JP2013120735A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源装置の小型化および高輝度化を図る。
【解決手段】光源装置１は、１つの半導体レーザ３に内蔵した３つ（複数）のＬＤチップ３４〜３６が発するレーザ光を１つの集光レンズ４によって集光することによって、それぞれ対応する蛍光体５２〜５４を個別に励起する。ＬＤチップ３４〜３６の発光点と蛍光体５２〜５４とが集光レンズ４を介して互いに光学的に共役関係をなすように、蛍光体５２〜５４は対応するレーザ光の集光位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源として備えた光源装置に関し、特に光源と波長が異なる光を高輝度で出射可能な光源装置に関するものである。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode）等の励起光源から生じた励起光を、蛍光体を含む発光部に照射することによって発生する蛍光を照明光として用いる光源装置の研究が盛んになってきている。例えば、特許文献１，２は、このような光源装置を開示している。

〔特許文献１の光源装置〕
図７（ａ）は、特許文献１に記載された光源装置の構成を示す水平断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の光源装置における他の光照射部の構成を示す平面図である。

特許文献１に開示された光源装置は、自動車のヘッドライトのような高輝度の蛍光発光を得ることを目的として、複数の励起光源（ＬＥＤまたはＬＤ）の出射光を１つの蛍光体に照射して蛍光体を励起する。

具体的には、図７（ａ）に示すように、光源装置１００において、１つの蛍光体１０１によって、光照射部１０２から照射される光に応じて、その光と異なる波長の光が発生する。この光は、リフレクタ１０３によって、前方に反射されて、さらに投影レンズ１０４を透過して前方の照射方向に照射される。光照射部１０２においては、複数のＬＥＤモジュール１０６からの光をそれぞれに対応して設けられた集光レンズ１０７によって、蛍光体１０１に集光させる。

図７（ｂ）に示すように、光照射部１０２は、光源としてＬＥＤモジュール１０６の代わりに、複数の半導体レーザモジュール１０８を用いてもよい。半導体レーザモジュール１０８を用いることにより、さらに高い輝度で蛍光体１０１を発光させることができる。

〔特許文献２の光源装置〕
図８（ａ）は、特許文献２に記載された光源装置の構成を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の光源装置におけるカラーホイールの構成を示す断面図である。

図８（ａ）に示す光源装置２００は、投射型表示装置（プロジェクタ）として構成されている。

この光源装置２００において、光源のＬＥＤ２０１からの紫外光は、カラーホイール２０２に入射する。図８（ｂ）に示すように、カラーホイール２０２は、モータ２０８により回転可能な透明基板２０９と、透明基板２０９の入射側で紫外光を透過して可視光を反射する可視光反射膜２１０と、射出側に塗布形成された蛍光体層２１１とから構成される。蛍光体層２１１は、円弧状に分割された３つの領域に、それぞれ赤、緑、青の蛍光体が塗布されている。

紫外光は、この蛍光体層２１１により、カラー表示に必要な赤、緑、青の可視光に波長変換される。この可視光は、リレーレンズ２０３、反射ミラー２０４を経た後、プリズム２０５を介して空間光変調器２０６で光変調され、投写レンズ２０７によりスクリーン上に拡大投射される。光源装置２００は、このようにカラーホイール２０２を蛍光発光させることにより、投影表示に必要な３原色を得ている。

特許４１２４４４５号公報（２００８年７月２３日発行） 特開２００４−３４１１０５号公報（２００４年１２月２日公開）

〔特許文献１の光源装置の問題点〕
特許文献１に開示された光源装置１００には、下記のような問題がある。

〈ＬＥＤ光源〉
図７（ａ）に示すように、光照射部１０２の励起光源としてＬＥＤモジュール１０６を用いた場合、ＬＥＤモジュール１０６内のＬＥＤチップ（半導体発光素子）の数を増すことによって、蛍光体１０１に照射する励起光の光量を大きくすることができる。あるいは、ＬＥＤチップの面積を広げることによっても、励起光の光量を大きくすることができる。これにより、ヘッドライトに必要な高輝度を得ることが可能となる。しかしながら、このために、ＬＥＤチップ数の増加やＬＥＤチップの大面積化が必要となるので、光源装置の大型化が避けられないという問題がある。

また、ＬＥＤチップからの出射光は指向性が低いため、蛍光体１０１を効率良く励起するには、集光レンズ１０７が、励起光源となるＬＥＤモジュール１０６と蛍光体１０１との間にそれぞれ必要となり、光源装置１００の大型化が避けられない。

〈半導体レーザ光源〉
図７（ｂ）に示すように、光照射部１０２の励起光源として半導体レーザモジュール１０８を用いた場合、より高い輝度を得ることができる。一般に、半導体レーザは、ＬＥＤよりも光出力が大きく、ＬＥＤよりも指向性が高いため、図７（ｂ）に示す光照射部１０２のように複数の半導体レーザモジュール１０８を用いることにより、ＬＥＤモジュール１０６を用いた図７（ａ）に示す光照射部１０２よりも光量が増大するので、高輝度化を図ることができる。

しかしながら、現状の蛍光体励起用の半導体レーザは、寿命確保の必要からＴＯ−ＣＡＮパッケージ内に封止して設ける必要がある。現状のＴＯ−ＣＡＮパッケージとしてはφ５．６ｍｍまたはφ３．３ｍｍが標準的なサイズとなっている。このため、図７（ｂ）に示す光照射部１０２を用いても、半導体レーザモジュール１０８そのものの小型化に限界があるので、図７（ａ）に示す光照射部１０２を用いた場合と同様、光源装置１００の大型化が避けられない。

また、一般に、半導体レーザは、ＬＥＤよりも指向性が高いとは言え、蛍光体を効率良く励起するには、ＬＥＤ励起と同様に集光レンズによってレーザ光を蛍光体に集光させることが必要となる。このため、図７（ｂ）に示す光照射部１０２においても、集光レンズ１０７を設ける必要があり、図７（ａ）に示す光照射部１０２を用いた場合と同様、光源装置１００の大型化が避けられない。

〔特許文献２の光源装置の問題点〕
一方、特許文献２に開示された光源装置２００には、下記のような問題がある。

この光源装置２００においても、蛍光発光の輝度を上げるためには励起光源となるＬＥＤモジュール２０１の光量を大きくする必要がある。しかしながら、光源装置２００は、励起光源としてＬＥＤモジュール２０１を用いているので、光源装置１００と同様と同様の理由により、大型化が避けられない。これは、前述のように、ＬＥＤモジュール２０１の代わりに半導体レーザモジュールを用いても同様である。

また、光源装置２００は、光源装置１００と異なる下記のような問題がある。
（１）カラーホイール２０２を回転駆動するには、モータ２０８をはじめとした回転機構が必要であることから、光源装置２００の小型化が難しい。
（２）カラーホイール２０２における励起光の照射位置に蛍光体層２１１を円弧状に形成する必要があり、コストダウンに支障がある。
（３）カラーホイール２０２の回転による機械的な騒音が避けられない。

〔小型化と輝度の向上との関係〕
従来の光源装置１００，２００は、輝度を向上させるには大型化が避けられず、小型化を図ろうとすると輝度を向上させることができない。このように、従来の光源装置１００，２００では、小型化と輝度の向上とがトレードオフの関係にあるので、これらを両立させることができなかった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化および高輝度化を実現することができる光源装置を提供することにある。

本発明に係る光源装置は、上記の課題を解決するために、互いに分離されて配置され、レーザ光によって励起されて互いに異なる波長の蛍光光を発生する複数の蛍光体と、前記蛍光体をそれぞれ個別に励起するレーザ光を発生するように、互いに独立して発光制御される半導体レーザチップを単一のパッケージに収容した半導体レーザと、各半導体レーザチップが発生するレーザ光を集束する集光レンズとを備え、前記半導体レーザおよび前記蛍光体が、前記半導体レーザチップの発光点と前記蛍光体とが前記集光レンズを介して共役関係をなすように配置されていることを特徴としている。

上記の構成では、半導体レーザにおいて、各半導体レーザチップで発生したレーザ光は、広がりながら放射されるが、集光レンズによって集束され、それぞれに対応する蛍光体に励起光として集光される。これにより、各蛍光体は蛍光光を放射する。

また、光源装置は、上記のように構成されることにより、次の（１），（２）のように大型化することなく高輝度な光源装置を実現することができる。

（１）ＬＥＤよりも光出力が大きい半導体レーザを励起光源とすることによって、輝度の向上を図ることができる。

（２）１つのレーザ光源が複数の蛍光体を励起するのではなく、１つのレーザ光源が１つの蛍光体のみを励起することによって、輝度の向上を図ることができる。

（３）蛍光体ごとに励起光強度を制御することができる。これにより、光源装置から放射される可視光の色味調整が容易になる。例えば、光源装置を照明用の光源として使用する場合、調色可能な照明装置として使用することができる。

前記光源装置は、前記蛍光体の近傍において前記蛍光体より前記半導体レーザに近い位置に配置され、レーザ光を透過する一方、前記蛍光体で発生した蛍光光を反射する第１光学フィルタを備えていることが好ましい。

上記の構成では、第１光学フィルタにより、レーザ光が効率良く蛍光体に照射される一方、蛍光体で発生した蛍光光のうち半導体レーザ側へ放射される蛍光光が反射されて光源装置の外部に放射される。したがって、蛍光発光に寄与する励起光が増加するとともに、蛍光光の損失が低減されるので、放射する蛍光光の輝度を向上させることができる。

前記光源装置において、前記蛍光体より前記半導体レーザから遠い位置に、外部に取り出される全ての光束が通過するように配置され、レーザ光を反射する一方、前記蛍光体で発生した蛍光光を透過する第２光学フィルタを備えていることが好ましい。

上記の構成では、第２光学フィルタにより、蛍光体を透過したレーザ光が外部へ放射されることを阻止できる。これは、眼のレーザ光に対する安全性を確保するアイセーフティの観点から好ましい。また、第２光学フィルタにより、蛍光体を透過したレーザ光が反射されるので、当該レーザ光を再度蛍光体に戻して励起に再利用することができる。これにより、蛍光体による可視光への変換効率が高まり、より高い輝度を得ることができる。

前記光源装置は、前記蛍光体より前記半導体レーザから遠い位置に、外部に取り出される全ての光束が通過するように配置され、レーザ光を反射する一方、前記蛍光体で発生した蛍光光を透過する第２光学フィルタを備えていることが好ましい。あるいは、前記光源装置は、前記半導体レーザ、前記集光レンズおよび前記蛍光体を収容するハウジングと、前記第２光学フィルタが設けられ、前記ハウジングにおける光の取り出し部を気密封止する透明部材とを備えていることが好ましい。

これにより、光取り出し部からの水分や不純物の浸入が回避されるので、水分や不純物に起因する蛍光体の劣化を防止することができる。

前記光源装置は、前記集光レンズにより集束されるレーザ光を前記蛍光体に向けて反射するとともに、前記蛍光体から放射される蛍光光を透過する光学素子を備えていることが好ましい。

これにより、集光レンズからのレーザ光を直接ではなく、光学素子によって反射される構成によっても、前述の光源装置と同様に、高輝度を維持しながら大型化およびコストアップを抑えることができる。

本発明に係る光源装置は、上記のように構成されることにより、光源装置の小型化および高輝度化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。 図１の光源装置における光学系の設計例を示す図である。 実施形態１における比較例に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態２に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図であり、（ｂ）は当該光源装置における蛍光部の構成を示す拡大断面図である。 実施形態３に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。 実施形態４に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。 （ａ）は従来の光源装置の構成を示す水平断面図であり、（ｂ）は（ａ）の光源装置における他の光照射部の構成を示す平面図である。 （ａ）は、従来の他の光源装置の構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の光源装置におけるカラーホイールの構成を示す断面図である。

［実施形態１］
本発明に係る実施形態１について、図１〜図３を参照して以下に説明する。

図１は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。

〔光源装置の構成〕
図１に示すように、光源装置１は、ハウジング２と、半導体レーザ３と、集光レンズ４と、蛍光部５とを備えている。

〈ハウジングの構成〉
ハウジング２は、半導体レーザ３、集光レンズ４および蛍光部５を保持する保持部材であり、本体部２１、半導体レーザ保持部２２、レンズ保持部２３および放射開口部２４によって構成されている。

本体部２１は、筒状に形成されている外装部である。この本体部２１は、外光の入射を遮断するとともに、蛍光部５（後述する透明部材５１）で反射される半導体レーザ３からの一部のレーザ光の外部への放射を遮断する。

半導体レーザ保持部２２は、半導体レーザ３を保持する部分であり、本体部２１の一方の端部に設けられている。この半導体レーザ保持部２２は、半導体レーザ３の配置スペースを確保するための開口２２ａを有している。

レンズ保持部２３は、集光レンズ４を保持する部分であり、本体部２１の中間位置に設けられている。

放射開口部２４は、蛍光部５を保持する部分であり、外部に可視光を放射する蛍光部５へ励起光を入射させるための開口２４ａを有している。この放射開口部２４は、本体部２１の他方の端部に設けられている。

〈半導体レーザの構成〉
半導体レーザ３は、ステム３１、キャップ３２、ガラス窓３３、ＬＤ（Laser Diode）チップ３４〜３６、複数のリードピン３７およびヒートシンク３８を有している。この半導体レーザ３は、ＴＯ−ＣＡＮタイプのパッケージ構造によって形成されている。

ステム３１は、基台となる部分であり、一方の端面に、キャップ３２およびヒートシンク３８が固定されている。ステム３１の直径は、一般の半導体レーザのサイズであるφ５．６ｍｍまたはφ３．３ｍｍである。また、ステム３１は、リードピン３７が配置されるための複数の貫通穴３１ａを有している。リードピン３７は、それぞれ貫通穴３１ａに挿通された状態で、ガラス封入によってステム３１に固定されている。

半導体レーザ３は、ステム３１のキャップ３２およびヒートシンク３８が配置された端面の外周縁部で半導体レーザ保持部２２に固着されている。

ヒートシンク３８には、ＬＤチップ３４〜３６（半導体レーザチップ）がハイブリッドまたはモノリシックの形態で実装されている。これらのＬＤチップ３４〜３６は、それぞれ、後述する緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３、青発光蛍光体５４に照射するためのレーザ光を発生するように、独立して発光制御される。各ＬＤチップ３４〜３６の発振波長は、それぞれ励起する緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３、青発光蛍光体５４の発光波長より短波長である。

なお、複数のレーザ光を出射する半導体レーザは、既に光ディスク用レーザで実用化されており、隣り合う２つのレーザ発光点間の距離は１００μｍ前後から数１００μｍである。

キャップ３２は、ＬＤチップ３４〜３６およびヒートシンク３８を含む各種の部品を収容する外装部材であり、金属材料（例えば鉄−ニッケル−コバルト合金）によって形成されている。また、キャップ３２には、ＬＤチップ３４〜３６から出射されるレーザ光を透過させるためのガラス窓３３が、低融点ガラスによって封着されている。これにより、ＬＤチップ３４〜３６は、半導体レーザパッケージ内に高気密状態で封止される。

〈集光レンズの構成〉
集光レンズ４は、ＬＤチップ３４〜３６から出射されるレーザ光をそれぞれに対応する緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３、青発光蛍光体５４が配置された位置に集光するレンズである。この集光レンズ４は、前述のレンズ保持部２３に保持されており、後述する光学系の設計例によって決定される位置に配置されている。

〈蛍光部の構成〉
蛍光部５は、レーザ光によって励起されて蛍光光を発生する部分であり、透明部材５１、緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４を有している。

透明部材５１は、樹脂、ガラスなどの透明材料によって形成される透光性基材である。この透明部材５１は、一方の表面（図では内側表面）における外周端縁で、放射開口部２４における開口２４ａの周辺に固着されている。

また、透明部材５１の他方の表面（図では外側表面）に蛍光体としての緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４が設けられている。緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４は、互いに分離されて配置され、それぞれ封止材に分散されることによって透明部材５１上に蛍光層を形成している。

上記の封止材としては、一般的な封止材に用いられる無機ガラスが用いられる。また、封止材としては、上記の無機ガラスに限定されず、いわゆる有機無機ハイブリッドガラスやシリコーン樹脂などの樹脂材料であってもよい。ただし、耐熱性を考慮すれば、封止材はガラスであることが好ましい。

緑発光蛍光体５２は、当該緑発光蛍光体５２を励起するためのＬＤチップ３４からのレーザ光が集光される位置に配置されている。また、赤発光蛍光体５３は、当該赤発光蛍光体５３を励起するためのＬＤチップ３５からのレーザ光が集光される位置に配置されている。さらに、青発光蛍光体５４は、当該青発光蛍光体５４を励起するためのＬＤチップ３６からのレーザ光が集光される位置に配置されている。これにより、ＬＤチップ３４〜３６から出射されるレーザ光が、それぞれに対応する緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３、青発光蛍光体５４を個別に励起する。

緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３、青発光蛍光体５４としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の４元素を含有するサイアロン系の蛍光体が用いられる。サイアロンとは、窒化ケイ素のシリコン原子の一部がアルミニウム原子に置換され、窒素原子の一部が酸素原子に置換された物質である。サイアロン蛍光体は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、希土類元素などを固溶させて作ることができる。このサイアロン蛍光体は、他の蛍光体と比べて波長幅の狭いシャープな蛍光を得ることができる。また、サイアロン蛍光体は、励起光が広い波長領域をカバーするため、特に紫外領域の励起光に対して高い量子効率を示すので、紫外線励起による照明装置の素材としても好適に用いることができる。

なお、以降の説明では、緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４に共通して言及する場合は、単に蛍光体５２〜５４と称する。

〈光学系の配置〉
半導体レーザ３（レーザ光の発光点）および蛍光部５は、集光レンズ４を介して共役関係をなすように配置されている。共役関係とは、光学系における物体と像との関係であるので、ＬＤチップ３４〜３６の発光点が物点となり、集光レンズ４による集光点が像点となる。

〔光源装置における光学系の設計例〕
ここで、光源装置１における光学系の設計例について説明する。図２は、その設計例を示す図である。

図２に示すように、ここでは、光源（ＬＤチップ）としてＬＤチップ３４，３５を例示し、蛍光体として緑発光蛍光体５２および赤発光蛍光体５３を例示する。

光学系における２つのＬＤチップ３４，３５、集光レンズ４および２つの蛍光体５２，５３の配置に関して、幾何光学の公式から式（１）に示す関係が成り立つ。

Ｄ＝ｍＬ …（１）
式（１）において、Ｄ、Ｌ、ｍはそれぞれ以下のパラメータを表している。

Ｄ ： 蛍光体間距離
Ｌ ： ＬＤチップの発光点間距離
ｍ ： 集光レンズの横倍率
また、集光レンズの配置位置については、式（２）の関係が成り立つ。

（１／Ｌａ）＋（１／Ｌｂ）＝１／ｆ …（２）
式（２）において、ｆ、Ｌａ、Ｌｂはそれぞれ以下のパラメータを表している。

ｆ ： 集光レンズの焦点距離
Ｌａ ： ＬＤチップと集光レンズとの間の距離
Ｌｂ ： 集光レンズと蛍光体との間の距離
さらに、集光レンズについては、式（３）および式（４）の関係が成り立つ。

ｒ＝ａ＊ｔａｎθ …（３）
ＮＡ＝ｓｉｎθ …（４）
式（３）および式（４）において、ｒ、ＮＡ、θはそれぞれ以下のパラメータを表している。

ｒ ： 集光レンズの半径
ＮＡ ： 集光レンズの開口数（半導体レーザ側）
θ ： レーザ光の広がりの半角
一例として、一般的な半導体レーザの放射角（広がり角）から、ＮＡ＝０．４、ｒ＝２．５ｍｍ、Ｌ＝１００μｍ、Ｄ＝５００μｍとすると、式（１）〜式（４）により、ｆ＝４．７５ｍｍ、Ｌａ＝５．７ｍｍ、Ｌｂ＝２８．５ｍｍが得られる。

上記のように、ＬＤチップ３４，３５の発光点と蛍光体５２，５３は、１つの集光レンズ４を介して光学的に結合されるのみであるが、発光点間距離Ｌや蛍光体間距離Ｄなどは、上記の式（１）〜式（４）が成り立つ範囲であれば容易に設計可能である。

〔光源装置による蛍光光の放射〕
続いて、光源装置１における蛍光光の放射について説明する。

半導体レーザ３において、各ＬＤチップ３４〜３６で発生したレーザ光は、広がりながら放射されるが、集光レンズ４によって集束され、それぞれに対応する緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４に励起光として集光される。

これにより、緑発光蛍光体５２は緑色の蛍光光を放射し、赤発光蛍光体５３は赤色の蛍光光を放射し、青発光蛍光体５４は青色の蛍光光を放射する。これらの蛍光光は、混合されることにより、それぞれの発光量に応じた色の可視光となる。

〔光源装置の効果〕
以上のように、光源装置１は、半導体レーザ３の単一のパッケージ内に３つ（複数）のＬＤチップ３４〜３６を収容し、各ＬＤチップ３４〜３６が発するレーザ光によって、それぞれ対応する蛍光体５２〜５４を個別に励起する。つまり、１つのレーザ光が１つの蛍光体を励起する。また、光源装置１は、複数のＬＤチップ３４〜３６からのレーザ光を１つの集光レンズ４によって集光する。また、蛍光体５２〜５４は、それぞれのレーザ光の集光位置に配置されている（ＬＤチップ３４〜３６の発光点と蛍光体５２〜５４とが集光レンズ４を介して互いに光学的に共役関係となる配置）。さらに、ＬＤチップ３４〜３６は独立して発光制御される。

光源装置１は、上記のように構成されることにより、次の（１）〜（４）の効果が得られる。これにより、大型化することなく高輝度な光源装置１を実現することができる。

（１）ＬＥＤよりも光出力が大きい半導体レーザ３を励起光源とすることによって、輝度の向上を図ることができる。

（２）１つのレーザ光源が複数の蛍光体を励起するのではなく、１つのレーザ光源が１つの蛍光体のみを励起することによって、輝度の向上を図ることができる。

（３）レーザ光の集光位置に蛍光体を配置することにより、必要な蛍光体の量が極めて少量で足りるので、蛍光体材料のコストおよび蛍光部５の大型化を抑えることができる。

（４）蛍光体ごとに励起光強度を制御することができる。これにより、光源装置１から放射される可視光の色味調整が容易になる。例えば、光源装置１を照明用の光源として使用する場合、調色可能な照明装置として使用することができる。

〔比較例〕
本実施形態の比較例について説明する。この比較例は、従来の複数の集光レンズを有する構成を光源装置１の光学系保持構造に適用した例である。

図３は、本比較例に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。

〈光源装置の構成〉
図３に示すように、光源装置３００は、３つの光源ユニット３０１，３１１，３２１によって構成されている。

光源ユニット３０１，３１１，３２１は、それぞれ、ハウジング３０２，３１２，３２２に、半導体レーザ３０３，３１３，３２３、集光レンズ３０４，３１４，３２４および蛍光部３０５，３１５，３２５が保持されるように構成されている。このように、光源ユニット３０１，３１１，３２１は、基本的には光源装置１と同様に構成されている。半導体レーザ３０３，３１３，３２３は、ＴＯ−ＣＡＮパッケージの封止構造を有している。

ただし、光源ユニット３０１，３１１，３２１は、半導体レーザ３０３，３１３，３２３および蛍光部３０５，３１５，３２５の構成が、半導体レーザ３および蛍光部５の構成と異なっている。

半導体レーザ３０３，３１３，３２３は、それぞれ内部に１つずつのＬＤチップ３０３１，３１３１，３２３１が実装されている。また、蛍光部３０５，３１５，３２５は、それぞれ、透明部材３０５１，３１５１，３２５１上に、赤発光体蛍光体３０５２、緑発光体蛍光体３１５２、青発光体蛍光体３２５２が設けられている構成である。

〈比較例と実施形態との比較〉
上記のように構成される光源装置３００においては、半導体レーザ３０３，３１３，３２３が、それぞれ１つのＬＤチップ３０３１，３１３１，３２３１のみを搭載している。このため、光源ユニット３０１，３１１，３２１は、少なくとも、ＴＯ−ＣＡＮパッケージのサイズ（φ５．６ｍｍまたはφ３．３ｍｍ）を確保するための領域を必要とする。しかも、光源装置３００は、光源装置１と同程度の輝度の蛍光光を得るために、赤発光体蛍光体３０５２、緑発光体蛍光体３１５２、青発光体蛍光体３２５２ごとに、上記のような光源ユニット３０１，３１１，３２１を構成する必要がある。また、各光源ユニット３０１，３１１，３２１には、それぞれ半導体レーザ３０３，３１３，３２３と集光レンズ３０４，３１４，３２４とが内蔵されており、部品点数が多くなる。このため、光源装置３００の大型化およびコストアップが避けられない。

これに対し、光源装置１は、１つのハウジング２に、半導体レーザ３、集光レンズ４および蛍光部５が１つずつ設けられる構成である。しかも、半導体レーザ３は、３つのＬＤチップ３４〜３６を搭載している。したがって、光源装置１は、光源装置３００と比べて、同じ輝度を維持しながら、大幅に小型化および低価格化を図ることができる。

［実施形態２］
本発明に係る実施形態２について、図４を参照して以下に説明する。

なお、本実施形態において、実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、適宜、同一の符号を付記して、その説明を省略する。

図４（ａ）は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。図４（ｂ）は、当該光源装置における蛍光部の拡大図である。

〔光源装置の構成〕
図４（ａ）に示すように、光源装置１１は、前述の光源装置１と同様、ハウジング２と、半導体レーザ３と、集光レンズ４とを備えているが、蛍光部５に代えて蛍光部６を備えている。

蛍光部６は、図４（ｂ）に示すように、レーザ光を受けて蛍光光を発生する部分であり、透明部材６１、緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３、青発光蛍光体６４および光学膜６５を有している。

透明部材６１は、樹脂、ガラスなどの透明材料によって形成される平板状の透光性基材であり、前述の透明部材５１と同様にしてハウジング２に固着されている。また、透明部材６１の表面に蛍光体としての緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３および青発光蛍光体６４が設けられている。

緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３および青発光蛍光体６４は、互いに分離されて配置され、それぞれ封止材に分散されることによって透明部材６１上に蛍光層を形成している。また、緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３および青発光蛍光体６４は、それぞれ、前述の緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４と同様の材料で構成され、蛍光部５で用いられる封止材と同様な材料の封止材によって封止されている。

なお、以降の説明では、緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３および青発光蛍光体６４に言及する場合は、適宜、蛍光体６２〜６４と称する。

光学膜６５（第１光学フィルタ）は、レーザ光の波長を有する光を選択的に透過する一方、レーザ光の励起によって蛍光体６２〜６４で発生した蛍光光を選択的に反射する膜であり、透明部材６１の表面に形成されている。このように、光学膜６５は、蛍光体６２〜６４の近傍において、蛍光体６２〜６４より半導体レーザ３に近い位置に配置されている。

一般的に、レーザ光で蛍光体を蛍光発光させる場合、蛍光体を励起する励起光には波長４００ｎｍ帯の近紫外光を用い、蛍光体にはＲＧＢ（３原色）の波長で蛍光発光する材料が用いられる。このため、光学膜６５については、近紫外光と青色光との間に遷移領域を持つ透過率および反射率が得られるように分光特性設計を行なう。

このような分光特性を有する光学膜６５として機能する膜については、一般に入手が可能な光学フィルタを利用することができる。このような光学フィルタとして知られているのが、短い波長帯の光を透過する一方、長い波長帯の光を透過させないショートパスフィルタが挙げられる。ショートパスフィルタとしては、例えば、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社より提供されているＴＳショートパスフィルタ（４２５ＮＭ １２．５ＭＭ ＮＴ６４−５９２）が利用できる。このＴＳショートパスフィルタは、透過帯が２５０ｎｍ〜４１０ｎｍであり、透過阻止帯が４４５ｎｍ〜５１０である。

〔光源装置による蛍光光の放射〕
続いて、光源装置１１における蛍光光の放射について説明する。

半導体レーザ３からのレーザ光が集光レンズ４によって集束されて、それぞれ対応する緑発光蛍光体６２、赤発光蛍光体６３および青発光蛍光体６４に励起光として集光される。これにより、緑発光蛍光体６２は緑色の蛍光光を放射し、赤発光蛍光体６３は赤色の蛍光光を放射し、青発光蛍光体６４は青色の蛍光光を放射する。

蛍光部６においては、光学膜６５が励起光に対して反射防止膜として作用するので、集束される励起光は、光学膜６５によって透明部材６１の表面での反射が抑えられ、透明部材６１を透過して蛍光体６２〜６４に到達する。一方、蛍光体６２〜６４の励起により発生した蛍光光は、ほぼ全方位に放射される。このうち、半導体レーザ３側へ放射される蛍光光は、可視光に対して反射膜として作用する光学膜６５で反射され、透明部材６１および蛍光体６２〜６４を経て光源装置１１の外部に放射される。

〔光源装置の効果〕
光源装置１１は、光学膜６５を有する蛍光部６を備えている。

光学膜６５は、励起光に対して反射防止膜として作用するので、透明部材６１の表面での反射を抑えて、効率良く蛍光体６２〜６４に励起光を照射することができる。一方、光学膜６５は、可視光に対して反射膜として作用するので、蛍光体６２〜６４で発生した蛍光光のうち半導体レーザ３側へ放射される蛍光光を反射して光源装置１１の外部に放射することができる。

したがって、蛍光発光に寄与する励起光が増加するとともに、蛍光光の損失が低減されるので、光源装置１と比べて、放射する蛍光光の輝度を向上させることができる。

［実施形態３］
本発明に係る実施形態３について、図５を参照して以下に説明する。

なお、本実施形態において、実施形態１，２における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、適宜、同一の符号を付記して、その説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。

〔光源装置の構成〕
図５に示すように、光源装置１２は、前述の光源装置１１と同様、半導体レーザ３と、集光レンズ４と、蛍光部６とを備えているが、ハウジング２に代えてハウジング７を備えている。また、光源装置１２は励起光反射部８を備えている。

なお、光源装置１２は、蛍光部６に代えて光源装置１に設けられている蛍光部５を備えていてもよい。

また、光源装置１２においても、半導体レーザ３（レーザ光の発光点）および蛍光部６は、集光レンズ４を介して共役関係をなすように配置されている。これにより、ＬＤチップ３４〜３６の発光点が物点となり、集光レンズ４による集光点が像点となる。

〈ハウジングの構成〉
ハウジング７は、半導体レーザ３、集光レンズ４、蛍光部６および励起光反射部８を保持する保持部材であり、本体部７１、半導体レーザ保持部７２、レンズ保持部７３、中間開口部７４および放射開口部７５によって構成されている。

本体部７１は、筒状に形成されている外装部である。この本体部７１は、外光の入射を遮断するとともに、蛍光部６（透明部材６１）で反射される一部のレーザ光の外部への放射を遮断する。

半導体レーザ保持部７２は、半導体レーザ３を保持する部分であり、本体部７１の一方の端部に設けられている。この半導体レーザ保持部７２は、半導体レーザ３の配置スペースを確保するための開口７２ａを有している。

レンズ保持部７３は、集光レンズ４を保持する部分であり、本体部７１の中間位置に設けられている。

中間開口部７４は、蛍光部６を保持する部分であり、蛍光部６へ励起光を入射させるための開口７４ａを有している。この放射開口部７４は、レンズ保持部７３と放射開口部７５との間に設けられている。

放射開口部７５は、励起光反射部８を保持する部分であり、外部に可視光を透過させるように励起光反射部８へ蛍光部６からの光を入射させるための開口７５ａを有している。この放射開口部７５は、本体部７１の他方の端部に設けられている。

〈励起光反射部の構成〉
励起光反射部８は、励起光を反射させる一方で蛍光光を透過させる部分であり、透明部材８１および光学膜８２を有している。この励起光反射部８は、蛍光部６からの全ての光束が光学膜８２に到達する（外部に取り出される全ての光束が通過する）ように配置されている。

透明部材８１は、樹脂、ガラスなどの透明材料によって形成される平板状の透光性基材である。この透明部材８１は、光取り出し部となるハウジング７の端部を気密封止するように、一方の表面（図では内側表面）における外周端縁で、放射開口部７５における開口７５ａの周辺に封着されている。

具体的には、透明部材８１は、ＴＯ−ＣＡＮ型半導体レーザの封止に用いられているキャップガラスと同様の方法で封着される（前述の半導体レーザ３におけるガラス窓３３の封着方法）。これにより、光取り出し部がＴＯ−ＣＡＮ型半導体レーザと同様の高い気密性で封止される。あるいは、透明部材８１は、接着剤により高気密に封止されてもよい。

また、透明部材８１の表面に光学膜８２が設けられている。光学膜８２（第２光学フィルタ）は、レーザ光を選択的に反射する一方、レーザ光の励起によって蛍光発光した可視光を選択的に透過する膜であり、透明部材８１における表面に形成されている。このように、光学膜８２は、蛍光体６２〜６４より半導体レーザ３から遠い位置に配置されている。

このような分光特性を有する光学膜８２として機能する膜については、一般に入手が可能な光学フィルタを利用することができる。このような光学フィルタとして知られているのが、長い波長帯の光を透過する一方、短い波長帯の光を透過させないロングパスフィルタが挙げられる。ロングパスフィルタとしては、例えば、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社より提供されているＴＳロングパスフィルタ（４２５ＮＭ １２．５ＭＭ ＮＴ６４−６１６）が利用できる。このＴＳショートパスフィルタは、透過帯が４４５ｎｍ〜２０００ｎｍであり、透過阻止帯が２００ｎｍ〜４０５である。

〔光源装置による蛍光光の放射〕
続いて、光源装置１２における蛍光光の放射について説明する。

半導体レーザ３からのレーザ光が集光レンズ４によって集束されて、蛍光体６２〜６４に励起光として集光される。これにより、蛍光体６２〜６４から、それぞれ緑色、赤色、青色の蛍光光が放射される。これらの蛍光光は、さらに励起光反射部８を透過して、光源装置１２の外部に放射される。

また、蛍光部６においては、蛍光体６２〜６４に照射された励起光の一部が、蛍光に寄与することなく蛍光体６２〜６４を透過してしまう。しかしながら、励起光反射部８においては、光学膜８２が励起光に対して反射膜として作用するので、蛍光部６を透過した励起光は、蛍光部６側に反射されて外部に放射されることはない。この反射された励起光によって、蛍光部６に戻されることによって、蛍光部６で蛍光光が発生する。そして、この蛍光光は、励起光反射部８を透過して、光源装置１２の外部に放射される。

〔光源装置の効果〕
〈可視光の輝度向上〉
光源装置１２は、光学膜８２を有する励起光反射部８を備えている。

光学膜８２は、可視光を選択的に透過するが、励起光を選択的に反射するので、蛍光部６を透過した近紫外光である励起光が外部へ放射されることを阻止できる。これは、眼のレーザ光に対する安全性を確保するアイセーフティの観点から好ましい。

また、蛍光部６を透過した励起光を光学膜８２で反射することにより、当該励起光を再度蛍光部６に戻して励起に再利用することができる。これにより、蛍光部６による可視光への変換効率が高まり、より高い輝度を得ることができる。

さらに、光源装置１２は、前述の光源装置１１と同様、蛍光部６を備えている。これにより、前述のように、透明部材６１の表面での励起光の反射を抑えて、効率良く蛍光体６２〜６４による励起発光に寄与する励起光を増加させることができる。一方、発生した蛍光光のうち半導体レーザ３側へ放射される蛍光光を反射して光源装置１１の外部に放射することができる。したがって、蛍光発光に寄与する励起光が増加するとともに、蛍光光の損失が低減されるので、光源装置１１と同様、放射する蛍光光の輝度を向上させることができる。

〈気密性の向上〉
一般に、蛍光体は、空気中の水分や不純物によって蛍光光への変換効率が低下するなどの劣化が発生する場合がある。このため、蛍光体を密閉封止して、空気中の水分や不純物による劣化を防ぐことが望ましい。

そこで、光源装置１２では、光取り出し部となるハウジング７の端部側を励起光反射部８の透明部材８１により全面を塞いでいる。これにより、光取り出し部からの水分や不純物の浸入が回避されるので、蛍光部６における蛍光体６２〜６４の劣化を防止することができる。

なお、光取り出し部以外のハウジング７の密閉は、ハウジング７と、半導体レーザ３、集光レンズ４および蛍光部６とのそれぞれの接合部を、前述のキャップガラスの封止方法で封止したり、接着剤で塞いだりといった手法で実現することができる。したがって、ハウジング７の全体における不純物の侵入を防止することができる。

［実施形態４］
本発明に係る実施形態４について、図６を参照して以下に説明する。

なお、本実施形態において、実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、適宜、同一の符号を付記して、その説明を省略する。

図６は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す光軸方向に沿った断面図である。

〔光源装置の構成〕
図６に示すように、光源装置１３は、前述の光源装置１と同様、半導体レーザ３と、集光レンズ４とを備えている。また、光源装置１３は、蛍光部９と、波長選択ミラー１０とを有している。さらに、光源装置１３は、図示はしないが、半導体レーザ３、集光レンズ４、蛍光部９および波長選択ミラー１０がハウジングに保持されている。このハウジングは、前述の光源装置１２のハウジング７と同様に、透明部材８１によって気密封止されていてもよい。

また、光源装置１３においても、半導体レーザ３（レーザ光の発光点）および蛍光部６は、集光レンズ４を介して共役関係をなすように配置されている。これにより、ＬＤチップ３４〜３６の発光点が物点となり、集光レンズ４による集光点が像点となる。

〈蛍光部の構成〉
蛍光部９は、レーザ光（励起光）を受けて蛍光光を発生する部分であり、蛍光体保持部材９１、緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４を有している。この蛍光部９は、波長選択ミラー１０から反射されるレーザ光が緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４に集光される位置に配置されている。

蛍光体保持部材９１は、可視光を反射する材料および形状によって形成される反射性基材である。その材料としては、例えば、表面を鏡面に仕上げた金属製の部材が用いられる。この蛍光体保持部材９１は、光入射側の表面に蛍光体としての緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４が設けられている。

緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４は、互いに分離されて配置され、それぞれ封止材に分散されることによって蛍光体保持部材９１上に蛍光層を形成している。また、緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４は、それぞれ、前述の緑発光蛍光体５２、赤発光蛍光体５３および青発光蛍光体５４と同様の材料で構成され、蛍光部５で用いられる封止材と同様な材料の封止材によって封止されている。

なお、以降の説明では、緑発光蛍光体９２、赤発光蛍光体９３および青発光蛍光体９４に言及する場合は、適宜、蛍光体９２〜９４と称する。

〈波長選択ミラーの構成〉
波長選択ミラー１０（光学素子）は、集光レンズ４によって集光される半導体レーザ３からの励起光（波長４０５ｎｍ）を蛍光部９へ向けて反射するとともに、蛍光部９から放射される蛍光光（可視光）を透過させるミラーである。図６においては、波長選択ミラー１０が励起光をほぼ直角に反射する構成が示されているが、波長選択ミラー１０が励起光を反射する角度については直角に限定されず、鋭角であっても鈍角であってもよい。

〔光源装置による蛍光光の放射〕
続いて、光源装置１３における蛍光光の放射について説明する。

半導体レーザ３からの励起光が集光レンズ４によって集束されると、波長選択ミラー１０に反射されて蛍光体９２〜９４に集光される。これにより、蛍光体９２〜９４から、それぞれ緑色、赤色、青色の蛍光光が放射される。これらの蛍光光のうち波長選択ミラー１０側に放射される蛍光光は、さらに波長選択ミラー１０を透過して、光源装置１３の外部に放射される。

また、蛍光体９２〜９４から蛍光体保持部材９１側に放射される蛍光光は、蛍光体保持部材９１によって反射される。この反射光のうち波長選択ミラー１０側に向かう蛍光光は、波長選択ミラー１０を透過して光源装置１３の外部に放射される。

〔光源装置の効果〕
光源装置１３は、蛍光部９および波長選択ミラー１０を備えている。また、光源装置１３は、蛍光体９２〜９４が、それぞれの励起光の集光位置に配置されている（ＬＤチップ３４〜３６の発光点と蛍光体９２〜９４とが集光レンズ４を介して互いに光学的に共役関係となる配置）。

これにより、集光レンズ４からの励起光を直接ではなく、波長選択ミラー１０によって反射される構成によっても、前述の光源装置１と同様に、高輝度を維持しながら大型化およびコストアップを抑えることができる。

また、波長選択ミラー１０によって、励起光の進行方向を変更するので、半導体レーザ３からの励起光の出射方向と異なる方向に蛍光光を放射することができる。これにより、半導体レーザ３のリードピン３７の方向と蛍光光の放射方向とが異なるため、これに適した光源装置１３の実装形態に適用することができる。

さらに、蛍光体保持部材９１が表面を鏡面に仕上げた金属製の部材で構成されることにより、蛍光体９２〜９４の放熱性を向上させることができる。

［付記事項］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る光源装置は、小型化および高輝度化が可能であるので、照明機器などに好適に利用できる。

１ 光源装置
２ ハウジング
３ 半導体レーザ
４ 集光レンズ
５ 蛍光部
６ 蛍光部
７ ハウジング
８ 励起光反射部
９ 蛍光部
１０ 波長選択ミラー（光学素子）
３４ ＬＤチップ（半導体レーザチップ）
３５ ＬＤチップ（半導体レーザチップ）
３６ ＬＤチップ（半導体レーザチップ）
５１ 透明部材
５２ 緑発光蛍光体（蛍光体）
５３ 赤発光蛍光体（蛍光体）
５４ 青発光蛍光体（蛍光体）
６１ 透明部材
６２ 緑発光蛍光体（蛍光体）
６３ 赤発光蛍光体（蛍光体）
６４ 青発光蛍光体（蛍光体）
６５ 光学膜（第１光学フィルタ）
８１ 透明部材
８２ 光学膜（第２光学フィルタ）
９１ 蛍光体保持部材
９２ 緑発光蛍光体（蛍光体）
９３ 赤発光蛍光体（蛍光体）
９４ 青発光蛍光体（蛍光体）

Claims (6)

1. 互いに分離されて配置され、レーザ光によって励起されて互いに異なる波長の蛍光光を発生する複数の蛍光体と、
   前記蛍光体をそれぞれ個別に励起するレーザ光を発生するように、互いに独立して発光制御される半導体レーザチップを単一のパッケージに収容した半導体レーザと、
   各半導体レーザチップが発生するレーザ光を集束する集光レンズとを備え、
   前記半導体レーザおよび前記蛍光体は、前記半導体レーザチップの発光点と前記蛍光体とが前記集光レンズを介して共役関係をなすように配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記蛍光体の近傍において前記蛍光体より前記半導体レーザに近い位置に配置され、レーザ光を透過する一方、前記蛍光体で発生した蛍光光を反射する第１光学フィルタを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光体より前記半導体レーザから遠い位置に、外部に取り出される全ての光束が通過するように配置され、レーザ光を反射する一方、前記蛍光体で発生した蛍光光を透過する第２光学フィルタを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記半導体レーザ、前記集光レンズおよび前記蛍光体を収容するハウジングと、
   前記ハウジングにおける光の取り出し部を気密封止する透明部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
5. 前記半導体レーザ、前記集光レンズおよび前記蛍光体を収容するハウジングと、
   前記第２光学フィルタが設けられ、前記ハウジングにおける光の取り出し部を気密封止する透明部材とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
6. 前記集光レンズにより集束されるレーザ光を前記蛍光体に向けて反射するとともに、前記蛍光体から放射される蛍光光を透過する光学素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。

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