的配光分布。进而，在基板1的表面反射后入射至荧光体层2的内部的激光L由于在荧光体层2中所含的荧光体的表面散射，因此激光L丧失直线传播性、指向性，成为各向同性的配光分布。因此，激光L与荧光被加法混色而成的输出光的色不均得以抑制，变得能够提高色均匀性。另外，在白色光输出设备100中，由于在基板1的表面反射后，从凸部4的壁面入射至荧光体层2，因此激光L的一部分被荧光体散射，并且被吸收。因此，波长转换构件10能够增大输出光的色度范围，并且容易提高色均匀性。
在白色光输出设备100中，激光L相对于波长转换构件10的基板1的入射角度θ1优选超过0°。即，从激光源20发出的激光L也可以相对于基板1中的荧光体层2侧的表面垂直地入射，但优选按照入射角度θ1超过0°的方式从斜向入射。在激光L的入射角度θ1超过0°的情况下，激光L在基板1中的荧光体层2侧的表面反射，相对于荧光体层2从斜下方入射。然后，入射至荧光体层2的激光L被荧光体吸收或者在荧光体粒子的表面进行散射。因此，变得能够有效地放出提高了色均匀性的输出光。另外，激光L相对于波长转换构件10的基板1的入射角度θ1没有特别限定，例如可以设定为超过0°且低于70°。
另外，即使是在激光L的入射角度θ1为0°的情况下，通过利用存在于凹部3的底面部或基板1的表面的微细的凹凸来进行扩散，其结果是，也有可能激光L的一部分从凸部4的壁面入射。另外，为了表现出该效果，也可以有意地在凹部3的底面部、基板1的表面配置凹凸结构或使光扩散的任意的构成。在这种情况下，变得容易构成更小型的发光装置，因此是优选的。
在白色光输出设备100中，也可以在激光源20与波长转换构件10之间介入用于将从激光源20放射的激光L聚光于荧光体层2的透镜。另外，也可以在激光源20与波长转换构件10之间介入用于将从激光源20放射的激光L传送至荧光体层2进行聚光的导光机构。作为导光机构，例如可以使用光纤。
在图1中所示的白色光输出设备100中，激光源20位于波长转换构件10的正上方，但白色光输出设备100并不限于这样的方案。例如，也可以使激光源20位于白色光输出设备100的正上方以外，并用镜子等来变更激光L的光路。在这种情况下，如上所述，激光L未必需要在空间传播，也可以在从激光源20入射至波长转换构件10的过程的一部分中具备光纤等任意的导光机构。
在白色光输出设备100中，输出光优选作为照明光来利用。由此，成为产业上的利用价值高且需求多的白色光输出设备。另外，白色光输出设备100优选为面向摄影室照明、屋外照明、店铺照明、调光***、设施照明、海洋照明及内窥镜中的任一用途的装置。
实施例
以下，通过实施例及比较例对本实施方式进一步进行详细说明，但本实施方式并不限于这些实施例。
[波长转换构件的制作]
(实施例)
将钇·铝·石榴石粒子(YAG粒子)、CASN粒子(CaAlSiN3：Eu)、氟化镁粒子及聚硅氮烷按照以质量比计成为1：0.4：0.02：0.05的方式称量后，进行混合。钇·铝·石榴石粒子使用由根本特殊化学株式会社制造的中心粒径为18μm的粒子。CASN粒子使用由MitsubishiChemical Corporation制造的中心粒径为18μm的粒子。氟化镁粒子使用中心粒径为40nm的粒子。聚硅氮烷使用Merck Performance Materials Ltd.制的全氢聚硅氮烷(型号NL-120A)。
通过在所得到的混合物中适当混合萜品醇及乙二醇，获得了膏糊状的涂液。
接着，在厚度为0.775mm、纵及横的边的长度为25mm的实施了表面研磨的硅基板的表面，通过溅射而形成膜厚为120nm的银膜。然后，通过使用丝网印刷版和丝网印刷机将涂液涂布于硅基板的银膜上来进行了成膜。另外，丝网印刷版使用了Tetoron(注册商标)制、目数(1英寸间的丝线的根数)为120的印刷版。另外，涂液的涂布通过相对于丝网印刷版以3cm/秒的速度扫描有机硅制刮板来进行。
然后，通过将使涂液成膜后的硅基板在最大400℃的温度下进行加热处理，得到了硅基板与荧光体层被一体化的本例子的波长转换构件。
(比较例)
作为丝网印刷版，使用了不锈钢(SUS)制、目数为120的印刷版，除此以外，与实施例同样地操作而得到了本例子的波长转换构件。
[评价]
测定了实施例及比较例中得到的波长转换构件中的荧光体层的表面性状。进而，测定了对波长转换构件照射激光的情况下的输出光的色温度及转换效率、波长转换构件的表面温度以及输出光的配光分布。
(荧光体层的表面性状)
用触针式台阶计(Bruker公司制、制品名Dektak)测定实施例及比较例的波长转换构件中的荧光体层的表面性状。将表面性状的测定结果示于图4中。图4的图示出了表示实施例及比较例的波长转换构件中的荧光体层的厚度与扫描距离的关系的截面曲线，图4的图中的纵轴的“0μm”是指基板表面的水平。
(输出光的色温度及转换效率)
作为激发光，将中心波长为444nm、功率密度为约4W/mm2的激光照射至实施例及比较例的波长转换构件中的荧光体层的表面。作为激光的光源，使用中心波长为444nm的蓝色激光源，作为蓝色激光源，使用株式会社岛津制作所制的光纤耦合型高亮度蓝色直接二极管激光器BLUE IMPACT(注册商标)。对实施例及比较例的波长转换构件照射激光，其结果是，实施例及比较例均得到了激发光的蓝色光、黄绿色光和红色光进行加法混色而成的混合光。
接着，对由实施例及比较例的波长转换构件获得的混合光，使用积分球及分光光度计，测量了波长光谱、色温度及输出能量。分光光度计使用了大塚电子株式会社制造的多通道分光光谱仪MCPD-9800。另外，将所得到的输出能量除以输入能量而得到的值设定为转换效率。
将实施例及比较例的波长转换构件中的转换效率及色温度示于表1中。另外，在表1中示出了将比较例的转换效率设定为1的情况下的实施例的转换效率的比值。
(波长转换构件的表面温度)
通过以上述的激光照射条件照射激光，并且使热感相机的焦点对准各例子的波长转换构件中的荧光体层，从而测定了荧光体层的表面的温度分布。然后，将所得到的温度分布中的最高的温度设定为波长转换构件的表面温度。将实施例及比较例的波长转换构件的表面温度一并示于表1中。另外，表1中示出了将比较例的表面温度设定为1的情况下的实施例的表面温度的比值。
(输出光的配光分布)
使用图5中所示的测定装置，测定了实施例及比较例的波长转换构件中的输出光的配光分布。图5中所示的测定装置具备回转工作台30及安装于回转工作台30的表面上的散热器40。而且，在散热器40中安装有各例子的波长转换构件10。该测定装置进一步具备激光源20和介由光纤21与激光源20连接的激光输出部22。该测定装置进一步具备分光光度计50和介由光纤51与分光光度计50连接的输出光检测部52。另外，激光源20及分光光度计50使用了与上述的输出光的色温度及转换效率的测定中使用的相同的激光源及分光光度计。
如图5中所示的那样，在回转工作台30上固定有激光输出部22，在回转工作台30旋转时，激光输出部22也相应地与散热器40及波长转换构件10一起旋转。另外，输出光检测部52未固定于回转工作台30上。
如图5中所示的那样，首先，将各例子的波长转换构件10使用散热片贴附于散热器40上。此时，使散热器40贴附波长转换构件10的基板侧。另外，作为散热片，使用了富士高分子工业株式会社制的Thercon(注册商标)。
然后，在与上述的色温度及转换效率的测定相同的激光照射条件下，从激光输出部22对波长转换构件10的荧光体层的表面照射激光L。此时，按照激光L的入射角度θ1成为45°的方式来调整。然后，利用设置于回转工作台30之外的输出光检测部52及分光光度计50测定了在波长转换构件10中扩散的激光L与从荧光体层发出的荧光的混合光(输出光O)的波长光谱。
接着，按照放射角度θ2变大的方式使回转工作台30以0.5°刻度旋转，测定了各角度下的输出光O的波长光谱。然后，从所得到的波长光谱中抽出了激光的峰波长即波长444nm的强度和荧光的峰波长即波长538nm的强度。根据这些，将放射角度与各波长的相对强度比的依赖关系设定为输出光的配光分布。另外，相对强度比是将各波长的放射角度θ2＝0°时的强度设定为1的任意数。
图6中，关于实施例的波长转换构件，示出了各角度的输出光O中所含的激光和荧光的配向分布。图7中，关于比较例的波长转换构件，示出了各角度的输出光O中所含的激光和荧光的配光分布。
[表1]
Figure BDA0002955813990000181
首先，图4中所示的实施例的截面曲线与图3的截面曲线一致。而且，由图3及图4可知：就实施例的波长转换构件而言，在荧光体层的表面形成有多个凹部。进而可知：所形成的凹部相对于荧光体层的膜厚具有50％～80％的深度，并且开口宽度为50μm以上。与此相对，可知：就比较例的波长转换构件而言，在荧光体层的表面仅形成小的凹部，不存在具有实施例那样的深度及开口宽度的凹部。
另外，如表1中所示的那样，就实施例及比较例的波长转换构件而言，激光的转换效率同等。但是，实施例的输出光的色温度与比较例的输出光相比降低。即，实施例的输出光与比较例的输出光相比，大量地包含了从YAG粒子发出的黄绿色光和从CASN粒子发出的红色光，因此色温度降低。因此可知：通过如实施例的波长转换构件那样在荧光体层设置多个凹部，从而基于荧光体得到的激发光的吸收率提高，能够提高荧光的放射强度。
进而，如表1中所示的那样，实施例的波长转换构件与比较例相比荧光体层的表面温度降低。即，就实施例的波长转换构件而言，由于在基板的表面反射后入射至荧光体层的激光的比例高，因此激光在基板的附近容易被荧光体吸收。可知：此时，即使是在荧光体发热的情况下，由于该荧光体存在于基板的附近，因此也能够将所产生的热经由基板及散热器而高效地散热。
而且，由图6可知：就实施例的波长转换构件而言，随着放射角度θ2变大，激光和荧光的相对强度同等地降低。与此相对，由图7可知：就比较例的波长转换构件而言，随着放射角度θ2变大，激光与荧光的相对强度之差变大。可知：像这样，就实施例的波长转换构件而言，即使是在放射角度θ2变大的情况下，由于激光与荧光的相对强度之差小，因此输出光的色不均也小，色均匀性也变得良好。与此相对，可知：就比较例的波长转换构件而言，由于随着放射角度θ2变大，激光的强度比荧光提高，因此输出光的色不均变大。
以上，通过实施例对本实施方式进行了说明，但本实施方式并不限于这些，可以在本实施方式的主旨的范围内进行各种变形。
日本特愿2018-179939号(申请日：2018年9月26日)的全部内容被援引于此。
产业上的可利用性
根据本申请，能够获得可增大输出光的色度范围、并且改善输出光的色不均的波长转换构件及使用了该波长转换构件的白色光输出设备。
符号的说明
1 基板
2 荧光体层
3 凹部
10 波长转换构件
20 激光源
100 白色光输出设备
L 激光
d 峰间距离(开口宽度)
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(补正后)一种波长转换构件，其是转换激光的波长的波长转换构件，其具备：
对所述激光具有反射性的基板；和
荧光体层，其包含将所述激光转换成比该激光更为长波长的光的荧光体，并且形成于所述基板上，膜厚为50μm～200μm，
所述荧光体层在被照射所述激光的一侧的表面具有多个相对于该荧光体层的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上的凹部和与所述凹部相邻的凸部，
所述激光通过所述荧光体层中的所述凹部而到达至所述基板的表面，在所述基板的表面反射后，从所述凸部的壁面入射至所述荧光体层，
相邻的所述凹部的间隔比照射至所述荧光体层的所述表面的所述激光的光斑直径小。
2.根据权利要求1所述的波长转换构件，其中，所述凹部在所述荧光体层的表面以3个/mm以上存在。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换构件，其中，所述荧光体层由所述荧光体制成，并且包含使所述激光散射的多个荧光体粒子。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的波长转换构件，其中，所述荧光体层具有使所述激光散射的空隙。
5.一种白色光输出设备，其具备：
放出激光的激光源；和
权利要求1至4中任一项所述的波长转换构件。
6.根据权利要求5所述的白色光输出设备，其中，所述激光相对于所述波长转换构件的所述基板的入射角度超过0°。

Claims (6)

1.一种波长转换构件，其是转换激光的波长的波长转换构件，其具备：
对所述激光具有反射性的基板；和
荧光体层，其包含将所述激光转换成比该激光更为长波长的光的荧光体，并且形成于所述基板上，
所述荧光体层在被照射所述激光的一侧的表面具有多个相对于该荧光体层的膜厚具有50％～80％的深度、并且开口宽度为50μm以上的凹部，
相邻的所述凹部的间隔比照射至所述荧光体层的所述表面的所述激光的光斑直径小。
2.根据权利要求1所述的波长转换构件，其中，所述凹部在所述荧光体层的表面以3个/mm以上存在。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换构件，其中，所述荧光体层由所述荧光体制成，并且包含使所述激光散射的多个荧光体粒子。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的波长转换构件，其中，所述荧光体层具有使所述激光散射的空隙。
5.一种白色光输出设备，其具备：
放出激光的激光源；和
权利要求1至4中任一项所述的波长转换构件。
6.根据权利要求5所述的白色光输出设备，其中，所述激光相对于所述波长转换构件的所述基板的入射角度超过0°。
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