JP2009231368A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光効率が可及的に高い発光装置を提供することを可能にする。
【解決手段】レーザー光を出射する出射面を有する半導体レーザー素子10と、表面に凹部20aを有し、半導体レーザー素子の出射面が凹部の底面に露出するように半導体レーザー素子を支持する支持台20と、半導体レーザー素子から出射されたレーザー光が入射される入射面40aと、光が出射する出射面40bとを有し、支持台の凹部に埋め込まれて半導体レーザー素子から出射されるレーザー光を導光する導光体40と、導光体中に分布され、レーザー光を吸収し、レーザー光の波長と異なる波長の前記光を放出する蛍光体42と、を備え、導光体の入射面は、レーザー光の進行方向とレーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内においてレーザー光の入射角がブリュースター角を含む所定の範囲になる曲面である。
【選択図】図1

Description

本発明は、光源に半導体レーザーを用いた発光装置に関する。
今日、半導体発光素子に発光ダイオードを用いた発光装置が提供され、発光装置全体で均一に光を出射させる工夫が施されている。例えば、発光ダイオード周辺に反射鏡を設けて光の方向と光の密度の空間分布とを調整する技術や、発光ダイオードからの光を導光する封止剤に蛍光体とともに含有させた光拡散剤による乱反射を用いる技術や、導光体の入射面、出射面の形状を変更することにより光密度の空間分布を調整する技術が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。また、蛍光体からの光を出射面側へ効率的に再抽出するために高い屈折率の封止剤を用いる技術が知られている(例えば特許文献3参照)。
特許第3991961号公報 特開2006−32370号公報 特開2007−27751号公報
しかしながら、上記の技術はいずれも光の反射、透過現象を原理としているので、発光装置からの出射に利用されない、それぞれ一定確率の透過光と反射光とを含む。このため、透過光と反射光がそれぞれ損失の原因となり、発光効率が高くなかった
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、発光効率が可及的に高い発光装置を提供することを目的としている。
本発明の第1の態様による発光装置は、レーザー光を出射する出射面を有する半導体レーザー素子と、表面に凹部を有し、前記半導体レーザー素子の前記出射面が前記凹部の底面に露出するように前記半導体レーザー素子を支持する支持台と、前記半導体レーザー素子から出射されたレーザー光が入射される入射面と、光が出射する出射面とを有し、前記支持台の前記凹部に埋め込まれて前記半導体レーザー素子から出射されるレーザー光を導光する導光体と、前記導光体中に分布され、前記レーザー光を吸収し、前記レーザー光の波長と異なる波長の前記光を放出する蛍光体と、を備え、前記導光体の前記入射面は、前記レーザー光の進行方向と前記レーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記レーザー光の入射角がブリュースター角を含む所定の範囲になる曲面であることを特徴とする。
また、本発明の第2の態様による発光装置は、レーザー光を出射する出射面をそれぞれが有する第1および第2の半導体レーザー素子と、表面に凹部を有し、前記第1および第2の半導体レーザー素子のそれぞれの前記出射面が前記凹部の底面に露出するように前記第1および第2の半導体レーザー素子を支持する支持台と、前記第1および第2の半導体レーザー素子から出射されたそれぞれのレーザー光が入射される入射面と、光が出射する出射面とを有し、前記支持台の前記凹部に埋め込まれて前記第1および第2の半導体レーザー素子からそれぞれ出射されるレーザー光を導光する導光体と、前記導光体中に分布され、前記レーザー光を吸収し、前記レーザー光の波長と異なる波長の前記光を放出する蛍光体と、
を備え、前記導光体の前記入射面は、前記レーザー光の進行方向と前記レーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記レーザー光の入射角がブリュースター角を含む所定の範囲になる曲面であることを特徴とする。
また、本発明の第3の態様による発光装置は、レーザー光を出射する、対向する一対の第1および第2の出射面を有する半導体レーザー素子と、対向する第1および第2の表面に第1および第2の凹部をそれぞれ有し、前記半導体レーザー素子の前記第1の出射面が前記第1の凹部の底面に露出するとともに前記半導体レーザー素子の前記第2の出射面が前記第2の凹部の底面に露出するように前記半導体レーザー素子を支持する支持台と、前記半導体レーザー素子の前記第1の出射面から出射された第1のレーザー光が入射される第1の入射面と、第1の光が出射する第1の出射面とを有し、前記支持台の前記第1の凹部に埋め込まれて前記第1のレーザー光を導光する第1の導光体と、前記半導体レーザー素子の前記第2の出射面から出射された第2のレーザー光が入射される第2の入射面と、第2の光が出射する第2の出射面とを有し、前記支持台の前記第2の凹部に埋め込まれて前記第2のレーザー光を導光する第2の導光体と、前記第1の導光体中に分布され、前記第1のレーザー光を吸収し、前記第1のレーザー光の波長と異なる波長の前記第1の光を放出する第1の蛍光体と、前記第2の導光体中に分布され、前記第2のレーザー光を吸収し、前記第2のレーザー光の波長と異なる波長の前記第2の光を放出する第2の蛍光体と、を備え、前記第1の導光体の前記第1の入射面は、前記第1のレーザー光の進行方向と前記第1のレーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記第1のレーザー光の入射角がブリュースター角を含む第1の所定の範囲となる曲面であり、前記第1の導光体の前記第1の入射面は、前記第1のレーザー光の進行方向と前記第1のレーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記第1のレーザー光の入射角がブリュースター角を含む第2の所定の範囲となる曲面であることを特徴とする。
本発明によれば、発光効率が可及的に高い発光装置を提供することができる。
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による発光装置を図1、図2に示す。図1は本実施形態の発光装置の水平方向の断面図であり、図2は垂直方向の断面図であって、図1および図2はそれぞれ直交する方向の断面図である。
本実施形態の発光装置は、光源となるレーザーダイオード10と、支持台20と、導光体40と、を備えている。支持台20は表面に凹部20aを有している。そして、レーザーダイオード10の発光面が凹部20aに露出するように、レーザーダイオード10は支持台20に固定される。また、レーザーダイオード10を通電するための電極24a、24bが支持台20内に設けられている。電極24a、24bの中の一方がレーザーダイオード10と直接に接続し、他方がボンディングワイヤー26を介して接続される。導光体40は支持台20の凹部20aに埋め込まれるように設けられ、レーザーダイオード10からの光が入射される入射面40aと、この入射面40aを介して入射された光が導光体40中を進行して外部に出射される出射面40bとを有している。支持台20の凹部20aと、導光体40の入射面40aとの間に空洞部30が設けられ、レーザーダイオード10からのレーザー光は、この空洞部30を通って導光体40の入射面40aに入射する。この空洞部30は、図1に示すように水平断面においては細長く、図2に示すように垂直断面においては幅広い形状を有している。また、導光体40中には蛍光体42が広範囲に分布するように設けられている。また、支持台20は、レーザーダイオード10からの発熱を逃すヒートシンクの役割と、レーザーダイオード10および導光体40とを固定し且つ保護する役割を持っている。
本実施形態の導光体40は、レーザー光を高効率に導光する機能を有するが、この機能はブリュースター(Brewster)の原理による。導光体40の入射面40aは、図3に示すように、レーザーダイオード10から出射されたレーザー光13の入射角がブリュースター角となるような曲面となっている。図3は導光体40の入射面40aの形状とレーザー光13の入射角との関係を示す概略図であり、レーザー光13の進行方向と、レーザー光13のスポットの短軸方向とがなす面における断面を示してある。図3において点線A、Bはそれぞれあるレーザー光の入射点における導光体40の入射面40aの接線と法線を示す。入射点における法線Bとレーザー光進行方向とがなす角をレーザー光13の入射角とする。導光体40の入射面はレーザー光13の入射するいたるところで、その入射角がブリュースター角θになるような滑らかな曲面である。ここでブリュースター角とは、異なった屈折率を有する二つの媒質の界面に一定の角度を有する入射光が入射した場合に、P波の強度反射率が0になるときの媒質界面の法線と光の入射方向とがなす角度のことをいう。ブリュースター角は以下の式で記述される。
θ=arctan(n/n
ここで、nは入射側にある媒質の屈折率、nは出射側にある媒質の屈折率である。例えば、屈折率1の空気と、屈折率1.47の透明部材との界面を考え、この界面に空気側から入射した場合、ブリュースター角θは55.77°となる。この角度におけるs偏光とp偏光の反射率は、入射角をθ、屈折角をθとすると、フレネルの公式、
Rs=[sin(θ−θ)/sin(θ+θ)]
Rp=[tan(θ−θ)/tan(θ+θ)]
からそれぞれ13.49、0.00%となる。すなわち、p偏光の透過率が100%となる。
今、レーザー光が90%の線偏光性を持ち、屈折率1.47の部材にp偏光として入射すると場合を仮定すると、全光束の10%のS偏光成分のうち13.49%が反射するので、この場合は全光束の反射率はおおよそ0.01349(=0.1×0.1349)、つまり1.349%となる。したがって、全光束の98.65%が透過することになるが、仮に入射角がブリュースター角θに対し−10°ずれた場合では、上記条件においてs偏光とp偏光の反射率はそれぞれ8.75、0.64%となる。すなわち、全光束の10%のS偏光成分のうちの8.75%が、全光束の90%のP偏光のうち0.64%がそれぞれ反射するので、上記計算と同様にして反射率は0.01451(=0.9×0.0064+0.1×0.0875)、つまり1.451%となる。したがって、このとき全光束の透過率は98.55%となる。一方、入射角がブリュースター角θに対し+5°ずれた場合では、s偏光とp偏光の反射率はそれぞれ17.27、0.326%となり、このとき全光束の透過率は97.98%となる。
このように、線偏光性90%の光線は入射面への入射角がθ+5°〜θ−10°の範囲において透過率がおよそ98%に保たれることになる。レーザーダイオード10は通常の発光ダイオードに比べ線偏光性に優れており、偏光方向は通常、活性層面と平行である。レーザーダイオードを光源に用いることで屈折率の異なる媒質の界面を渡って光の高効率な導光が可能となる。これを本明細書では導光体40の高効率導光機能と呼ぶ。上記ブリュースターθは導光体の屈折率に依る設計パラメータである。
導光体40は他に、光スポット形状変換機能を持つ。図3に示されてように、ブリュースター角θで入射されたレーザー光は角度2θ−π/2だけ屈折される。従って、例えば図3に示す導光体40のように入射面の法線方向をレーザー光13のスポット形状の短軸中心側に向けることで、レーザー光13の出射各を広げることができる。これを本明細書では導光体の光スポット形状変換機能と呼ぶ。
導光体40は更に、レーザー光の導光体40からの漏れを低減させる効果を有する。導光体40はレーザー光を吸収し、レーザー光とは異なる波長の光を発する蛍光体42を含んでいる。例えば、蛍光体42を導光体40の出射面40bと平行に分布させ、出射面40bと垂直な方向への分布幅を100μm程度とすればレーザー光をほぼ100%、蛍光体42に吸収させることができる。したがって、レーザー光の出射面40bへの出射を低減できる。蛍光体42のこの分布幅は蛍光体のその分布、種類及び混合比に依る設計パラメータである。
次に、レーザーダイオード10について図4および図5を参照して説明する。図4はレーザーダイオードの断面図であり、図5は斜視図である。レーザーダイオード10は、基板上に成長され、活性層の両側にn型、p型それぞれのガイド層、クラッド層を有するダブルヘテロ構造を有し、波長300nm〜500nmの発光が可能としている。例えば、図4に示すように、基板100上に、n型バッファ層102、n型クラッド層104、n型ガイド層106、活性層108、p型ガイド層110、p型クラッド層112、p型コンタクト層114、およびp電極116がこの順序で形成されている。また、基板100のn型バッファ層102とは反対側の面にn型コンタクト層118を挟むようにn電極120が形成されている。なお、p型クラッド層112およびp型コンタクト層114は、電流を狭窄するために、p型ガイド層110に比べて膜面の面積が狭くなるように形成されている。また、p型ガイド層110の露出した上面と、p型クラッド層112およびp型コンタクト層114の側面は絶縁体層122によって覆われている。
図5に一般的なストライプ型レーザーダイオードの層構造の概略を示す。レーザー光はレーザーダイオード10の形成された電流狭窄ストライプ方向と垂直な両側もしくは片側の出射端面から放出され、レーザー光のスポット形状は光軸に垂直な面上において楕円形である(図5)。
n電極120、p電極116のいずれか一方が支持台20に設けられた電極24a上に載置される(図1)。レーザーダイオード10の露出した他方の電極はボンディングワイヤー26を用いて電極24bと接続する。導光体40の入射面40aは、レーザー光13とスポット形状の短軸方向とがなす面内においてレーザー光の入射角がθ±数度以内になるような曲面である。
導光体40はレーザーダイオード10から発せられたレーザー光に対し透明な部材により形成され得る。導光体40の入射面40aとレーザーダイオード10との間の領域(空洞部30)は気体、例えば大気で満たされ得る。この場合、大気の屈折率は1程度である。また、空洞部30は真空であってもよい。
導光体40に広く分布するように配置される蛍光体42の厚さは好ましくは導光体40の内部を透過するレーザー光の進行方向に対し100μm程度である。なお、導光体40の屈折率は上記蛍光体42の屈折率に近い値が良いが、好ましくは1.8程度である。
また、支持台20の凹部20aには上記蛍光体4から発せられた光に対する反射層21を形成してもよい(図2参照)。
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザーダイオードから入射された光をほぼ100%利用することができ、より均一でしかもレーザー光漏れの少ない安全な発光装置を提供することができる。したがって、本実施形態の発光装置を照明装置に用いれば、高効率で均一性の高い光束を得ることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による発光装置を図6に示す。本実施形態の発光装置は、図1に示す第1実施形態の発光装置において、蛍光体42を導光体40の出射面40bに沿って分布させた構成を有している。導光体40の出射面40bの形状により蛍光体42が受けるレーザー光の分布を変えることができる。例えば蛍光体が受けるレーザー光の面密度を導光体の出射面の形状を変えることによって調節することが可能となる。
(変形例)
なお、図7に示すように、導光体40に含まれる蛍光体は、2もしくはそれ以上の層状の蛍光体42a、42bとしてもよい。複数の蛍光体を層状にすることで、複数の蛍光体を混合した場合に比べ、異種蛍光体間の光の再吸収を減らすことが可能となり、合成光の色度図上での設計がし易くなる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による発光装置を図8に示す。本実施形態の発光装置は、図1に示す第1実施形態の発光装置において、導光体40を、蛍光体42を含まない導光体40と、蛍光体42を含む導光体40に分割した構成を有している。このような構成とすることにより、導光体は、蛍光体42を含む導光体40を、含まない導光体40とは別に形成することが可能となり、蛍光体42を含む導光体40と含まない導光体40の作製が容易になる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による発光装置を図9に示す。本実施形態の発光装置は、レーザーダイオード10と、支持台20と、導光体40,40と、を備えている。レーザーダイオード10は、対向する一対の出射面を有している。支持台20には、対向する1対の表面に凹部20a,20aがそれぞれ設けられている。そして、レーザーダイオード10の一対の出射面が凹部20a,20aに露出するように、レーザーダイオード10は支持台20に固定される。また、レーザーダイオード10を通電するための電極24a、24bが支持台20内に設けられている。電極24a、24bの中の一方がレーザーダイオード10と直接に接続し、他方がボンディングワイヤー26を介して接続される。
導光体40,40は支持台20の凹部20a,20aにそれぞれ埋め込まれるように設けられる。導光体40は、レーザーダイオード10からの光が入射される入射面40aと、この入射面40aを介して入射された光が導光体40中を進行して外部に出射される出射面40bとを有している。また、導光体40は、レーザーダイオード10からの光が入射される入射面40aと、この入射面40aを介して入射された光が導光体40中を進行して外部に出射される出射面40bとを有している。支持台20の凹部20aと、導光体40の入射面40aとの間に空洞部30が設けられ、レーザーダイオード10からのレーザー光は、この空洞部30を通って導光体40の入射面40aに入射する。また、支持台20の凹部20aと、導光体40の入射面40aとの間に空洞部30が設けられ、レーザーダイオード10からのレーザー光は、この空洞部30を通って導光体40の入射面40aに入射する。これらの空洞部30,30は、それぞれ図9に示すように水平断面においては細長く、第1実施形態の場合と同様に、垂直断面においては幅広い形状を有している。また、導光体40,40中には蛍光体42,42がそれぞれ広範囲に分布するように設けられている。また、支持台20は、レーザーダイオード10からの発熱を逃すヒートシンクの役割と、レーザーダイオード10および導光体40,40を固定し且つ保護する役割とを持っている。
本実施形態の導光体40,40は、それぞれの入射面40a,40aはレーザーダイオード10から出射されたレーザー光13の入射角がブリュースター角となるような曲面となっている。
このように構成された本実施形態の発光装置によれば、レーザーダイオード10は両出射面から発光させることで一つの出射端面あたりの光出力を下げることができる。
なお、本実施形態においては、第1乃至第3実施形態と同様に、支持台20の凹部20aの表面に光反射膜を設けてもよい。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による発光装置を図10に示す。本実施形態の発光装置は、図1に示す第1実施形態の発光装置において、レーザーダイオードを2個設けた構成となっている。これらの2個のレーザーダイオード10,10は、それぞれの出射面が凹部20aに露出するように支持台20に固定される。レーザーダイオード10,10は、電極24a、24bの一方と電気的に接続され、他方とはボンディングワイヤー26,26を介して電気的に接続される。また、導光体40の入射面40aはレーザーダイオード10,10から出射されたレーザー光の入射角がブリュースター角となるような曲面となっている。しかし、本実施形態においては、導光体40の入射面40aは、レーザーダイオード10,10から出射されるそれぞれのレーザー光に対して水平面内で非対称となる形状を有している。このような構成とすることにより、光密度の高い光軸付近のレーザー光も効率的に導光体40内へ入射させることができる。レーザーダイオード10,10の各々の光軸間の角度は好ましくはθの2倍程度であり、この条件において導光体に入射された各々のレーザー光の中心軸は平行になる。
なお、上記実施形態における導光体は、シリコン系樹脂、ポリマー、ポリイミド、セラミック、ガラスのうち一つもしくはその混合物からなることが好ましい。
また、上記実施形態における蛍光体は、イットリウムアルミニウムガーネット材料、テルビウムアルミニウムガーネット材料、セレン化亜鉛サルファイド、窒素化ケイ素アルミニウムのいずれかを含むことが好ましい。
本発明の第1実施形態による発光装置の水平断面図。 第1実施形態による発光装置の垂直断面図。 ブリュースターの原理を説明する図。 レーザーダイオードの一具体例の構成を示す断面図。 一具体例のレーザーダイオードの斜視図。 第2実施形態による発光装置の水平断面図。 第2実施形態の変形例による発光装置の水平断面図。 第3実施形態による発光装置の水平断面図。 第4実施形態による発光装置の水平断面図。 第5実施形態による発光装置の水平断面図。
符号の説明
10 レーザーダイオード
13 レーザー光
20 支持台
20a 凹部
24a 電極
24b 電極
26 ボンディングワイヤー
30 空洞部
40 導光体
40a 入射面
40b 出射面
42 蛍光体

Claims (10)

  1. レーザー光を出射する出射面を有する半導体レーザー素子と、
    表面に凹部を有し、前記半導体レーザー素子の前記出射面が前記凹部の底面に露出するように前記半導体レーザー素子を支持する支持台と、
    前記半導体レーザー素子から出射されたレーザー光が入射される入射面と、光が出射する出射面とを有し、前記支持台の前記凹部に埋め込まれて前記半導体レーザー素子から出射されるレーザー光を導光する導光体と、
    前記導光体中に分布され、前記レーザー光を吸収し、前記レーザー光の波長と異なる波長の前記光を放出する蛍光体と、
    を備え、
    前記導光体の前記入射面は、前記レーザー光の進行方向と前記レーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記レーザー光の入射角がブリュースター角を含む所定の範囲になる曲面であることを特徴とする発光装置。
  2. レーザー光を出射する出射面をそれぞれが有する第1および第2の半導体レーザー素子と、
    表面に凹部を有し、前記第1および第2の半導体レーザー素子のそれぞれの前記出射面が前記凹部の底面に露出するように前記第1および第2の半導体レーザー素子を支持する支持台と、
    前記第1および第2の半導体レーザー素子から出射されたそれぞれのレーザー光が入射される入射面と、光が出射する出射面とを有し、前記支持台の前記凹部に埋め込まれて前記第1および第2の半導体レーザー素子からそれぞれ出射されるレーザー光を導光する導光体と、
    前記導光体中に分布され、前記レーザー光を吸収し、前記レーザー光の波長と異なる波長の前記光を放出する蛍光体と、
    を備え、
    前記導光体の前記入射面は、前記レーザー光の進行方向と前記レーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記レーザー光の入射角がブリュースター角を含む所定の範囲になる曲面であることを特徴とする発光装置。
  3. レーザー光を出射する、対向する一対の第1および第2の出射面を有する半導体レーザー素子と、
    対向する第1および第2の表面に第1および第2の凹部をそれぞれ有し、前記半導体レーザー素子の前記第1の出射面が前記第1の凹部の底面に露出するとともに前記半導体レーザー素子の前記第2の出射面が前記第2の凹部の底面に露出するように前記半導体レーザー素子を支持する支持台と、
    前記半導体レーザー素子の前記第1の出射面から出射された第1のレーザー光が入射される第1の入射面と、第1の光が出射する第1の出射面とを有し、前記支持台の前記第1の凹部に埋め込まれて前記第1のレーザー光を導光する第1の導光体と、
    前記半導体レーザー素子の前記第2の出射面から出射された第2のレーザー光が入射される第2の入射面と、第2の光が出射する第2の出射面とを有し、前記支持台の前記第2の凹部に埋め込まれて前記第2のレーザー光を導光する第2の導光体と、
    前記第1の導光体中に分布され、前記第1のレーザー光を吸収し、前記第1のレーザー光の波長と異なる波長の前記第1の光を放出する第1の蛍光体と、
    前記第2の導光体中に分布され、前記第2のレーザー光を吸収し、前記第2のレーザー光の波長と異なる波長の前記第2の光を放出する第2の蛍光体と、
    を備え、
    前記第1の導光体の前記第1の入射面は、前記第1のレーザー光の進行方向と前記第1のレーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記第1のレーザー光の入射角がブリュースター角を含む第1の所定の範囲となる曲面であり、
    前記第1の導光体の前記第1の入射面は、前記第1のレーザー光の進行方向と前記第1のレーザー光の発光スポットの短軸とがなす面内において前記第1のレーザー光の入射角がブリュースター角を含む第2の所定の範囲となる曲面であることを特徴とする発光装置。
  4. 前記半導体レーザーダイオードの発光波長は300nm〜500nmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の発光装置。
  5. 前記導光体は、シリコン系樹脂、ポリマー、ポリイミド、セラミック、ガラスのうち一つもしくはその混合物からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載発光装置。
  6. 前記導光体は、第1の導光体部材と、前記第1の導光部材と異なる材質の第2の導光部材との積層構造を有していることを特徴とする請求項1乃至第4のいずれかに記載の発光装置。
  7. 前記蛍光体は、イットリウムアルミニウムガーネット材料、テルビウムアルミニウムガーネット材料、セレン化亜鉛サルファイド、窒素化ケイ素アルミニウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の発光装置。
  8. 前記支持台の前記凹部の表面に光反射膜を設けたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の発光装置。
  9. 前記蛍光体は、前記出射面に沿って分布していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の発光装置。
  10. 前記所定の範囲は、ブリュースター角をθとするとき、θ−10°〜θ+5°であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の発光装置。
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