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明細書 :ガラス蛍光体および照明装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2019-120946 (P2019-120946A)
公開日 令和元年7月22日(2019.7.22)
発明の名称または考案の名称 ガラス蛍光体および照明装置
国際特許分類 G02B   5/20        (2006.01)
F21V   9/00        (2018.01)
F21V   9/32        (2018.01)
G02B   5/18        (2006.01)
C09K  11/00        (2006.01)
C03C   3/15        (2006.01)
F21Y 115/30        (2016.01)
FI G02B 5/20
F21V 9/00 200
F21V 9/32
G02B 5/18
C09K 11/00 D
C03C 3/15
F21Y 115:30
請求項の数または発明の数 20
出願形態 OL
全頁数 30
出願番号 特願2018-243275 (P2018-243275)
出願日 平成30年12月26日(2018.12.26)
優先権出願番号 2017250731
優先日 平成29年12月27日(2017.12.27)
優先権主張国 日本国(JP)
発明者または考案者 【氏名】篠崎 健二
【氏名】三原 敏行
【氏名】北村 直之
【氏名】赤井 智子
【氏名】村井 俊介
【氏名】田中 勝久
出願人 【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
個別代理人の代理人 【識別番号】110000796、【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所
審査請求 未請求
テーマコード 2H148
2H249
4G062
4H001
Fターム 2H148AA07
2H148AA25
2H249AA13
2H249AA60
2H249AA64
4G062AA01
4G062BB08
4G062CC04
4G062CC10
4G062DA01
4G062DB01
4G062DC04
4G062DD01
4G062DE01
4G062DF01
4G062EA01
4G062EB01
4G062EC01
4G062ED04
4G062EE01
4G062EF01
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4G062FA10
4G062FB01
4G062FC01
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4G062FG01
4G062FH01
4G062FJ01
4G062FK01
4G062FL01
4G062GA01
4G062GB01
4G062GC01
4G062GD01
4G062GE04
4G062HH01
4G062HH03
4G062HH05
4G062HH07
4G062HH09
4G062HH11
4G062HH13
4G062HH15
4G062HH17
4G062HH20
4G062JJ01
4G062JJ03
4G062JJ05
4G062JJ07
4G062JJ10
4G062KK01
4G062KK03
4G062KK04
4G062KK05
4G062KK07
4G062MM12
4G062MM24
4G062NN21
4H001XA05
4H001XA08
4H001XA09
4H001XA12
4H001XA56
4H001YA63
要約 【課題】厚みを大きくすることなく、発光効率の高いガラス蛍光体を提供する。
【解決手段】光の回折現象を利用して、入射光の光路長を増やすことで、ガラス蛍光体の発光効率を高める。波長がλ(350nm≦λ≦470nm)の光を照射すると蛍光を発するガラス蛍光体1であって、外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造2が形成されている。回折構造2は、所定の方向に配列された複数の突条である。光の波長がλであり、前記突条の間隔dは0.75×λ≦d≦2.00×λである。
【選択図】図1
特許請求の範囲 【請求項1】
波長がλ(350nm≦λ≦470nm)の光を照射すると蛍光を発するガラス蛍光体であって、
外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造が形成されている、ガラス蛍光体。
【請求項2】
前記ガラス蛍光体は平板形状であり、
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の少なくとも一方の平板面に形成されている、請求項1に記載のガラス蛍光体。
【請求項3】
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の両方の平板面に形成されている、請求項2に記載のガラス蛍光体。
【請求項4】
前記回折構造は、所定の方向に配列された複数の突条である、請求項1~3のいずれかに記載のガラス蛍光体。
【請求項5】
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔dは0.75×λ≦d≦2.00×λである、請求項4に記載のガラス蛍光体。
【請求項6】
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔dは0.90×λ≦d≦λである、請求項5に記載のガラス蛍光体。
【請求項7】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記突条の間隔は300nm~800nmである、請求項4に記載のガラス蛍光体。
【請求項8】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記突条の間隔は365nm~405nmである、請求項7に記載のガラス蛍光体。
【請求項9】
前記光の波長が450~470nmであり、
前記突条の間隔は340nm~900nmである、請求項4に記載のガラス蛍光体。
【請求項10】
前記光の波長が450~470nmであり、
前記突条の間隔は405nm~450nmである、請求項9に記載のガラス蛍光体。
【請求項11】
請求項1~10のいずれかに記載のガラス蛍光体と、
前記ガラス蛍光体に前記光を照射する光源と、を備えた、照明装置。
【請求項12】
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、
【数1】
JP2019120946A_000016t.gif
以上である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項13】
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面、または前記平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が垂直であり、
前記突条の間隔dが、
【数2】
JP2019120946A_000017t.gif
以下である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項14】
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が前記ガラス蛍光体から出射する前記平板面に対する角度(°)が、
【数3】
JP2019120946A_000018t.gif
以上である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項15】
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、
arcsin(1-mλ/nd)である、請求項12または14に記載の照明装置。
【請求項16】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が250nm~700nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が0°~33°である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項17】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が900nm~2000nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が33°~54°である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項18】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が30°~80°である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項19】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が250nm~2000nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が0°~32°である、請求項11に記載の照明装置。
【請求項20】
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が30°~80°である、請求項11に記載の照明装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、光の波長を変換する波長変換部材に用いられるガラス蛍光体に関する。
【背景技術】
【0002】
白色LEDやプロジェクタなどの照明部材および表示部材などでは、青色LEDあるいは紫外LEDなどの励起光源からの光を、蛍光体を含む波長変換部材に照射して波長を変換することにより、所望の色を得る方法が広く用いられている。現行の波長変換部材としては、結晶蛍光体粉末を樹脂に分散ないし塗布(成膜)したものが広く用いられている。しかし、そのような波長変換部材では、より明るい光を得るため高出力化すると、励起光源の発熱や光による加熱により樹脂が劣化しやすく、透明性、放熱性に乏しいことから、高出力の励起光源には適さない。また、単結晶や透明セラミックスを用いた蛍光部材も存在するが、コストが高く、加工が難しいという問題がある。
【0003】
これに対し、透明性、高耐候性、放熱性において現行の波長変換部材より優位なガラス蛍光体が注目されている(例えば、特許文献1)。ガラス蛍光体は、所望の形状に加工しやすい点で、単結晶や透明セラミックスを用いた蛍光部材に対しても優位性がある。
【先行技術文献】
【0004】

【特許文献1】特開2016-138020号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、ガラス蛍光体を薄くすると、光の吸収率が低くなり、外部量子効率(入射光強度と蛍光強度の比)が小さいため、十分な変換効率が得られないという問題がある。
【0006】
具体的には、蛍光の外部量子効率(ηEX)は以下の式(1)から計算される。
ηEX=IEM/IEX (1)
EM:蛍光光子数
EX:照射光子数
内部量子効率(ηIN)は、吸収光子数をIABSとすると、
ηIN=IEM/IABS (2)
となる。ここで、透過率をTとすると、
ABS=IEX・(1-T) (3)
であるので、式(1)~(3)より、
ηEX=ηIN・IABS/IEX=ηIN・IEX・(1-T)/IEX
=ηIN・(1-T) (4)
となる。式(4)より、透過率を低減すれば外部量子効率は内部量子効率に漸近することが分かる。Lambert-Beer則より、下記式が成立する。
1-T=1-I/IEX-I/IEX-I/IEX
=1-exp(acl)-I/IEX-I/IEX
:透過光強度
:反射光強度
:散乱光強度
a:モル吸光係数
c:吸収イオンの濃度
l:光路長
【0007】
内部量子効率の高いガラス蛍光体は幾つか報告されているが、吸光係数が低いことによって透過率が大きくなり、外部量子効率を高くすることができないという問題がある。本明細書では、透明なガラスを想定しているので、Iはほとんど無視できるとする。外部量子効率を高めるためのアプローチとしては、
・光路長、吸収イオン濃度、モル吸光係数のいずれかを増大させることによる吸収量の増大
・反射光強度の低減
が挙げられる。
【0008】
まず、吸収量の増大について、モル吸光係数(a)は、賦活イオンとホストで決まるので、変化させることができるパラメータは吸収イオンの濃度(c)である。しかし、吸収イオンの濃度(c)を上げると、濃度消光が起きて内部量子効率が激減するので有効なアプローチではない。
【0009】
次に、反射光強度の低減について、ガラス蛍光体やガラスセラミックス蛍光体に反射防止構造を付与することで、反射によって失われる光を低減する技術は存在する。反射率(R)は以下の式により計算される。
R=(n-n/(n+n (1)
:周囲媒体の屈折率
:ガラス蛍光体の屈折率
よって、I/IEXは屈折率(n)に依存するが、n=1.0(空気)とすると、ガラスの屈折率はn=1.5~2.0程度であるため、この範囲であればI/IEXは0.2を越えることはない。そのため、反射光強度の低減効果だけでは、外部量子効率は、せいぜい20%強の増強しか見込めない。
【0010】
以上のように、ガラス蛍光体を実用的な厚みに加工すると、既存の結晶蛍光体に匹敵する蛍光強度を得ることはできないという問題がある。
【0011】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、厚みを大きくすることなく、発光効率の高いガラス蛍光体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、光の回折現象を利用して、入射光の光路長を増やすことで、ガラス蛍光体の発光効率を高めることができることを見出した。
【0013】
本発明はかかる知見に基づいて完成したものであり、下記の態様を有する。
項1.
波長がλ(350nm≦λ≦470nm)の光を照射すると蛍光を発するガラス蛍光体であって、
外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造が形成されている、ガラス蛍光体。
項2.
前記ガラス蛍光体は平板形状であり、
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の少なくとも一方の平板面に形成されている、項1に記載のガラス蛍光体。
項3.
前記回折構造は、前記平板形状のガラス蛍光体の両方の平板面に形成されている、項2に記載のガラス蛍光体。
項4.
前記回折構造は、所定の方向に配列された複数の突条である、項1~3のいずれかに記載のガラス蛍光体。
項5.
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔dは0.75×λ≦d≦2.00×λである、項4に記載のガラス蛍光体。
項6.
前記光の波長がλであり、
前記突条の間隔dは0.90×λ≦d≦λである、項5に記載のガラス蛍光体。
項7.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記突条の間隔は300nm~800nmである、項4に記載のガラス蛍光体。
項8.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記突条の間隔は365nm~405nmである、項7に記載のガラス蛍光体。
項9.
前記光の波長が450~470nmであり、
前記突条の間隔は340nm~900nmである、項4に記載のガラス蛍光体。
項10.
前記光の波長が450~470nmであり、
前記突条の間隔は405nm~450nmである、項9に記載のガラス蛍光体。
項11.
項1~10のいずれかに記載のガラス蛍光体と、
前記ガラス蛍光体に前記光を照射する光源と、を備えた、照明装置。
項12.
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、
【数1】
JP2019120946A_000003t.gif
以上である、項11に記載の照明装置。
項13.
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記ガラス蛍光体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面、または前記平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が垂直であり、
前記突条の間隔dが、
【数2】
JP2019120946A_000004t.gif
以下である、項11に記載の照明装置。
項14.
前記光の波長がλであり、
回折次数がmであり、
前記ガラス蛍光体の周囲媒体の屈折率がnであり、
前記光が入射する平板面の反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光が前記ガラス蛍光体から出射する前記平板面に対する角度(°)が、
【数3】
JP2019120946A_000005t.gif
以上である、項11に記載の照明装置。
項15.
前記光が入射する前記平板面に対する角度(°)が、
arcsin(1-mλ/nd)である、項12または14に記載の照明装置。
項16.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が250nm~700nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が0°~33°である、項11に記載の照明装置。
項17.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が900nm~2000nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が33°~54°である、項11に記載の照明装置。
項18.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が30°~80°である、項11に記載の照明装置。
項19.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が250nm~2000nmの間隔で形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に垂直であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が0°~32°である、項11に記載の照明装置。
項20.
前記光の波長が400nm~410nmであり、
前記光が入射する平板面と反対側の平板面に前記突条が形成されており、
前記光の入射方向の前記平板面に平行な成分が、前記突条の長手方向に平行であり、
前記光が入射する前記平板面に対する角度が30°~80°である、項11に記載の照明装置。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、入射光の光路長を増やすことで、ガラス蛍光体の発光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】(a)は、本発明の実施形態に係るガラス蛍光体の断面図であり、図1(b)は、当該ガラス蛍光体の平面図である。
【図2】図1(a)に示すガラス蛍光体の部分拡大断面図である。
【図3】(a)は、屈折率n=1.62のガラス蛍光体における、回折光Ld1(s偏光)の回折角βと反射率との関係を示すグラフであり、(b)は、入射光の波長λが405(nm)である場合の、回折角と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図4】(a)~(c)は、ガラス蛍光体の製造工程を示す概略図である。
【図5】(a)および(b)は、ガラス蛍光体の変形例を示す断面図である。
【図6】図5(a)に示すガラス蛍光体の部分拡大断面図である。
【図7】本発明の実施形態に係る照明装置の概略図である。
【図8】照明装置の変形例である。
【図9】(a)は、本発明の実施例に係るガラス蛍光体の写真であり、(b)は、当該ガラス蛍光体における回折構造の構造を原子間力顕微鏡(AFM)で撮影した画像であり、(c)は、当該回折構造の断面形状を示す曲線である。
【図10】(a)は、白色光を照射したときのデジタルカメラの画像であり、(b)は、UV光を照射したときの前記デジタルカメラの画像である。
【図11】(a)は、間隔d=500nmのガラス蛍光体に波長405nmのレーザ光を入射角θ=5°で照射したときの写真であり、(b)は、当該ガラス蛍光体からの出射光の周波数スペクトルである。
【図12】突条の間隔と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。
【図13】突条の間隔と蛍光強度との関係を示すグラフである。
【図14】入射角と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。
【図15】入射角と蛍光強度との関係を示すグラフである。
【図16】入射角と蛍光強度との関係を検証するための実験の概略図である。
【図17】入射角と蛍光強度との関係を示すグラフである。
【図18】入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図19】反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図20】反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長620nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図21】図13のグラフと図18のグラフとを重ねたものである。
【図22】間隔の異なる突条が入射面に形成された各ガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、入射角との関係を示すグラフである。
【図23】高さの異なる突条が入射面に形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、ピークトップ角度と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図24】間隔の異なる突条が反対面に形成された各ガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、入射角との関係を示すグラフである。
【図25】高さの異なる突条が反対面に形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、ピークトップ角度と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図26】ガラス蛍光体の反対面における光の電場分布シミュレーション結果を示す図である。
【図27】入射面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長450nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、入射光への回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図28】反対面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長450nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、出射光への回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図29】入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図30】反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔との関係を示すグラフである。
【図31】(a)および(b)は、ガラス蛍光体の変形例を示す断面図および底面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

【0017】
(ガラス蛍光体の構成)
図1(a)は、本実施形態に係るガラス蛍光体1の断面図であり、図1(b)は、ガラス蛍光体1の平面図である。ガラス蛍光体1は、発光中心を含んでおり、通常、1.5~2.0程度の屈折率を有する。発光中心としては、例えばEu,Ceなどの希土類イオンやCuなどの遷移金属イオン、Snなどの重金属イオンを含有した酸化物ガラスやフッ化物ガラスが挙げられる。これにより、ガラス蛍光体1は、波長がλ(本実施形態では、350nm≦λ≦470nm)の光を照射すると蛍光を発する。

【0018】
さらにガラス蛍光体1は、外面の少なくとも一部に、光を回折させる回折構造2が形成されている。ガラス蛍光体1の形状および大きさは特に限定されないが、本実施形態では平面視矩形の平板形状であり、回折構造2はガラス蛍光体1の少なくとも一方の平板面に形成されている。図1(a)に示すように、回折構造2は、光が入射する入射面1aに形成されており、所定の方向(図1において左右方向)に配列された複数の突条2aである。突条2aの個数は特に限定されないが、通常は、多数(数万~数十万個)形成される。突条2aの断面形状は特に限定されないが、本実施形態では、断面の外形が正弦曲線と近似している。

【0019】
突条2aの間隔dは、隣り合う突条2aの中心間の距離(図1a参照)である。間隔dは、光の回折現象が生じるのであれば、特に限定されないが、光の波長がλである場合、0.75×λ≦d≦2.00×λであることが好ましく、0.90×λ≦d≦λであることがさらに好ましい。また、複数の波長の光が混ざっている白色光等の波長は、ピーク波長、あるいは光のエネルギーの30%以上の成分を含む波長と定義する。例えば、光の波長が400nm~410nmである場合、300nm≦d≦800nmであることが好ましく、365nm≦d≦405nmであることが特に好ましい。また、光の波長が450nm~470nmである場合、340nm≦d≦900nmであることが好ましく、405nm≦d≦450nmであることが特に好ましい。

【0020】
突条2aの高さhは、光の回折現象に影響を与えない限り特に限定されず、例えば、間隔dの数分の1程度である。

【0021】
(光の挙動)
図2は、図1(a)に示すガラス蛍光体1の部分拡大断面図であり、ガラス蛍光体1の入射面1aに光Lin(波長λ)が入射した場合の、光の挙動を示している。光Lin(波長λ)は、ガラス蛍光体1に入射する際に、複数の突条2aによって、回折光Ld1(波長λ)および透過光Lt(波長λ)となる。透過光Lt(波長λ)の一部は、入射面の反対面1bにおいて反射する(反射光Lr1(波長λ))。また、回折光Ld1(波長λ)については、回折角(回折光Ld1(波長λ)と透過光Lt(波長λ)との角度)がガラス蛍光体1の臨界角以上である場合、回折光Ld1(波長λ)は、ガラス蛍光体1の界面において突条がない場合は全反射、突条がある場合は高い反射率で反射を繰り返すので、光路長が著しく増大する。これにより、外部量子効率が高くなり、ガラス蛍光体1の厚みを大きくすることなく、ガラス蛍光体1の発光効率を高めることができる。

【0022】
ガラス蛍光体1の臨界角θ(deg.)は、ガラス蛍光体1の屈折率をn、空気の屈折率をnとすると、
【数4】
JP2019120946A_000006t.gif
により与えられる。例えば、n=1.62、n=1.00とすると、θ=39(deg.)である。

【0023】
図3(a)は、屈折率n=1.62のガラス蛍光体1における、回折光Ld1(s偏光)の回折角βと反射率との関係を示すグラフである。回折角βが臨界角である39(deg.)以上であれば、反射率が1(全反射)になり、光路長が著しく増大するため好ましい。一方で、β>θであっても、βが大きいほど反射角が小さくなるので、ガラス蛍光体1の単位面積あたりの反射回数が小さくなり、その結果、光路長が小さくなる。よって、βはθより大きく、かつ、θに近いほど発光量が大きい。

【0024】
また、突条2aの間隔をd、回折光Ld1(波長λ)の入射角をθi、回折次数をmとすると、透過方向の回折角θは、
【数5】
JP2019120946A_000007t.gif
:周囲媒体の屈折率
:ガラス蛍光体の屈折率
θi:入射光の面直角度
φi:入射光の面内角度
θ:透過回折の面直角度
φ:透過回折の面内角度
λ:波長
:x方向(光の入射方向の入射面に平行な成分)の突条の間隔
:y方向の突条の間隔
m:回折次数
m’:回折次数
により与えられる。ここで、回折角βは透過方向と反射方向の両方に存在するので、これらを区別のため、透過方向の回折角をθ、反射方向の回折角をθとおいた。また、光がガラス蛍光体1から周囲媒体へ入射するときの反射方向の回折角θは、以下の式によって与えられる。
【数6】
JP2019120946A_000008t.gif
:周囲媒体の屈折率
:ガラス蛍光体の屈折率
θi:入射光の面直角度
φi:入射光の面内角度
θ:透過回折の面直角度
φ:透過回折の面内角度
λ:波長
:x方向(光の入射方向の入射面に平行な成分)の突条の間隔
:y方向の突条の間隔
m:回折次数
m’:回折次数
また、レーザ光がガラス蛍光体1から周囲媒体へ出射するときの回折角は、以下の式によって与えられる。
【数7】
JP2019120946A_000009t.gif

【0025】
回折角が臨界角を超える場合、回折光はガラス蛍光体内で反射を繰り返すため、見かけの光路長を顕著に増大させることができる。この時の条件は、前記突条が入射面にある場合は、〔数4〕および〔数5〕に示した式から、
【数8】
JP2019120946A_000010t.gif
として与えられる。すなわち、垂直入射の場合は、
【数9】
JP2019120946A_000011t.gif
として与えられる。また、前記突条が入射面の反対面にある場合、ガラス内部での反射方向の回折角θr’が臨界角θC以上となり入射光を効果的に閉じ込めるときのガラス蛍光体1から周囲媒体への出射角θi’は
【数10】
JP2019120946A_000012t.gif
として与えられる。すなわち、垂直出射の場合は、
【数11】
JP2019120946A_000013t.gif
である。

【0026】
図3(b)は、入射光Linの波長λが405(nm)である場合の、回折角と突条2aの間隔dとの関係を示すグラフである。同グラフにおける破線は、臨界角θ(=39(deg.))を示している。回折角が臨界角よりも大きければ(破線と曲線(特に1次回折曲線)との交点に対応する間隔よりもdが小さければ))、回折光Ld1はガラス蛍光体1を透過せずに内部で全反射を繰り返す。1次回折(m=1)における、この時の全反射の条件は、透過面が空気(n=1)、入射角θi=0(垂直入射)のとき、〔数4〕~〔数8〕に示した式から、突条が入射面にある場合は、d≦mλ/nとなり、突条が入射面の反対面にある場合は、d≦λとなる。例えば、波長λ=405(nm)でガラス蛍光体の屈折率が1.62のとき、突条が入射面にある場合はd≦405(nm)、入射面の反対面にある場合はd≦405(nm)であることが好ましいが、回折角が臨界角に近いほど反射率は高くなるので、dがこれよりも多少大きくても、発光効率を高めることができる。なお、入射角θi≠0の場合については、後述する。

【0027】
(ガラス蛍光体の製造方法)
本実施形態に係るガラス蛍光体1は、ナノインプリント成型加工によって製造することができる。図4(a)~(c)は、ガラス蛍光体1の製造工程を示す概略図である。

【0028】
まず、平板状のガラス蛍光体11を作製し、図4(a)に示すように、ガラス蛍光体11を2つの型20,30の間に挟み込み、加熱する。型20には、多数の溝21が形成されているため、図4(b)に示すように、ガラス蛍光体11の一部が溝21に突出する。溝21によって、ガラス蛍光体11の一方面には、多数の突条が転写される。その後、型20および型30を取り外すことにより、図4(c)に示すように、多数の突条2aが形成されたガラス蛍光体1を製造することができる。

【0029】
なお、ガラス蛍光体1を製造する方法は、ナノインプリント成型加工に限定されず、例えば、電子線描画装置を用いて構造をレジストに描画した後にガラス蛍光体をエッチングする方法も可能である。しかし、量産性の観点では、ナノインプリント成型加工が望ましい。

【0030】
(ガラス蛍光体の変形例)
図1に示すガラス蛍光体1では、回折構造2が入射面1aのみに形成されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図5(a)に示すガラス蛍光体1’のように、回折構造2が入射面1aの反対面1bのみに形成されてもよい。あるいは、図5(b)に示すガラス蛍光体1”のように、回折構造2が入射面1aおよび反対面1bの両面に形成されてもよい。

【0031】
図6は、図5(a)に示すガラス蛍光体1’の部分拡大断面図であり、ガラス蛍光体1’の入射面1aに光Linが入射した場合の、光の挙動を示している。光Linの大部分は入射後に透過光Ltとなり、その一部は入射面の反対面1bにおいて反射する(反射光Lr1)。また、反対面1bに複数の突条2aが形成されていることにより、透過光Ltが反射する際に、回折現象によって回折光Ld1が生じる。この回折光Ld1の回折角(回折光Ld1と透過光Ltとの角度)がガラス蛍光体1’の臨界角以上である場合は反射率が高いので特に効果が大きい。このようにして、回折光Ld1は、ガラス蛍光体1’の界面において反射を繰り返すので、光路長が著しく増大する。これにより、外部量子効率が高くなり、ガラス蛍光体1’の厚みを大きくすることなく、ガラス蛍光体1’の発光効率を高めることができる。

【0032】
なお、図5(b)に示すガラス蛍光体1”では、図2および図6において説明した両方の挙動が生じるため、ガラス蛍光体1およびガラス蛍光体1’よりも発光効率を高めることができる。

【0033】
(入射角の調整)
上述の形態では、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して垂直に入射させていたが、特に、入射光の指向性が強い場合、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して傾斜させてもよい。後述の実施例で説明するように、入射光をガラス蛍光体の入射面に対して所定の範囲で傾斜させたほうが、入射光を垂直に入射させた場合よりも蛍光強度が大きくなる場合もある。

【0034】
図7は、本実施形態に係る照明装置10の概略図である。照明装置10は、ガラス蛍光体1、および、ガラス蛍光体1に光を照射する光源3を備えている。ガラス蛍光体1は、図1に示すものと同一であり、入射面1aのみに突条が形成されている。光源3は、レーザ光を出射するレーザ光源である。レーザ光の指向方向はガラス蛍光体1の入射面1aに対して傾斜しており、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分が、突条の長手方向に垂直となっている。このときのレーザ光と入射面1aとの角度を入射角θとする。

【0035】
照明装置10では、光源3からの光の波長がλである場合、入射角θは、[数8]であることが好ましい。入射面1aのみに突条が形成されている場合、[数8]は、以下のように導出される。

【0036】
レーザ光が周囲媒体からガラス蛍光体1へ入射するときの回折角は、[数4]の式によって与えられる。

【0037】
ここでは、突条が1次元であると仮定しているので、φ=0、φr=0とする。また、d=∞とするとθ=θとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。回折角が臨界角を超えたとき光を閉じ込めることができるので、[数4]および[数5]から[数8]が導出される。さらに、反射方向の回折角が90°となる条件のとき、反射方向に最大の回折を示すと仮定すると、回折効率が最大となる条件は[数9]となる。

【0038】
例えば、屈折率が1.62のときは臨界角θは39°であるから、回折角βが39°以上の場合に光を好適に閉じ込めることができる。とくに、回折角が90°となるときに最大の回折効率を示すとすると、光源3からの光の波長が400nm~410nmで突条2aの間隔dが500nmのとき、θin=10°~50°であることが好ましく、θin=13°であることが特に好ましい。

【0039】
図8は、図7に示す照明装置10の変形例である照明装置10’の概略図である。照明装置10’は、照明装置10において、ガラス蛍光体1をガラス蛍光体1’に置き換えたものである。ガラス蛍光体1’は、図5(a)に示すものと同一であり、反対面1bのみに突条が形成されている。照明装置10’の他の構成は、照明装置10と同一である。

【0040】
照明装置10’では、光源3からの光の波長がλnmである場合、ガラス蛍光体からの出射角θ’は、[数10]のとき回折光が臨界角を超えるため発光を増強するために好ましい。反対面1bのみに突条が形成されている場合、[数10]は、以下のように導出される。

【0041】
レーザ光がガラス蛍光体1から周囲媒体へ出射するときの反射方向の回折角は、[数8]の式によって与えられる。

【0042】
ここでは、突条が1次元であると仮定しているので、φ=0、φ=0とする。また、d=∞とするとθ=θとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。透過方向の回折角が臨界角以上になる条件のとき、光の透過強度を著しく低減させるとすると、その条件はθt≧θcである。これを満たすガラス蛍光体1からの出射角は[数10]で与えられる。特に、垂直入射の場合、θiを0とおいて、[数11]のように整理される。

【0043】
同様に、入射面の反対面に上記突条がある場合、見かけの光路長を顕著に増大させる入射角は[数8]で与えられる。特に、垂直入射の場合、θiを0とおいて、[数9]のように整理される。

【0044】
ここでは、突条が1次元であると仮定しているので、φ=0、φ=0とする。また、d=∞とするとθ=θとなり、回折しないので、突条の長さ方向の効果については無視する。透過方向の回折角が臨界角を超える条件のとき、反射方向に最大の回折を示すと仮定すると、回折効率が最大となる条件が[数10]で与えられる。

【0045】
θ’は、ガラス蛍光体1の内部からの入射角であり、周囲媒体側からの入射方向に対してスネルの法則により屈折しており、周囲媒体側からの入射角θ’(=θ)は[数8]のように導出される。特に、垂直入射の場合、θiを0とおいて、[数11]のように整理される。

【0046】
例えば、屈折率が1.62のときは臨界角θは39°であるから、回折角βが39°以上の場合に光を好適に閉じ込めることができる。例えば、光源3からの光の波長が400nm~410nmで突条2aの間隔dが500nmのとき、θ=10°~40°であることが好ましく、θ=22°であることが特に好ましい。

【0047】
なお、光源3がLED光源である場合、一般に指向性の強い光ではあるが、例えば配光角度は30°程度はあるため、入射光の光軸がガラス蛍光体1またはガラス蛍光体1’の入射面1aに対して垂直であっても、前記θ=10°~40°で入射する成分も存在する。そのため、入射光の光軸がガラス蛍光体の入射面に対して傾斜するように光源3を必ずしも配置する必要はない。

【0048】
(付記事項)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能であり、例えば、上記実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も、本発明の技術的範囲に属する。

【0049】
また、上記実施形態では、回折構造として、複数の突条を有する構造を説明したが、光を回折させる構造であれば、これに限定されない。例えば、モスアイ状のように周期的に突起構造を配置してもよい。

【0050】
また、突条の間隔は必ずしも一定である必要はない。突条の間隔が一定でない場合、その効果は若干下がるが、同様の効果を得ることはできる。
【実施例】
【0051】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。
【実施例】
【0052】
[実施例1]
(ガラス蛍光体の製造)
実施例1では、図1に示すガラス蛍光体1、図5(b)に示すガラス蛍光体1”および図31(a)、(b)に示すガラス蛍光体1''’を作製した。具体的には、Eu、BaCO、MgF、MgO、B試薬を合計30gになるよう秤量し、混合した。混合物を白金るつぼに入れて1100度で20分間、電気炉中で熔融し、融液を100度に加熱した鉄板に流しだすことで固化した。このようにして、2.9Eu-33.0BaO-18.9MgF-18.9MgO-26.3B(mol%)のガラス蛍光体を熔融急冷法により作製した。ガラス蛍光体の屈折率は1.62であった。また、このガラスの内部量子効率を絶対量子効率測定システム(大塚電子製、QE-1100)で求めた結果、励起光405nmにおいて95%であった。このガラス蛍光体を10mm×10mm×3mmの平板状に切断、研磨して、図4(a)に示すガラス蛍光体11に加工した後、ナノインプリント成型加工を施した。
【実施例】
【0053】
ナノインプリント成型加工では、図4(a)に示す型20として、縦25mm×横25mm×厚さ2mmのSiCの型を用いた。型20には、中央部を含む6mm×6mmの領域に、回折構造を転写するための溝21が形成されており、溝21の間隔が250nm、300nm、500nm、および1500nmの4種類の型20を用意した。そして、東芝機械株式会社製のナノインプリント装置(型名:GMP-311)を用いて、ガラス蛍光体11を真空下で520度に加熱しながら、型20および型30によって10MPaの圧力で120秒間、押圧することで、突条2aをガラス蛍光体11の一方面または両面に転写した。これにより、間隔が250nm、300nm、500nm、および1500nmの突条2aが入射面1aに形成された4種類のガラス蛍光体1、および、間隔が500nmの突条2aが両面に転写された2種類のガラス蛍光体1”,1''’を作製した。なお、ガラス蛍光体1”では、入射面1aの突条2aの延伸方向と反対面1bの突条2aの延伸方向とが平行である。一方、ガラス蛍光体1''’では、入射面1aの突条2aの延伸方向と反対面1bの突条2aの延伸方向とが直交している。いずれのガラス蛍光体においても、突条2aの高さは180nmであった。
【実施例】
【0054】
図9(a)は、ガラス蛍光体1の写真である。回折構造2は、入射面1aの中央を含む6mm×6mmの矩形領域に形成した。図9(b)は、ガラス蛍光体1における回折構造2の構造を原子間力顕微鏡(AFM)で撮影した画像であり、図9(c)は、回折構造2の断面形状を示す曲線である。図9(c)に示すように、回折構造2を構成する突条2aの間隔dは500nmであり、高さhは180nmである。
【実施例】
【0055】
(蛍光強度増大の確認)
続いて、間隔d=500nmのガラス蛍光体1の入射面1aに、白色光または波長375nmのUV光を照射し、ガラス蛍光体1からの出射光をデジタルカメラで撮影した。UV光の光源は、紫外LEDを使用した。
【実施例】
【0056】
図10(a)は、白色光を照射したときの前記デジタルカメラの画像であり、図10(b)は、UV光を照射したときの前記デジタルカメラの画像である。これらの画像では、回折構造2が形成されている中央の矩形領域の輝度が、平坦な構造である周囲よりも大きくなっており、回折構造2により蛍光強度が増加したことが確認できた。
【実施例】
【0057】
また、図11(a)は、間隔d=500nmのガラス蛍光体1に波長405nmのレーザ光を入射角θ=5°で照射したときの写真であり、図11(b)は、当該ガラス蛍光体1からの出射光の周波数スペクトルである。図11(a)では、レーザ光が入射したガラス蛍光体1の中央部から端面に向かって、赤色の蛍光が帯状に伝搬していることが分かる。図11(b)において、実線は、ガラス蛍光体1からの出射光の周波数スペクトルであり、破線は、従来の平坦なガラス蛍光体からの出射光の周波数スペクトルである。よって、ガラス蛍光体1に回折構造を形成することで、蛍光強度が増大したことが確認できた。
【実施例】
【0058】
(突条の間隔と蛍光強度との関係)
続いて、図7に示す照明装置10および図8に示す照明装置10’を用いて、突条2aの間隔と蛍光強度との関係を検証した。ガラス蛍光体としては、突条2aの間隔が250nm、300nm、500nm、1500nmの4種類のガラス蛍光体1、突条2aの間隔が250nm、300nm、500nm、1500nmの4種類のガラス蛍光体1’、突条2aの間隔が500nmの2種類のガラス蛍光体1”,1''’、従来の平坦なガラス蛍光体、および、入射面またはその反対面にモスアイ構造が300nmの間隔で形成されたガラス蛍光体を用いた。照明装置10を用いた検証では、図12(a)に示すように、ガラス蛍光体1の光源3側の入射面1aに突条2aが形成されている。照明装置10’を用いた検証では、図12(b)に示すように、ガラス蛍光体1’の光源3の反対面1bに突条2aが形成されている。光源3としては、波長405nmのレーザ光を出射するレーザ光源を用いた。光源3とガラス蛍光体1との間に、光源3からのレーザ光のs偏光のみを通過させる偏光板4を配置した。また、ガラス蛍光体1の反対面1b側を直径150mmの積分半球6で覆い、積分半球6によってガラス蛍光体1からの蛍光を収集した。そして、積分半球6によって収集された蛍光の強度を、検出器5によって検出した。
【実施例】
【0059】
図13は、突条2aの間隔dと、検出器5が検出した蛍光強度との関係を示すグラフである。同グラフにおいて、従来の平滑なガラス蛍光体から出射された蛍光の強度を間隔0nmと定義し、当該強度を1.0と規格化している。黒丸印は、入射面1aに突条2aが形成されたガラス蛍光体1から出射された蛍光の強度であり、白丸印は、反対面1bに突条2aが形成されたガラス蛍光体1’から出射された蛍光の強度である。また、黒三角印は、入射面にモスアイ構造が形成されたガラス蛍光体から出射された蛍光の強度であり、白三角印は、入射面の反対面にモスアイ構造が形成されたガラス蛍光体から出射された蛍光の強度である。また、黒四角印はガラス蛍光体1”から出射された蛍光の強度であり、白四角印はガラス蛍光体1''’から出射された蛍光の強度である。図13から、間隔d=250nm、300nmおよび500nmの突条2aを入射面1aまたは反対面1bに形成することにより、蛍光強度が1.5倍以上に増大しており、特に、本実施例の範囲では間隔d=500nmの突条2aを入射面1aに形成した場合の蛍光強度が最も高くなっている。また、間隔d=500nmの突条2aを入射面1aおよび反対面1bの両方に形成することにより、蛍光強度が2倍または3倍以上に増大している。
【実施例】
【0060】
(入射角と蛍光強度との関係)
続いて、図7に示す照明装置10を用いて、入射角と蛍光強度との関係を検証した。本実施例では、図14(a)に示すように、照明装置10を用意し、光源3として、波長405nmのレーザ光を出射するレーザ光源を用いた。ガラス蛍光体1の入射面1aに形成された突条2aの間隔は500nmであった。また、光源3とガラス蛍光体1との間に、光源3からのレーザ光のs偏光のみを通過させる偏光板4を設け、さらに、ガラス蛍光体1の反対面1b側には、ガラス蛍光体1からの出射光を無偏光で検出する検出器5を設けた。そして、光源3を移動させて、レーザ光と入射面1aとの入射角θ(θ’)を変化させながら、ガラス蛍光体1からの出射光の強度を検出器5によって検出した。
【実施例】
【0061】
また、レーザ光の入射方向と突条2aの長手方向との角度を2通りに設定した。一方では、図14(b)に示すように、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に垂直となるように、ガラス蛍光体1を配置した。このときのレーザ光と入射面1aとの角度を入射角θとする。他方では、図14(c)に示すように、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に平行となるように、ガラス蛍光体1を配置した。このときのレーザ光と入射面1aとの角度を入射角θ’とする。
【実施例】
【0062】
図15は、照明装置10における、入射角θ(θ’)と出射光の強度との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、破線は、ガラス蛍光体1を図14(b)に示すように配置した場合を示しており、実線は、ガラス蛍光体1を図14(c)に示すように配置した場合を示している。この結果から、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に垂直であるとき、入射角θが10°~30°である場合に、出射光の強度が大きくなり、入射角θが13°である場合に、出射光の強度が最大となることが確認できた。また、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に平行であるとき、入射角θ’が30°~80°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。このことから、θ(θ’)=arcsin(1-mλ/nd)°が好適であることが確認できた。なお、グラフには示していないが、回折構造が形成されていない従来のガラス蛍光体では、出射光強度は入射角にほとんど依存しなかった。また、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pと突条2aの長手方向とが垂直または平行以外の場合、入射角と出射光の強度との関係は、成分Pの突条2aの長手方向に垂直な成分と平行な成分との重ね合わせによって決まる。
【実施例】
【0063】
同様の検証を、図8に示す照明装置10’を用いて行った。具体的には、図16(a)~(c)に示すように、図14に示すガラス蛍光体1をガラス蛍光体1’に置き換えて、レーザ光と入射面1aとの入射角θ(θ’)を変化させながら、ガラス蛍光体1’からの出射光の強度を検出器5によって検出した。
【実施例】
【0064】
図17は、照明装置10’における、入射角θ(θ’)と出射光の強度との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、破線は、ガラス蛍光体1’を図16(b)に示すように配置した場合を示しており、実線は、ガラス蛍光体1’を図16(c)に示すように配置した場合を示している。この結果から、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に垂直であるとき、入射角θが14°~40°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。また、出射光強度は入射角θは23°付近を中心とした山成の曲線を描いた。また、レーザ光の入射方向の入射面1aに平行な成分Pが、突条2aの長手方向に平行であるとき、入射角θ’が30°~80°である場合に、出射光の強度が大きくなることが確認できた。このことから、θ(θ’)=arcsin(1-mλ/nd)°が好適であることが確認できた。なお、グラフには示していないが、回折構造が形成されていない従来のガラス蛍光体では、出射光強度は入射角にほとんど依存しなかった。
【実施例】
【0065】
[実施例2]
(シミュレーション条件)
実施例2では、回折構造を形成することによる蛍光強度の増大を説明するため、光の挙動についてシミュレーションによる解析を行った。本実施例では、DiffractMod(RSoft製)のソフトウェアによる厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)を用いて解析した。具体的には、複数の突条を有する回折構造が入射面および反対面のいずれかに形成された屈折率1.62のガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させたとき(励起光の照射に相当)および入射光と同じ波長の光(励起光が蛍光変換されずにガラス平板を透過したものに相当)または620nmの波長の光が出射するときの挙動を計算した。突条の間隔dは175nm~2000nmの範囲で変化させ、突条の高さは130nmで固定した。突条の断面形状は幅がd/2の正弦波状で設定し、間隔に応じて前記正弦波の周期を変更した。
【実施例】
【0066】
(垂直入射光に対する回折強度と突条の間隔との関係)
図18は、入射面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、およびそれらの合計の強度と、突条の間隔dとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔dが350nm~800nmの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔d=390nmの場合に、回折光の強度が最大になっている。
【実施例】
【0067】
図19は、反対面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、および全光量の強度と、突条の間隔dとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔dが350nm~800nmの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔d=390nmの場合に、回折光の強度が最大になっている。
【実施例】
【0068】
図20は、反対面のみに回折構造が形成された上記ガラス平板に、波長620nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、透過光、透過方向への回折光、および全光量の強度と、突条の間隔dとの関係を示すグラフである。同グラフから、間隔dが450nm~1250nmの場合に、回折光の強度が大きくなり、特に、間隔d=600nmの場合に、回折光の強度が最大になっている。
【実施例】
【0069】
図18~図20から、回折光の強度を大きくするためには、入射光の波長がλであるとすると、突条の間隔dが0.75×λ≦d≦2.00×λであることが好ましく、0.95×λ≦d≦0.97×λであることが特に好ましいことが分かる。
【実施例】
【0070】
図21は、図13のグラフと図18のグラフとを重ねたものである。図21のグラフから、突条2aの間隔dと蛍光強度との関係は、実施例1における実証実験と本実施例のシミュレーションとで同様の傾向であることが分かる。
【実施例】
【0071】
(入射角と強度との蛍光関係)
続いて、間隔の異なる突条が入射面または反対面に形成された複数種類のガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射角を変えながら入射させたときの挙動をシミュレーションにより計算した。突条の間隔dは、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、700nm、900nm、1500nmおよび2000nmの10通りを設定した。ガラス平板の屈折率は1.62、突条の高さは180nmで固定した。突条の断面形状は幅がd/2の正弦波状で設定した。
【実施例】
【0072】
図22は、間隔d=250nm、300nm、400nm、500nm、900nmおよび2000nmの突条が入射面に形成された各ガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度と、入射角との関係を示すグラフである。同グラフから、例えば間隔d=500nmの突条が形成されたガラス平板では、入射角が10°~30°である場合に、回折光の強度が大きくなり、前述の[数8]を満たす角度である13度を中心として、その周辺角度で回折強度が大きくなった。間隔d=400nmの突条が形成されたガラス平板を除き、他のガラス平板においても同様の傾向がみられた。よって、実施例1における検証結果(図15)と同様に、入射光を入射面に対して所定の範囲で傾斜させることで、蛍光強度を増大させることができることを確認できた。
【実施例】
【0073】
図23は、高さhの異なる突条が入射面に形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度が最大になるときの入射角(以下「ピークトップ角度」と称する)と、突条の間隔との関係を示すグラフである。同グラフにおいて、丸印、三角印および菱形印のプロットは、それぞれ突条の高さhが90nm、180nmおよび360nmである場合のピークトップ角度であり、破線は、前述の[数8]に基づいて算出したピークトップ角度の計算値である。また、上述のピークトップ角度と、突条の間隔の具体的な数値を表1に示す。
【表1】
JP2019120946A_000014t.gif
【実施例】
【0074】
図23および表1から、突条の高さが異なっても、ピークトップ角度と突条の間隔との関係は、[数8]とほぼ同様であることがわかる。よって、突条が入射面に形成されたガラス平板では、突条の高さにかかわらず、入射光を[数8]に基づいて算出したピークトップ角度だけ入射面に対して傾斜させることにより、蛍光強度をほぼ最大限に増大できることを確認できた。また、間隔d=250nm~700nmである場合、入射角を0°~33°とすることが好ましく、間隔d=900nm~2000nmである場合、入射角を33°~54°とすることが好ましいことが分かった。
【実施例】
【0075】
図24は、間隔d=250nm、300nm、400nm、500nm、900nmおよび2000nmの突条が反対面に形成された各ガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度と、入射角との関係を示すグラフである。同グラフから、実施例1における検証結果(図17)と同様に、入射光を入射面に対して所定の範囲で傾斜させることで、蛍光強度を増大させることができることを確認できた。
【実施例】
【0076】
図25は、高さhの異なる突条が反対面に形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を入射させた場合の、透過方向への回折光の強度が最大になるときの入射角(以下「ピークトップ角度」と称する)と、突条の間隔との関係を示すグラフである。このとき、シミュレーション及び計算は、光源がガラス平板内にある状態で計算を行った。同グラフにおいて、丸印、三角印および菱形印のプロットは、それぞれ突条の高さhが90nm、180nmおよび360nmである場合のピークトップ角度であり、破線は、前述の式[数10]に基づいて算出したピークトップ角度の計算値である。また、上述のピークトップ角度と、突条の間隔の具体的な数値を表2に示す。空欄は明確なピークトップが無いことを意味する。
【表2】
JP2019120946A_000015t.gif
【実施例】
【0077】
図25および表2から、突条の高さが異なっても、ピークトップ角度と突条の間隔との関係は、[数10]とほぼ同様であることがわかる。よって、突条が反対面に形成されたガラス平板では、突条の高さにかかわらず、ガラス蛍光体からの出射光の角度を[数10]に基づいて算出したピークトップ角度だけ出射面に対して傾斜させることにより、蛍光強度をほぼ最大限に増大できることを確認できた。また、間隔d=250nm~2000nmである場合、入射角を0°~32°とすることが好ましいことが分かった。また、この値は入射光がガラス表面で屈折した後の角度であり、周囲の媒体からガラス試料への入射角は平行なガラス蛍光体であれば[数8]に一致するため、表1の角度とほぼ一致する。
【実施例】
【0078】
(電場分布シミュレーション)
図26は、ガラス蛍光体1の反対面1bにおける光の電場分布シミュレーション結果を示す図である。ガラス蛍光体1の反対面1bには、回折角が最大となる390nmの間隔で突条2aが形成されており、光の波長は405nmである。図26から、光のエネルギーは突条2aの表面に集中し、外部にあまり放出されていないことが分かる。つまり、突条2aが形成されていることで、光の大半が反対面において反射し、空間にあまり抜けていない。
【実施例】
【0079】
[実施例3]
(シミュレーション条件)
実施例3では、複数の突条を有する回折構造が入射面および反対面のいずれかに形成されたガラス平板に、所定の波長の光を入射させたときの光の挙動をシミュレーションによって解析した。これにより、突条の間隔と回折効率(蛍光強度)との関係が、突条の高さおよびガラス蛍光体の屈折率によって、どのように変化するのかを検証した。本実施例では、上述の実施例2と同様、DiffractMod(RSoft製)のソフトウェアによる厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)を用いて解析した。
【実施例】
【0080】
(ガラス蛍光体の屈折率と回折効率との関係)
図27は、入射面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長450nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、入射光への回折効率と突条の間隔dとの関係を示すグラフである。回折構造の突条の高さは180nmであり、突条の断面形状は幅がd/2の正弦波状である。同グラフから、ガラス平板の屈折率n=1.9のとき、回折効率が最大となる間隔dは440nmであり、ガラス平板の屈折率n=1.7のとき、回折効率が最大となる間隔dは430nmであり、ガラス平板の屈折率n=1.5のとき、回折効率が最大となる間隔dは420nmであった。入射光への回折効率が大きいほど、光がガラス平板内部を通過せずに戻るため、実質的な光路長が増加する。通常のガラスの屈折率は1.5~2.0程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔dを405nm~450nmとすればよいことが確認できた。
【実施例】
【0081】
図28は、反対面のみに回折構造が形成された屈折率の異なるガラス平板に、波長450nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、出射光への回折効率と突条の間隔dとの関係を示すグラフである。回折構造の突条の高さは180nmである。同グラフから、ガラス平板の屈折率n=1.9のとき、回折効率が最大となる間隔dは450nmであり、ガラス平板の屈折率n=1.7のとき、回折効率が最大となる間隔dは440nmであり、ガラス平板の屈折率n=1.5のとき、回折効率が最大となる間隔dは440nmであった。出射光への回折効率が大きいほど、光がガラス平板内部を通過せずに戻るため、実質的な光路長が増加する。通常のガラスの屈折率は1.5~2.0程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔dを405nm~450nmとすればよいことが確認できた。
【実施例】
【0082】
図27および図28に示す結果から、実用上は、入射光の波長がλである場合、突条の間隔dは0.90×λ≦d≦λとすることが好ましいことが分かった。また、屈折率が高いほど、入射光への回折効率は高くなる一方、出射光への回折効率は低くなることが分かった。
【実施例】
【0083】
(突条の高さと回折効率との関係)
図29は、入射面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔dとの関係を示すグラフである。ガラス平板の屈折率は1.62であり、回折構造の突条の高さhは90nm、180nmおよび360nmの3段階で変化させた。同グラフから、高さh=90nmのとき、回折効率が最大となる間隔dは400nmであり、高さh=180nmのとき、回折効率が最大となる間隔dは390nmであり、高さh=360nmのとき、回折効率が極大となる間隔dは490nmであった。通常のガラスの屈折率は1.5~2.0程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔dを365nm~405nmとすればよいことが確認できた。
【実施例】
【0084】
図30は、反対面のみに回折構造が形成されたガラス平板に、波長405nmのs偏光を垂直に入射させた場合の、回折効率と突条の間隔dとの関係を示すグラフである。ガラス平板の屈折率は1.62であり、回折構造の突条の高さhは90nm、180nmおよび360nmの3段階で変化させた。同グラフから、高さh=90nmのとき、回折効率が最大となる間隔dは400nmであり、高さh=180nmのとき、回折効率が最大となる間隔dは390nmであり、高さh=360nmのとき、回折効率が極大となる間隔dは370nmであった。通常のガラスの屈折率は1.5~2.0程度であるため、回折効率を大きくするためには、間隔dを365nm~405nmとすればよいことが確認できた。
【実施例】
【0085】
図29から、突条の高さを大きくするほど、全体的には回折効率が大きくなっているが、実際のナノインプリント成型加工では、突条の高さhを大きくすることは容易ではなく、間隔dよりも大きくすることは困難である。そのため、実用的には高さは90nm~360nm程度に設計される。そのため、図29および図30に示す結果から、実用上は、入射光の波長がλである場合、突条の間隔dは0.90×λ≦d≦λとすることが好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【0086】
1 ガラス蛍光体
1’ ガラス蛍光体
1” ガラス蛍光体
1''’ ガラス蛍光体
1a 入射面
1b 反対面
2 回折構造
2a 突条
3 光源
4 偏光板
5 検出器
6 積分半球
10 照明装置
10’ 照明装置
11 ガラス蛍光体
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
13
【図15】
14
【図16】
15
【図17】
16
【図18】
17
【図19】
18
【図20】
19
【図21】
20
【図22】
21
【図23】
22
【図24】
23
【図25】
24
【図26】
25
【図27】
26
【図28】
27
【図29】
28
【図30】
29
【図31】
30