WO2017175635A1 - 蛍光光源装置 - Google Patents

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fluorescent
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excitation light
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井上　正樹
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ウシオ電機株式会社
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements

Definitions

  • the present invention relates to a fluorescent light source device. More specifically, the present invention relates to a fluorescence light source device that obtains fluorescence by irradiating a phosphor with laser light as excitation light.
  • a fluorescent light source device that emits fluorescence emitted from a phosphor by irradiating the phosphor with laser light as excitation light.
  • a technique for forming a concavo-convex structure on the surface of the phosphor that is the fluorescence extraction surface is known.
  • a translucent substrate made of sapphire is disposed on the surface of a fluorescent member, and a concavo-convex structure is formed by etching on the entire surface of the translucent substrate, which is a fluorescent light extraction surface.
  • a fluorescent light source device including the above phosphor is disclosed.
  • the present invention has been made based on the above circumstances, and provides a fluorescent light source device that can efficiently extract fluorescence even when excitation light with high excitation energy is used. Objective.
  • the fluorescent light source device of the present invention includes a fluorescent plate that emits fluorescence from an excitation light incident surface using laser light as excitation light, and a condensing lens that collects the excitation light and irradiates the fluorescent plate, and emits fluorescence from the fluorescent plate.
  • the fluorescent plate has a periodic structure for diffracting excitation light on the excitation light incident surface, A light transmitting member in which a periodic structure that diffracts excitation light and transmits fluorescence is disposed between the condensing lens and the fluorescent plate.
  • the wavelength of excitation light is ⁇ E (nm)
  • the wavelength of fluorescence emitted from the fluorescent plate is ⁇ F (nm)
  • the refractive index of the periodic structure formed on the light transmitting member is
  • the period P1 (nm) of the periodic structure preferably satisfies the relationship ( ⁇ E / n) ⁇ P1 ⁇ F.
  • the aspect ratio of the structural unit repeated in the periodic structure in the periodic structure is preferably 5 to 7.
  • the light transmitting member is arranged in a state where the periodic structure is opposed to the excitation light incident surface of the fluorescent plate.
  • the period of the periodic structure formed on the light transmitting member is smaller than the period of the periodic structure formed on the fluorescent plate.
  • the periodic structure can be formed at least in a region where the excitation light in the light transmitting member is transmitted.
  • the fluorescent plate is provided on a heat dissipation substrate, and the light transmission member is disposed via a spacer surrounding the periphery of the fluorescent plate disposed on the heat dissipation substrate.
  • the fluorescent plate is preferably arranged in a sealed space defined by the heat dissipation substrate, the spacer, and the light transmitting member.
  • the fluorescent light source device of the present invention since the excitation light can be diffused and irradiated to the fluorescent plate by the action of the periodic structure in the fluorescent plate and the periodic structure in the light transmitting member, the fluorescent plate is heated to a high temperature by the excitation light irradiation. Can be avoided. For this reason, it can suppress that the fluorescence light quantity reduces resulting from the temperature quenching of fluorescence. Moreover, since the fluorescence can be transmitted without being attenuated (diffused) by the periodic structure in the fluorescent plate and the periodic structure in the light transmitting member, the fluorescence can be extracted efficiently.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration in an example of the fluorescent light source device of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing an incident state of excitation light on the fluorescent plate in the fluorescent light source device shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the emission state of the fluorescence from the fluorescent plate in the fluorescent light source device shown in FIG.
  • the fluorescent light source device a fluorescent plate 10 which emits fluorescent L F from the excitation light entrance surface 10a receives the laser beam as the excitation light L E, a condenser lens 30 to irradiate the fluorescent screen 10 condenses the excitation light L E , disposed between the condenser lens 30 and the fluorescent plate 10, and a light transmitting member 20 which periodic structure 25 that transmits the fluorescence L F is formed with diffracting excitation light L E.
  • the fluorescent plate 10 is provided on one surface of the heat dissipation substrate 35 by being joined by a joining member such as solder or a silver sintered material.
  • the light transmission member 20 is disposed to face the fluorescent plate 10 with a spacer disposed on one surface of the heat dissipation substrate 35.
  • the spacer is composed of, for example, a rectangular frame-shaped spacer member 36 that surrounds the periphery of the fluorescent plate 10, and the light transmitting member 20 is arranged on one end surface of the spacer member 36, and the peripheral portion is formed by the holding member 37. Is retained.
  • the holding member 37 is fixed to the spacer member 36 by screws 38, for example.
  • the fluorescent plate 10 is disposed in a sealed space defined by the heat dissipation substrate 35, the spacer member 36, and the light transmission member 20.
  • the light reflection film can be composed of, for example, an Ag reflection film, an Ag enhanced reflection film, a dielectric multilayer film, or the like.
  • the fluorescent plate 10 in this example is configured by laminating a periodic structure layer 15 having a periodic structure 16 formed on the surface of a phosphor layer 11, for example.
  • the fluorescent plate 10 may have a periodic structure formed on the surface of the phosphor layer 11.
  • the phosphor layer 11 constituting the phosphor plate 10 is preferably composed of a single crystal or polycrystal phosphor. Thus, it becomes to have the phosphor layer 11 is a high thermal conductivity, in the phosphor layer 11 is heat generated by the irradiation of the excitation light L E is efficiently exhaust heat, comprising a phosphor layer 11 is a high temperature It is suppressed.
  • the single-crystal phosphor constituting the phosphor layer 11 can be obtained by, for example, the Czochralski method. Specifically, the seed crystal is brought into contact with the melted raw material in the crucible, and in this state, the seed crystal is pulled up in the vertical direction while rotating the seed crystal to grow the single crystal on the seed crystal. The body is obtained.
  • the polycrystalline fluorescent substance which comprises the fluorescent substance layer 11 can be obtained as follows, for example. First, raw materials such as a base material, an activator, and a firing aid are pulverized by a ball mill or the like to obtain raw material fine particles of submicron or less. Next, the raw material fine particles are sintered by, for example, a slip casting method. Thereafter, a polycrystalline phosphor having a porosity of 0.5% or less, for example, is obtained by subjecting the obtained sintered body to hot isostatic pressing.
  • the phosphor constituting the phosphor layer 11 include YAG: Ce, YAG: Pr, YAG: Sm, and LuAG: Ce.
  • the rare earth element doping amount is about 0.5 mol%.
  • the thickness of the phosphor layer 11 is preferably 0.05 to 2.0 mm, for example, from the viewpoints of conversion efficiency (quantum yield) between excitation light and fluorescence and exhaust heat.
  • the periodic structure layer 15 includes, for example, a periodic structure 16 in which structural units 17 each having a pyramid shape (including a frustum shape) or columnar convex portions are two-dimensionally arranged as the excitation light incident surface 10a. It is formed on the surface.
  • structural units 17 each having a pyramid shape (including a frustum shape) or columnar convex portions are two-dimensionally arranged as the excitation light incident surface 10a. It is formed on the surface.
  • the shape of the structural unit 17 is frustum-shaped, the dimensions of the upper base portion (maximum dimension) is sized smaller than the wavelength of the excitation light L E.
  • the period P2 of the periodic structure 16, that is, the pitch (inter-center distance) between adjacent structural units 17 repeated in the periodic structure 16 is ⁇ E (nm) as the wavelength of the excitation light L E , and the fluorescence L from the phosphor layer 11.
  • the wavelength of F is ⁇ F (nm)
  • the size satisfies the relationship of ⁇ E ⁇ P2 and ⁇ F / n ⁇ P2.
  • the aspect ratio of the structural unit 17 repeated in the periodic structure 16, that is, the ratio of the height h2 of the structural unit 17 to the period P2 of the periodic structure 16 (h2 / P2) is preferably 0.2 or more.
  • the range is preferably 0.2 to 1.5, and particularly preferably 0.5 to 1.0.
  • aspect ratio of the structural unit 17 is 0.2 or more, the above-described, it is possible to reliably obtain the light extraction by the diffraction of the diffusion function and the fluorescence L F of the excitation light L E function. That is, by diffusing the excitation light L E it is possible to irradiate the phosphor layer 11 can be taken out from the surface of the fluorescent plate 10 fluorescence L F with high efficiency resulting in the phosphor layer 11.
  • the thickness (maximum thickness) of the periodic structure layer 15 is, for example, 1.0 ⁇ m or less.
  • a high refractive index material having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the phosphor layer 11 is used as a material constituting the periodic structure layer 15.
  • the periodic structure layer 15 is made of a high refractive index material, the fluorescence L F incident on the interface between the phosphor layer 11 and the periodic structure layer 15 is refracted at the interface. Therefore, since the traveling direction of the fluorescent L F is changed at the interface between the phosphor layer 11 and the periodic structure layer 15, fluorescent L F is prevented from being confined in the interior of the fluorescent plate 10, the period the fluorescence L F The light can be emitted from the surface of the structure layer 15 to the outside with high efficiency.
  • the periodic structure 16 having a small period P2 can be formed in the periodic structure layer 15. Accordingly, since the structural unit 17 constituting the periodic structure 16 can be designed with a small height even if the aspect ratio (h2 / P2) is large, the periodic structure 16 can be easily formed. For example, when the nanoprint method is used, a mold can be easily produced or imprinted.
  • the high refractive index material constituting the periodic structure layer 15 include alumina (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), magnesium oxide (MgO), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , referred to as ITO), zirconia (ZrO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ) And metal oxides such as niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and a mixture of zirconia (ZrO 2 ) and titanium oxide (TiO 2 ).
  • alumina Al 2 O 3
  • hafnium oxide HfO 2
  • magnesium oxide MgO
  • tin oxide SnO 2
  • WO 3 tungsten oxide
  • Y 2 O 3 yttrium oxide
  • ITO indium tin oxide
  • zirconia thermal expansion coefficient
  • zirconia thermal expansion coefficient
  • indium tin oxide thermal expansion coefficient 6.8 ⁇ 10 ⁇ 6 / K
  • titanium oxide thermal expansion coefficient 7.9 ⁇ 10 ⁇ 6 / K
  • zirconia and hafnium oxide are preferable because they have high moisture resistance.
  • zirconia is more preferable because of its small absorption coefficient (specifically, 13 cm ⁇ 1 (absorption coefficient for light having a wavelength of 550 nm)).
  • the periodic structure 16 of the periodic structure layer 15 can be formed by, for example, a nanoimprint method and a dry etching process. Specifically, a resist is applied to the surface of the periodic structure base material layer formed on the phosphor layer 11 by, for example, spin coating, and then the resist coating film is patterned by, for example, nanoimprinting. Then, the periodic structure layer 15 which has an uneven structure (periodic structure) on the surface is formed by performing a dry etching process.
  • the excitation light L photoperiod structure 25 that transmits the fluorescence L F is formed with diffracting E transmitting member 20 Is arranged.
  • the light transmission member 20 is made of a material that transmits the excitation light L E and the fluorescence L F , respectively, and is laminated on one surface of the flat light transmission substrate 21 and the light transmission substrate 21.
  • the body 25 is configured.
  • the light transmitting member 20 is arranged in a state where the surface of the periodic structure 25 faces the excitation light incident surface 10a of the fluorescent plate 10.
  • Examples of the material constituting the light transmissive substrate 21 include sapphire and glass.
  • the thickness of the light transmissive substrate 21 is, for example, 0.3 to 1.0 mm.
  • the periodic structure 25 has, for example, a moth-eye structure in which structural units 27 each having a pyramid shape (including a frustum shape) or a columnar projection are two-dimensionally arranged on the surface that is the excitation light exit surface 25a.
  • the periodic structure 26 is formed and configured.
  • Periodic structure 25 in this example is the periodic structure 26 is a structure which is formed on the entire surface of the periodic structure 25, the periodic structure 26 is formed in a region at least the excitation light L E is transmitted Just do it.
  • the shape of the structural unit 27 is a frustum shape, the dimension (maximum dimension) of the upper base is smaller than the wavelength of the excitation light.
  • the period P1 of the periodic structure 26, that is, the pitch between the adjacent structural units 27 (distance between the centers) in the periodic structure 26 is ⁇ E (nm) as the wavelength of the excitation light, and the wavelength of the fluorescence emitted from the fluorescent plate 10.
  • ⁇ F (nm) where the refractive index of the periodic structure 25 (the refractive index of the material constituting the periodic structure 25) is n, the size satisfies the relationship of ( ⁇ E / n) ⁇ P1 ⁇ F. It is preferable. By being such a structure, it is possible to diffuse efficiently the excitation light L E which is incident on the periodic structure 25, it is possible to reduce the reflection of the fluorescence L F emitted from the fluorescent plate 10 fluorescent L F Te can be taken out efficiently.
  • the period P1 of the periodic structure 26 in the periodic structure 25 constituting the light transmission member 20 can be made smaller than the period P2 of the periodic structure 16 in the periodic structure layer 15 constituting the fluorescent plate 10.
  • This substantial wavelength of the excitation light L E traveling medium periodic structure 26 (propagation) for example smaller than the wavelength of the excitation light L E traveling through the air, substantially in the excitation light L E the greater the period of the periodic structure 26 than the wavelength, because the diffusing function of the excitation light L E is obtained.
  • the aspect ratio of the structural unit 27 repeated in the periodic structure 26, that is, the ratio of the height h1 of the structural unit 27 to the period P1 of the periodic structure 26 (h1 / P1) is preferably 5 to 7, more preferably. Is 5-6. If the aspect ratio of the structural unit 27 is within such a range, the diffusion of fluorescence is reduced, so that the luminance is increased and the amount of fluorescent light is increased.
  • aspect ratio of the structural unit 27 is a 5-7, described above, the antireflection function of the diffusion function and the fluorescence L F of the excitation light L E can be reliably obtained.
  • the thickness (maximum thickness) of the periodic structure 25 is, for example, 2.4 ⁇ m or less.
  • a material having a refractive index equivalent to the refractive index of the light transmissive substrate 21 is used. Specifically, in order to eliminate fluorescence diffraction, Al 2 O 3 , SiO 2 A low refractive material such as 2 is preferably used.
  • the excitation light L E may be any one having a wavelength capable of exciting the phosphor in the fluorescent plate 10
  • the wavelength of the excitation light L E for example in the range of 440 ⁇ 465 nm
  • the irradiation conditions for the fluorescent screen 10 of the excitation light L E is, for example, a condition that excitation light density (excitation energy) is 30 ⁇ 200W / mm 2.
  • the excitation light L E is incident is condensed by the condenser lens 30 to the light transmitting member 20.
  • Excitation light L E emitted from the light transmitting member 20, when it is irradiated onto the surface of the periodic structure layer 15 in the fluorescent plate 10 is diffused by being diffracted at the surface of the periodic structure layer 15 phosphor layer 11 Is irradiated. Accordingly, in the phosphor layer 11, fluorescent L F is emitted phosphors of the phosphor layer 11 is excited. As shown in FIG. 3, the fluorescence L F passes through the periodic structure layer 15 and is emitted from the surface of the periodic structure layer 15. Fluorescent L F emitted from the fluorescent plate 10 is emitted through the light transmitting member 20 to the outside of the fluorescent light source device.
  • the fluorescent light source device it is possible to irradiate the fluorescent screen 10 is diffused by each of the action of the periodic structure 26 in the periodic structure 16 and the light transmitting member 20 of the excitation light L E in the fluorescent plate 10 Therefore, the phosphor layer 11 by the irradiation of the excitation light L E can be prevented from becoming a high temperature. Therefore, it is possible to prevent the fluorescent light amount is reduced due to the temperature quenching of the fluorescence L F. Moreover, since the fluorescence L F can be transmitted without being attenuated (diffused) by the periodic structure 16 in the fluorescent plate 10 and the periodic structure 26 in the light transmission member 20, the fluorescence L F can be efficiently extracted.
  • the excitation light is incident from various directions with respect to the periodic structure 26 in the light transmitting member 20 since become possible, the excitation light L E can be diffused more efficiently.
  • fluorescence L F is emitted to the outside of the fluorescent light source device through a condenser lens 30, may be utilized fluorescent light source device as a pseudo point light source.
  • the fluorescent plate 10 is disposed in a sealed space defined by the heat dissipation substrate 35, the spacer member 36, and the light transmitting member 20.
  • the light transmitting member 20 is arranged in a state where the surface of the periodic structure 25 faces the excitation light incident surface 10a of the fluorescent plate 10, and the periodic structure 25 is placed in a sealed space where the fluorescent plate 10 is arranged. Is located. With such a configuration, dust or dust adheres to a minute periodic structure, thereby impairing the function of the periodic structure layer 15 in the fluorescent plate 10 and the function of the periodic structure 25 of the light transmitting member 20. Can be avoided, and the desired effect can be obtained with certainty.
  • the periodic structure constituting the light transmitting member
  • the periodic structure does not need to be formed on the entire surface, and as shown in FIG. 4, the central portion through which excitation light passes through the surface of the periodic structure 25.
  • the periodic structure 26 may be formed only in the region.
  • the peripheral region other than the region where the periodic structure 26 is formed is configured to transmit only fluorescence without transmitting excitation light.
  • the fluorescent light source device of the present invention may be configured to include an excitation light source.
  • the condensing lens may be a combination of a plurality of lenses.
  • Example 1 In accordance with the configuration shown in FIGS. 1 and 2, a fluorescent light source device having the following specifications was produced.
  • ⁇ Condensing lens (30)> Distance from lens exit surface to excitation light entrance surface of fluorescent plate 3 mm ⁇ Heat dissipation substrate (35)> Material: Copper, Dimensions: 17mm (length) x 17mm (width) x 2mm (thickness) ⁇ Fluorescent screen (10)> [Phosphor layer (11)]
  • the separation distance (d) between the excitation light exit surface of the light transmitting member (20) and the excitation light incident surface of the fluorescent plate (10) in the fluorescent light source device was 0.5 mm.
  • each of the light transmitting members described above is used to irradiate the light transmitting member (20) with laser light having an oscillation wavelength of 445 nm as excitation light, and the excitation light after passing through the light transmitting member (20).
  • the ratio of diffracted light was measured.
  • transmits a light transmissive member (20) was measured. The results are shown in Table 1 below.
  • Example 2 The ratio of the diffracted light of the excitation light after passing through the light transmitting member (20) in the same manner as in Example 1 except that the light transmitting member (20) having a configuration according to Table 2 below was used. And the ratio of the fluorescence which permeate
  • Example 3 The ratio of the diffracted light of the excitation light after passing through the light transmitting member (20) in the same manner as in Example 1 except that the light transmitting member (20) having a configuration according to Table 3 below was used. And the ratio of the fluorescence which permeate

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Abstract

本発明は、高い励起エネルギーの励起光を用いた場合であっても、蛍光を効率よく取り出すことのできる蛍光光源装置を提供することを目的とする。　本発明の蛍光光源装置は、レーザ光を励起光として励起光入射面から蛍光を発する蛍光板と、励起光を集光して当該蛍光板に照射する集光レンズとを具備しており、当該蛍光板からの蛍光が当該集光レンズを介して出射されるものである。蛍光板における励起光入射面には、励起光を回折させる周期構造が形成されている。集光レンズと蛍光板との間には、光透過部材が配置されている。光透過部材には、励起光を回折させ、蛍光を透過させる周期構造体が形成されている。

Description

蛍光光源装置
　本発明は、蛍光光源装置に関する。更に詳しくは、レーザ光を励起光として蛍光体に照射することにより蛍光を得る蛍光光源装置に関する。
　現在、レーザ光を励起光として蛍光体に照射することによって当該蛍光体から発せられる蛍光を放射する蛍光光源装置が知られている。
　このような蛍光光源装置においては、蛍光取り出し面からの蛍光の出射効率を改善するために、蛍光体における蛍光取り出し面とされる表面に、凹凸構造を形成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、蛍光部材の表面にサファイアよりなる透光性基板が配設されており、当該透光性基板における蛍光取り出し面とされる表面の全面にエッチングにより凹凸構造が形成された蛍光体を備えた蛍光光源装置が開示されている。
特開２０１２－１０９４００号公報
　しかしながら、このような蛍光光源装置においては、励起光の入射パワー（励起光の励起エネルギー）を大きくすることにより、蛍光体における凹凸構造によっては、励起光を十分に拡散させることができないことが判明した。このため、励起光の照射によって発生する熱によって蛍光体が高温となり、それに起因して温度消光が生じ、励起光の入射パワーに比して十分な蛍光光束が得られなくなる、という問題があった。
　本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、高い励起エネルギーの励起光を用いた場合であっても、蛍光を効率よく取り出すことのできる蛍光光源装置を提供することを目的とする。
　本発明の蛍光光源装置は、レーザ光を励起光として励起光入射面から蛍光を発する蛍光板と、励起光を集光して当該蛍光板に照射する集光レンズとを具備し、当該蛍光板からの蛍光が当該集光レンズを介して出射される蛍光光源装置において、
　前記蛍光板には、励起光入射面に励起光を回折させる周期構造が形成されており、
　前記集光レンズと当該蛍光板との間には、励起光を回折させると共に蛍光を透過させる周期構造体が形成された光透過部材が配置されていることを特徴とする。
　本発明の蛍光光源装置においては、励起光の波長をλE（ｎｍ）、蛍光板から放射される蛍光の波長をλF（ｎｍ）、前記光透過部材に形成された周期構造体の屈折率をｎとしたとき、当該周期構造体の周期Ｐ１（ｎｍ）は、（λE／ｎ）＜Ｐ１＜λF の関係を満たしていることが好ましい。また、周期構造体における周期構造において繰り返される構造単位のアスペクト比が５～７であることが好ましい。
　さらにまた、本発明の蛍光光源装置においては、前記光透過部材は、周期構造体が前記蛍光板の励起光入射面と対向する状態で、配置された構成とされていることが好ましい。
　さらにまた、本発明の蛍光光源装置においては、前記光透過部材に形成された周期構造体の周期は、前記蛍光板に形成された周期構造の周期より小さいことが好ましい。
　さらにまた、本発明の蛍光光源装置においては、前記周期構造体は、少なくとも前記光透過部材における励起光が透過する領域に形成された構成とすることができる。
　さらにまた、本発明の蛍光光源装置においては、前記蛍光板は放熱基板上に設けられており、前記光透過部材は前記放熱基板上に配置された当該蛍光板の周囲を囲むスペーサーを介して配置されており、
　前記蛍光板が、前記放熱基板と前記スペーサーと前記光透過部材とによって画成された密閉空間内に配置された構成とされていることが好ましい。
　本発明の蛍光光源装置によれば、励起光を蛍光板における周期構造および光透過部材における周期構造体の各々の作用によって拡散させて蛍光板に照射することができるため、励起光の照射によって蛍光板が高温となることを回避することができる。このため、蛍光の温度消光に起因して蛍光光量が低減することを抑制することができる。しかも、蛍光は、蛍光板における周期構造および光透過部材における周期構造体によって減衰（拡散）されることなく透過させることができるため、蛍光を効率よく取り出すことができる。
本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 図１に示す蛍光光源装置における励起光の蛍光板に対する入射状態を示す拡大図である。 図１に示す蛍光光源装置における蛍光板からの蛍光の出射状態を示す拡大図である。 本発明の蛍光光源装置の他の例における構成の概略を示す説明図である。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成の概略を示す説明図である。図２は、図１に示す蛍光光源装置における励起光の蛍光板に対する入射状態を示す拡大図である。図３は、図１に示す蛍光光源装置における蛍光板からの蛍光の出射状態を示す拡大図である。
　この蛍光光源装置は、レーザ光を励起光ＬE として受けて励起光入射面１０ａから蛍光ＬF を発する蛍光板１０と、励起光ＬE を集光して蛍光板１０に照射する集光レンズ３０と、集光レンズ３０と蛍光板１０との間に配置された、励起光ＬE を回折させると共に蛍光ＬF を透過させる周期構造体２５が形成された光透過部材２０とを具備している。
　この例においては、蛍光板１０は、放熱基板３５の一面上に、例えば半田や銀焼結材などの接合部材によって接合されて設けられている。ここに、放熱基板３５を構成する材料としては、例えば銅、アルミニウム、モリブデン－銅合金などを用いることができる。
　また、光透過部材２０は、放熱基板３５の一面上に配置されたスペーサーを介して蛍光板１０と対向して配置されている。スペーサーは、例えば蛍光板１０の周囲を囲む矩形枠状のスペーサー部材３６により構成されており、光透過部材２０は、スペーサー部材３６の一端面上に配置された状態において、周縁部が保持部材３７によって保持されている。保持部材３７は、例えばネジ３８によってスペーサー部材３６に固定されている。
　このように、この蛍光光源装置においては、蛍光板１０は、放熱基板３５とスペーサー部材３６と光透過部材２０とによって画成された密閉空間内に配置されている。
　蛍光板１０は、励起光入射面１０ａから蛍光ＬF が発せられるものであって、蛍光板１０の裏面には、蛍光ＬF の取り出し効率の観点から、反射率の高い金属よりなる光反射膜（図示せず）が形成されていることが好ましい。光反射膜は、例えばＡｇ反射膜、Ａｇ増反射膜、誘電体多層膜などにより構成することができる。
　蛍光板１０の励起光入射面１０ａには、励起光ＬE を回折させると共に蛍光ＬF を透過させる周期構造１６が形成されている。
　この例における蛍光板１０は、例えば蛍光体層１１の表面上に、表面に周期構造１６が形成された周期構造体層１５が積層されて構成されている。なお、蛍光板１０は、蛍光体層１１の表面に周期構造が形成されたものであってもよい。
　蛍光板１０を構成する蛍光体層１１は、単結晶または多結晶の蛍光体により構成されていることが好ましい。これにより、蛍光体層１１は高い熱伝導性を有するものとなるため、蛍光体層１１においては励起光ＬE の照射によって発生した熱が効率よく排熱され、蛍光体層１１が高温となることが抑制される。
　蛍光体層１１を構成する単結晶の蛍光体は、例えば、チョクラルスキー法によって得ることができる。具体的には、坩堝内において種子結晶を溶融された原料に接触させ、この状態で、種子結晶を回転させながら鉛直方向に引き上げて当該種子結晶に単結晶を成長させることにより、単結晶の蛍光体が得られる。また、蛍光体層１１を構成する多結晶の蛍光体は、例えば以下のようにして得ることができる。先ず、母材、賦活材および焼成助剤などの原材料をボールミルなどによって粉砕処理することによって、サブミクロン以下の原材料微粒子を得る。次いで、この原材料微粒子を例えばスリップキャスト法によって焼結する。その後、得られた焼結体に対して熱間等方圧加圧加工を施すことによって、気孔率が例えば０．５％以下の多結晶の蛍光体が得られる。
　蛍光体層１１を構成する蛍光体の具体例としては、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｐｒ、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＬｕＡＧ：Ｃｅなどが挙げられる。このような蛍光体において、希土類元素のドープ量は、０．５ｍｏｌ％程度である。
　蛍光体層１１の厚みは、励起光と蛍光の変換効率（量子収率）および排熱性の観点から、例えば０．０５～２．０ｍｍであることが好ましい。
　周期構造体層１５は、例えば錘状（錘台状を含む。）または柱状の凸部よりなる構造単位１７が二次元周期的に配列されてなる周期構造１６が励起光入射面１０ａとされる表面に形成されて構成されている。ここに、構造単位１７の形状が錐台状である場合には、上底部の寸法（最大寸法）は、励起光ＬE の波長未満の大きさとされる。
　周期構造１６の周期Ｐ２、すなわち周期構造１６において繰り返される隣接する構造単位１７間のピッチ（中心間距離）は、励起光ＬE の波長をλE （ｎｍ）、蛍光体層１１からの蛍光ＬF の波長をλF （ｎｍ）としたとき、λE ＜Ｐ２、λF ／ｎ＜Ｐ２の関係を満たす大きさとされている。このような構成とされていることにより、周期構造体層１５は、入射される励起光ＬE の回折による拡散機能および蛍光体層１１からの蛍光ＬF の回折による光取り出し機能を有するものとなる。このため、励起光ＬE の照射によって蛍光体層１１が高温となって蛍光ＬF の温度消光が生ずることを回避することができると共に蛍光ＬF を高い効率で取り出すことができる。
　また、周期構造１６において繰り返される構造単位１７のアスペクト比、すなわち周期構造１６の周期Ｐ２に対する構造単位１７の高さｈ２の比（ｈ２／Ｐ２）は、０．２以上であることが好ましく、より好ましくは０．２～１．５であり、特に好ましくは０．５～１．０である。
　構造単位１７のアスペクト比が０．２以上とされることにより、上述した、励起光ＬE の拡散機能および蛍光ＬF の回折による光取り出し機能を確実に得ることができる。すなわち、励起光ＬE を拡散させて蛍光体層１１に照射することができると共に、蛍光体層１１において生じる蛍光ＬF を高い効率で蛍光板１０の表面から外部に取り出すことができる。
　周期構造体層１５の厚み（最大厚み）は、例えば１．０μｍ以下である。
　周期構造体層１５を構成する材料としては、蛍光体層１１の屈折率の値以上の屈折率を有する高屈折率材料が用いられる。
　周期構造体層１５が高屈折率材料よりなることにより、蛍光体層１１と周期構造体層１５との界面に入射した蛍光ＬF は、当該界面において屈折が生じる。そのため、蛍光ＬF の進行方向が蛍光体層１１と周期構造体層１５との界面において変更されることから、蛍光ＬF が蛍光板１０の内部に閉じ込められることが抑制され、蛍光ＬF を周期構造体層１５の表面から外部に高い効率で出射することができる。
　また、周期構造体層１５において周期Ｐ２が小さい周期構造１６を形成することが可能となる。従って、周期構造１６を構成する構造単位１７としてアスペクト比（ｈ２／Ｐ２）が大きくても高さが小さいものを設計することができるので、周期構造１６の形成が容易となる。例えば、ナノプリント法を利用する場合には、モールドの作製やインプリント作業を容易に行うことができる。
　周期構造体層１５を構成する高屈折率材料の具体例としては、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化タングステン（ＷＯ3 ）、酸化イットリウム（Ｙ2 Ｏ3 ）、酸化インジウムスズ（Ｉｎ2 Ｏ3 －ＳｎＯ2 、ＩＴＯと称する）、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2 Ｏ5 ）などの金属酸化物、およびジルコニア（ＺｒＯ2 ）と酸化チタン（ＴｉＯ2 ）との混合物などが挙げられる。これらのうちでは、蛍光体（ＬｕＡＧ、ＹＡＧ）の熱膨張係数（６×１０-6～８×１０-6／Ｋ）に近似した熱膨張係数を有するものであることから、ジルコニア（熱膨張係数１０．５×１０-6／Ｋ）、酸化インジウムスズ（熱膨張係数６．８×１０-6／Ｋ）および酸化チタン（熱膨張係数７．９×１０-6／Ｋ）が好ましい。また、高い耐湿性を有するものであることからは、ジルコニアおよび酸化ハフニウムが好ましい。特に、ジルコニアは、吸収係数が小さい（具体的には、１３ｃｍ-1（波長５５０ｎｍの光に関する吸収係数））ことから更に好ましい。
　周期構造体層１５の周期構造１６は、例えば、ナノインプリント法とドライエッチング処理とによって形成することができる。具体的には、蛍光体層１１上に形成された周期構造体基材層の表面に、例えばスピンコート法によってレジストを塗布し、次いで、レジストの塗布膜を例えばナノインプリント法によりパターニングする。その後、ドライエッチング処理を施すことにより、表面に凹凸構造（周期構造）を有する周期構造体層１５が形成される。
　而して、上記の蛍光光源装置においては、集光レンズ３０と蛍光板１０との間に、励起光ＬE を回折させると共に蛍光ＬF を透過させる周期構造体２５が形成された光透過部材２０が配置されている。
　具体的には、光透過部材２０は、各々励起光ＬE および蛍光ＬF を透過する材料よりなる、平板状の光透過性基板２１および光透過性基板２１の一面上に積層された周期構造体２５により構成されている。この光透過部材２０は、周期構造体２５の表面が蛍光板１０の励起光入射面１０ａと対向する状態で、配置されている。
　光透過性基板２１を構成する材料としては、例えばサファイア、ガラスなどを挙げることができる。
　光透過性基板２１の厚みは、例えば０．３～１．０ｍｍである。
　周期構造体２５は、励起光出射面２５ａとされる表面に、例えば錘状（錘台状を含む。）または柱状の凸部よりなる構造単位２７が二次元周期的に配列されたモスアイ構造よりなる周期構造２６が形成されて構成されている。この例の周期構造体２５は、周期構造２６が周期構造体２５の表面の全面に形成された構成とされているが、周期構造２６は、少なくとも励起光ＬE が透過する領域に形成されていればよい。
　ここに、構造単位２７の形状が錐台状である場合には、上底部の寸法（最大寸法）は、励起光の波長未満の大きさとされる。
　周期構造２６の周期Ｐ１、すなわち周期構造２６において繰り返される隣接する構造単位２７間のピッチ（中心間距離）は、励起光の波長をλE （ｎｍ）、蛍光板１０から放射される蛍光の波長をλF （ｎｍ）、周期構造体２５の屈折率（周期構造体２５を構成する材料の屈折率）をｎとしたとき、（λE ／ｎ）＜Ｐ１＜λF の関係を満たす大きさとされていることが好ましい。
　このような構成とされていることにより、周期構造体２５に入射される励起光ＬE を効率よく拡散させることができると共に、蛍光板１０から放射される蛍光ＬF の反射を低減することができて蛍光ＬF を効率よく取り出すことができる。
　光透過部材２０を構成する周期構造体２５における周期構造２６の周期Ｐ１は、蛍光板１０を構成する周期構造体層１５における周期構造１６の周期Ｐ２より小さくすることができる。これは、周期構造体２６中を進行（伝播）する励起光ＬE の実質的な波長は、例えば空気中を進行する励起光ＬE の波長より小さくなり、この励起光ＬE の実質的な波長より周期構造２６の周期が大きければ、励起光ＬE の拡散機能が得られるためである。
　また、周期構造２６において繰り返される構造単位２７のアスペクト比、すなわち周期構造２６の周期Ｐ１に対する構造単位２７の高さｈ１の比（ｈ１／Ｐ１）は、５～７であることが好ましく、より好ましくは５～６である。構造単位２７のアスペクト比が、かかる範囲であれば、蛍光の拡散が少なくなるため、輝度がアップし蛍光光量の増加につながる。構造単位２７のアスペクト比が５～７とされることにより、上述した、励起光ＬE の拡散機能および蛍光ＬF の反射防止機能を確実に得ることができる。すなわち、励起光ＬE を十分に拡散させて蛍光板１０に照射することができると共に、蛍光板１０からの蛍光ＬF を高い効率で外部に取り出すことができる。
　周期構造体２５の厚み（最大厚み）は、例えば２．４μｍ以下である。
　周期構造体２５を構成する材料としては、光透過性基板２１の屈折率と同等の屈折率を有する材料が用いられ、具体的には、蛍光の回折を無くすために、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 等の低屈折材料が用いられることが好ましい。
　上記の蛍光光源装置において、励起光ＬE としては、蛍光板１０における蛍光体を励起させることのできる波長を有するものであればよいが、励起光ＬE の波長は、例えば４４０～４６５ｎｍの範囲内であることが好ましい。
　また、励起光ＬE の蛍光板１０に対する照射条件は、例えば、励起光密度（励起エネルギー）が３０～２００Ｗ／ｍｍ2 となる条件である。
　上記の蛍光光源装置においては、励起光ＬE は集光レンズ３０によって集光されて光透過部材２０に入射される。光透過部材２０に入射された励起光ＬE は、図２に示すように、周期構造体２５の表面において回折されることにより拡散されて出射される。光透過部材２０から出射された励起光ＬE は、蛍光板１０における周期構造体層１５の表面に照射されると、周期構造体層１５の表面において回折されることにより拡散されて蛍光体層１１に照射される。これにより、蛍光体層１１においては、蛍光体層１１を構成する蛍光体が励起されて蛍光ＬF が発せられる。この蛍光ＬF は、図３に示すように、周期構造体層１５を透過して周期構造体層１５の表面から出射される。蛍光板１０から出射された蛍光ＬF は、光透過部材２０を透過して蛍光光源装置の外部に出射される。
　以上のように、上記の蛍光光源装置によれば、励起光ＬE を蛍光板１０における周期構造１６および光透過部材２０における周期構造２６の各々の作用によって拡散させて蛍光板１０に照射することができるため、励起光ＬE の照射によって蛍光体層１１が高温となることを回避することができる。このため、蛍光ＬF の温度消光に起因して蛍光光量が低減することを抑制することができる。しかも、蛍光ＬF は、蛍光板１０における周期構造１６および光透過部材２０における周期構造体２６によって減衰（拡散）されることなく透過させることができるため、蛍光ＬF を効率よく取り出すことができる。
　また、励起光ＬE を集光レンズ３０によって集光して蛍光板１０に照射する構成とされていることにより、光透過部材２０における周期構造２６に対していろいろな方向から励起光が入射されることとなるため、励起光ＬE を一層効率よく拡散させることができる。
　さらにまた、蛍光ＬF が集光レンズ３０を介して蛍光光源装置の外部に出射されることにより、蛍光光源装置を擬似的な点光源として利用することができる。
　さらにまた、上記の蛍光光源装置においては、蛍光板１０が、放熱基板３５とスペーサー部材３６と光透過部材２０とによって画成された密閉空間内に配置されている。また、光透過部材２０は、周期構造体２５の表面が蛍光板１０の励起光入射面１０ａと対向する状態で、配置されており、周期構造体２５が、蛍光板１０が配置された密閉空間内に位置されている。このような構成とされていることにより、塵や埃などが微小な周期構造に付着することによって、蛍光板１０における周期構造体層１５の機能および光透過部材２０の周期構造体２５の機能が損なわれることを回避することができて所期の効果を確実に得ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
　例えば、光透過部材を構成する周期構造体は、周期構造が表面の全面に形成されている必要はなく、図４に示されるように、周期構造体２５の表面における励起光が透過する中央部領域のみに周期構造２６が形成された構成とされていてもよい。このような構成のものにおいては、周期構造２６が形成された領域以外の周縁領域は、励起光を透過せず、蛍光のみが透過する構成とされる。
　また、本発明の蛍光光源装置は、励起光源を備えた構成とされていてもよい。
　さらにまた、集光レンズは、複数枚を合成したものでもよい。
　以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔実施例１〕
　図１および図２に示す構成に従って、下記の仕様の蛍光光源装置を作製した。
＜集光レンズ（３０）＞
　レンズ出射面から蛍光板の励起光入射面までの距離＝３ｍｍ
＜放熱基板（３５）＞
　材質：銅，寸法：１７ｍｍ（縦）×１７ｍｍ（横）×２ｍｍ（厚み）
＜蛍光板（１０）＞
［蛍光体層（１１）］
　材質：ＹＡＧ（屈折率＝１．８３，励起波長（λE ）＝４４５ｎｍ、蛍光波長（λF ）＝５５０ｎｍ），寸法：３ｍｍ（縦）×３ｍｍ（横）×０．０９ｍｍ（厚み）
［周期構造体層（１５）］
　材質：ＺｒＯ2 （屈折率＝２．１），構造単位の形状：円錐状，周期（Ｐ２）＝４６０ｎｍ，構造単位の高さ（ｈ２）＝３８０ｎｍ，構造単位のアスペクト比（ｈ２／Ｐ２）＝０．８２
［光反射膜］
　材質：ＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 の組み合わせのＡｇ増反射膜，４２５ｎｍから６００ｎｍの波長範囲における反射率：９８％以上
　光透過部材（２０）として、下記表１に示す構成に従った周期構造体（２５）を備えた６種類のものを作製した。
　各々の光透過部材（２０）における透光性基板（２１）の材質は、サファイア（屈折率＝１．６）であり、寸法は１０ｍｍ（縦）×１０ｍｍ（横）×０．５ｍｍ（厚み）である。
　各々の光透過部材（２０）における周期構造体（２５）の材質は、シリカ（屈折率ｎ＝１．４５）であり、構造単位の形状は円錐状である。
　蛍光光源装置における光透過部材（２０）の励起光出射面と蛍光板（１０）の励起光入射面との離間距離（ｄ）は０．５ｍｍとした。
　上記の蛍光光源装置において、上記の光透過部材の各々を用い、発振波長が４４５ｎｍのレーザ光を励起光として光透過部材（２０）に照射し、光透過部材（２０）透過後の励起光の回折光の割合を測定した。また、光透過部材（２０）を透過してくる蛍光の割合を測定した。結果を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
〔実施例２〕
　光透過部材（２０）として、下記表２に従った構成を有するものを用いたことの他は、実施例１と同様にして、光透過部材（２０）透過後の励起光の回折光の割合および光透過部材（２０）を透過してくる蛍光の割合を測定した。結果を下記表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
〔実施例３〕
　光透過部材（２０）として、下記表３に従った構成を有するものを用いたことの他は、実施例１と同様にして、光透過部材（２０）透過後の励起光の回折光の割合および光透過部材（２０）を透過してくる蛍光の割合を測定した。結果を下記表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　以上の結果から、本発明に係る実施例１～実施例３の蛍光光源装置によれば、光透過部材（２０）における周期構造体（２５）の周期Ｐ１が（λE／ｎ）＜Ｐ１＜λFの条件を満たし、かつ、構造単位におけるアスペクト比（ｈ１／Ｐ１）が５～７であるとき、励起光を回折させ、蛍光を効率よく透過させることができることが確認された。
　また、実施例１～実施例３の結果に示されるように、光透過部材（２０）を構成する周期構造体（２５）の周期（Ｐ１）を、２１６ｎｍ（＝λE ／ｎ）より大きく、５３０ｎｍ（＝λF ）より小さくすることにより、蛍光を効率よく取り出すことができることが確認された。
　１０　　蛍光板
　１０ａ　励起光入射面
　１１　　蛍光体層
　１５　　周期構造体層
　１６　　周期構造
　１７　　構造単位
　２０　　光透過部材
　２１　　光透過性基板
　２５　　周期構造体
　２５ａ　励起光出射面
　２６　　周期構造
　２７　　構造単位
　３０　　集光レンズ
　３５　　放熱基板
　３６　　スペーサー部材
　３７　　保持部材
　３８　　ネジ
　ＬE 　　励起光
　ＬF 　　蛍光
                                                                                

Claims (6)

  1. 　レーザ光を励起光として励起光入射面から蛍光を発する蛍光板と、励起光を集光して当該蛍光板に照射する集光レンズとを具備し、当該蛍光板からの蛍光が当該集光レンズを介して出射される蛍光光源装置において、
    　前記蛍光板には、励起光入射面に励起光を回折させる周期構造が形成されており、
    　前記集光レンズと当該蛍光板との間には、励起光を回折させると共に蛍光を透過させる周期構造体が形成された光透過部材が配置されていることを特徴とする蛍光光源装置。
  2. 　励起光の波長をλE（ｎｍ）、蛍光板から放射される蛍光の波長をλF（ｎｍ）、前記光透過部材に形成された周期構造体の屈折率をｎとしたとき、当該周期構造体の周期Ｐ１（ｎｍ）は、（λE／ｎ）＜Ｐ１＜λF の関係を満たし、かつ、周期構造体における周期構造において繰り返される構造単位のアスペクト比が５～７であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
  3. 　前記光透過部材は、周期構造体が前記蛍光板の励起光入射面と対向する状態で、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
  4. 　前記光透過部材に形成された周期構造体の周期は、前記蛍光板に形成された周期構造の周期より小さいことを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
  5. 　前記周期構造体は、少なくとも前記光透過部材における励起光が透過する領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
  6. 　前記蛍光板は放熱基板上に設けられており、前記光透過部材は前記放熱基板上に配置された当該蛍光板の周囲を囲むスペーサーを介して配置されており、
    　前記蛍光板が、前記放熱基板と前記スペーサーと前記光透過部材とによって画成された密閉空間内に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の蛍光光源装置。
                                                                                    
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