JP7113277B2 - 波長変換部材及びそれを用いた光源装置、プロジェクタならびに車両 - Google Patents
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Description
波長変換部材を用いた光源装置において、励起光源の高出力化が進んでいる。本発明者らの知見によれば、励起光源の高出力化に伴い、次のような現象が起こる。
本開示の第1態様に係る波長変換部材は、第1蛍光体層と、第2蛍光体層と、を備える。第1蛍光体層は、励起光の入射側に配置されるとともに、複数の第1蛍光体粒子と第1のマトリクスとを含む。第2蛍光体層は、励起光の入射側とは反対側に配置されるとともに、複数の第2蛍光体粒子と第2のマトリクスとを含む。複数の第1蛍光体粒子は、第1蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第1マトリクスに埋め込まれている。または、複数の第2蛍光体粒子は、第2蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する第2マトリクスに埋め込まれている。第1蛍光体粒子は賦活成分を含む。第2蛍光体粒子は第1蛍光体粒子に含まれた賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含む。第1蛍光体層における賦活成分の濃度は、第2蛍光体層における賦活成分の濃度よりも低い。
図1は、本開示の一実施形態に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材10は、基板12及び蛍光体層13を備えている。基板12は、蛍光体層13を支持している。蛍光体層13は、第1蛍光体層20及び第2蛍光体層30を有する。基板12と第1蛍光体層20との間に第2蛍光体層30が配置されている。第1蛍光体層20が第2蛍光体層30に直接接している。第2蛍光体層30が基板12に直接接している。第1蛍光体層20と第2蛍光体層30との間に他の層が配置されていてもよい。基板12と蛍光体層13との間に他の層が配置されていてもよい。基板12は、省略されていてもよい。
図2は、変形例1に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材50は、基板12及び蛍光体層14を備えている。基板12は、蛍光体層14を支持している。蛍光体層14は、第1蛍光体層20及び第2蛍光体層31を有する。第2蛍光体層31は、第2蛍光体粒子33及び第2マトリクス32に加え、複数のフィラー粒子34をさらに含む。フィラー粒子34は、第2マトリクス32に埋め込まれている。
図3は、変形例2に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材60は、基板12及び蛍光体層15を有する。蛍光体層15は、図1を参照して説明した第1蛍光体層20及び第2蛍光体層30に加え、第3蛍光体層40を有する。基板12と第2蛍光体層30との間に第3蛍光体層40が配置されている。
図4は、変形例3に係る波長変換部材の断面を概略的に示している。波長変換部材70は、基板18及び蛍光体層13を備えている。基板18は、蛍光体層13を支持している。蛍光体層13は、第1蛍光体層20及び第2蛍光体層30を有する。基板18と第2蛍光体層30との間に第1蛍光体層20が配置されている。第2蛍光体層30が第1蛍光体層20に直接接している。第1蛍光体層20が基板18に直接接している。
図5は、本開示の波長変換部材を用いた光源装置の断面を概略的に示している。光源装置100は、波長変換部材10及び励起光源71を備えている。励起光源71と波長変換部材10の基板12との間に波長変換部材10の第1蛍光体層20が位置している。励起光源71から励起光が出射され、励起光が第1蛍光体層20の受光面20pに照射される。励起光は、第1蛍光体層20及び第2蛍光体層30にこの順番で到達する。つまり、光源装置100は、反射型光源装置である。波長変換部材10に代えて、波長変換部材50及び60も使用可能である。波長変換部材10,50及び60から選ばれる2種以上の組み合わせを光源装置100に使用することも可能である。ミラーで反射された励起光が受光面20pに照射されてもよいので、励起光源71の位置は図5に示す位置に限定されない。
図7は、図5に示す光源装置を用いた照明装置の構成を概略的に示している。照明装置200は、光源装置100及び光学部品74を備えている。光学部品74は、光源装置100から放射された光を前方に導くための部品であり、具体的には、リフレクタである。光学部品74は、例えば、Al、Agなどの金属膜又は表面に保護膜が形成されたAl膜を有する。光源装置100の前方には、フィルタ75が設けられていてもよい。フィルタ75は、光源装置100の発光素子からのコヒーレントな青色光が直接外部に出ないように、青色光を吸収又は散乱させる。照明装置200は、いわゆるリフレクタータイプであってもよく、プロジェクタータイプであってもよい。照明装置200は、例えば、車両用ヘッドランプである。
図9は、本開示の照明装置を用いた車両の構成を概略的に示している。車両300は、車両用ヘッドランプとしての照明装置200(または202)及び電力供給源302を備える。照明装置200及び電力供給源302は、車両300の前部に配置されている。電力供給源302は、照明装置200と電気的に接続している。電力供給源302は、例えば、電気回路と、エンジンなどの駆動源によって回転駆動され、電力を発生する発電機とを有する。電気回路は、例えば、バッテリー又はキャパシタを含む。
図10は、本開示の波長変換部材を用いた他の光源装置の構成を概略的に示している。光源装置400は、波長変換部材10及び複数の励起光源71を備えている。波長変換部材10の蛍光体層13は、複数の励起光源71と波長変換部材10の基板12との間に位置している。複数の励起光源71は、波長変換部材10の蛍光体層13に向かい合っている。光源装置400は、プロジェクタの用途に適している。
図12は、本開示の光源装置を用いたプロジェクタの構成を概略的に示している。プロジェクタ500は、光源装置400、光学ユニット401及び制御部402を備える。光学ユニット401は、光源装置400から放射された光を変換し、プロジェクタ500の外部の対象物に画像又は映像を投射する。外部の対象物としては、例えば、スクリーンが挙げられる。光学ユニット401は、集光レンズ90、ロッドインテグレータ91、レンズユニット92、表示素子93及び投射レンズ94を備える。
図14に示すように、蛍光体層のモデルとして、縦64μm、横64μm(64μm×64μm)の寸法の上面を持つ厚さ60μmの直方体を与えた。蛍光体層の底面及び側面は鏡面であった。縦48μm、横48μm(48μm×48μm)の広さを有する受光面を上面と中心を共有する位置に設定した。
蛍光体粒子の内部では、吸収係数α及び量子効率100%で波長変換が行われ、蛍光光の進行方向はランダムに選ばれるように、シミュレーションの条件を設定した。
次に、図15に示すように、上面と平行な方向に関して蛍光体層を縦100分割、横100分割(100×100の領域に分割)し、表面と垂直な厚さ方向に関して蛍光体層を12の領域に分割し、蛍光体層を合計12万個の領域に分割した。光線追跡によって求めた各測定面及び各画素の光密度を各分割領域に割り当てた。図15において、IXは、波長変換前の励起光の密度を表している。IEは、波長変換前の蛍光光の密度を表している。IX 0は、波長変換後の励起光の密度を表している。IE 0は、波長変換後の蛍光光の密度を表している。
内部量子効率の維持率=A2/A1・・・(3)
A1:入力エネルギー密度Pinが0.1W/mm2のときの内部量子効率
A2:特定の入力エネルギー密度Pinでの内部量子効率
〇(良):0.98以上
△(平均):0.90を超え0.98未満
×(平均より下):0.90以下
表1及び表2に示すように、比較例1の内部量子効率の低下率に対する実施例1から7及び比較例2から4の内部量子効率の低下率の比率をそれぞれ算出した。比較例1の内部量子効率の低下率に対する比率に基づき、下記の基準にて効率判定を行った。
◎(優):0.90未満
〇(良):0.90以上0.95未満
△(平均):0.95以上1.00未満
×(平均より下):1.00以上
表1及び表2に示すように、実施例1から7の波長変換部材の出力判定及び効率判定の結果は、全て平均以上であった。
12、18 基板
12h 貫通孔
12t 透光部
13、14、15 蛍光体層
20 第1蛍光体層
18p、20p 受光面
22 第1マトリクス
23 第1蛍光体粒子
30、31 第2蛍光体層
30p 出射面
32 第2マトリクス
33 第2蛍光体粒子
34 フィラー粒子
40 第3蛍光体層
42 第3マトリクス
43 第3蛍光体粒子
71 励起光源
72 光学系
74 光学部品
75 フィルタ
81 コリメートレンズ
82 ダイクロイックミラー
83、84 レンズ
85、86、87 反射ミラー
88 モーター
89 ヒートシンク
90 集光レンズ
91 ロッドインテグレータ
92 レンズユニット
93 表示素子
94 投射レンズ
100、102、400 光源装置
200、202 照明装置
300 車両
302 電力供給源
401 光学ユニット
402 制御部
500 プロジェクタ
510 筐体
Claims (12)
- 励起光が照射されて蛍光光を生じる波長変換部材であって、
前記励起光の入射側に配置され、複数の第1蛍光体粒子と第1マトリクスとを含む第1蛍光体層と、
前記入射側とは反対側に配置され、複数の第2蛍光体粒子と第2マトリクスとを含む第2蛍光体層と、
を備え、
前記複数の第1蛍光体粒子が前記第1蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する前記第1マトリクスに埋め込まれているか、又は、前記複数の第2蛍光体粒子が前記第2蛍光体粒子の屈折率と異なる屈折率を有する前記第2マトリクスに埋め込まれており、
前記第1蛍光体粒子は賦活成分を含み、
前記第2蛍光体粒子は前記第1蛍光体粒子に含まれた前記賦活成分と同一又は異なる賦活成分を含み、
前記第1蛍光体層における前記賦活成分の濃度は、前記第2蛍光体層における前記賦活成分の濃度よりも低く、
前記第1マトリクスには前記複数の第1蛍光体粒子が埋め込まれ、
前記第2マトリクスには前記複数の第2蛍光体粒子が埋め込まれ、
前記第1マトリクス及び前記第2マトリクスからなる群より選ばれる少なくとも1つがZnOによって構成されている、波長変換部材。 - 前記第1蛍光体層での単位体積あたりの前記励起光の吸収量は、前記第2蛍光体層での単位体積あたりの前記励起光の吸収量よりも大きい、請求項1に記載の波長変換部材。
- 前記第1蛍光体粒子の前記賦活成分及び前記第2蛍光体粒子の前記賦活成分はCeである、請求項1又は2に記載の波長変換部材。
- 前記第1蛍光体粒子は、Y3-x1-y1Ry1Cex1Al5-z1Gaz1O12、ここでRはGd及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1つを含み、x1は0.003≦x1≦0.036を満たし、y1は0≦y1≦2.1を満たし、z1は0≦z1≦2.2を満たす、で表される蛍光体を含み、
前記第2蛍光体粒子は、Y3-x2-y2Ry2Cex2Al5-z2Gaz2O12 、ここでRはGd及びTbからなる群より選ばれる少なくとも1つを含み、x2は0.045≦x2≦0.15を満たし、y2は0≦y2≦2.1を満たし、z2は0≦z2≦2.2を満たす、で表される蛍光体を含み、
前記第1蛍光体粒子の前記賦活成分及び前記第2蛍光体粒子の前記賦活成分はCeである、請求項1又は2に記載の波長変換部材。 - 前記第2蛍光体層は、前記第2マトリクスに埋め込まれた複数の光反射粒子をさらに含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の波長変換部材。
- 前記第1蛍光体層及び前記第2蛍光体層を支持する基板をさらに備え、
前記第1蛍光体層と前記基板との間に前記第2蛍光体層が配置されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の波長変換部材。 - 前記第1蛍光体層及び前記第2蛍光体層を支持する基板をさらに備え、
前記第2蛍光体層と前記基板との間に前記第1蛍光体層が配置されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の波長変換部材。 - 10W/mm2以上のエネルギー密度を有する励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源からの前記励起光を受け入れて蛍光光を放射する請求項1から7のいずれかに記載の波長変換部材と、
を備えた、光源装置。 - 前記励起光源が出射する前記励起光のピーク波長が360nm以上480nm以下の範囲にあり、
前記蛍光のスペクトルのピーク波長が548nm以上580nm以下の範囲にある、請求項8に記載の光源装置。 - 前記波長変換部材に入射する前記励起光のスポット径が10μm以上10mm以下の範囲にある、請求項8又は9に記載の光源装置。
- 請求項8から10のいずれか1項に記載の光源装置を備えたプロジェクタ。
- 請求項8から10のいずれか1項に記載の光源装置を前照灯として備えた車両。
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