JP7455396B2 - 広帯域発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、幅広い波長帯域にピーク波長を有する広帯域ＬＥＤに関する。
近年、医療分野や美容分野、あるいはヘルスケア分野等の成分分析が行われる分野において近赤外光が広く使用されるようになっている。
これまで、近赤外光を放射する光源はハロゲンランプが一般的であったが、最近ではＬＥＤが多く使用されている。
ＬＥＤは、放射する光自体に大きな熱が含まれておらず、また、低い電圧（例えば、乾電池等）で駆動可能なものが多いことから、機器の小型化やポータブル化に貢献することができる。
このようなＬＥＤを分光器に用いることが試みられている。ＬＥＤを分光器に用いようとすると、一般にＬＥＤはハロゲンランプに比べてスペクトル分布が狭いことから、１台の分光器において発光ピーク波長が互いに異なる複数種類のＬＥＤを使用する必要があった。
これに対し、特許文献１では、４８０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発光する固体光源と、この光に励起されて７００ｎｍを超える範囲にピークを有しかつ該ピーク波長を含む範囲における発光スペクトルの半値全幅が１００ｎｍ以上である光を発する、少なくとも一種の近赤外蛍光体を含有する蛍光膜とを備える発光装置が開示されている。
国際公開第２０１９／２４０１５０号
しかしながら、近赤外蛍光体に入射する光（固体光源からの光）におけるピーク波長と、当該光に励起されて発生するより長波長の光（近赤外線光）におけるピーク波長との差（ストークスシフト）が大きくなるにつれて、長波長の光自体が有する光エネルギーが小さくなることから、逆に近赤外蛍光体や蛍光膜に大きな発熱が伴ってしまう。
このため、蛍光体や蛍光膜での発熱が大きくなると、当該蛍光体や蛍光膜自体が高温になって発光効率が低下したり、寿命が短くなったりすることになる。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体光源からの光に対して大きなストークスシフトを実現できる蛍光体を使用しつつ、当該蛍光体自体が高温になるのを回避できる広帯域発光装置を提供することにある。
本発明の一局面によれば、
基板と、
前記基板の表面に配設されており上面が発光する固体光源と、
前記固体光源の近傍において前記基板の前記表面に直に接するように配置された近赤外蛍光体と、
前記固体光源の上面から前記近赤外蛍光体の上面にかけて配設された可視光蛍光体とを備えており、
前記近赤外蛍光体は、ピーク波長が７００ｎｍ以上で波長半値幅が１００ｎｍ以上の近赤外領域で蛍光発光する蛍光粒子を含んでおり、
前記近赤外蛍光体の前記固体光源に最も近い位置における前記基板の前記表面からの高さは、前記固体光源における前記基板の前記表面からの高さ以下である
広帯域発光装置が提供される。
好適には、
前記近赤外蛍光体は、前記固体光源の周囲に隣接して前記固体光源を囲むように配置されている。
好適には、
前記近赤外蛍光体および前記可視光蛍光体の周縁には、前記基板の前記表面から立ち上がる壁部材が配置されている。
好適には、
前記可視光蛍光体は、複数種類の可視波長光を発光できるように複数の領域に区分けされている。
好適には、
前記固体光源からの光におけるピーク波長は、３４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。
好適には、
前記固体光源の発光スペクトル領域から１５００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっている。
好適には、
前記固体光源の発光スペクトル領域から１２００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっている。
好適には、
前記固体光源として、ＬＥＤあるいはレーザーダイオードが使用されている。
本発明に係る広帯域発光装置によれば、近赤外蛍光体が固体光源の周りにおいて基板の表面に直に接するように配置されており、可視光蛍光体が固体光源の上面から近赤外蛍光体の上面にかけて配設されているので、固体光源の上面からの光は、その一部が可視光蛍光体を通過して可視光として放射され、その残部は可視光蛍光体内で反射した後で近赤外蛍光体に入り、近赤外光として放射される。これにより、この広帯域発光装置によれば、幅広い帯域の光を放射できる。
また、近赤外蛍光体が固体光源の周りにおいて基板の表面に直に接するように配置されているので、固体光源からの光に対して大きなストークスシフトを実現して近赤外蛍光体が発熱しても、当該近赤外蛍光体から基板に対する放熱量が大きいことから、近赤外蛍光体自体が高温になるのを回避することができる。
本発明が適用された広帯域発光装置１０を示す断面図である。 固体光源１４から放射された光の流れを示す断面図である。 近赤外蛍光体１６で発生した熱の流れを示す断面図である。 変形例２に係る広帯域発光装置１０を示す断面図である。 変形例２に係る他の広帯域発光装置１０を示す断面図である。
（広帯域発光装置１０の構成）
本発明が適用された実施形態に係る広帯域発光装置１０について以下に説明する。この広帯域発光装置１０は、図１に示すように、大略、基板１２と、固体光源１４と、近赤外蛍光体１６と、可視光蛍光体１８と、壁部材２０とを備えている。
基板１２は、本実施形態の場合、略平板状の部材であり、固体光源１４に電力を供給するための回路（図示せず）が表面５０あるいは裏面５２に形成されている。もちろん、回路を基板１２の表面５０あるいは裏面５２に形成することなく、リード線等の架空線で固体光源１４に電力を供給するようにしてもよい。
また、後述する広帯域発光装置１０の作用効果に鑑みて、基板１２全体をできるだけ熱伝導率の高い材質で形成するのが好ましい。
固体光源１４は、電力を受けることによって所定の波形の光を放射する部材であり、例えば、ＬＥＤやレーザーダイオードが考えられる。
また、固体光源１４は、基板１２の表面５０に配設されており、その上面２２（基板１２に対向する面とは反対側の面）が発光するようになっている。なお、固体光源１４の上面２２（つまり、発光面）の形状は、円形でもよいし、矩形でもよい。
また、固体光源１４からの光におけるピーク波長は特に限定されるものではないが、３４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好適である。一般に、ハロゲンランプで校正される分光器は、３４０ｎｍ付近から１２００ｎｍ付近に波長感度を持つものが多いことから３４０ｎｍ以上であることが好適である。また、一般にストークスシフトが大きい近赤外蛍光体の励起波長は６００ｎｍ以下であることから６００ｎｍ以下であることが好適である。
近赤外蛍光体１６は、固体光源１４の周囲に隣接して当該固体光源１４を囲むように配置された部材であり、蛍光粒子２４を含んでいる。また、この近赤外蛍光体１６は、基板１２の表面５０に直に接するように配置されている。
さらに、この近赤外蛍光体１６の固体光源１４に最も近い位置（本実施形態では、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の周囲に隣接しているので、近赤外蛍光体１６が固体光源１４に接している位置）における基板１２の表面５０からの高さＨ１と、固体光源１４における基板１２の表面５０からの高さＨ２との関係は特に限定されるものではないが、高さＨ１と高さＨ２とが同じになるように設定するか、あるいは、高さＨ１が高さＨ２よりも低くなるように設定するのが好適である。高さＨ１が高さＨ２よりも高くなってしまうと、近赤外蛍光体１６が固体光源１４上にも流れ出てしまい、固体光源１４上の近赤外蛍光体１６が高温となり早期劣化を引き起こすためである。
蛍光粒子２４は、所定のピーク波長を有する光によって励起され、当該ピーク波長よりもさらに長波長（つまり、赤外光に近い）光を放射する部材である。例えば、固体光源１４の一例であるＬＥＤからの光として一般的なピーク波長である３６５ｎｍの光によって励起された蛍光粒子２４が、ピーク波長が７００ｎｍ以上で波長半値幅が１００ｎｍ以上の近赤外領域の光を放射するようになっている。
このようにストークスシフトが大きい蛍光粒子２４の例として、国際公開第２０１９／２４０１５０号に開示されているような、２価のユーロピウムを含有するものが挙げられる。もちろん、蛍光粒子２４はこれに限定されるものではなく、所定のピーク波長を有する光によって励起され、ピーク波長が７００ｎｍ以上で波長半値幅が１００ｎｍ以上の近赤外領域の光を放射するものであればよい。なお、「波長半値幅」とは、光強度が最も高くなる波長を１とした場合に、光強度が０．５となる両側の波長を２で割った範囲である（θ１／２）
可視光蛍光体１８は、固体光源１４の上面２２から近赤外蛍光体１６の上面５４にかけて配設された部材であり、可視光蛍光粒子２６を含んでいる。なお、「固体光源１４の上面２２から近赤外蛍光体１６の上面５４にかけて配設」とは、固体光源１４の上面２２および近赤外蛍光体１６の上面５４のすべてが可視光蛍光体１８で覆われた状態だけでなく、少なくとも、固体光源１４の上面２２の一部、あるいは、近赤外蛍光体１６の上面５４の一部が可視光蛍光体１８で覆われていない状態をも含む意味である。
可視光蛍光粒子２６は、所定のピーク波長を有する光によって励起され、例えば、紫、青、緑、黄、橙、あるいは赤のいずれかの可視光を放射する部材である。例えば、固体光源１４の一例であるＬＥＤからの光として一般的なピーク波長である３６５ｎｍの光によって励起された可視光蛍光粒子２６が、ピーク波長５２０ｎｍ（緑色）の光を放射するようになっている。
なお、可視光蛍光粒子２６（可視光蛍光体１８）におけるストークスシフトは、上述した蛍光粒子２４（近赤外蛍光体１６）におけるストークスシフトよりも小さいことから、可視光蛍光体１８での発熱は小さく、可視光蛍光体１８自体が高温になって発光効率が低下したり寿命が短くなったりするおそれはない。
壁部材２０は、基板１２の表面５０から立ち上がるようにして配置された部材である。本実施形態において、壁部材２０は、基板１２における表面５０の周縁から立ち上げられている。なお、壁部材２０は、基板１２と一体的に形成されてもよいし、本実施形態のように基板１２と別体（例えば、金属や樹脂製）で構成してもよい。また、壁部材２０は、本発明における必須の構成要素ではない。
壁部材２０が配置されていることにより、近赤外蛍光体１６や可視光蛍光体１８が基板１２の外に流れ出る事を防止できる。また、壁部材２０の内面が光反射性物質で構成されている場合、本来なら横に出て利用されない固体光源１４からの光を前方に反射することで前方を明るく照射できる。
また、本実施形態に係る壁部材２０は、近赤外蛍光体１６および可視光蛍光体１８のそれぞれ外周縁に隣接するようにして配置されている。
（広帯域発光装置１０の特徴）
本実施形態に係る広帯域発光装置１０によれば、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の周囲に隣接して当該固体光源１４を囲むように配置され、さらに、基板１２の表面５０に直に接するように配置されている。また、可視光蛍光体１８が固体光源１４の上面２２から近赤外蛍光体１６の上面５４にかけて配設されている。
これにより、図２に示すように、固体光源１４の上面２２からの光は、その一部が可視光蛍光体１８を通過して可視光Ｌ１として放射される。また、固体光源１４の上面２２からの光の残部は可視光蛍光体１８内で反射した後で近赤外蛍光体１６に入り（Ｌ２）、近赤外蛍光体１６内で蛍光粒子２４を励起する。そして、このように励起されて発生した近赤外光Ｌ３が放射される。これにより、この広帯域発光装置１０によれば、幅広い帯域の光を放射できる。
広帯域発光装置１０から放射される光は、固体光源１４の発光スペクトル領域から１５００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっているのが好適である。ここで、「連続スペクトルになっている」とは、固体光源１４の発光スペクトル領域から１５００ｎｍまでの範囲のいずれの波長においても光の強度がゼロになっていないことを意味する。
なお、「１５００ｎｍ」までが好適である理由は以下の通りである。一般的にハロゲンランプで校正される分光器の場合、３４０ｎｍ付近から１２００ｎｍ付近に波長感度を持つものが多く、蛍光体の発光スペクトル曲線は頂点からガウス曲線を描くように両端に向かって低下していく。１２００ｎｍを測定するためには１２００ｎｍまでではなく、それ以上の波長まで発光していなければならない。１５００ｎｍまで発光していれば、１２００ｎｍの光強度は測定に十分な光量となるからである。
また、広帯域発光装置１０から放射される光は、固体光源１４の発光スペクトル領域から１２００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっているのがより好適である。
なお、「１２００ｎｍ」までが好適である理由は以下の通りである。一般的に可視光のみを測定する分光器の場合、３４０ｎｍ付近から９００ｎｍ付近に波長感度を持つものが多く、蛍光体の発光スペクトル曲線は頂点からガウス曲線を描くように両端に向かって低下していく。９００ｎｍを測定するためには９００ｎｍまでではなく、それ以上の波長まで発光していなければならない。１２００ｎｍまで発光していれば、９００ｎｍの光強度は測定に十分な光量となるからである。
また、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の周りにおいて基板１２の表面５０に直に接するように配置されているので、固体光源１４からの光に対して大きなストークスシフトを実現して近赤外蛍光体１６が発熱しても、図３に示すように、当該近赤外蛍光体１６から基板１２に対する放熱量が大きいことから、近赤外蛍光体１６自体が高温になるのを回避することができる。なお、図３における「ＨＴ」は、近赤外蛍光体１６からの放熱を示す。
（変形例１）
上述した実施形態では、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の周囲に隣接して当該固体光源１４を囲むように配置されていたが、固体光源１４に対する近赤外蛍光体１６の位置関係はこれに限定されるものではなく、例えば、固体光源１４と近赤外蛍光体１６との間に第三の部材を介在させて、近赤外蛍光体１６が固体光源１４に隣接しないようにしてもよい。また、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の周囲を囲むことなく、単に、近赤外蛍光体１６が固体光源１４の近傍に配置されるだけであってもよい。
（変形例２）
上述した実施形態では、１種類の可視光蛍光体１８を固体光源１４の上面２２から近赤外蛍光体１６の上面５４にかけて配設するようにしていたが、これに変えて、図４に示すように、例えばそれぞれが異なる可視光を放射する３種類の領域を有する可視光蛍光体１８を使用してもよい。
図４に示す例では、緑色の可視光を放射する可視光蛍光粒子２６Ｇを含む可視光蛍光体１８Ｇと、赤色の可視光を放射する可視光蛍光粒子２６Ｒを含む可視光蛍光体１８Ｒと、青色の可視光を放射する可視光蛍光粒子２６Ｂを含む可視光蛍光体１８Ｂとが使用されており、可視光蛍光体１８Ｒは固体光源１４の上面２２全体と近赤外蛍光体１６の上面５４の一部を覆うようになっている。また、可視光蛍光体１８Ｇおよび可視光蛍光体１８Ｂは、それぞれ近赤外蛍光体１６の上面５４の残部を覆うようになっている。なお、図４では互いに異なる種類の可視光蛍光粒子（２６Ｇ、２６Ｒおよび２６Ｂ）を含む可視光蛍光体（１８Ｇ、１８Ｒおよび１８Ｂ）が別々に分けて配置されているが、図５に示すように、ひとつの可視光蛍光体１８内に複数種類の可視光蛍光粒子（例えば、２６Ｇ、２６Ｒおよび２６Ｂ）を混合して配置してもよい。
もちろん、どの領域にどのような色の可視光を放射する可視光蛍光体１８を配置するかについて特に制限はない。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０…広帯域発光装置、１２…基板、１４…固体光源、１６…近赤外蛍光体、１８…可視光蛍光体、２０…壁部材
２２…（固体光源１４の）上面、２４…蛍光粒子、２６…可視光蛍光粒子、
５０…（基板１２の）表面、５２…（基板１２の）裏面、５４…（近赤外蛍光体１６の）上面

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板の表面に配設されており上面が発光する固体光源と、
    前記固体光源の近傍において前記基板の前記表面に直に接するように配置された近赤外蛍光体と、
    前記固体光源の上面から前記近赤外蛍光体の上面にかけて配設された可視光蛍光体とを備えており、
    前記近赤外蛍光体は、ピーク波長が７００ｎｍ以上で波長半値幅が１００ｎｍ以上の近赤外領域で蛍光発光する蛍光粒子を含んでおり、
    前記近赤外蛍光体の前記固体光源に最も近い位置における前記基板の前記表面からの高さは、前記固体光源における前記基板の前記表面からの高さ以下である
    広帯域発光装置。
  2. 前記近赤外蛍光体は、前記固体光源の周囲に隣接して前記固体光源を囲むように配置されている
    請求項１に記載の広帯域発光装置。
  3. 前記近赤外蛍光体および前記可視光蛍光体の周縁には、前記基板の前記表面から立ち上がる壁部材が配置されている
    請求項１または２に記載の広帯域発光装置。
  4. 前記可視光蛍光体は、複数種類の可視波長光を発光できるように複数の領域に区分けされている
    請求項１から３のいずれか１項に記載の広帯域発光装置。
  5. 前記固体光源からの光におけるピーク波長は、３４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である
    請求項１から４のいずれか１項に記載の広帯域発光装置。
  6. 前記固体光源の発光スペクトル領域から１５００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっている
    請求項１から５のいずれか１項に記載の広帯域発光装置。
  7. 前記固体光源の発光スペクトル領域から１２００ｎｍまでの範囲が連続スペクトルになっている
    請求項１から５のいずれか１項に記載の広帯域発光装置。
  8. 前記固体光源として、ＬＥＤあるいはレーザーダイオードが使用されている
    請求項１から７のいずれか１項に記載の広帯域発光装置。
JP2021119268A 2021-07-20 2021-07-20 広帯域発光装置 Active JP7455396B2 (ja)

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