JP2015022955A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部材の構成を簡略化することが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、励起光Ｌ１を出射する複数の励起光源２と、複数の励起光源２が取り付けられる取付面４１ａ、及び取付面４１ａに対して傾斜して形成され、複数の励起光源２から出射された励起光Ｌ１を反射する反射面４２ａを有する台座４と、蛍光体を含有し、反射面４２ａで反射された励起光Ｌ１を受けて蛍光Ｌ２を放射する蛍光部材３とを備え、取付面４１ａに沿って出射された励起光Ｌ１が、反射面４２ａで反射して集光され、蛍光部材３に入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光により蛍光体を励起させて蛍光を発する光源装置に関する。

従来、光源装置として励起光源から出射される励起光を受けて励起光とは異なる波長の蛍光を放射するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の光源装置は、点光源が必要とされるプロジェクターに用いられる。この光源装置は、励起光（レーザ光）を出射する光源部と、光源部から出射された励起光を集光し、かつ平行化するコリメート光学系と、励起光のみを選択的に反射させて光路を曲げるダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーで反射した励起光を集光するピックアップ光学系と、励起光を受けて蛍光を放射する蛍光体層とを備えている。光源部は、基台上に複数のレーザ光源が配置されたレーザ光源アレイである。

コリメータ光学系は、集光レンズ及び平行化レンズから構成され、光源部から出射された励起光は、集光レンズで集光された後に平行化レンズを透過することにより、励起光全体として光束の細い平行光となる。ピックアップ光学系は、凸レンズ及び片凸レンズから構成され、コリメータ光学系を透過してダイクロイックミラーで反射された励起光の光軸上に配置され、励起光を蛍光体層に集光する。

特開２０１２−１９９０７５号公報

特許文献１に記載の光源装置では、蛍光を集光させて点光源を得るために、コリメータ光学系、ピックアップ光学系、及びダイクロイックミラー等の光学部材の構成が複雑化していた。これに伴い、光源装置全体の大型化やコストの増加が問題となる可能性があった。

そこで、本発明は、光学部材の構成を簡略化することが可能な光源装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、励起光を出射する複数の励起光源と、前記複数の励起光源が取り付けられる取付面、及び前記取付面に対して傾斜して形成され、前記複数の励起光源から出射された前記励起光を反射する反射面を有する台座と、蛍光体を含有し、前記反射面で反射された前記励起光を受けて蛍光を放射する蛍光部材とを備え、前記取付面に沿って出射された前記励起光が、前記反射面で反射して集光され、前記蛍光部材に入射する光源装置を提供する。

本発明に係る光源装置によれば、光学部材の構成を簡略化することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光源装置の構成例を示し、（ａ）は側面から見た模式図、（ｂ）は台座の部分拡大図である。 光源装置の励起光源、蛍光部材、及び台座を図１のＡ矢視方向から見た平面模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光源装置の構成例を示す模式図である。

［第１の実施の形態］
本発明に係る光源装置は、例えばプロジェクター等の高出力点光源が必要とされる機器に用いられる。本発明の第１の実施の形態に係る光源装置について、図１及び図２を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光源装置１の構成例を示し、（ａ）は側面から見た模式図、（ｂ）は台座４の部分拡大図である。図２は、光源装置１の励起光源２、蛍光部材３、及び台座４を図１のＡ矢視方向から見た平面模式図である。なお、図２では、蛍光部材３を二点鎖線で示している。

光源装置１は、励起光Ｌ１を出射する複数の励起光源２と、励起光Ｌ１を受けて蛍光Ｌ２を放射する蛍光部材３と、複数の励起光源２を取り付けるための台座４と、蛍光Ｌ２をコリメート光Ｌ３に変換する変換用レンズとしてのコリメータレンズ５とを備えている。

励起光源２は、例えば発光ダイオード（LED;Light Emitting Diode）やレーザダイオード（LD;Laser Diode）等の半導体素子を有している。励起光源２の出射部２１から出射される励起光Ｌ１は、本実施の形態では、発光強度のピークが４５０ｎｍ付近である青色レーザ光である。なお、励起光源２は、後述する蛍光体を励起させることができる波長の光であれば、４５０ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を出射する励起光源であってもよい。

複数の励起光源２は、それぞれ複数のレーザ光源を一体に有するレーザ光源アレイを用いてもよい。この場合、より多くの励起光Ｌ１を蛍光部材３に入射させることができるため、より多くの蛍光Ｌ２を取り出すことが可能である。

台座４は、複数の励起光源２が取り付けられる平坦な取付面４１ａが形成された取付部４１と、取付面４１ａに対して傾斜して形成され、複数の励起光源２の出射部２１から出射された励起光Ｌ１を反射面４２ａで反射させて集光する反射部４２とを一体に有している。

台座４は、放熱性を有しており、例えば金属等の熱伝導率の高いものや、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミックから形成されている。これにより、複数の励起光源２から発生した熱が台座４に伝達されて外部に放熱される。また、台座４の表面は、反射面としての機能を有している。

反射部４２には、後述する蛍光部材３の裏面３ｂに対向する対向面４２ｂが形成され、反射面４２ａは、対向面４２ｂから取付面４１ａに向かって連続して形成されている。反射面４２ａと取付面４１ａとがなす角は、取付面４１ａに取り付けられた励起光源２から出射された励起光Ｌ１が反射面４２ａで反射して蛍光部材３に精度よく入射するように設定されている。本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、反射面４２ａと取付面４１ａとがなす角θは鈍角であり、θが１３５°以上であると望ましい。また、取付面４１ａと対向面４２ｂとは、実質的に平行である。

図２に示すように、取付部４１は、その周縁が八角形状に形成されている。反射部４２は、取付部４１と同心に形成され、対向面４２ｂの周縁が八角形状である。本実施の形態では、複数の励起光源２は、反射部４２の周囲に８つ配置されている。より具体的には、取付面４１ａに対して垂直な方向（図１のＡ矢視方向）から見て、反射部４２を囲むように等間隔に配置されている。

蛍光部材３は、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の光透過性を有する透光部材に粒子状の蛍光体が含有されてなる。本実施の形態では、点光源を得るために、蛍光部材３は一辺が２ｍｍ〜３ｍｍ程度の板状に形成されている。

蛍光部材３は、台座４の反射面４２ａで反射された励起光Ｌ１を裏面３ｂ（台座４に対向する面）で受けて、蛍光部材３の内部に分散する蛍光体の励起により表面３ａ（裏面３ｂとは反対側の面）から蛍光Ｌ２を放射させる。

蛍光体は、本実施の形態では、励起光Ｌ１（青色レーザ光）を吸収して、発光強度のピークが５３０ｎｍ付近である緑色の蛍光Ｌ２に変換する。蛍光体は、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体やＳｉＡｌＯＮ（サイアロン）系の蛍光体等に代表される青色励起緑色蛍光体が用いられている。

コリメータレンズ５は、蛍光部材３の表面３ａに対向して配置されている。蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２は、コリメータレンズ５で平行化されてコリメート光Ｌ３となる。コリメータレンズ５は、放射された蛍光Ｌ２をより多く収集するために開口数ＮＡが大きいものを用いるとよい。なお、コリメータレンズ５は、凹レンズと凸レンズとを組み合わせてなるガリレオ式レンズを用いてもよいし、凸レンズ同士を組み合わせてなるケプラー式レンズを用いてもよい。

なお、本実施の形態では、変換用レンズとして、蛍光Ｌ２をコリメート光Ｌ３に変換するコリメータレンズ５を用いたが、これに限らず、用途に応じたレンズを用いることが可能である。蛍光部材３及びコリメータレンズ５は、それぞれ図略の支持部材により支持されている。

（光源装置１の動作）
次に、光源装置１の動作について、図１を参照して説明する。

複数の励起光源２の出射部２１から取付面４１ａに沿って出射された励起光Ｌ１は、反射面４２ａにて反射して集光される。反射面４２ａで反射して集光された励起光Ｌ１は、蛍光部材３の裏面３ｂから入射する。

次に、裏面３ｂから入射した励起光Ｌ１によって蛍光部材３の内部に分散する蛍光体が励起され、蛍光部材３から蛍光Ｌ２が放射される。蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２は、コリメータレンズ５に入射する。コリメータレンズ５には、蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２のうち表面３ａから放射された蛍光Ｌ２が、主として入射される。

コリメータレンズ５に入射した蛍光Ｌ２は、コリメート光Ｌ３に変換されて外部機器に伝搬される。なお、蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２のうちコリメータレンズ５に入射せずにその周辺に散乱した蛍光Ｌ２を台座４の表面で反射させることにより、コリメータレンズ５に入射させることが可能である。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第１の実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。

（１）台座４に設けられた反射部４２は、複数の励起光源２の出射部２１から出射された励起光Ｌ１を反射面４２ａで反射させて蛍光部材３に集光させるため、別途反射用ミラーや集光レンズ等の光学部材を削減することが可能である。したがって、光源装置１の全体の大型化やコストの増加を低減することが可能である。

（２）複数の励起光源２の出射部２１から出射された励起光Ｌ１を反射面４２ａで反射させて蛍光部材３に集光させることにより、平面視（図２）において、反射部４２よりも小さな蛍光部材３に励起光Ｌ１を集めることができ、蛍光部材３から放射される蛍光Ｌ２を点光源化できる。

（３）反射面４２ａで反射して集光された励起光Ｌ１は、蛍光部材３の裏面３ｂから入射し、コリメータレンズ５には、蛍光部材３の表面３ａから放射された蛍光Ｌ２が入射されるため、蛍光Ｌ２の光路を励起光Ｌ１によって遮られることなくコリメータレンズ５に蛍光Ｌ２を入射させることが可能である。

（４）複数の励起光源２は、それぞれ複数のレーザ光源を一体に有するレーザ光源アレイを用いることにより、より多くのコリメート光Ｌ３を得ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図３を参照して説明する。図３において、第１の実施の形態に係る光源装置１について説明したものと同一の機能を有する部位については共通する符号を付し、その重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光源装置１０の構成例を示す模式図である。

（光源装置１０の構成）
本実施の形態に係る光源装置１０は、第１の実施の形態に係る光源装置１の構成とは異なり、台座４と蛍光部材３との間に、第１のレンズ５１及び第２のレンズ５２と、第１のレンズ５１と第２のレンズ５２との間に配置されたダイクロイックミラー６とをさらに備えている。

第１のレンズ５１は、ダイクロイックミラー６よりも台座４側に配置され、反射面４２ａで反射して集光された励起光Ｌ１を平行化する。第２のレンズ５２は、ダイクロイックミラー６よりも蛍光部材３側に配置され、ダイクロイックミラー６を透過した励起光Ｌ１を蛍光部材３に集光すると共に、蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２を平行化する。

本実施の形態では、第１のレンズ５１及び第２のレンズ５２は、励起光Ｌ１及び蛍光Ｌ２をそれぞれ平行化するコリメータレンズを用いているが、これに限らず、用途に応じたレンズを用いることが可能である。

ダイクロイックミラー６は、例えばガラスに金属酸化物を積層させてなる誘電体多層膜を鏡面に形成させたものであり、特定の波長の光を選択的に反射し、その他の波長の光を透過する。本実施の形態では、蛍光Ｌ２の波長の範囲（５００ｎｍ〜６００ｎｍ）の光を選択的に反射し、発光強度のピークが４５０ｎｍ付近である励起光Ｌ１を含むその他の波長の光を透過する。

ダイクロイックミラー６は、台座４の取付面４１ａに対して傾斜するように配置され、第２のレンズ５２で平行化された蛍光Ｌ２を反射する。本実施の形態では、ダイクロイックミラー６と取付面４１ａとがなす角は鋭角である。ダイクロイックミラー６、第１のレンズ５１、及び第２のレンズ５２は、それぞれ図略の支持部材により支持されている。

蛍光部材３は、支持部材としての支持板３０に取り付けられている。より具体的には、蛍光部材３の裏面３ｂが、例えば接着剤等により支持板３０の表面３０ａに固定されている。支持板３０は、放熱性を有しており、例えば熱伝導率の高い金属から形成されている。

蛍光部材３は、分散した蛍光体が、蛍光部材３の厚み方向において、中心部及び支持板３０側（裏面３ｂ側）の近傍よりも表面３ａ側に高密度に分布している。すなわち、蛍光体は、蛍光部材３の表面３ａ側に偏って分布している。

蛍光部材３は、第２のレンズ５２の焦点に配置され、第２のレンズ５２から出射された励起光Ｌ１を表面３ａで受ける。蛍光部材３に入射された励起光Ｌ１が表面３ａの近傍における蛍光体を励起させることにより、表面３ａから蛍光Ｌ２が放射される。

支持板３０は、その表面３０ａが反射面として機能しており、第２のレンズ５２から出射された励起光Ｌ１及び蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２の一部が、支持板３０の表面３０ａで反射される。

（光源装置１０の動作）
次に、光源装置１０の動作について説明する。

複数の励起光源２の出射部２１から取付面４１ａに沿って出射された励起光Ｌ１は、反射面４２ａにて反射して集光される。反射面４２ａで反射して集光された励起光Ｌ１は、第１のレンズ５１で平行化される。なお、励起光源２は、第１の実施の形態と同様に、複数のレーザ光源を一体に有するレーザ光源アレイを用いてもよい。

第１のレンズ５１で平行化された励起光Ｌ１は、ダイクロイックミラー６を透過して第２のレンズ５２に入射する。第２のレンズ５２から出射された励起光Ｌ１は、蛍光部材３の表面３ａから入射する。そして、表面３ａから入射した励起光Ｌ１によって表面３ａの近傍における蛍光体が励起され、表面３ａから第２のレンズ５２側に向かって蛍光Ｌ２が放射される。

蛍光部材３の表面３ａから放射された蛍光Ｌ２は、第２のレンズ５２で集光されてコリメート光Ｌ３に変換される。第２のレンズ５２から出射されたコリメート光Ｌ３は、ダイクロイックミラー６において台座４の取付面４１ａに対して平行な方向に反射されて外部機器に伝搬される。

（第２の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の（１）〜（４）の作用及び効果の他に、以下の（５）〜（８）の作用及び効果が得られる。

（５）台座４と蛍光部材３との間に設けられた第１のレンズ５１及び第２のレンズ５２で反射面４２ａで反射して集光された励起光Ｌ１を蛍光部材３に向かってさらに集光させることにより、蛍光部材３から放射される蛍光Ｌ２を点光源化することが可能である。

（６）第２のレンズ５２の焦点に蛍光部材３を配置することにより、蛍光部材３に当たる励起光Ｌ１の範囲を分散させて焼き付きを抑制することができる。

（７）蛍光部材３は、放熱性を有する支持板３０に取り付けられているため、蛍光部材３から出た熱を効率よく放熱することができる。

（８）支持板３０の表面３０ａは反射面としての機能を有するため、第２のレンズ５２から出射された励起光Ｌ１のうち蛍光部材３に入射されずにその周辺に散乱した励起光Ｌ１を支持板３０の表面３０ａで反射させることにより、蛍光部材３に入射させることができる。同様にして、蛍光部材３から放射された蛍光Ｌ２のうち第２のレンズ５２に集光されずにその周辺に散乱した蛍光Ｌ２を支持板３０の表面３０ａで反射させることにより、第２のレンズ５２に入射させることができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］励起光（Ｌ１）を出射する複数の励起光源（２）と、複数の励起光源（２）が取り付けられる取付面（４１ａ）、及び取付面（４１ａ）に対して傾斜して形成され、複数の励起光源（２）から出射された励起光（Ｌ１）を反射する反射面（４２ａ）を有する台座（４）と、蛍光体を含有し、反射面（４２ａ）で反射された励起光（Ｌ１）を受けて蛍光（Ｌ２）を放射する蛍光部材（３）とを備え、取付面（４１ａ）に沿って出射された励起光（Ｌ１）が、反射面（４２ａ）で反射して集光され、蛍光部材（３）に入射する光源装置（１，１０）。

［２］蛍光部材（３）の表面（３ａ）に対向して配置され、蛍光部材（３）から放射された蛍光（Ｌ２）を平行光または収束光に変換する変換用レンズをさらに備え、反射面（４２ａ）で反射して集光された励起光（Ｌ１）は蛍光部材（３）の裏面（３ｂ）から入射し、変換用レンズには、蛍光部材（３）の表面（３ａ）から放射された蛍光（Ｌ２）が入射される、［１］に記載の光源装置（１）。

［３］台座（４）と蛍光部材（３）との間に、第１のレンズ（５２）及び第２のレンズ（５３）と、第１のレンズ（５１）と第２のレンズ（５２）との間に配置されたダイクロイックミラー（６）とをさらに備え、第１のレンズ（５１）は、ダイクロイックミラー（６）よりも台座（４）側に配置され、反射面（４２ａ）で反射して集光された励起光（Ｌ１）を平行化し、第２のレンズ（５２）は、ダイクロイックミラー（６）よりも蛍光部材（３）側に配置され、ダイクロイックミラー（６）を透過した励起光（Ｌ１）を蛍光部材（３）に集光すると共に、蛍光部材（３）から放射された蛍光（Ｌ２）を平行化し、ダイクロイックミラー（６）は、平行化された蛍光（Ｌ２）を反射し、第２のレンズ（５２）から出射された励起光（Ｌ１）は、蛍光部材（３）の表面（３ａ）から入射し、第２のレンズ（５２）には、蛍光部材（３）の表面（３ａ）から放射された蛍光（Ｌ２）が入射される、［１］に記載の光源装置（１０）。

［４］蛍光部材（３）は、放熱性を有する支持部材（支持板３０）に取り付けられ、励起光（Ｌ１）及び蛍光（Ｌ２）は、その一部が、支持部材（支持板３０）の表面（３０ａ）で反射される、［３］に記載の光源装置（１０）。

［５］励起光源（２）は、反射面（４２ａ）が形成された反射部（４２）の周囲に複数配置されている、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の光源装置（１，１０）。

［６］励起光源（２）は、複数のレーザ光源を一体に有するレーザ光源アレイである、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の光源装置（１，１０）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、励起光Ｌ１として青色レーザ光を用い、蛍光Ｌ２として緑色光を用いたが、これに限らず、用途に応じて変更可能である。

また、上記実施の形態では、台座４は、取付部４１の周縁が八角形状に形成されていたが、これに限らず、例えば矩形状や円形状でもよく、形状に関して特に制限はない。

また、励起光源２の数及び配置に関して、特に制限はない。

１，１０…光源装置、２…励起光源、３…蛍光部材、３ａ…表面、３ｂ…裏面、４…台座、５…コリメータレンズ、６…ダイクロイックミラー、２１…出射部、３０…支持板（支持部材）、３０ａ…表面、４１…取付部、４１ａ…取付面、４２…反射部、４２ａ…反射面、４２ｂ…対向面、５１…第１のレンズ、５２…第２のレンズ、Ｌ１…励起光、Ｌ２…蛍光、Ｌ３…コリメート光

Claims (6)

1. 励起光を出射する複数の励起光源と、
   前記複数の励起光源が取り付けられる取付面、及び前記取付面に対して傾斜して形成され、前記複数の励起光源から出射された前記励起光を反射する反射面を有する台座と、
   蛍光体を含有し、前記反射面で反射された前記励起光を受けて蛍光を放射する蛍光部材とを備え、
   前記取付面に沿って出射された前記励起光が、前記反射面で反射して集光され、前記蛍光部材に入射する
   光源装置。
2. 前記蛍光部材の表面に対向して配置され、前記蛍光部材から放射された前記蛍光を平行光または収束光に変換する変換用レンズをさらに備え、
   前記反射面で反射して集光された前記励起光は前記蛍光部材の裏面から入射し、前記変換用レンズには、前記蛍光部材の前記表面から放射された前記蛍光が入射される、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記台座と前記蛍光部材との間に、第１のレンズ及び第２のレンズと、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置されたダイクロイックミラーとをさらに備え、
   前記第１のレンズは、前記ダイクロイックミラーよりも前記台座側に配置され、前記反射面で反射して集光された前記励起光を平行化し、
   前記第２のレンズは、前記ダイクロイックミラーよりも前記蛍光部材側に配置され、前記ダイクロイックミラーを透過した前記励起光を前記蛍光部材に集光すると共に、前記蛍光部材から放射された前記蛍光を平行化し、
   前記ダイクロイックミラーは、平行化された前記蛍光を反射し、
   前記第２のレンズから出射された前記励起光は、前記蛍光部材の表面から入射し、前記第２のレンズには、前記蛍光部材の前記表面から放射された前記蛍光が入射される、
   請求項１に記載の光源装置。
4. 前記蛍光部材は、放熱性を有する支持部材に取り付けられ、
   前記励起光及び前記蛍光は、その一部が、前記支持部材の表面で反射される、
   請求項３に記載の光源装置。
5. 前記励起光源は、前記反射面が形成された反射部の周囲に複数配置されている、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光源装置。
6. 前記励起光源は、複数のレーザ光源を一体に有するレーザ光源アレイである、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の光源装置。

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