JP2013187062A - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 小型化（奥行の薄型化）を図ることができ、小型化を図る場合にも、十分な混色を実現することの可能な光源装置を提供する。
【解決手段】 所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有する光源装置であって、レンズの光出射側から光軸方向Ｚに平行な平行光線を入射させたときの焦点位置ｆ１，ｆ２，ｆ３が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置ｆ１，ｆ２，ｆ３が光軸方向Ｚにずれている（単一に焦点を結ばないものとなっている）。
【選択図】 図９

Description

本発明は、光源装置に関する。
従来、多色のＬＥＤからの色の混合を行うものとして、特許文献１、特許文献２に示されているような光源装置が知られている。
図１は特許文献１の光源装置を示す図である。図１を参照すると、特許文献１の光源装置は、多色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のＬＥＤ（１０１、１０２、１０３）と、多色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のＬＥＤ（１０１、１０２、１０３）からの色を混合するラッパ状反射器１１０とを有している。ここで、ラッパ状反射器１１０は、入射開口が３０ｍｍ、出射開口が７５ｍｍ，奥行ＬＴ１が１００ｍｍ、反射率が９０％のものとなっている。この特許文献１の光源装置では、混色度合は、ラッパ状反射器１１０での反射回数が大きければ大きい程良く、従って、ラッパ状反射器１１０の奥行ＬＴ１は長い方が良い。
また、図２は特許文献２の光源装置を示す図である。図２を参照すると、特許文献２の光源装置は、多色のＬＥＤアレイ２０１と、多角形のリフレクタ２０５とを組み合わせ、多色のＬＥＤアレイ２０１からの色を、多角形のリフレクタ２０５によって混合するようになっている。ここで、多角形のリフレクタ２０５は、奥行ＬＴ２が１６．８７５ｍｍまたは８１ｍｍ、反射率が８０％のものとなっている。
特許第４７８３５０４号公報 特許第４２８７６５１号公報
しかしながら、特許文献１、特許文献２に示されている光源装置では、いずれも、十分な混色を実現するには、ラッパ状反射器１１０、リフレクタ２０５の奥行が必要となり、小型化（奥行の薄型化）を図ることができないという問題があった。
本発明は、小型化（奥行の薄型化）を図ることができ、小型化（奥行の薄型化）を図る場合にも、十分な混色を実現することの可能な光源装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれていることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれているとともに、該レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際にできる最小のスポット位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光源装置において、前記レンズの入射面と該レンズに対応する発光部との間には、空気層が存在することを特徴としている。
請求項１記載の発明によれば、所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれているので、
光源装置の小型化（奥行の薄型化）を図ることができ、小型化（奥行の薄型化）を図る場合にも、十分な混色を実現することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれているとともに、該レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際にできる最小のスポット位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあるので、
光源装置の小型化（奥行の薄型化）を図ることができ、小型化（奥行の薄型化）を図る場合にも、十分な混色を実現することができる。
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の光源装置において、前記レンズの入射面と該レンズに対応する発光部との間には、空気層が存在するので、光の指向特性（光の広がり）を効率的に絞ることができ、光利用効率を高めることができる。
特許文献１の光源装置を示す図である。 特許文献２の光源装置を示す図である。 本発明の光源装置の一構成例を示す部分切欠斜視図である。 図３においてレンズアレイを取り除いた状態を示す図である。 図３のＣ−Ｃ線におけるヒートスプレッダを除いた断面図である。 複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズからの出射光を、全て同じ指向特性をもつように設計した状態を示す図である。 隣接するレンズからの出射光に生じる隣接する発光部間の間隔分のズレを示す図である。 隣接するレンズからの出射光に生じる隣接する発光部間の間隔分のズレ（色ムラ）の範囲が、光軸方向の距離が大きくなっても、隣接する発光部間の間隔よりも大きくはならないことを示す図である。 本発明の第１の形態のレンズを説明するための図である。 サグを説明するための図である。 本発明のレンズの各サグ毎の焦点位置の範囲の設定を説明するための図である。 本発明の第２の形態のレンズを説明するための図である。 レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際に単一に焦点を結び、その焦点位置（最小のスポット位置）が、該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子上にくるレンズ、あるいは、該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子のレンズとは反対側のレンズから遠い位置にくるレンズを示す図である。 図１３に示すようなレンズの配光分布（光度分布）を示す図である。 本発明の第１、あるいは、第２の形態のレンズの配光分布（光度分布）を示す図である。 レンズの入射面と該レンズに対応する発光部との間に空気層が存在するときと存在しないときとでの配光分布（光度分布）を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明の光源装置の一構成例を示す部分切欠斜視図である。また、図４は図３においてレンズアレイを取り除いた状態を示す図である。また、図５は図３のＣ−Ｃ線におけるヒートスプレッダを除いた断面図である。なお、図３、図４、図５において、符号１０は集積基板（例えば、アルミナなどの白色系セラミック基板）であり、符号１１は窒化アルミや絶縁層を介した金属基板などのヒートスプレッダであり、符号Ｋはレンズアレイである。
図３、図４、図５を参照すると、この光源装置１は、集積基板１０のＮ×Ｍ（（Ｎ≧１、Ｍ≧２）、または、（Ｎ≧２、Ｍ≧１））の配列パターンの凹部内に、発光部ＡがＮ×Ｍ（（Ｎ≧１、Ｍ≧２）、または、（Ｎ≧２、Ｍ≧１））の所定の配列パターンで配置されている。なお、図３、図４、図５の例では、発光部Ａは、４×４の２次元配列Ａ１１〜Ａ４４で配置されている。
ここで、各発光部Ａ１１〜Ａ４４には、図５にその一部が示されているように、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４がそれぞれ設けられている。具体的に、発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４には、例えばＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系のＬＥＤを用いることができる。ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系のＬＥＤは、ｘ、ｙ、ｚの組成比に応じて、その発光波長が紫外光から緑色光まで可変となっており、ｘ、ｙ、ｚの組成比を所定のものに設定することで、例えば、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４を紫外光発光のものにすることもできるし、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４を青色光発光のものにすることもできる。
また、各発光部Ａ１１〜Ａ４４には、図５にその一部が示されているように、発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４からの光により励起され発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する蛍光体Ｈ１１〜Ｈ４４が用いられている。
ここで、蛍光体Ｈ１１〜Ｈ４４には、複数種類の蛍光体が用いられ、
各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が例えば紫外光発光のものである場合には、
発光部Ａ１１〜Ａ４４のうちの中心部の発光部Ａ２２、Ａ２３、Ａ３２、Ａ３３には、蛍光体Ｈ２２、Ｈ２３、Ｈ３２、Ｈ３３として、複数種類の蛍光体のうちで最も短波長の蛍光（例えば青色光）を発光する蛍光体（例えば青色蛍光体）を用い、
発光部Ａ１１〜Ａ４４のうちの周辺部の隅部を除いた発光部Ａ１２、Ａ１３、Ａ２１、Ａ２４、Ａ３１、Ａ３４、Ａ４２、Ａ４３には、蛍光体Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ２１、Ｈ２４、Ｈ３１、Ｈ３４、Ｈ４２、Ｈ４３として、中心部の発光部Ａ２２、Ａ２３、Ａ３２、Ａ３３に用いられる蛍光体Ｈ２２、Ｈ２３、Ｈ３２、Ｈ３３の蛍光の波長よりも長波長の蛍光（例えば黄色光や緑色光）を発光する蛍光体（例えば黄色蛍光体や緑色蛍光体）を用い、
前記周辺部の発光部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４、Ａ２１、Ａ２４、Ａ３１、Ａ３４、Ａ４１、Ａ４２、Ａ４３、Ａ４４のうちの隅部の発光部Ａ１１、Ａ１４、Ａ４１、Ａ４４には、蛍光体Ｈ１１、Ｈ１４、Ｈ４１、Ｈ４４として、前記複数種類の蛍光体のうちで最も長波長（例えば赤色光）の蛍光を発光する蛍光体（例えば赤色蛍光体）を用いることができる。
また、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が例えば青色光発光のものである場合には、
発光部Ａ１１〜Ａ４４のうちの中心部の発光部Ａ２２、Ａ２３、Ａ３２、Ａ３３には、蛍光体を用いず（すなわち、蛍光体のかわりに、例えば、蛍光体と類似の光学特性（発光特性）をもつ、例えば拡散材を混入した透明な材料（例えば透明なシリコーン樹脂）などをＨ２２、Ｈ２３、Ｈ３２、Ｈ３３の代わりに用い、発光部Ａ２２、Ａ２３、Ａ３２、Ａ３３からは、発光素子Ｆ２２、Ｆ２３、Ｆ３２、Ｆ３３からの青色光を出射させ）、
発光部Ａ１１〜Ａ４４のうちの周辺部の隅部を除いた発光部Ａ１２、Ａ１３、Ａ２１、Ａ２４、Ａ３１、Ａ３４、Ａ４２、Ａ４３には、蛍光体Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ２１、Ｈ２４、Ｈ３１、Ｈ３４、Ｈ４２、Ｈ４３として、中心部の発光部Ａ２２、Ａ２３、Ａ３２、Ａ３３の発光素子Ｆ２２、Ｆ２３、Ｆ３２、Ｆ３３からの青色光の波長よりも長波長の蛍光（例えば黄色光や緑色光）を発光する蛍光体（例えば黄色蛍光体や緑色蛍光体）を用い、
前記周辺部の発光部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４、Ａ２１、Ａ２４、Ａ３１、Ａ３４、Ａ４１、Ａ４２、Ａ４３、Ａ４４のうちの隅部の発光部Ａ１１、Ａ１４、Ａ４１、Ａ４４には、蛍光体Ｈ１１、Ｈ１４、Ｈ４１、Ｈ４４として、前記複数種類の蛍光体のうちで最も長波長（例えば赤色光）の蛍光を発光する蛍光体（例えば赤色蛍光体）を用いることができる。
より具体的に、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が紫外光発光のものである場合には、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、 ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、黄色蛍光体には、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋ （ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋，Ｍｎ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等を用いることができ、青色蛍光体には、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ２＋、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ２＋、ＬａＡｌ（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｎ，Ｏ）１０：Ｃｅ３＋等を用いることができる。
また、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が青色光発光のものである場合には、赤色蛍光体には、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋等を用いることができ、黄色蛍光体には、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋ （ＹＡＧ）、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等を用いることができ、緑色蛍光体には、Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｅｕ２＋、（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｂａ３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋、（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）：Ｅｕ２＋等を用いることができる。
各蛍光体Ｈ１１〜Ｈ４４としては、これらの蛍光体粉末をガラス中に分散させたものや透明な樹脂（例えばシリコーン樹脂）中に分散させたものを用いることができる。
上記のように、複数の発光部Ａ１１〜Ａ４４は、同じ温度特性および同じ発光特性を有する各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４上に、異なる媒体（蛍光体を含む媒体、あるいは、蛍光体を含まない媒体）が設けられることによって、複数の発光色を有している。
そして、各発光部Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４は、隣接する発光部の光が干渉しない厚さに調整された集積基板１０の隔壁１０ａによって区画分けされ、対応する発光色毎に直列駆動できるように内部配線されている。
このような構成の光源装置１では、隣接する発光部間に隔壁１０ａを設けることで、隣接する発光部間での光の混入を防ぎ、色の分離特性を向上させることができる。例えば、赤色蛍光体は緑色光の照射によっても発光してしまうが、隣接する発光部間に隔壁１０ａを設けることで、このような事態が生じるのを防止できる。
また、上記のような構成の光源装置１では、各発光部Ａ１１〜Ａ４４には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が用いられ、必要な色は蛍光体にて生成することによって、各発光色の指向特性をほぼ同一のものにできる。すなわち、ほぼ同一の指向特性を持つ発光部を最終的に必要な指向特性にほぼ同一に絞ることは容易である、よって、本発明では、各発光部Ａ１１〜Ａ４４からの出射光を色ムラの少ないものにすることが容易となる。なお、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４に青色光発光のものを用いる場合は、青色発光部のみ蛍光体が存在しないが、蛍光体の代わりに拡散材（光散乱材）を混入した透明な材料（例えば樹脂）で蛍光体が存在する発光部と同様に青色発光部の発光素子を封止することで、ほぼ同一の指向特性が得られる。なお、各発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４に青色光発光のものを用いる場合、蛍光体および拡散材（光散乱材）を混入した透明な材料のいずれも設けないこともできる。
また、上記のような構成の光源装置１では、各発光部Ａ１１〜Ａ４４には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子Ｆ１１〜Ｆ４４が用いられているので（すなわち、同じ温度特性を有する発光素子を各色に用いたことにより温度特性をほぼ等しくできるため）、連続点灯して温度が上昇した場合にも、発光全体の色バランスが変化してしまうのを防止でき、色ムラ、照度ムラの変化を回避できる。また、赤色等を蛍光体で発光させることにより、赤色発光の発光素子にて赤色を得る場合に比べて、温度上昇時の光束低下を少なくすることができる。
また、上記のような構成の光源装置１では、１つの集積基板１０上に複数の発光部Ａ１１〜Ａ４４を集積することで、各色の発光部間の距離を小さくすることができる（各色間の間隔を狭くできる）。すなわち、各色の発光部間の距離（各色間の間隔）は色ムラに直接影響するので、各色の発光部間の距離（各色間の間隔）は小さい程良く、本発明では、これを実現できる。
また、図５にその一部が示されているように、複数の発光部Ａ１１〜Ａ４４のそれぞれに対応してレンズＫ１１〜Ｋ４４がレンズアレイＫとして設けられている。すなわち、１つの発光部に対応させて１つのレンズが設けられている。なお、図５において、符号１４はレンズアレイＫの個々のレンズの入射面である。
ここで、各レンズＫ１１〜Ｋ４４は、対応する発光部Ａ１１〜Ａ４４の極近傍に配置されることが光利用効率の点から好ましく、各レンズＫ１１〜Ｋ４４と対応する発光部Ａ１１〜Ａ４４との距離は混色度合に影響を与えない。よって薄型化が可能となる。また、各レンズＫ１１〜Ｋ４４の光軸方向Ｚの厚さＴは混色度合に影響を与えない。よって軽量化が可能となる。
ところで、上記のような構成の光源装置１は、上記のように、各発光部Ａ１１〜Ａ４４からの出射光を色ムラの少ないものにすることができるが、図６に示すように複数の発光部Ａ１１〜Ａ４４のそれぞれに対応して設けられたレンズＫ１１〜Ｋ４４からの出射光を、全て同じ指向特性をもつように設計しても、レンズＫ１１〜Ｋ４４に在来のレンズを用いる場合には、図７に示すようにレンズＫ１１〜Ｋ４４からの出射光には、隣接する発光部間の間隔分のズレが生じ、この隣接する発光部間の間隔分のズレが色ムラとなる。なお、図８に示すように、この場合の色ムラの範囲Ｐは、光軸方向Ｚの距離Ｒが大きくなっても、隣接する発光部間の間隔よりも大きくはならない。
本発明は、特に、隣接する発光部間の間隔分のズレによる色ムラをも低減することを意図しており、このため、下記のように各レンズＫ１１〜Ｋ４４を構成した。
まず、各レンズＫ１１〜Ｋ４４は、対応する発光部Ａ１１〜Ａ４４と光軸が一致しており、光軸を中心とした軸対称形状のものとなっている。
図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、３つの異なるサグ（ｓａｇ）量の位置に光軸方向Ｚに平行な平行光線を各レンズＫ１１〜Ｋ４４の光出射側から入射させた場合の焦点位置を示す図である。ここで、サグ（ｓａｇ）とは、レンズ形状を表わすのに使用される用語であり、図１０に示すように、光軸からの距離ｘの位置でのレンズ頂点からの深さとして定義される。すなわち、光軸からの距離ｘの位置におけるサグ（ｓａｇ）量は、ｓａｇ（ｘ）として表わされる。また、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、符号２０は、各発光部Ａ１１〜Ａ４４の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子を表わしている。
図９（ａ）は光軸方向Ｚに平行な平行光線を各レンズＫ１１〜Ｋ４４の光出射側から各レンズＫ１１〜Ｋ４４の中心付近に入射させた場合の焦点位置を示す図であり、この場合の焦点位置ｆ１は、レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間の光軸上にあって、該レンズの頂点により近い位置となっている。
また、図９（ｂ）は光軸方向Ｚに平行な平行光線を各レンズＫ１１〜Ｋ４４の光出射側から各レンズＫ１１〜Ｋ４４の中腹付近に入射させた場合の焦点位置を示す図であり、この場合の焦点位置ｆ２は、レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間の光軸上にあって、該レンズの頂点と蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との中点付近の位置となっている。
また、図９（ｃ）は光軸方向Ｚに平行な平行光線を各レンズＫ１１〜Ｋ４４の光出射側から各レンズＫ１１〜Ｋ４４の外縁付近に入射させた場合の焦点位置を示す図であり、この場合の焦点位置ｆ３は、レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間の光軸上にあって、蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０により近い位置となっている。
このように、本発明のレンズは、その第１の形態として、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれている（単一に焦点を結ばないものとなっており、この点で、単一に焦点を結ぶ在来のレンズと異なっている）。
図１１は本発明のレンズの各サグ毎の焦点位置の範囲の設定を説明するための図であり、本発明のレンズは、内部が屈折率ｎの材料で満たされており、光軸方向Ｚに平行な光線をレンズの最大外形部に入射させ、そこで屈折した光線が光軸と交わる点からレンズの頂点までの距離をＬとすると、距離Ｌは次式によって表わされる。
Ｌ＝ｂ＋ａ・ｔａｎ（α＋β）
＝ｂ＋ａ・ｔａｎ〔α＋ｓｉｎ−１｛（１／ｎ）・ｃｏｓα｝〕 （式１）
式１において、ａはレンズの最大外形、ｂはレンズの最大外形のサグ値、αはレンズの最大外形部の接線と光軸とがなす角度、βはレンズの最大外形部にて屈折した光とレンズの最大外形部の法線とがなす角度である。
ここで、距離Ｌは、レンズの頂点から該レンズに対応する発光部の蛍光体もしくは蛍光体がなければ発光素子までの距離よりも短いものとなるように設定されている。
そして、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、単一に焦点を結ばないレンズの、焦点が広がる範囲（図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したサグ毎における焦点の広がりの範囲）は、レンズの頂点から各焦点までの距離をｆとするとき、０≦ｆ≦Ｌとして定義できる。
また、本発明のレンズは、その第２の形態として、図１２に示すように、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれているとともに、該レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際にできる最小のスポット位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０との間にあるように設定されている。
図１３（ａ）、（ｂ）は、該レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際に単一に焦点を結び、その焦点位置（最小のスポット位置）が、該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０上にくるレンズ（図１３（ａ））、あるいは、該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子２０のレンズとは反対側のレンズから遠い位置にくるレンズ（図１３（ｂ））を示す図である。
図１３（ａ）、（ｂ）に示すようなレンズでは、その配光分布（光度分布）は図１４に示すようなものとなり、配光の端部がシャープとなっているため（配光の端部がボケていないため）、隣接する発光部間の間隔分のズレによる色ムラが認識できる程に明確になる。
これに対し、本発明の上述した第１、あるいは、第２の形態のレンズでは、その配光分布（光度分布）は図１５に示すようなものとなり、配光の端部がボケているため、隣接する発光部間の間隔分のズレによる色ムラを認識できないようにできる。すなわち、十分な混色を実現することができる。
このように、本発明では、各レンズＫ１１〜Ｋ４４に、上述した第１、あるいは、第２の形態のレンズが用いられることにより、光源装置の小型化（奥行の薄型化）を図ることができ、小型化（奥行の薄型化）を図る場合にも、十分な混色を実現することができる。
なお、本発明において、図５に示すように、レンズの入射面１４と該レンズに対応する発光部との間には、空気層１５を存在させるのが好ましい。すなわち、レンズの入射面１４と該レンズに対応する発光部との間に空気層が存在しないときには、配光分布（光度分布）は図１６（ａ）に示すようなものとなる。これに対し、レンズの入射面１４と該レンズに対応する発光部との間に空気層１５が存在するときには、配光分布（光度分布）は図１６（ｂ）に示すようなものとなる。図１６（ｂ）を図１６（ａ）と比べればわかるように、レンズの入射面１４と該レンズに対応する発光部との間に空気層１５を存在させるときには、光の指向特性（光の広がり）を効率的に絞ることができ、光利用効率を高めることができる。
なお、上述した各例では、発光部ＡおよびレンズアレイＫが、４×４の２次元配列で配置されている場合について説明したが、発光部ＡおよびレンズアレイＫは、Ｎ×Ｍ（（Ｎ≧１、Ｍ≧２）、または、（Ｎ≧２、Ｍ≧１））の所定の配列パターン配置をとることができる。
また、上述した例では、各発光素子がＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系のＬＥＤであるとしたが、各発光素子としては、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光するものであれば、任意のものを用いることができる。すなわち、各発光素子として、青色あるいは紫外のＬＥＤを用いることもできるし、青色あるいは紫外の半導体レーザーを用いることもできる。
また、上述した例では、複数の発光色として、赤色光（Ｒ）と緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）と黄色光（Ｙ）の組み合わせを用いたが、赤色光（Ｒ）と緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）の組み合わせ、青色光（Ｂ）と黄色光（Ｙ）の組み合わせ、白色光（Ｗ）と赤色光（Ｒ）の組み合わせ、白色光（Ｗ）と青色光（Ｂ）の組み合わせ、赤色光（Ｒ）と緑色光（Ｇ）と青色光（Ｂ）と白色光（Ｗ）の組み合わせ、高色温度白色光と低色温度白色光の組み合わせ、などを用いることもできる。
また、上述した例では、各レンズの入射面１４は平面形状のものとなっているが、各レンズの入射面１４を発光素子側に凸面形状のものとすることもできる。
また、本発明において、複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられている。すなわち、本発明においては、複数の発光部の全ての発光部に蛍光体が設けられている場合もあるし、複数の発光部のうちで、蛍光体が設けられた発光部以外の発光部（蛍光体が設けられていない発光部）が存在する場合もある。複数の発光部のうちで、蛍光体が設けられた発光部以外の発光部が存在する場合、蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとなっている。
本発明は、ディスプレイや照明機器などに利用可能である。
１ 光源装置
１０ 集積基板
１０ａ 隔壁
１１ ヒートスプレッダ
１４ レンズの入射面
１５ 空気層
２０ 蛍光体もしくは蛍光体がなければ発光素子
Ａ１１〜Ａ４４ 発光部
Ｆ１１〜Ｆ４４ 発光素子
Ｈ１１〜Ｈ４４ 蛍光体
Ｋ１１〜Ｋ４４ レンズ
Ａ 発光部
Ｋ レンズアレイ

Claims (3)

  1. 所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
    各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
    複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
    前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
    前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれていることを特徴とする光源装置。
  2. 所定の配列パターンで配置された複数の発光色を有する複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズとを有し、
    各発光部には、同じ温度特性および同じ発光特性を有し、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する発光素子が設けられ、
    複数の発光部のうちの少なくとも１つの発光部は、該発光部の発光素子上に、該発光部に対応した発光色に発光する蛍光体が設けられており、
    前記蛍光体が設けられた発光部以外の発光部は、該発光部の発光素子上に、拡散材を混入した透明な材料が設けられているか、もしくは、前記蛍光体および拡散材を混入した透明な材料のいずれも設けられていないものとし、
    前記複数の発光部のそれぞれに対応して設けられたレンズは、該レンズの光出射側から光軸方向に平行な平行光線を入射させたときの焦点位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあり、かつ、該レンズのサグに応じて前記焦点位置が光軸方向にずれているとともに、該レンズの光出射側から該レンズのレンズ面全体に光軸方向に平行な平行光線を入射させた際にできる最小のスポット位置が、該レンズと該レンズに対応する発光部の蛍光体、もしくは、拡散材を混入した透明な材料、もしくは、蛍光体および拡散材を混入した透明な材料がなければ発光素子との間にあることを特徴とする光源装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の光源装置において、前記レンズの入射面と該レンズに対応する発光部との間には、空気層が存在することを特徴とする光源装置。
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