JP5552573B2 - 光学素子及びそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents

光学素子及びそれを用いた半導体発光装置 Download PDF

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Description

本開示は光学素子及びそれを用いた半導体発光装置に関し、特に指向性を有する光を得ることができる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置に関する。
近年、窒化ガリウム系材料又は砒化ガリウム系材料を用いた、高効率且つ高出力の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）等の半導体発光素子が製品化されている。これに伴い、半導体発光素子を用いたディスプレイ装置用光源の製品化も行われている。半導体発光素子を用いたディスプレイ装置用光源として、画面の側面に配置したＬＥＤの光を、画面の背面に配置した導光板を用いて、ディスプレイ装置の画面全面に導くエッジライト型の光源が注目されている。ＬＥＤよりも指向性に優れた半導体レーザ素子を用いることにより、ディスプレイ装置用光源のエネルギー損失をさらに低減することも検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００９−１５８６２０号公報
しかしながら、前記従来のディスプレイ装置用光源には以下のような問題がある。一般にディスプレイ装置用光源は、レーザ素子等の発光素子から出射された光を、異なる波長の光に変換して用いる。波長の変換は、例えば、発光素子から出射された光を蛍光体を含む反射板等に入射させることにより行う。蛍光体に光を入射させると、蛍光体が励起され、入射した光とは波長が異なる蛍光光が放出される。しかし、蛍光体を用いて波長の変換を行うと、光の指向性が失われてしまう。このため、レーザ素子等の指向性に優れた発光素子を用いたとしても、指向性に優れたディスプレイ装置用光源を実現することは困難である。
本開示は、前記の問題を解決し、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本開示は光学素子を、蛍光体層から放射された光を平行光に変換する構成とする。
具体的に、本開示に係る第１の光学素子は、第１の波長の光により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面の上に形成され、蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備えている。
第１の光学素子は、蛍光体層の第１の面の上に形成され蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、第２の面の上に形成され蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備えている。このため、蛍光体層において第１の波長の光を第２の波長の光に変換すると共に、平行光として光学素子から出射させることができる。
第１の光学素子において、第１の光学部材は、集光レンズを有する第１の透明基板であっても、回折格子を有する第１の透明基板であってもよい。
第１の光学素子において、第２の光学部材は、第２の面の上に形成され、コリメートレンズを有する第２の透明基板であってもよい。
第２の光学素子は、第１の波長の光により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光し且つ蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第３の光学部材とを備えている。
第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面の上に形成され、蛍光体層に光を集光し且つ蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第３の光学部材を備えている。このため、蛍光体層において第１の波長の光を第２の波長の光に変換すると共に、平行光として光学素子から出射させることができる。
第２の光学素子において、第３の光学部材は、蛍光体層と反対側の面に設けられた回折格子と、蛍光体層と対向する面に設けられた反射鏡とを有する第３の透明基板であってもよい。
第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面に形成された反射層をさらに備え、第３の光学部材は、凸レンズである構成としてもよい。
第１の光学素子は、蛍光体層と第１の光学部材又は第２の光学部材との間に形成され、蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えていてもよい。
第２の光学素子は、蛍光体層の第１の面と反対側の第２の面に形成され、蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えていてもよい。
これら場合において、熱伝導層は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドとしてもよい。また、熱伝導層は、多層膜としてもよい。
第１の光学素子において、蛍光体層は、それぞれが蛍光体を含む複数の第１の領域と、複数の第１の領域を囲み、第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、第１の光学部材は、複数の第１の領域のそれぞれに光を集光する構成としてもよい。
第２の光学素子において、蛍光体層は、それぞれが蛍光体を含む複数の第１の領域と、複数の第１の領域を囲み、第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、第３の光学部材は、複数の第１の領域のそれぞれに光を集光する構成としてもよい。
これらの場合において、第２の領域は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドとしてもよい。
本開示に係る半導体発光装置は、本開示のいずれかの光学素子と、第１の波長の光を出射する発光素子とを備えている。
本開示に係る半導体発光装置は、発光素子から出射された光を互いに並行な光軸を有する複数の光路に分割して、光学素子に入射させる光分岐部をさらに備えていてもよい。
本開示に係る光学素子及び半導体発光装置によれば、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られる光学素子及びそれを用いた半導体発光装置を実現できる。
（ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る光学素子を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の動作を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子について蛍光体層の温度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）はシミュレーションに用いた光学素子の構成を示し（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子を用いた画像表示装置の例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る光学装置を用いた発光装置を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は画像表示装置の動作例を示す模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は第１の実施形態に係る光学素子の第１変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面図である。 第１変形例の光学素子を用いた画像表示装置の例を示す模式図である。 第１変形例の光学素子について蛍光体層の温度分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 第１の実施形態の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第１の実施形態の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第１の実施形態の光学素子の第２変形例を示す断面図である。 第２変形例の光学素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 第２変形例の光学素子を用いた発光装置を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の第３変形例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る光学素子の第４変形例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光学素子を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光学素子を用いた発光装置を示す模式図である。 第２の実施形態に係る光学素子の製造工程を工程順に示す断面図である。
本開示において、平行光とは、完全な平行光だけでなく、数度〜十数度程度の拡がりを有する略平行光を含む。
（第１の実施形態）
図１(ａ)及び（ｂ）に示すように、第１の実施形態の光学素子１１０は、入射光の波長を変換して出射する蛍光体光学素子である。図１は、液晶テレビジョン受像器等のエッジライト型の光源に適した棒状の構成の光学素子１１０を示している。図１に示すように光学素子１１０は、蛍光体層１１３と、蛍光体層１１３の第１の面１１３ａの上に熱伝導層１１４を介して設けられた第１の光学部材１１１と、第２の面１１３ｂの上に設けられた第２の光学部材１１２とを有している。
蛍光体層１１３は、第１の波長の入射光により励起され第２の波長の蛍光光を放出する蛍光体を含む。蛍光体は、どのようなものでもよいが例えば、セリウム添加イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋）若しくはβ−サイアロン等の希土類蛍光体又はセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、セレン化亜鉛、硫化亜鉛若しくはリン化インジウム等の化合物半導体により形成されたコア／シェル型の量子ドット蛍光体等とすればよい。
熱伝導層１１４は、光の吸収が少なく且つ蛍光体層１１３よりも平均熱伝導率が高い層であればよい。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜又はダイヤモンドからなる層とすればよい。
第１の光学部材１１１は、第１の透明基板１１１Ａと、第１の透明基板１１１Ａの第１の面に形成された微小レンズ１１１Ｂとを有している。第１の光学部材１１１は、第１の面と反対側の第２の面を蛍光体層１１３側にして熱伝導層１１４を介在させて蛍光体層１１３の第１の面１１３ａの上に固定されている。第２の光学部材１１２は、第２の透明基板１１２Ａと、第２の透明基板１１２Ａの第１の面に形成された微小レンズ１１２Ｂとを有している。第２の光学部材１１２は、第１の面と反対側の第２の面を蛍光体層１１３側にして蛍光体層１１３の第２の面１１３ｂの上に固定されている。第１の透明基板１１１Ａ及び第２の透明基板１１２Ａは、ソーダライム、硼珪酸クラウンガラス（ＢＫ７）又は合成石英等とすればよい。通常は、第１の光学部材１１１が第２の光学部材１１２よりも厚い。また、第１の光学部材１１１の微小レンズ１１１Ｂは、第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂよりも焦点距離が長い。
図２は、本実施形態の光学素子１１０の動作を示している。図２に示すように、第１の波長の光１２１を第１の光学部材１１１に入射させる。第１の波長の光１２１は、半導体レーザ素子等の発光素子（図示せず）とレンズ等の光学素子（図示せず）とを用いて発生させた平行光等とすればよい。発光素子は、例えば窒化ガリウム系の化合物半導体を用いた発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の半導体レーザ素子等とすればよい。なお、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍであるとは、発光光のピーク波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲にあるということを意味する。
第１の光学部材１１１に入射した平行光である第１の波長の光１２１は、集光レンズである微小レンズ１１１Ｂにより蛍光体層１１３の微小領域１１３ｃに集光される。蛍光体層１１３に含まれる蛍光体は第１の波長の光１２１を吸収し、第２の波長の光１２２を放射する。第１の波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の場合には、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋又はＣｄＳｅ系量子ドット蛍光体を用いることにより、第２の波長を４８０ｎｍ〜７００ｎｍ程度とすることができる。なお、第２の波長が４８０ｎｍ〜７００ｎｍであるとは、蛍光体から放出される第２の波長の光のピーク波長が４８０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲にあり、第２の波長の光のスペクトル分布が４８０ｎｍ〜７００ｎｍにあるということを意味する。
蛍光体から放射された第２の波長の光１２２は、拡散光として蛍光体層１１３から出射される。第２の波長の光１２２のうち第２の光学部材１１２側に向かった光は、コリメートレンズである微小レンズ１１２Ｂにより平行光として光学素子１１０の外部へ出射される。蛍光体層１１３から出射された第２の波長の光１２２は拡散光であるが微小領域１１３ｃから出射されるため第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂにより効率良く平行光とすることができる。また、第１の波長の光１２１の一部は蛍光体に吸収されず散乱されて第２の光学部材１１２側へ向かい、第２の波長の光と同様に平行光として光学素子１１０の外部へ出射される。
一方、蛍光体に吸収された第１の波長の光１２１の一部は、蛍光に変換されず熱に変換される。蛍光体層１１３において発生した熱は、蛍光体層１１３と接する熱伝導層１１４により、光学素子１１０の周縁部に効率良く伝達され放熱される。熱伝導層１１４は、第２の波長の１／４程度の厚さとすることが好ましい。このようにすれば、熱伝導層１１４が第２の波長の光１２２に対して反射膜として機能する。従って、蛍光体層１１３から出射された第２の波長の光１２２を効率良く第２の光学部材１１２側に導くことができる。
図１は、熱伝導層１１４が第１の面１１３ａの上に形成されている例を示しているが、熱伝導層１１４を第２の面１１３ｂの上に形成してもよい。この場合には、熱伝導層１１４が、第１の波長の光１２１に対して反射膜として機能し、第２の波長の光１２２に対して反射膜として機能しにくい厚さとすることが好ましい。
以下に、熱伝導層１１４の効果について説明する。図３は、熱伝導層１１４をＺｎＯ（熱伝導率λ＝５Ｗ／ｍＫ）とした場合とガラス（λ＝０．３Ｗ／ｍＫ）とした場合とにおける蛍光体層の温度部分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。シミュレーションには、図４に示すような光学素子において、微小レンズがない薄い光学部材により熱伝導層と蛍光体層とが挟まれた簡単な構造のモデルを用いた。また、光源（図示せず）には波長４５０ｎｍの半導体レーザ素子、蛍光体はＹＡＧ：Ｃｅ３＋を仮定し、適当なパラメータを設定した。光学素子の外形は長軸Ｌを４５ｍｍ、短軸Ｄを５ｍｍとし、長軸方向の側面に放熱板１３０が固定されている。このとき光学素子は放熱板１３０と熱的に接続されており、その界面が４０℃で固定されているとした。また第１の光学部材１１１の厚さは０．５ｍｍ、第２の光学部材１１２の厚さが０．２ｍｍ、蛍光体層１１３及び熱伝導層１１４の厚さはともに０．１ｍｍとした。第１の光学部材１１１は、長軸方向に９個の集光レンズを有し、各集光レンズに入射した励起光は、蛍光体層１１３上の１．０ｍｍ角程度の領域に集光されるとした。第１の光学部材１１１及び第２の光学部材１１２はガラスとし、蛍光体層１１３は熱伝導率がガラスとほぼ等しい樹脂材料とした。
ここで、光出力５Ｗの光源（図示せず）を配置し、分離素子（図示せず）において９分割された光（このとき１０％のエネルギーロスが生じるとする）が個々の微小レンズ１１１Ｂにより蛍光体層１１３の微小領域１１３ｃに集光されるとする。微小領域１１３ｃに集光された０．５Ｗの光は、８０％の変換効率（２０％の損失）で第２の波長の光に変換され、波長変換される際に２５％のストークスロスを生じるとする。この場合、微小領域１１３ｃには０．２Ｗのジュール熱が発生する。熱伝導層１１４がガラスからなる場合には、励起光が集光された微小領域の温度は光学素子中央部で最大で３００℃を越えてしまう。蛍光体は一般的に２００℃を越えると変換効率の低下が著しくなるため、この場合、光学素子の機能が大幅に低下する。一方、熱伝導層１１４がＺｎＯからなる場合には、励起光が集光された微小領域の温度は１５０℃程度であり、光学素子の機能低下を大幅に抑制することができる。このように、熱伝導層１１４をＺｎＯとすることにより放熱性を向上させることができ、局所的な温度の上昇を抑えることができる。このため、蛍光体による光の変換効率を向上させることができる。
表１には、種々の材料の熱伝導率を示している。ガラス及び樹脂材料の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫ程度であるのに対し、ＺｎＯの熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ程度である。従って、熱伝導層１１４は、樹脂材料からなる蛍光体層１１３よりも熱伝導率が高い材料により形成すればより効果的であり、特に、熱伝導率が高いＡｌＮ又はダイヤモンド等を用いるとより効果的である。また、熱伝導層１１４を複数の層からなる多層膜としてもよい。熱伝導層１１４を多層膜とすることにより、第１の波長の光は反射しにくく、第２の波長の光は反射しやすい構成とすることが容易にできる。第２の波長の光を反射しやすくすれば、蛍光体層１１３から熱伝導層１１４側に放射された光を第２の光学部材１１２側に効率良く反射させることが可能となり、光の利用効率が向上する。熱伝導層１１４を多層膜とする場合には、全ての層が同一の材料からなる必要はない。この場合、熱伝導層１１４の平均の熱伝導率が蛍光体層１１３の熱伝導率よりも高くなるようにすればよい。この場合、例えば、屈折率が互いに異なり、熱伝導率が高い、サファイアとＡｌＮ膜とにより構成することで容易に上記の多層膜を形成することができる。なお、蛍光体層１１３が複数の材料からなり熱伝導率が均一でない場合には、蛍光体層１１３の平均の熱伝導率よりも熱伝導層１１４の熱伝導率が高くなるようにすればよい。
本実施形態の光学素子は、図５に示すような画像表示装置２００用の光源として用いることができる。画像表示装置２００は、複数の光源２１０を有している。光源２１０は、光源２１０から出射された光が導光板２１２に入射するように、導光板２１２の側面に配置されている。導光板２１２は画像表示部２１４の裏面に配置されている。図５は、光源２１０が５個設けられた例を示しているが、光源２１０の数は画像表示部２１４のサイズに応じて適宜変更してかまわない。
光源２１０となる半導体発光装置は、例えば図６に示すように、本実施形態の光学素子１１０と、半導体レーザ素子等の発光素子１４０と、発光素子１４０から出射された光を平行光として光学素子１１０に入射させる導光素子１５０とを有している。発光素子１４０は、半導体レーザ素子等の指向性が高い光を発生させる発光素子とすることが好ましい。発光素子１４０は、基台１４２の主面と平行な方向に光を出射するように、サブマウント１４１を介して基台１４２の上に固定されている。
導光素子１５０は、発光素子１４０から出射された光が入射するように基台１４２の上に固定されている。導光素子１５０は、光分岐部１５１と、発光素子１４０と光分岐部１５１との間に設けられたコリメートレンズ１５２とを有している。発光素子１４０から出射された光は、コリメートレンズ１５２により平行光とされた後、光分岐部１５１に入射する。光分岐部１５１は、入射した光の一部を反射し残部を透過する分離ミラーが複数積層されている。このため、光分岐部１５１に入射した光は、光軸が互いに並行な複数の光路に分岐される。
光分岐部１５１により複数の光路に分岐された光のそれぞれは、光学素子１１０における第１の光学部材１１１に設けられた複数の微小レンズ１１１Ｂに入射する。微小レンズ１１１Ｂの光軸と光分岐部１５１により分岐された光の光軸とが一致するように、光学素子１１０と導光素子１５０とは配置されている。光学素子１１０に入射した光は、先に説明したように波長が変換され第２の光学部材１１２の微小レンズ１１２Ｂにより平行光として出射される。
画像表示装置２００は、光源２１０が平行光を出射するため以下のような利点を有している。光源２１０から出射された光は、導光板２１２に入射し、導光板２１２の内部を反射しながら導波すると共に一部が画像表示部２１４へと導かれる。光源２１０から出射された光が、平行光である場合には、光源２１０の光量を調整することにより画像表示部２１４の明るさを走査方向に沿って変化させることができる。例えば図７（ａ）には、上から２番目の位置に配置された光源２１０のみを発光させた状態を示し、図７（ｂ）には、上から４番目の位置に配置された光源２１０のみを発光させた状態を示している。このように、複数の光源２１０の一部を発光させることにより、画像表示部２１４に入力された信号のうち必要な部分のみを画像として表示させることができる。従って、画像表示装置をより精密に制御することが可能となる。
図１は、集光レンズ及びコリメートレンズである微小レンズを一列に配置した例を示したが、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、微小レンズ１１１Ｂ及び１１２Ｂがマトリックス状に配置された光学素子１１０Ａとしてもよい。微小レンズをマトリックス状に配置した光学素子１１０Ａを用いることにより図９に示すような画像表示装置２５０を実現できる。発光素子２５１から出射された光は、コリメートレンズ２５２により平行光とされた後、光学素子１１０Ａに入射する。光学素子１１０Ａに入射した光は、第１の光学部材１１１の微小レンズ１１１Ｂにより複数の集光領域のそれぞれに集光される。各集光領域において生成された蛍光光は、対応する微小レンズ１１２Ｂによりそれぞれ平行光として出射される。光学素子１１０Ａから出射された平行光は、光変調素子２５３に入射する。光変調素子２５３において入射光が変調されて画像が生成され、投影レンズ２５４により投影画像２５５が投影される。
微小レンズをマトリックス状に配置した場合には、蛍光体層１１３における光が集光される微小領域からの放熱がシングルラインの場合よりも重要となる。図１０は、熱伝導層１１４をガラス（λ＝０．３Ｗ／ｍＫ）とした場合、ＺｎＯ（λ＝５Ｗ／ｍＫ）とした場合、ＡｌＮ膜（λ＝２３０Ｗ／ｍＫ）とした場合、及びダイヤモンド(λ＝１５００Ｗ／ｍＫ)とした場合における蛍光体層１１３の温度部分布をシミュレーションにより求めた結果を示している。シミュレーションに用いた光学素子は、光の入射領域が４５ｍｍ角であり、微小レンズが９×９のマトリックス状に配置され、各集光レンズが１ｍｍ角の領域に集光するとした。光源からの入射光が４０Ｗであり８１個に分割されて微小領域に集光されるとすると個々の微小領域には０．５Ｗの光が集光される。この際に生じる発熱は、先に述べた場合と同様に０．２Ｗとし、光学素子の周囲が放熱板（図示せず）により４０℃に固定され、微小レンズ面は熱的に断熱されているとすると、熱伝導層１１４がガラスからなる場合には光学素子中央部の集光領域の温度が突出して高くなり、４０００℃を超えるところまで上昇する。しかし、熱伝導層１１４がＡｌＮ膜又はダイヤモンドからなる場合には集光領域の温度は周囲の温度よりも若干高くなるだけであり、温度も１５０℃以下とすることができる。
このように、微小レンズをマトリックス状に配置した場合にも、熱伝導率が高い熱伝導層１１４を設けることにより放熱性を向上させ、蛍光体における光の変換効率を向上させることができる。図８は、微小レンズが９×９のマトリックスに配置された例を示しているが、どのようなサイズのマトリックスとしてもよい。
本実施形態の光学素子は、以下のようにして形成すればよい。まず、図１１（ａ）に示すように第１の光学部材１１１となる第１の透明基板１１１Ａの第１の面の上にレジスト等からなるマスクパターン１６１を形成する。透明基板は例えばＢＫ７等のガラスとすればよい。次に、図１１（ｂ）に示すように第１の透明基板１１１Ａの第１の面をフッ酸等のエッチング液により選択的にエッチングする。これにより、集光レンズである微小レンズ１１１Ｂを有する第１の光学部材１１１が得られる。次に、図１１（ｃ）に示すように第１の光学部材１１１の第２の面の上にＺｎＯ又はダイヤモンド等からなる熱伝導層１１４を形成する。熱伝導層１１４はスパッタ法又は化学気相堆積（ＣＶＤ）法等により形成すればよい。次に、図１１（ｄ）に示すように熱伝導層１１４の上に、蛍光体層１１３となる蛍光体を含有させた紫外線硬化型の樹脂１１３Ａを熱伝導層１１４の上に塗布する。蛍光体は入射光及び出射光の波長に応じて適宜選択すればよいが、例えばＹＡＧ：Ｃｅ３＋等とすればよい。紫外線硬化型の樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等とすればよい。なお、蛍光体層を形成する樹脂は、紫外線硬化型の樹脂に限らず熱硬化型の樹脂等を用いることも可能である。さらに、蛍光体層を蛍光体粒子と低融点ガラス等の透明無機材料とを用いて構成してもよい。
次に、図１２（ａ）に示すように第２の光学部材１１２となる第２の透明基板１１２Ａを樹脂１１３Ａの上に貼り付けた後、樹脂１１３Ａに紫外線を照射することにより硬化させて蛍光体層１１３を形成すると共に第２の透明基板１１２Ａを接着する。次に、図１２（ｂ）に示すように、第２の透明基板１１２Ａの上にレジスト等からなるマスクパターン１６２を形成する。マスクパターン１６２は微小レンズ１１１Ｂに対して位置合わせする。次に、第２の透明基板１１２Ａをフッ酸等のエッチング液により選択的にエッチングする。これにより、コリメートレンズである微小レンズ１１２Ｂを有する第２の光学部材１１２が形成される。
微小レンズ１１１Ｂ及び１１２Ｂが一列だけの場合も、マトリックス状に配置された場合も同様にして形成することができる。
第１の透明基板１１１Ａの厚さを１０ｍｍ程度と比較的厚くすることにより、第１の光学部材１１１の上に、熱伝導層１１４、蛍光体層１１３及び第２の光学部材１１２を容易に形成することが可能となる。また、第２の透明基板１１２Ａは３ｍｍ程度と比較的薄くすることにより微小レンズ１１２Ｂを曲率が比較的大きいコリメートレンズとすることが可能となり、蛍光体層１１３の微小領域から全方位に放射された光をより効率良く平行光とすることができる。
なお、微小レンズをエッチングにより形成する方法を示したが、低温度軟化透明材料と金型を用いて形成してもよい。
図１等には、蛍光体層とは別に熱伝導層が形成された例を示した。しかし、蛍光体は、光が集光される領域にのみ存在していればよい。このため、図１３に示すような構成の光学素子１１０Ｂとしてもよい。光学素子１１０Ｂは、蛍光体を含む第１の領域１７３Ａと、第１の領域１７３Ａを囲み、第１の領域１７３Ａよりも熱伝導率が高い第２の領域１７３Ｂとを有する蛍光体層１７３を有している。第１の領域１７３Ａは、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋等の蛍光体を含む樹脂層とすればよい。第２の領域１７３Ｂは、ＺｎＯ又はダイヤモンド等の第１の領域１７３Ａよりも熱伝導率が高い層とすればよい。
光学素子１１０Ｂは以下のようにして形成すればよい。まず、図１１（ａ）及び（ｂ）に示した工程と同様の工程により、微小レンズ１１１Ｂを有する第１の光学部材１１１を形成する。次に、図１４（ａ）に示すように、第１の光学部材１１１の第２の面の上に第２の領域１７３ＢとなるＺｎＯ層等をスパッタ法又はＣＶＤ法により形成する。続いて、ＺｎＯ層等をパターニングして、第１の光学部材１１１が露出する複数の開口部１７３ａを形成する。次に、図１４（ｂ）に示すように開口部１７３ａを埋めるように、第１の領域１７３Ａとなる蛍光体を含有させた紫外線硬化型樹脂を塗布する。蛍光体は入射光及び出射光の波長に応じて適宜選択すればよいが、例えばＹＡＧ：Ｃｅ３＋等とすればよい。紫外線硬化型樹脂は、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等とすればよい。この後、図１２（ａ）〜（ｃ）の工程と同様の工程により、紫外線硬化型樹脂の硬化及び第２の光学部材１１２の形成等を行えばよい。
なお、蛍光体層を形成する樹脂は、紫外線硬化型の樹脂に限らず熱硬化型の樹脂等を用いることも可能である。さらに、蛍光体層を、蛍光体粒子と低融点ガラス等の無機透明材料とを用いて構成してもよい。例えば、スピンオングラス等の無機透明材料を用いることにより、パターニング等が容易となるという利点が得られる。
光学素子１１０Ｂは、光学素子１１０のように微小レンズが一列に配置された構成としても、光学素子１１０Ａのように微小レンズがマトリックス状に配置された構成としてもよい。光学素子１１０Ｂは、光学素子１１０及び光学素子１１０Ａと同様に用いることができるが、図１５に示すように複数の発光素子２６１と組み合わせてもよい。各発光素子２６１から出射された光は、対応するコリメートレンズ２６２により平行光とされた後、光学素子１１０Ｂに入射する。なお、光学素子１１０及び光学素子１１０Ａについてもこのような構成とすることができる。
図１６に示すように、第１の透明基板１８１Ａと回折格子１８１Ｂとを有する第１の光学部材１８１を用いて、蛍光体層１７３の第１の領域１７３Ａに光を集光する光学素子１１０Ｃとしてもよい。このような構成とすることにより、コリメートレンズ２６２が不要となるため、部品点数を低減することができる。なお、熱伝導層と一体となった蛍光体層１７３に代えて、蛍光体層と熱伝導層とを別々に形成してもよい。
図１７に示すように、微小レンズ１１２Ｂに代えて反射鏡１９１Ｃにより蛍光を平行光に変換する構成の光学素子１１０Ｄとしてもよい。光学素子１１０Ｄは、第１の面に回折格子１９１Ｂを有し第２の面に反射鏡１９１Ｃを有する第１の透明基板１９１Ａと、第２の透明基板１９２と、第２の透明基板１９２の上に熱伝導層１９４を介在させて形成された蛍光体層１９３とを有している。反射鏡１９１Ｃは、放物線をその対称軸の周りに回転させることによりできる放物面を有する放物面鏡とすればよい。発光素子２６１から放射された光は、回折格子１９１Ｂにより反射鏡１９１Ｃを透過し、蛍光体層１９３に集光される。蛍光体層１９３に集光された光は所定の波長の光となり、反射鏡１９１Ｃに入射する。反射鏡１９１に入射した光は、反射されると共にコリメートされ第２の透明基板１９２を透過して出射される。蛍光体層１９３に入射された光はランバーシャン反射するため、ランバーシャン反射光を利用することができ、光の利用効率をさらに向上させることができるという利点を有する。
（第２の実施形態）
図１８に示すように、第２の実施形態の光学素子３１０は、第１の基板３１１と、第１の基板３１１の上に反射層３１４を介在させて形成された蛍光体層３１３と、蛍光体層３１３の上に形成された微小レンズ３１２とを有している。
第１の基板３１１はシリコン基板等とすればよい。反射層３１４は銀又はアルミニウム等の可視光の反射率が高い金属材料とすればよい。蛍光体層３１３は、蛍光体粒子とバインダ材料とが混合された蛍光体含有材料からなる第１の領域３１３Ａと、第１の領域３１３Ａを囲むように形成された第２の領域３１３Ｂとを有している。蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ３＋をはじめとする希土類蛍光体又は量子ドット蛍光体等とすればよい。バインダ材料は、樹脂又は透明無機材料等とすればよい。樹脂の場合には、シリコーン又はエポキシ等の透明樹脂とすればよく、透明無機材料の場合には、低融点ガラス等のガラス材料とすればよい。第２の領域３１３Ｂは、グラフェン、ダイヤモンド又はＺｎＯ等の第１の領域３１３Ａよりも熱伝導率が高い材料とすればよい。微小レンズ３１２はガラス等からなり、蛍光体層３１３における第１の領域３１３Ａに焦点が合うように形成されている。
図１９は、実施形態の光学素子３１０を用いた発光装置３００の構成及び動作方法を示している。発光装置３００は、発光素子３４０と、発光素子３４０から出射された光を平行光とするコリメートレンズ３５２と、平行光を反射させて光学素子３１０に入射させるダイクロイックミラー３６０とを有している。
ダイクロイックミラー３６０により反射されて光学素子３１０に入射した光は、光学素子３１０の微小レンズ３１２により蛍光体層３１３の第１の領域３１３Ａに集光される。第１の領域３１３Ａに集光された光は蛍光体により所定の波長の光に変換され、ランバーシャン反射される。反射された光は微小レンズ３１２により平行光となり光学素子３１０から出射される。光学素子３１０から出射された光はダイクロイックミラー３６０を透過し、平行光として発光装置３００から出射される。
蛍光体層３１３において光の波長を変換する際に発生する熱は、蛍光体層３１３の第２の領域３１０Ｂ及び反射層３１４により効率良く光学素子３１０の周縁部に伝達され、放熱される。
本実施形態の光学素子３１０は以下のようにして形成すればよい。まず、図２０（ａ）に示すように、シリコン基板等である第１の基板３１１の上に、銀又はアルミニウム等からなる反射層３１４を蒸着法、スパッタ法又はＣＶＤ法等により形成する。続いて、蛍光体層３１３の第２の領域３１３Ｂとなるグラフェン、ダイヤモンド又はＺｎＯ等からなる層を形成した後、フォトリソグラフィー、エッチング及びリフトオフ等の半導体プロセス技術を用いて複数の開口部３１３ａを形成する。次に、図２０（ｂ）に示すように、第１の領域３１３Ａとなる蛍光体を含む樹脂を開口部３１３ａを埋めるようにスピンコート法等を用いて塗布する。次に、図２０（ｃ）に示すように、透明基板である第２の基板３１２Ａを蛍光体層３１３の上に接着した後、第２の基板３１２Ａの上にレジストマスク３５１を形成する。レジストマスク３５１は、第１の領域３１３Ａに一致するように形成する。次に、図２０（ｄ）に示すようにフッ酸等を用いたウエットエッチングにより第２の基板３１２Ａを選択的にエッチングして微小レンズ３１２を形成する。
図２０には、それぞれが独立した微小レンズ３１２を形成する例を示したが、第２の基板３１２Ａの厚さ及び必要とする微小レンズ３１２の曲率等によっては、第２の基板３１２Ａの一方の面に一体となった微小レンズ３１２が形成されている構成としてもよい。この場合には、微小レンズ３１２の接合部の厚さを可能な限り薄くすることが好ましい。
なお、微小レンズ３１２をウエットエッチングにより形成する方法について説明したが、あらかじめ金型等を用いて微小レンズ３１２を形成した第２の基板３１２Ａを、微小レンズ３１２と第１の領域３１３Ａとの位置合わせを行った上で、蛍光体層３１３と接着してもよい。
第１及び第２の実施形態では、発光素子が半導体レーザ素子である場合について主に説明したが、指向性に優れた光源であればどのようなものを用いてもよい。例えば、スーパールミネッセントダイオード等を用いてもよい。
なお、第１及び第２の実施形態では、第１の波長の光の波長を４３０ｎｍ〜４８０ｎｍとしたが蛍光体を励起できる波長の光であればどの波長でもよい。例えば、波長３５０ｎｍ〜３９０ｎｍの紫外光及び波長３９０ｎｍ〜４３０ｎｍの近紫外光でもよい。
また第１及び第２の実施形態では、蛍光体をＹＡＧ：Ｃｅ３＋を中心に述べたがこの限りではない。例えば、波長５３０ｎｍ付近の緑色の蛍光を第２の波長の光としたい場合には、ユーロピウム添加のβサイアロン結晶やシリケート結晶でもよい。またＣｅ添加Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12又はＣｅ添加ＣａＳｃ2Ｏ4等によっても高い変換効率で波長５２０ｎｍ付近の緑色の第２の波長の光を得ることができる。また、波長６４０ｎｍ付近の赤色の蛍光を第２の波長の光としたい場合にはユーロピウム添加の（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ3又はＣａＡｌＳｉＮ3等を用いればよい。
なお、第１及び第２の実施形態では、蛍光体層として１種類の蛍光体を用いる方法についてのみ述べたがこの限りではない。例えば、蛍光体層の蛍光体を面内で変えることにより複数の波長の光を第２の波長の光として出射させることができる。例えば、波長４３０ｎｍ〜４３０ｎｍの第１の波長の光と、緑色及び赤色を発する蛍光体とを組み合わせて光学素子を構成することにより、白色の光を発する半導体発光装置を構成することができる。また、緑色及び赤色を発する蛍光体と、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ又は（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ等の青色を発する蛍光体とを組み合わせた光学素子を構成することで、紫外光又は近紫外光等の励起光により白色の光を発する半導体発光装置を構成することができる。
本開示に係る光学素子は、波長の変換を行った場合にも指向性を有する光が得られ、エネルギー損失が小さい光源装置等に用いる光学素子等として有用である。
１１０ 光学素子
１１０Ａ 光学素子
１１０Ｂ 光学素子
１１０Ｃ 光学素子
１１０Ｄ 光学素子
１１１ 第１の光学部材
１１１Ａ 第１の透明基板
１１１Ｂ 微小レンズ
１１２ 第２の光学部材
１１２Ａ 第２の透明基板
１１２Ｂ 微小レンズ
１１３ 蛍光体層
１１３Ａ 樹脂
１１３ａ 第１の面
１１３ｂ 第２の面
１１３ｃ 微小領域
１１４ 熱伝導層
１２１ 光
１２２ 光
１３０ 放熱板
１４０ 発光素子
１４１ サブマウント
１４２ 基台
１５０ 導光素子
１５１ 光分岐部
１５２ コリメートレンズ
１６１ マスクパターン
１６２ マスクパターン
１７３ 蛍光体層
１７３Ａ 第１の領域
１７３Ｂ 第２の領域
１７３ａ 開口部
１８１ 第１の光学部材
１８１Ａ 第１の透明基板
１８１Ｂ 回折格子
１９１ 反射鏡
１９１Ａ 第１の透明基板
１９１Ｂ 回折格子
１９１Ｃ 反射鏡
１９２ 第２の透明基板
１９３ 蛍光体層
１９４ 熱伝導層
２００ 画像表示装置
２１０ 光源
２１２ 導光板
２１４ 画像表示部
２５０ 画像表示装置
２５１ 発光素子
２５２ コリメートレンズ
２５３ 光変調素子
２５４ 投影レンズ
２５５ 投影画像
２６１ 発光素子
２６２ コリメートレンズ
３００ 発光装置
３１０ 光学素子
３１０Ａ 第１の領域
３１０Ｂ 第２の領域
３１１ 第１の基板
３１２ 微小レンズ
３１２Ａ 第２の基板
３１３ 蛍光体層
３１３Ａ 第１の領域
３１３Ｂ 第２の領域
３１３ａ 開口部
３１４ 反射層
３４０ 発光素子
３５１ レジストマスク
３５２ コリメートレンズ
３６０ ダイクロイックミラー

Claims (11)

  1. 第１の波長の光により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、
    前記蛍光体層の第１の面の上に形成され、前記蛍光体層に光を集光する第１の光学部材と、
    前記蛍光体層の前記第１の面と反対側の第２の面の上に形成され、前記蛍光体層から放射された光を平行光に変換する第２の光学部材とを備え、
    前記蛍光体層は、
    それぞれが前記蛍光体を含む複数の第１の領域と、
    前記複数の第１の領域を囲み、前記第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、
    前記第１の光学部材は、複数の前記第１の領域のそれぞれに光を集光する、光学素子。
  2. 前記第１の光学部材は、集光レンズを有する第１の透明基板である、請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１の光学部材は、回折格子を有する第１の透明基板である、請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記第２の光学部材は、前記第２の面の上に形成され、コリメートレンズを有する第２の透明基板である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 前記蛍光体層と前記第１の光学部材又は前記第２の光学部材との間に形成され、前記蛍光体層よりも熱伝導率が高い熱伝導層をさらに備えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 前記熱伝導層は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなる、請求項５に記載の光学素子。
  7. 前記熱伝導層は、多層膜である、請求項５に記載の光学素子。
  8. 第１の波長の光により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む蛍光体層と、
    前記蛍光体層の第１の面の上に形成され、複数のレンズを有し、前記蛍光体層に光を集光し且つ前記蛍光体層から放射された光を平行光に変換する光学部材と、
    前記蛍光体層の第２の面の上に形成された反射層とを備え、
    前記蛍光体層は、
    それぞれが前記蛍光体を含む複数の第１の領域と、
    前記複数の第１の領域を囲み、前記第１の領域よりも熱伝導率が高い第２の領域とを有し、
    前記複数のレンズは、複数の前記第１の領域のそれぞれに光を集光し、且つ前記第１の領域から放射された光を平行光に変換し、前記反射層は前記第１の領域から放射された光の一部を前記複数のレンズ側に反射する、光学素子。
  9. 第１の透明基板と、前記第１の透明基板の互いに反対側に設けられた回折格子及び反射鏡とを有する光学部材と、
    それぞれが第１の波長の光により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を放射する蛍光体を含む複数の蛍光体層と、前記蛍光体層よりも熱伝導率が高い複数の熱伝導層と、第２の透明基板とを有し、前記第２の透明基板の一主面上に前記熱伝導層を挟んで前記蛍光体層が形成された蛍光体基板とを備え、
    前記光学部材は、前記第２の透明基板の前記一主面に対向する側に前記反射鏡が来るように、前記蛍光体基板から離れて配置され、
    前記回折格子は前記蛍光体層に前記第１の波長の光を集中し、
    前記反射鏡は前記蛍光体層に光を集光し且つ前記蛍光体層から放射された前記第２の波長の光を平行光に変換する、光学素子。
  10. 前記第２の領域は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はダイヤモンドからなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記第１の波長の光を出射する発光素子と、
    前記発光素子から出射された光を互いに並行な光軸を有する複数の光路に分割して、前記光学素子に入射させる光分岐部とを備えている、半導体発光装置。
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