波长变换装置及照明装置的制作方法

本发明涉及波长变换装置及照明装置。

背景技术：

有使用激光器等的固体光源的照明。在这样的照明中，通过将固体光源发出的蓝色光照射在荧光体上而形成白色光。荧光体由于使被蓝色光的一部分激励出的黄色光和透射的蓝色光的另一部分散射，所以能够形成将它们混色而成的白色光。

另一方面，激光器等的固体光源指向性强且能量密度较高。因此，当固体光源发出的蓝色光被直接照射在荧光体上时，荧光体在被照射的区域中产生较多的热而成为高温。由于荧光体具有如果温度变高则波长变换效率下降的温度消光特性，所以需要抑制荧光体的温度上升。

所以，例如在专利文献1中，公开了一种在荧光体层上形成使来自固体光源的光扩散的扩散机构的照明装置。根据专利文献1，通过由扩散机构使来自固体光源的光的能量分布扩散，能够防止向荧光体层的能量集中(减轻热负荷)而抑制荧光体层的温度上升。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012－104267号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在上述的以往技术中，虽然能够减轻向荧光体层的热负荷，但是有来自固体光源的光的一部分通过扩散而发生散射损失的问题。即，在上述的以往技术中，有难以实现照明装置的高输出化的问题。

本发明是鉴于上述课题而做出的，目的是提供一种能够在减轻向荧光体层的热负荷的同时实现高输出化的波长变换装置及使用它的照明装置。

用来解决课题的手段

为了达到上述目的，有关本发明的一技术方案的波长变换装置具备：光源，发出从紫外光到可视光的波长区域中的规定的波长的光；荧光体层，对入射到入射面的来自上述光源的光进行波长变换；光学部件，配置在上述光源与上述荧光体层之间，将上述光源发出的光取向为环状，使其向上述荧光体层的上述入射面入射。

发明的效果

在有关本发明的一技术方案的波长变换装置中，能够在减轻向荧光体层的热负荷的同时实现高输出化。

附图说明

图1是表示使用实施方式的波长变换装置的照明装置的一例的图。

图2是表示实施方式的波长变换装置的结构的一例的图。

图3A是表示实施方式的光学部件的结构的俯视图的图。

图3B是表示图3A所示的衍射型透镜阵列的俯视图及剖面图的图。

图4是用来说明实施方式的波长变换装置的动作的图。

图5是示意地表示由图4所示的光学部件进行的光的取向的图。

图6是用来说明比较例的动作的图。

图7A是表示比较例的热解析结果的一例的图。

图7B是表示实施方式的热解析结果的一例的图。

图8是表示实施方式的光学部件的结构的另一例的剖面图的图。

图9是用来说明具有图8所示的光学部件的波长变换装置的动作的图。

图10是表示变形例的波长变换装置的结构的一例的图。

图11是变形例的微透镜阵列的剖面图。

图12是图11所示的微透镜阵列的俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。这里表示的实施方式均表示本发明的一具体例。因而，在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接形态、以及步骤(工序)及步骤的顺序等是一例，不是限定本发明的。关于以下的实施方式的构成要素中的、在独立权利要求中没有记载的构成要素，是可以任意地附加的构成要素。此外，各图是示意图，并不一定是严格地图示的。

(实施方式)

[照明装置]

以下，首先作为使用本实施方式的波长变换装置的应用制品而举照明装置为例进行说明。

图1是表示使用本实施方式的波长变换装置1的照明装置4的一例的图。

图1所示的照明装置4例如是内窥镜或光纤内窥镜等，具备波长变换装置1、光纤2和灯具3。

光纤2是将光向分离的部位传递的传送路。光纤2由将高折射率的芯用比芯折射率低的包层包裹的二重构造构成。芯及包层都由对于光透射率非常高的石英玻璃或塑料构成。

灯具3用于将经由光纤2传送来的来自波长变换装置1的光向观察对象物照射。灯具3例如由不锈钢制的纤维耦合器、不锈钢制的套管(ferrule)、玻璃制的透镜、铝制的支架及铝制的外轮廓构成。

波长变换装置1在照明装置4中相当于使用激光器的光源机构，将光向光纤2入射。以下，对波长变换装置1的详细情况进行说明。

[波长变换装置]

图2是表示本实施方式的波长变换装置1的结构的一例的图。

波长变换装置1如图2所示，具备光源11、光学部件12和荧光体层13。

(光源11)

光源11发出从紫外光到可视光的波长区域中的规定的波长的光。在本实施方式中，光源11是发出蓝色光的激光器。

(光学部件12)

图3A是表示本实施方式的光学部件12的结构的俯视图的图。图3B是表示图3A所示的衍射型透镜阵列122的俯视图及剖面图的图。

光学部件12被配置在光源11与荧光体层13之间，将光源11发出的光取向为环状，使其向荧光体层13的入射面入射。光学部件12将光源11发出的光取向为以光源11的光轴为中心的、光源11发出的光的直径以下的直径的环状，使其向荧光体层13的入射面入射。光学部件12例如是衍射型的微透镜阵列的一例，例如如图2及图3A所示，具备基材121和衍射型透镜阵列122。

基材121是衍射型的微透镜阵列的基材。具体而言，在基材121上形成有衍射型透镜阵列122。

另外，作为形成基材121的材料，例如可以使用玻璃、塑料等任意的材料。这里，作为玻璃，例如可以使用钠玻璃、无碱玻璃等。此外，作为塑料，例如可以使用丙烯树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。此外，基材121的材料需要考虑耐热性来选择。进而，基材121优选的是没有光的吸收而是透明的，优选的是由消光系数大约为0的材料形成。

衍射型透镜阵列122将光源11发出的光取向为环状，使其向荧光体层13的入射面入射。衍射型透镜阵列122被设置在光学部件12(衍射型的微透镜阵列)的射出面上，例如如图3A及图3B的(a)所示，具有使光源11发出的光衍射的多个衍射透镜和使光源11发出的光直线行进的直线行进部122c。

在本实施方式中，对衍射型透镜阵列122具有1个直线行进部122c的情况进行说明。另外，衍射型透镜阵列122的中心在图3B的(b)所示的例子中用X轴与Y轴的交点表示，在图3B的(a)所示的例子中用Z轴表示。此外，在图3B的(a)所示的例子中，从衍射型透镜阵列122的中心朝向周边的方向用沿着X轴从Z轴离开的方向表示，但沿着Y轴从Z轴离开的方向也是同样的，所以省略图示。此外，在图3A及图3B中，假设光源11的光的斑径是3mm，基材121的厚度例如是1mm，衍射型透镜阵列122的直径例如是4mm而表示。

直线行进部122c如图3A所示，相当于将光学部件12俯视时的没有设置多个衍射透镜的圆环区域，被设置为与光学部件12的射出面大致平行的平坦面。更具体地讲，直线行进部122c如图3B的(a)所示，被设置在衍射型透镜阵列122的表面中的没有设置多个衍射透镜的区域中，以使其成为与基材121的上表面(光学部件12的射出面)大致平行的平坦面。直线行进部122c使从Z轴的－侧入射的光源11发出的光原样(不发生衍射等)直线行进。另外，在图3B的(a)所示的例子中，由于光源11的光的斑径是3mm，所以直线行进部122c被设置在以衍射型透镜阵列122的中心(Z轴)为原点的半径0.9mm的圆～半径1.1mm的圆之间的区域中。

多个衍射透镜如图3A所示，当将光学部件12俯视时，在光学部件12的射出面中以同心圆状设置。多个衍射透镜如图3B的(a)所示，与该射出面垂直的面中的多个衍射透镜的截面是锯齿状。这里，多个衍射透镜的间距按照每个规定的区域而不同。

更具体地讲，多个衍射透镜如图3B的(a)所示，在衍射型透镜阵列122的表面部分中的没有设置直线行进部122c的区域中以按照每个规定的区域而不同的间距以同心圆状设置。多个衍射透镜由于与射出面垂直的面中的多个衍射透镜的截面是锯齿状，所以衍射型透镜阵列122相当于所谓的闪耀衍射栅格。由此，衍射型透镜阵列122能够提高一次衍射效率，能够减少光源11的光的损失(光学损失)。

此外，多个衍射透镜的间距设置为，在俯视时从光学部件12的中心朝向直线行进部122c变宽，并且从直线行进部122c朝向外侧变窄。更详细地讲，如图3B的(a)所示，多个衍射透镜的间距设置为，在同一区域内为相同，而在区域1～区域5中的每一个区域及区域6～区域10的每一个区域中不同。进而，多个衍射透镜的间距如区域2比区域1大、区域3比区域2大那样，以距直线行进部122c越近则越大的方式设置。在图3B所示的例子中，区域1是以Z轴为原点的半径0mm的圆～半径0.1mm的圆之间的区域，区域2是以Z轴为原点的半径0.1mm的圆～半径0.3mm的圆之间的区域。区域3是以Z轴为原点的半径0.3mm的圆～半径0.5mm的圆之间的区域，区域4是以Z轴为原点的半径0.5mm的圆～半径0.7mm的圆之间的区域。区域5是以Z轴为原点的半径0.7mm的圆～0.9mm的圆之间的区域，区域6是以Z轴为原点的半径1.1mm的圆～半径1.3mm的圆之间的区域。区域7是以Z轴为原点的半径1.3mm的圆～1.5mm的圆之间的区域，区域8是以Z轴为原点的半径1.5mm的圆～半径1.7mm的圆之间的区域。区域9是以Z轴为原点的半径1.7mm的圆～1.9mm的圆之间的区域，区域8是以Z轴为原点的半径1.9mm的圆～半径2mm的圆之间的区域。即，区域2～区域9分别被设置为2mm宽的圆环区域。

此外，在图3B所示的例子中，多个衍射透镜的栅格高度是0.9μm。并且，区域1及区域10的栅格间距是2.3μm，区域2及区域9的栅格间距是2.9μm。区域3及区域8的栅格间距是3.8μm，区域4及区域7的栅格间距是5.6μm。此外，区域5及区域6的栅格间距是11.3μm，区域4及区域7的栅格间距是5.6μm。这样，多个衍射透镜的间距在俯视中从光学部件12的中心朝向直线行进部122c变宽，并且从直线行进部122c朝向外侧变窄。

这样设置的多个衍射透镜能够将从Z轴的－侧入射的光源11发出的光以朝向在直线行进部122c中直线行进的光的方式衍射。

如以上那样构成的衍射型透镜阵列122能够将光源11发出的光取向为环状而使其向荧光体层13的入射面入射，所以能够防止荧光体层13的入射面中的能量集中。

另外，衍射型透镜阵列122的材料根据衍射型透镜阵列122的形成方法及耐热性、折射率来选择。作为衍射型透镜阵列122的形成方法，可以举出纳米刻印、印刷、光刻、EB刻印、粒子取向等。衍射型透镜阵列122的材料，在将衍射型透镜阵列122例如通过纳米刻印或印刷形成的情况下，只要作为UV硬化树脂而选择环氧树脂或丙烯树脂等、作为热塑性树脂而选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等就可以。此外，衍射型透镜阵列122的材料也可以考虑耐热性而选择玻璃或石英，通过光刻或EB刻印形成衍射型透镜阵列122。此外，衍射型透镜阵列122优选的是由与基材121相同程度的折射率的材料形成，以使得来自基材121的光容易入射。进而，衍射型透镜阵列122与基材121同样，优选的是没有光的吸收而是透明的，优选的是由消光系数大约为0的材料形成。

(荧光体层13)

荧光体层13由光源11发出的蓝色光而形成白色光，将形成的白色光向光纤2入射。

更具体地讲，荧光体层13具有将入射到图2所示的下表面(入射面)中的光的一部分进行波长变换的功能。在本实施方式中，荧光体层13被入射来自光源11的蓝色光，射出由所入射的蓝色光的一部分激励出的黄色光。此外，荧光体层13将入射的蓝色光的其他部分射出(透射)。由于在荧光体层13中，这些蓝色光及黄色光被混色而射出，所以荧光体层13射出白色光。

荧光体层13如图2所示那样例如形成为平板状。荧光体层13包含荧光体，将该荧光体用硅、环氧等的树脂覆盖而形成。另外，伴随着波长变换的损失变化为热。由于荧光体层13具有如果温度变高则波长变换效率下降的温度消光特性，所以荧光体层13的散热是非常重要的。这里虽然没有特别图示，但荧光体层13优选的是被由例如Al等的具有高热传导率的材料形成的散热板支承。此外，也可以通过在形成荧光体层13的树脂中混合热传导率较高的材料、例如ZnO等的无机氧化物来提高散热性。此外，也可以在荧光体层13的入射面上设置微小构造，以使得光容易入射到荧光体层13中、或容易从入射面散热。

[波长变换装置1的动作]

接着，对如以上那样构成的波长变换装置1的动作进行说明。

图4是用来说明本实施方式的波长变换装置1的动作的图。图5是示意地表示由图4所示的光学部件12带来的光的取向的图。图6是用来说明比较例的动作的图。

如图4所示，本实施方式的波长变换装置1通过具备配置在光源11与荧光体层13之间的光学部件12，能够将光源11发出的光11a取向为环状(在图中为环13b)，使其向荧光体层13的入射面入射。并且，荧光体层13能够形成白色光13e。

在图5中表示了本实施方式的波长变换装置1的图4所示的z轴平面的截面的示意图。即，如图5所示，在本实施方式的波长变换装置1中，光源11发出的光11a如示意地表示为光12b那样，在直线行进部122c中原样直线行进，另一方面，在多个衍射透镜中被衍射为朝向在直线行进部122c中直线行进的光。这样，本实施方式的波长变换装置1将来自光源11的光11a用光学部件12取向为环状，向荧光体层13入射。

这样，在本实施方式的波长变换装置1中，能够防止荧光体层13的入射面中的能量集中。

另一方面，在图6所示的比较例中，表示了不具备本实施方式的光学部件12的波长变换装置50。

在图6所示的比较例的波长变换装置50中，光源11发出的光11a没有被取向为环状，而原样朝向荧光体层13的入射面的区域52a射出，在区域52a中形成白色光52b。但是，由于光11a的能量集中在荧光体层13的区域52a中，所以不能抑制区域52a的温度上升。即，越是使用比较例的波长变换装置50，区域52a的温度越上升，波长变换效率越下降。因此，在比较例的波长变换装置50中，为了降低光11a的能量而需要缩减光源11的输出。

如以上这样，在本实施方式的波长变换装置1中，与将光11a直接向荧光体层13的入射面入射的比较例的情况不同，能够防止该入射面中的能量集中。由此，能够抑制荧光体层13的温度上升，所以能够将光源11发出的光没有损失地向荧光体层13全量射出。即，根据本实施方式的波长变换装置1，即使增大光源11发出的光的能量，也能够抑制荧光体层13的温度上升，所以能够实现高输出化。

[波长变换装置1的热解析结果]

图7A是表示比较例的荧光体层的热解析结果的一例的图。图7B是表示实施方式的荧光体层的热解析结果的一例的图。

如图7A所示，在比较例中，由于光11a的能量集中在荧光体层13的区域52a(在图中是的均匀区域)中，所以可知该区域的中心部分的温度成为最高的162.2℃。

另一方面，如图7B所示，在本实施方式中，由于光11a的能量被取向为环状，能量被分散，所以荧光体层13的区域13a的的环状部分的温度最高而成为151.2℃。此外，在图7B所示的热解析结果中，总发热量是5W，在的环状部分是4W，在的中心部分是1W的发热量。

因而可知，在本实施方式的荧光体层13中，与比较例的荧光体层13相比能够防止光11a的能量的集中。

[效果等]

如以上这样，根据本实施方式的波长变换装置1，在光源11与荧光体层13之间具备将从光源11入射的光通过衍射取向为环状而使其向荧光体层13的入射面入射的光学部件。由此，能够在减轻向荧光体层13的热负荷的同时实现高输出化。

更具体地讲，有关本发明的一技术方案的波长变换装置具备：发出从紫外光到可视光的波长区域中的规定的波长的光的光源11；将入射到入射面中的来自光源11的光进行波长变换的荧光体层13；和配置在光源11与荧光体层13之间、将光源11发出的光取向为环状而使其向荧光体层13的入射面入射的光学部件12。

由此，光源11发出的光被取向为环状而被向荧光体层13的入射面入射，所以能够防止荧光体层13的入射面中的能量集中。由此，即使增大光源11发出的光的能量，也能够抑制荧光体层13的温度上升，所以能够实现波长变换装置1的高输出化。

这里，例如被光学部件12取向为环状的光源11发出的光按照以光源11的光轴为中心的、光源11发出的光的直径以下的直径入射。

此外，例如光学部件12是衍射型的微透镜阵列。

由此，通过由该微透镜阵列将入射光衍射，能够减少光源11发出的光的光学损失而实现高输出化。

另外，衍射型透镜阵列122的结构并不限于如上述那样具有1个直线行进部122c的情况。在能够设置到光源11的光的斑径中包含的区域中的情况下，也可以具有2个直线行进部，也可以具有3个以上的直线行进部。以下，对衍射型透镜阵列具有2个直线行进部的情况进行说明。

图8是表示实施方式的光学部件22的结构的另一例的剖面图的图。图9是用来说明具有图8所示的光学部件22的波长变换装置1的动作的图。对于与图3B或图4同样的要素赋予相同的标号，详细的说明省略。

光学部件22被配置在光源11与荧光体层13之间，将光源11发出的光取向为环状，使其向荧光体层13的入射面入射。光学部件22将光源11发出的光取向为以光源11的光轴为中心的、光源11发出的光的直径以下的直径的2个环状(在图9中为环13b、13c)，使其向荧光体层13的入射面入射。这里，2个环(环13b、环13c)是同心。光学部件22是衍射型的微透镜阵列的一例，例如如图4所示，具备基材121和衍射型透镜阵列222。

衍射型透镜阵列222例如如图8所示，被设置在光学部件22(衍射型的微透镜阵列)的射出面上，具有使光源11发出的光衍射的多个衍射透镜、和使光源11发出的光直线行进的2个直线行进部(直线行进部222c、222d)。

另外，多个衍射透镜的间距设置为，在俯视时从光学部件22的中心朝向直线行进部222c变宽并且从直线行进部222c朝向直线行进部222c及直线行进部222d的中间位置变窄。此外，多个衍射透镜的间距设置为，从直线行进部222c及直线行进部222d的中间位置朝向直线行进部222d变宽，从直线行进部222d朝向外侧变窄。

多个衍射透镜通过这样设置，能够将从Z轴的－侧入射的光源11发出的光衍射为使其朝向在直线行进部122c或直线行进部122d中直线行进的光。

这样，如图9所示，光学部件22能够将光源11发出的光11a取向为环状(在图中为环13b、13c)而使其向荧光体层13的入射面入射。并且，荧光体层13能够形成白色光13e。

另外，在上述例子中，将光源11发出的光11a取向为2个环状而将其向荧光体层13的入射面入射，但并不限于此。也可以通过设置3个以上直线行进部，取向为3个以上的环状)而使其向荧光体层13的入射面入射。

(变形例1)

本发明的波长变换装置1的结构并不限于在上述实施方式中说明的结构。也可以在荧光体层13上还具备具有与上述衍射型透镜阵列122不同的衍射型透镜阵列的微透镜阵列。以下，将该情况下的例子作为变形例进行说明。

图10是表示本变形例的波长变换装置1A的结构的一例的图。图11是本变形例的微透镜阵列14的剖面图。图12是图10所示的微透镜阵列14的俯视图。对于与图2同样的要素赋予相同的标号，详细的说明省略。

微透镜阵列14具备基材141和衍射型透镜阵列142。

基材141是微透镜阵列14的基材，被形成为平板状。在本变形例中，基材141被形成在荧光体层13上。在基材141上形成衍射型透镜阵列142。

作为形成基材141的材料，由于与基材121是同样的，所以详细的说明省略，但基材141优选的是由与荧光体层13相同程度的折射率的材料形成，以使得来自荧光体层13的光不入射。这里，所谓相同程度的折射率，是指两者的折射率差是±0.2以下。此外，荧光体层13与基材141之间没有特别图示，但优选的是用具有与两者相同程度的折射率的粘接层粘接。作为粘接层的材料可以举出丙烯树脂或环氧树脂等。此外，基材141及粘接层优选的是没有光的吸收而是透明的，优选的是由消光系数大约为0的材料形成。

衍射型透镜阵列142将由荧光体层13波长变换后的光的一部分和透射了荧光体层13的光的另一部分从射出面射出。在衍射型透镜阵列142的射出面上，如图11所示，设置有用来将波长变换后的光的一部分和透射的光的另一部分衍射而射出的多个衍射透镜。多个衍射透镜例如如图12所示，在射出面中被设置为同心圆状。在本实施方式中，假设与射出面垂直的面中的衍射透镜的截面是锯齿状而进行说明，但并不限于此，也可以是矩形状、三角形状或半球状。

此外，多个衍射透镜设置为，使被荧光体层13波长变换为黄色光后的蓝色光的一部分和透射了荧光体层13的蓝色光衍射，向作为预先设定的区域的光纤2的开口部聚光。因此，多个衍射透镜的间距按照每规定的区域(区)而不同。此外，多个衍射透镜的间距从衍射型透镜阵列142的中心朝向周边变窄。

衍射型透镜阵列142的材料与衍射型透镜阵列122是同样的，所以详细的说明省略，但衍射型透镜阵列142优选的是由与基材141相同程度的折射率的材料形成，以使来自基材141的光容易入射。进而，衍射型透镜阵列142与基材141同样，优选的是没有光的吸收而是透明的，优选的是由消光系数大约为0的材料形成。

另外，也可以在荧光体层13上直接形成(一体地形成)微透镜阵列14，以使光容易从荧光体层13向衍射型透镜阵列142入射。在此情况下，既可以由构成荧光体层13的树脂形成微透镜阵列14，也可以由具有与荧光体层13相同程度的折射率的材料形成。

(其他实施方式等)

上述的实施方式不过是一例，当然能够进行各种变更、附加、省略等。

此外，通过将在上述实施方式中表示的构成要素及功能任意地组合而实现的形态也包含在本发明的范围中。除此以外，对上述实施方式实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的形态、或通过在不脱离本发明的主旨的范围内将各实施方式的构成要素及功能任意地组合而实现的形态也包含在本发明中。

例如，使用上述实施方式的波长变换装置1的照明装置也包含在本发明中。通过在照明装置中使用上述实施方式的波长变换装置1，能够比使用LED光源的照明装置更加小型化。

另外，衍射型透镜阵列122的大小只要比光源11的光的斑径大就可以，可以以不使光源11发出的光的光束变化为条件而取任意的值。

标号说明

11 光源

12 光学部件

13 荧光体层