JP7357082B2 - 光学装置および光学装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置に関し、特に励起光により蛍光を発する蛍光体部材を含む光学装置に関する。

特開２０１４－０８２４０１号公報には、レーザダイオードからの励起光を蛍光体を有する波長変換部材に照射し、波長変換部材の励起光受光面は周期構造を有し、励起光の後方散乱を抑制できる光源装置が開示されている。

特開２０１９－００６９６７号公報には、ＹＡＧ：Ｃｅ（セリウムが添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の無機蛍光体粒子と、アルミナ等の無機透明微粒子と、を高密度で焼成した伝熱性の高い蛍光体層（波長変換部材）が開示されている。

国際公開第２０１１／１２６０００号公報には、発光素子と波長変換部材との接合面をイオンビームやプラズマ等でスパッタエッチして活性化し、表面活性化法により直接接合する方法が開示されている。

本発明の主な観点によれば、金属材料で形成された金属反射層と、前記金属反射層上に配置された第１透光層と、前記第１透光層上に配置され、屈折率が異なる複数の層が積層された光学多層反射膜と、前記光学多層反射膜上に配置され、入射する励起光を吸収し、より低エネルギーの蛍光を発生しうる蛍光材料を含み、励起光の照射に基づき、励起光と蛍光の混成光を発生し得る波長変換層と、を有し、前記光学多層反射膜は、前記第１透光層に接して形成され、前記波長変換層に含まれる前記蛍光材料から放出される蛍光は、前記光学多層反射膜および前記第１透光層を介して前記金属反射層に入射し、前記光学多層反射膜および前記金属反射層によって反射されたのちに前記波長変換層表面から外部に出射される、光学装置、が提供される。

図１は、レーザ光源を用いた照明装置の構造を示す側面図である。

図２ａは、参考例による波長変換素子を示す断面図であり、図２ｂは、該波長変換素子を構成する、金属反射層および光学多層反射膜からなる積層体の光反射率の波長分散（スペクトル）を示すグラフである。

図３ａは、第１の実施例による波長変換素子を示す断面図であり、図３ｂは、該波長変換素子を構成する、金属反射層、第１透光層および光学多層反射膜からなる積層体の光反射率の波長分散（スペクトル）を示すグラフである。

図４は、参考例および第１の実施例による波長変換素子の励起光強度に対する出射光束（光取り出し効率）を示すグラフである。

図５ａ～図５ｃは、第１の実施例による波長変換素子の製造プロセスを示す断面図である。

図６は、第２の実施例による波長変換素子を示す断面図である。

図１に、レーザ光源を用いた照明装置の構成例を概略的に示す。このような照明装置は、例えば車両用の前照灯、プロジェクタ、投光器等に利用される。

照明装置１００は、レーザ光９３Ｌを出射するレーザ光源９３、レーザ光９３Ｌを反射するとともに、レーザ光９３Ｌを吸収し、レーザ光の波長とは異なる波長の蛍光９３Ｃを放出する波長変換素子１０、および、レーザ光９３Ｌと蛍光９３Ｃとを合成した光である合成光９３Ｒを仮想像面上に拡大投影するプロジェクションレンズ等を含む光学系９５、を備える。

レーザ光源９３として、例えば、１Ｗ以上の光強度を有する青色光を出射する、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の半導体レーザダイオードが用いられる。なお、レーザ光源は、１つに限らず、２つ以上設けられる場合もある。

波長変換素子１０は、例えば、青色光を吸収して黄色光を放出する蛍光部材を含む。波長変換素子１０は、青色光９３Ｌを反射するとともに、黄色光９３Ｃを放出し、それらの合成光として白色光９３Ｒを出射する。波長変換素子１０は、青色光（光エネルギーｈν１）を吸収し、黄色光（光エネルギーｈν２）を放出する際に差分のエネルギー（ｈν１－ｈν２）を放熱するため、通常、ヒートシンク等の放熱板９７に固定される。

なお、レーザ光源９３と波長変換素子１０との間に、集光レンズやコリメートレンズ等の光学系が配置される場合もある。また、光ファイバ等を用いて、レーザ光源９３から出射されるレーザ光９３Ｌを、波長変換素子１０に照射する場合もある。

図２ａに、従来例による波長変換素子１２を示す。従来例による波長変換素子１２は、放熱板９７上に、銀等の金属部材からなる金属反射層２０、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）等の光学多層反射膜３０および波長変換層４０が積層した構造である。

光学多層反射膜３０には、例えば青色光や黄色光等の特定の波長の光を反射するＤＢＲ層が用いられる。ＤＢＲ層は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層と、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層と、が周期的に交互積層した構造である。低屈折率層には例えばＳｉＯ_２，ＭｇＦ_２，ＬｉＦ，ＬａＦ_３等が、高屈折率層には例えばＮｂ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３，ＨｆＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３等が、用いられる。なお、ＤＢＲ層のほかにも、屈折率の異なる複数の層が積層するダイクロイックミラー、ショートパスフィルタ（ＳＰＦ）等が用いられる場合もある。

波長変換層４０は、例えば、アルミナ等の無機透明微粒子の母材４２と、母材４２中に分散するＹＡＧ：Ｃｅ等の無機蛍光体粒子（発光部材）４４と、を含む。蛍光体粒子４４は、例えば、青色光９３Ｌを吸収して、黄色光９３Ｃを放出する。蛍光体粒子４４をアルミナ等の高熱伝導率無機材料４２で覆うことにより、蛍光体粒子４４の光吸収に伴う発熱を効率的に拡散し、放熱板９７等の他部材に伝熱する。

図２ｂに、金属反射層２０および光学多層反射膜３０の積層体が示す反射率の波長依存性を示す。図中のグラフの横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。グラフでは、積層体の表面（光学多層反射膜３０側）に対して垂直に（つまり入射角０°で）光を入射したときの反射スペクトルが実線で示され、当該表面の法線に対して３０°（入射角３０°）で光を入射したときの反射スペクトルが点線で示され、当該表面の法線に対して６０°（入射角６０°）で光を入射したときの反射スペクトルが破線で示されている。

ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を含む波長変換層４０から金属反射層２０、光学多層反射膜積層体３０に入射する光の反射率の波長依存性は光学薄膜特性計算プログラム（Essential macleod）により計算した。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体に低屈折率材料としてＳｉＯ_２を積層し、次に高屈折率材料としてＮｂ_２Ｏ_５を積層し、これを交互に総層数４７層を積層し、最終層はＳｉＯ_２とした。各層の光学膜厚はセンター波長の１／４とし、４ペア（８層）を同一センター波長とし、センター波長を８０５ｎｍから３８０ｎｍまで８５ｎｍピッチで変化させることにより可視光領域で高い反射率を実現するように設定した（最終層は一層足りないものとしている）。この上にアルミニウムを２００ｎｍ積層した。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の屈折率は１．８３とした。ＳｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５の屈折率、消衰係数はイオンアシスト成膜装置でシリコンウエハ上に１００ｎｍ程度成膜した薄膜の反射率を測定し、この結果からＦｏｒｏｕｈｉ－Ｂｌｏｏｍｅｒモデルにより計算した結果を用いた。例えば８０５ｎｍにおけるＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５の屈折率はそれぞれ１．４７、２．３１、消衰係数はどちらも０である。

グラフによれば、入射角０°で光を入射した場合、一部の波長域で反射率が低下しているものの、可視光領域全域において高い反射率が維持されている。一方で、入射角３０°および６０°で光を入射した場合、複数の波長域で反射率が著しく低下している。

以上から、金属反射層および光学多層反射膜からなる積層体において、入射光の入射角が小さい場合には反射率の低下が小さくできても、入射角が大きい場合には波長によって反射率の低下が大きくなり得ることがわかる。このような現象は、光学多層反射膜３０表面（波長変換層４０との界面）または膜内で反射される光と、光学多層反射膜３０と金属反射層２０との界面で反射される光との間の干渉による影響と考えられる。

入射角が大きい場合には、光学長が長くなり反射率の高くなる１／４波長以外の干渉が起こり、結果として反射率が低減すると考えられる。

再度、図２ａを参照する。

波長変換素子１２に入射される光９３Ｌの一部は、主に光学多層反射膜３０または金属反射層２０により反射されたのちに、波長変換層４０の表面から外部に出射される。また、他の一部は、蛍光体粒子４４に吸収される。

光９３Ｌを吸収した蛍光体粒子は、光９３Ｃを放出する。蛍光体粒子４４から放出される光９３Ｃの一部は、直接、波長変換層４０の表面から外部に出射される。また、他の一部は、光学多層反射膜３０または金属反射層２０により反射されたのちに、波長変換層４０の表面から外部に出射される。

図２ｂの反射率の波長依存性から、光９３Ｌ，９３Ｃが光学多層反射膜３０または金属反射層２０により反射される際、光学多層反射膜３０への入射角が小さい成分は効率的に反射されるが、入射角が大きい成分は効率的に反射されず、波長によって反射光の強度が低減する。言い換えると、波長変換素子全体として、入射光の強度に対して外部に取り出される（反射される）光の強度の割合（光取出し効率）が低減する。

光学反射層としては、可視光領域において反射率が高く、かつ、波長依存性が小さいことから、銀が多く用いられる。しかし、銀は、マイグレーションが発生しやすい材料である。金属反射層に銀を用いる場合、マイグレーションにより、波長変換素子の長期信頼性が損なわれる可能性がある。

一般に、波長変換素子において、光取出し効率は高いことが望ましく、また、長期信頼性は高いことが望ましい。本発明者らは、光取出し効率が高く、長期信頼性も高い（金属反射層に用いられる銀のマイグレーションを抑制できる）波長変換素子について検討を行った。

図３ａに、第１の実施例による波長変換素子１４を示す。波長変換素子１４は、金属反射層２０、第１透光層５０、光学多層反射膜３０および波長変換層４０が積層した構造である。金属反射層２０、光学多層反射膜３０および波長変換層４０は、上述の波長変換素子１２の対応部材と同様の部材である。

第１透光層５０は、例えば自己保持力のある、厚み１００μｍのサファイア基板で形成される。第１透光層５０として粒界や転位の少ないサファイア基板を用いると、金属反射層２０を構成する銀のマイクレーションを抑制することができる。これにより、波長変換素子１４の長期信頼性が向上する。

図３ｂに、金属反射層２０、第１透光層５０および光学多層反射膜３０の積層体が示す反射率の波長依存性を示す。グラフでは、入射角０°，３０°，６０°で光を入射したときの反射スペクトルが、それぞれ実線，点線，破線で示される。

ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体から金属反射層、光学多層反射膜積層体に入射する光の反射率の波長依存性は光学薄膜特性計算プログラム（Essential macleod）により計算した。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体に低屈折率材料としてＳｉＯ_２を積層し、次に高屈折率材料としてＮｂ_２Ｏ_５を積層し、これを交互に総層数４７層を積層し、最終層はＳｉＯ_２とした。各層の光学膜厚（屈折率 x 物理膜厚）はセンター波長の１／４とし、４ペア（８層）を同一センター波長とし、センター波長を８０５ｎｍから３８０ｎｍまで８５ｎｍピッチで変化させることにより可視光領域で高い反射率を実現するように設定した（最終層は一層足りないものとしている）。これを干渉しない程度の厚さ、例えば４３０μｍ厚のサファイア基板の片面に配置し、もう一方の面にアルミニウムを２００ｎｍ配置したスタック構造として反射率の波長依存性を計算した。

グラフは、入射角によらず、可視光領域全域において高い反射率が維持されていることを示している。図２ｂに示すグラフと比較すると、金属反射層２０と光学多層反射膜３０との間に第１透光層５０が挿入されることにより、入射角が大きい場合の反射率の低下が改善されている。

第１透光層５０の厚みは、光９３Ｌ，９３Ｃの可干渉距離（コヒーレンス長）以上であることが好ましいと考えられる。第１透光層５０の厚みを１．５μｍ以上とすれば、可視光領域全域において光の干渉を抑制できると考えられる。

光の可干渉時間Ｔは以下の式で表される。
Ｔ ＝ λ＾２／〈ｃ・Δλ〉
λ：中心波長
Δλ：半値幅
可干渉距離ｌｃは可干渉時間に光速Ｃを乗じることで得られる。
ｌ＿ｃ ＝ ｃ・Ｔ ＝ λ＾２／Δλ
ここで、本発明においては可視光領域の光学装置を扱う。このため、中心波長を５５０ｎｍ、半値幅を１００ｎｍとすると可干渉距離は３μｍとなるので、厚さがこの半分の１．５μｍ以上なら干渉を抑制することができる。

第１透光層５０の厚みを１００μｍ以上とすれば十分に干渉を抑制できるに加え、波長変換素子１４の機械的支持（自己保持能力）も与えられ、好ましい。

図４は、図２ｂに示した従来例による波長変換素子１２と比較した、図３ｂに示した第１の実施例による波長変換素子１４の光取出し効率を示す。図中のグラフの横軸は、波長変換素子に入射される入射励起光９３Ｌの光強度（励起強度）を示し、縦軸は、波長変換素子から出射される励起光と蛍光との合成光９３Ｒの明るさ（光束）を示す。可視光領域の合成光を積分した光強度を光束として示す。グラフでは、従来例による波長変換素子１２の光束が点線で示され、第１の実施例による波長変換素子１４の光束が実線で示されている。

レーザダイオードから放射される光の半値幅は狭く、通常強度（Ｗ）で表現する。強度波長分布に視感度をかけて波長で積分すると光束になる。

グラフを参照すると、特に入射光強度が大きい状態で、従来例による波長変換素子１２の光束よりも、第１の実施例による波長変換素子１４の光束が、横軸に対する傾きが大きく、光取出し効率が高い。

第１透光層５０を設けることで、光学多層反射膜３０への入射光の入射角が変わり、入射角が大きい成分が効率的に反射され、合成光（反射光）の光強度の低減が抑制されたためと考えられる。

ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体から積層体への入射である“光学多層反射膜”への入射となる。

図５ａ～図５ｃに、第１の実施例による波長変換素子を作製する工程を示す。

図５ａに示すように、第１透光層５０として、サファイア基板を用意する。サファイアのほかにも、可視光領域における光透過率が高く、熱伝導率が高い部材、例えばＳｉＯ_２，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＧａＮまたはダイヤモンド等を用いることができる。また、金属反射層２０に銀等、マイグレーションが発生しやすい材料を用いる場合には、キャップ性能が高い、ＳｉＯ_２，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＧａＮまたはダイヤモンド等の（低転移密度）単結晶基板を用いることが望ましい。物理的強度も考えると、第１透光層５０の厚みは、１００μｍ以上あることが好ましい。

第１透光層５０の一方の面（図における下側面）に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法等により、金属反射層２０として銀膜を厚さ２００ｎｍ程度形成する。金属反射層２０には、銀のほかにも、可視光領域全般で反射率が高い部材、例えばアルミニウム等を用いることができる。

なお、第１透光層５０と金属反射層２０との間に、密着性を向上させるための密着層を設けてもかまわない。密着層には、例えば、数オングストローム程度の厚みのＮｉ層またはＴｉ層を用いることができる。

図５ｂに示すように、第１透光層５０の他方の面（図における上側面）に、光学多層反射膜３０として、ＤＢＲ層を形成する。なお、ＤＢＲ層のほかにも、屈折率が異なる複数の層が積層するダイクロイックミラーやショートパスフィルタ等を形成してもよい。

ＤＢＲ層は、電子ビーム蒸着法やスパッタ法、化学気相成長法等により、低屈折率層および高屈折率層を交互に（周期的に）積層することで形成される。低屈折率層および高屈折率層は１０層～１００層程度積層され、各層の厚みは２０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。

最外層はＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体より屈折率の小さい材料とすると、大きい場合より膜厚を薄くできるので好ましい。

低屈折率層には、例えば、ＳｉＯ_２が用いられる。ＳｉＯ_２のほかにも、ＭｇＦ_２，ＬｉＦ，ＬａＦ_３等を用いることができる。

高屈折率層には、例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５が用いられる。Ｎｂ_２Ｏ_５のほかにも、ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_３，Ａｌ_２Ｏ_３，ＨｆＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３等を用いることができる。

図５ｃに示すように、光学多層反射膜３０上に、波長変換層４０を形成する。波長変換層４０は、例えば、母材４２のアルミナ微粒子と、蛍光体粒子４４のＹＡＧ：Ｃｅと、を混合した流体（グリーン）を形成し、板状に成形した後、焼成することにより形成する。光学多層反射膜３０上にガラス接着剤等の光学的に透明な接着層４１を形成し、その上に波長変換層４０を貼り付ける。

波長変換層４０は、入射光の波長とは異なる波長の光を放出する発光部材を含むものであれば、どのようなものを用いてもよい。波長変換層４０は、耐熱性および伝熱性が高い部材であることが望ましい。

以上により、第１の実施例による波長変換素子１４が完成する。

図６に、第２の実施例による波長変換素子１６を示す。波長変換素子１６は、金属反射層２０、第１透光層５０、光学多層反射膜３０、第２透光層６０および波長変換層４０が積層した構造である。金属反射層２０、第１透光層５０、光学多層反射膜３０および波長変換層４０は、第１の実施例による波長変換素子１４と同様の構成である。

第２透光層６０は、アルミナと蛍光体の混合物である波長変換層４０よりも屈折率が小さい部材、例えばＳｉＯ_２から構成される。第２透光層６０の屈折率を波長変換層４０の屈折率よりも小さくすることで、大きい入射角で第２透光層６０に入射する光が全反射され得る。これにより、入射光のうち入射角が大きい成分がより効率的に反射され、合成光（反射光）の光強度の低減がさらに抑制され得る。

第２透光層６０は、例えば、以下の方法により形成することができる。透明基板である第１透光層５０を用意し、第１透光層５０の下側面上に金属反射層２０、上側面上に光学多層反射膜３０を形成する。光学多層反射膜３０の表面上に、スパッタ法等により、ＳｉＯ_２からなる第１接合層６２を形成する。別途、波長変換層４０を用意し、波長変換層４０の一方の表面に、スパッタ法等により、ＳｉＯ_２からなる第２接合層６４を形成する。第２接合層の表面は、そのままでは波長変換層４０の表面粗さを引き継ぎ、平坦にならないため、第２接合層表面に対して平坦化処理、例えばＣＭＰ研磨処理を行い、平坦化する。このため、第２接合層は、例えばＳｉＯ_２を３００ｎｍ積層し、１００ｎｍまで研磨する処理を行う。

第１接合層６２と第２接合層６４とを、表面活性化法等により原子レベルで接合し、接合層６２，６４からなる第２透光層６０を形成する。第２透光層６０は、第１接合層６２と第２接合層６４とが、樹脂やガラス材料等の熱伝導率の低い材料を介さずに、原子レベルで接合しているため、熱抵抗が小さく、波長変換層４０で生じる熱を効果的に伝熱する。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

Claims (10)

1. 金属材料で形成された金属反射層と、
   前記金属反射層上に配置された第１透光層と、
   前記第１透光層上に配置され、屈折率が異なる複数の層が積層された光学多層反射膜と、
   前記光学多層反射膜上に配置され、入射する励起光を吸収し、より低エネルギーの蛍光を発生しうる蛍光材料を含み、励起光の照射に基づき、励起光と蛍光の混成光を発生し得る波長変換層と、
   を有し、
   前記光学多層反射膜は、前記第１透光層に接して形成され、
   前記波長変換層に含まれる前記蛍光材料から放出される蛍光は、前記光学多層反射膜および前記第１透光層を介して前記金属反射層に入射し、前記光学多層反射膜および前記金属反射層によって反射されたのちに前記波長変換層表面から外部に出射される、
   光学装置。
2. 前記第１透光層は、１．５μｍ以上の厚みを有する、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１透光層は、互いに平行な第１表面、第２表面を有し、自己保持能力を有する透明基板であり、前記金属反射層が前記第１表面上に配置され、前記光学多層反射膜が前記第２表面上に配置されている請求項１に記載の光学装置。
4. 前記透明基板は、ＳｉＯ_２，ＳｉＣ，ＧａＮ，サファイアまたはダイヤモンドで形成された、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記金属反射層は銀で形成された、請求項３に記載の光学装置。
6. 前記光学多層反射膜と前記波長変換層との間に配置され、前記波長変換層の屈折率よりも低い屈折率を有し、ＳｉＯ _２ からなる第２透光層、をさらに有する請求項３に記載の光学装置。
7. 前記第２表面上方に配置され、前記波長変換層に励起光を照射し得る励起光源と、
   前記波長変換層から発生する混成光の光路上に配置された光学系と、
   をさらに有する請求項３に記載の光学装置。
8. 前記励起光源が半導体レーザを含む請求項７に記載の光学装置。
9. 前記第１透光層の裏面に前記金属反射層を形成する第１の工程と、
   前記第１透光層の表面に前記光学多層反射膜を形成する第２の工程と、
   前記波長変換層を前記光学多層反射膜上面に光学的に透明な接着層を介して接合する第３の工程と、
   を備える請求項１に記載の光学装置の製造方法。
10. 前記第３の工程は、前記光学多層反射膜上面に第１接合層を形成する第１のサブ工程と、
    前記波長変換層下面に第２接合層を形成する第２のサブ工程と、
    前記第２接合層下面を平坦化する第３のサブ工程と、
    前記第１接合層上面と前記第２接合層下面とを表面活性化法で接合し、前記第１接合層と前記第２接合層が一体化して第２透光層を形成する第４のサブ工程と、を備え、
    前記波長変換層の屈折率より前記第２透光層の屈折率の方が低い請求項９に記載の光学装置の製造方法。

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