JP2017011115A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置において、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）する発光装置の提供。【解決手段】光強度がガウシアン分布の光を放出する半導体発光素子１２と、光ファイバ１６と、光ファイバ１６で伝搬した半導体発光素子１２からの光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材１８と、保持部材２０とを備え、波長変換部材１８は保持部材２０の貫通穴２０ａの一方端部側に固定され、光ファイバ１６の出射端部１６ｂは貫通穴２０ａの他方端部側に固定され、貫通穴２０ａ内壁に反射面２４が形成されている。光ファイバ１６出射端部１６ｂと波長変換部材１８との間の距離は、出射端部１６ｂからの出射光のうち一部の光が直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が反射面２４で反射して波長変換部材１８を照射する距離とする。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に係り、特に、半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置に関する。

従来、半導体発光素子（レーザー光源）と波長変換層との間に拡散層を設け、半導体発光素子からの光（レーザー光）を拡散層で拡散させ、この拡散された光によって波長変換層を照射することで輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現するように構成された発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−６７９６１号公報

しかしながら、特許文献１においては、半導体発光素子からの光が拡散層で拡散（散乱）されることによって波長変換層を照射しない多くの散乱光を生じ、波長変換層を照射する半導体発光素子からの光が低下する結果、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率が著しく低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置において、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を伝搬して光強度がガウシアン分布となる光を放出する光ファイバと、前記光ファイバによって伝搬される前記半導体発光素子からの光を受けて前記光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材と、前記光ファイバ及び波長変換部材を保持する保持部材と、を備え、前記保持部材には、貫通穴が形成されており、前記波長変換部材は、前記貫通穴の一方の端部側に固定され、前記光ファイバの出射端部は、前記貫通穴の他方の端部側に固定され、前記貫通穴の内壁には、反射面が形成されており、前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離は、前記光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が直接前記波長変換部材を照射し、かつ残りの光が前記反射面で反射された後に前記波長変換部材を照射する距離とされていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置において、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

これは、光ファイバの出射端部と波長変換部材との間の距離が、光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が直接波長変換部材を照射し、かつ残りの光が反射面で反射された後に波長変換部材を照射する距離とされていることによるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、Wを前記波長変換部材の短辺長さとし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を奏することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、2Lを前記波長変換部材の直径とし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立することを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を奏することができる。

請求項４に記載の発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を伝搬して光強度がガウシアン分布となる光を放出する光ファイバと、前記光ファイバによって伝搬される前記半導体発光素子からの光を受けて前記光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材と、前記光ファイバ及び波長変換部材を保持する保持部材と、前記光ファイバの出射端部から出射する光を導光する導光体と、を備え、前記保持部材には、貫通穴が形成されており、前記光ファイバの出射端部は、前記貫通穴に挿入された状態で前記保持部材に固定されており、前記導光体は、前記光ファイバの軸の延長線に沿って延び、一端部側に前記光ファイバの出射端部に対向して配置される入射面を含み、かつ、他端部側に出射面を含み、前記波長変換部材は、導光体の出射面を覆った状態で当該導光体に固定されており、前記導光体の側面の少なくとも一部には、反射面が形成されており、前記導光体の前記光ファイバの軸の延長線に沿った長さは、前記光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が前記導光体を透過して直接前記波長変換部材を照射し、かつ残りの光が前記導光体内部において前記反射面で反射された後に前記導光体を透過して前記波長変換部材を照射する長さとされていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置において、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

これは、導光体の光ファイバの軸の延長線に沿った長さが、光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が導光体を透過して直接波長変換部材を照射し、かつ残りの光が導光体内部において反射面で反射された後に導光体を透過して波長変換部材を照射する長さとされていることことによるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、Wを前記波長変換部材の短辺長さとし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立することを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４と同様の効果を奏することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、2Lを前記波長変換部材の直径とし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立することを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、請求項４と同様の効果を奏することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項４から６のいずれか１項に記載の発明において、前記導光体は、下部導光体及び前記下部導光体の上面のうち前記光ファイバの軸の延長線を含む部分から当該光ファイバの軸の延長線に沿って延びる上部導光体を含み、前記上部導光体の外周面には、反射面が形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、請求項４と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、半導体発光素子と波長変換部材とを備えた発光装置において、半導体発光素子からの光の波長変換層に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

（ａ）発光装置１０の上面図、（ｂ）図１（ａ）に示す発光装置１０のＸ１−Ｘ２断面図である。 （ａ）光強度分布の例、（ｂ）発光装置１０の概略図である。 光強度分布の例である。 （ａ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に内接している例、（ｂ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している例である。 （ａ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している例、（ｂ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に内接している例、（ｃ）ビーム径2ｒ（光強度が最大値に対して1/e²の点）が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している例である。 光強度分布の例である。 （ａ）発光装置１０Ａの上面図、（ｂ）図７（ａ）に示す発光装置１０Ａの断面図である。 （ａ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に内接している例、（ｂ）直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している例である。 （ａ）発光装置１０Ａの上面図、（ｂ）図９（ａ）に示す発光装置１０ＡのＸ１−Ｘ２断面図である。 発光装置１０Ａの変形例の断面図である。 （ａ）ガウシアン分布のレーザービームのFWHMとなる径の円が、波長変換部材１８の直径長さを一辺とする正方形に外接している例、（ｂ）ガウシアン分布のレーザービームのFWHMとなる径の円が、波長変換部材１８の直径長さを一辺とする正方形に内接している例、（ｃ）ガウシアン分布のレーザービーム径の円が、波長変換部材１８の形状（外形）と一致している例である。

以下、本発明の第１実施形態である発光装置について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は発光装置１０の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す発光装置１０のＸ１−Ｘ２断面図である。

図１に示すように、本実施形態の発光装置１０は、半導体発光素子１２、半導体発光素子１２からの光（例えば、レーザー光）を集光する集光レンズ１４、集光レンズ１４によって集光された光を伝搬する光ファイバ１６、光ファイバ１６によって伝搬される光を受けて光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材１８（蛍光体板）、光ファイバ１６及び波長変換部材１８を保持するフェルール２０等を備え、波長変換部材１８と光ファイバ１６の出射端部１６ｂとが一定距離離れた状態で配置されたＬＤパッケージとして構成されている。発光装置１０は、車両用前照灯等の車両用灯具の光源、一般照明用の光源、レーザーモジュール等として用いることができる。

半導体発光素子１２は、光強度がガウシアン分布の光を放出する半導体発光素子、例えば、レーザー光（例えば、青色域のレーザー光）を発振するレーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体レーザー素子（レーザー光源）によって構成されている。半導体発光素子１２は、１つであってもよいし、複数であってもよい。半導体発光素子１２からの光は、集光レンズ１４によって集光されて光ファイバ１６によってフェルール２０（波長変換部材１８）まで伝搬される。

波長変換部材１８としては、例えば、黄色光を発光する蛍光体（蛍光体板）を用いることができる（半導体発光素子１２からの光が青色域のレーザー光である場合）。また、赤、緑、青の３色を発光する蛍光体を用いることもできる（半導体発光素子１２からの光が近紫外域のレーザー光の場合）。黄色光を発光する蛍光体としては、例えば、CeをドープしたYAGの板を用いることができる。

波長変換部材１８は、フェルール２０に形成された貫通穴２０ａの一方の端部に挿入された状態で透明シリコーン樹脂等の公知の手段によって当該貫通穴２０ａ内壁に固定されている。

光ファイバ１６によって伝搬される光（例えば、青色域のレーザー光）を受けた波長変換部材１８は、これを透過する青色域のレーザー光と青色域のレーザー光による発光（例えば、黄色光）との混色による白色光（疑似白色光）を放出する。

集光レンズ１４は、半導体発光素子１２からの光を集光するためのもので、半導体発光素子１２と光ファイバ１６（入射端部１６ａ）との間に配置されている。

光ファイバ１６は、コア及び当該コアの周囲を取り囲むクラッドを含んでいる。光ファイバ１６の材料は、耐熱性・耐光性及び透過率を考慮すると石英が望ましいが、これに限らず、ガラスであってもよいし、ＰＭＭＡ等のプラスチックであってもよい。また、光ファイバ１６の断面形状は、円形に限定されず、楕円形であってもよい。

光ファイバ１６は、その出射端部１６ｂがフェルール２０に形成された貫通穴２０ａの他方の端部に挿入された状態でフェルール２０の下面と光ファイバ１６とを接着剤で接着することで当該フェルール２０に固定されている。

集光レンズ１４によって集光された光は、光ファイバ１６の入射端部１６ａから光ファイバ１６（コア）内に導入されてコアとクラッドとの境界の全反射を利用してコア内部に閉じこめられた状態で光ファイバ１６の出射端部１６ｂまで伝搬されて、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する。光ファイバ１６（出射端部１６ｂ）は、光強度がガウシアン分布となる光を放出する。

フェルール２０は、円柱形状で、その中心軸ＡＸ₂₀（円柱軸）に沿って延びる貫通穴２０ａが形成されている。フェルール２０の材料としては、熱伝導率、加工性の良いアルミニウム、銅、ジルコニア等を用いることができる。

フェルール２０に形成された貫通穴２０ａは軸直交断面（中心軸ＡＸ₂₀に直交する断面）が波長変換部材１８の外形と同様の矩形形状の貫通穴で、その内壁面には反射率の高い金属反射膜２４（本発明の反射面に相当）、例えばAl反射膜が形成されている。

光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と波長変換部材１８（下面）との間の距離Ｄ２（図２（ｂ）参照）は、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光のうち一部の光が直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が、貫通穴２０ａの内壁面（反射膜２４）で反射された後に波長変換部材１８を照射する距離とされている。これにより、図２（ａ）に示すように、n部がm部によって補完されて光強度が均一になる（又は均一に近づく）。その結果、波長変換部材１８における輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）が実現される。

上記構成の発光装置１０においては、集光レンズ１４によって集光された半導体発光素子１２からの光は、光ファイバ１６の入射端部１６ａから光ファイバ１６（コア）内に導入されてコアとクラッドとの境界の全反射を利用してコア内部に閉じこめられた状態で光ファイバ１６の出射端部１６ｂまで伝搬されて、当該出射端部１６ｂから出射する。

そして、一部の光が直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が、貫通穴２０ａの内壁面（反射膜２４）で反射された後に波長変換部材１８（下面）を照射する。光ファイバ１６によって伝搬される光（例えば、青色域のレーザー光）を受けた波長変換部材１８は、これを透過する青色域のレーザー光と青色域のレーザー光による発光（例えば、黄色光）との混色による白色光（疑似白色光）を放出する。

その際、波長変換部材１８の側面からの光は内壁面（反射膜２４）により反射されるため、波長変換部材１８の側面からの光が波長変換部材１８表面以外の外部へ漏れるのが抑制される。

次に、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）の効果について説明する。以下、説明を簡略にするため、上面視が正方形の波長変換部材１８を想定して説明する。

図３は、各々の折り返し点（ｄ点、FWHM、ｂ点）で折り返す場合の相対強度を表している。

図３中の「ガウシアン分布」は、折り返し点を設けない場合の相対強度（ガウシアン分布）を表している。

図３中の「ＦＷＨＭで折り返す場合」は、ガウシアン分布の中心強度＝100%として、FWHMで折り返す場合の相対強度を表している。この場合、図３に示すように、強度比分布は、100〜112%の約12%となる。すなわち、最大強度(112%)と最小強度(100%)の差は、約12%となる。

なお、強度比分布とは、光ファイバ１６の出射端部１６ｂと波長変換部材１８との間に反射面（反射膜２４）で囲まれた貫通穴や導光体（後述の導光体２２）がない場合における、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから波長変換部材１８に光強度がガウシアン分布を有する光が照射されたときに波長変換部材１８内で最大の強度で光を受ける場所（中心部）の光強度を100%として規格化したときの、光ファイバ１６の出射端部１６ｂと波長変換部材１８との間に反射面（反射膜２４）で囲まれた貫通穴や導光体（後述の導光体２２）がある場合における波長変換部材１８内の光強度分布のことである。

図３中の「ｂ点で折り返す場合」は、図４（ａ）に示すように直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に内接している場合において、ｂ点で折り返す場合の相対強度（図４（ａ）中、波長変換部材１８の中心と点bとを結ぶ線上における相対強度）を表している。この場合、波長変換部材１８の中心と点bとを結ぶ線上における強度比分布は、図３に示すように、50〜100%の約50%となる。すなわち、最大強度(100%)と最小強度(50%)の差は約50%となる。

よって、図４（ａ）の場合、正方形波長変換部材１８内全体での強度比分布は62%(50〜112%)となる。すなわち、最大強度(112%)と最小強度(50%)の差は62%となる。

これに対して、折り返さない場合、 b点の相対強度は25%程度であり、強度比分布は85%(25〜100%)となるため（すなわち、最大強度(100%)と最小強度(25%)の差は85%となるため）、上記のように折り返すことで、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

図３中の「ｄ点で折り返す場合」は、図４（ｂ）に示すように直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している場合において、ｄ点で折り返す場合の相対強度（図４（ｂ）中、波長変換部材１８の中心と点ｄとを結ぶ線上における相対強度）を表している。この場合、波長変換部材１８の中心と点ｄとを結ぶ線上における強度比分布は、図３に示すように、151〜152%の約1%となる。すなわち、最大強度(152%)と最小強度(151%)の差は約1%となる。

よって、図４（ｂ）の場合、正方形波長変換部材１８内全体での強度比分布は52%(100〜152%)となる。すなわち、最大強度(152%)と最小強度(100%)の差は52%となる。

これに対して、折り返さない場合、ｂ点の相対強度は50%程度であり、強度比分布は50%(50〜100%)となるため（すなわち、最大強度(100%)と最小強度(50%)の差は50%となるため）、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）の効果としては同程度であるが、上記のように折り返すことで、高輝度化を実現することができる。

光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と波長変換部材１８（下面）との間の距離Ｄ２（図２（ｂ）参照）は、次のようにして求めることができる。

tanθ_na＝（1/2・r−1/2・φ_core）÷D2
＝（1/2（W／ｆFWHM-1/2・φ_core）÷D2・・・（式１）
但し、θ_na：光ファイバ１６の拡散角、ｒ：照射径、φ_core：光ファイバ１６のコア径、W：波長変換部材１８の短辺長さ、ｆFWHM：照射径に対する半値幅FWHMの比率（予め測定して求める）である。

式１を変形すると、次の式となる。

D2=（1/2（W/fFWHM）-1/2・φ_core）÷tanθ_na・・・（式２）
この式２に、各パラメータとして、tanθ_na：0.213、φ_core：0.2[mm]、W：0.4[mm]、FWHM：0.6、を代入することで、D2を求めることができる。

D2=（1/2（0.4/0.6）-1/2・0.2）÷0.213
＝0.233÷0.213
＝1.09[mm]
光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と折り返し点との間の距離Ｄ１（図２（ｂ）参照）は、次のようにして求めることができる。

tanθ_na＝（1/2・W−1/2・φ_core）÷D1・・・（式３）
この式３に、上記各パラメータを代入することで、D1を求めることができる。

D1=（1/2・0.4−1/2・0.2）÷0.213
＝0.1÷0.213
＝0.47[mm]
次に、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）の効果が得られる範囲について説明する。

折り返しの範囲の下限に関して、図５（ａ）のd点で折り返した場合において、高輝度化の効果は得られるがこれ以上折り返しの範囲を狭めると輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）の効果が得られなくなってしまう。

よって折り返しの点の下限はｄ点すなわち波長変換部材１８の短辺の長さが１/√２・FWHMの場合とする。

次に、折り返しの範囲の上限に関して、図５（ｃ）のようにビーム径ｒ（光強度が最大値に対して1/e²の点）が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接する場合において、1/2r点で折り返した場合、波長変換部材１８の中心と点1/2ｒとを結ぶ線上における強度比分布は、32〜100%の約68%となる。すなわち、最大強度(100%)と最小強度(32%)の差は約68%となる。

よって、図５（ｃ）の場合、正方形波長変換部材１８内全体での強度比分布は68%となる。

これに対して、折り返さない場合、1/2ｒ点の相対強度は13.5%程度であり、強度比分布は86.5%(13.5〜100%)となるため（すなわち、最大強度(100%)と最小強度(13.5%)の差は86.5%となるため）、上記のように折り返すことで、輝度分布の均一化を実現することができる（図６参照）。

以上より、輝度分布の均一化を実現することができる波長変換部材１８のサイズ（＋貫通穴２０ａのサイズ）を表す次の式が導かれる。

特に（１/√２）×FWHM≦Ｗ≦FWHMが望ましい（図５（ｂ）参照）。

次に、FWHMとrの関係について検討する。rは照射径、つまりガウシアン分布のビーム強度において、ビーム強度がピーク強度の1/e²になる径である。そのため、rは、標準偏差σを用いて次の式で表される。

さらに、FWHMは半値幅、つまりガウシアン分布のビーム強度において、ビーム強度がピーク強度の半分になる径である。そのため、FWHMは、標準偏差σを用いて次の式で表される。

これらの関係から、照射径に対する半値幅の比率fFWHMは、次の式で表される。

この結果を式４に代入すると、次の式が導かれる。

D2,θ_na,φ_core,rの関係は、次の式で表される。

式９からｒを求め、これを式８に代入することで、次の式が導かれる。

ここで、tanθ_na、φ_coreはそれぞれ所与の値をとる。したがって、この式１０を満足するようにWとD2を求めることで、輝度分布の均一化を実現することができる。

例えば、tanθ_na=0.213,φ_core=0.2[mm],W=0.4[mm]の場合、これらを式１０に代入すると次のようになる。

式１０の左辺は、次の式で表される。

式１０の右辺は、次の式で表される。

したがって、W=0.4[mm]の場合、0.859[mm]≦D2≦1.879[mm]を満たすようにD2を定めることで、輝度分布の均一化を実現することができる。

発光装置１０は、次のようにして製造することができる。

まず、フェルール２０を用意する。次に、フェルール２０に形成された貫通穴２０ａに反射率の高い金属反射膜２４、例えばAl反射膜を形成する。次に、波長変換部材１８をフェルール２０に形成された貫通穴２０ａの一方の端部に挿入し、その状態で透明シリコーン樹脂等の公知の手段によって当該貫通穴２０ａ内壁に固定する。次に、光ファイバ１６の出射端部１６ｂをフェルール２０に形成された貫通穴２０ａの他方の端部に挿入し、その状態で、フェルール２０の下面と光ファイバ１６とを接着剤で接着することで当該フェルール２０に固定する。

以上のようにして、発光装置１０を製造することができる。

本実施形態によれば、半導体発光素子１２と波長変換部材１８とを備えた発光装置１０において、半導体発光素子１２からの光の波長変換部材１８に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

これは、光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と波長変換部材１８（下面）との間の距離Ｄ２が、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光のうち一部の光が直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が反射面で反射された後に波長変換部材１８を照射する距離とされていることによるものである。

次に、変形例について説明する。

図７は、発光装置１０の変形例の概略図である。

第１実施形態との主な相違点は、第１実施形態では、上面視が正方形の波長変換部材１８を用いていたのに対して、本変形例では、上面視が例えば0.4×0.8mmの矩形の波長変換部材１８Ａを用いている点、及び、第１実施形態では、１本の光ファイバ１６を用いていたのに対して、本変形例では、２本の光ファイバ１６を用いている点である。各々の光ファイバ１６は、図７に示すように並列的に隣接して配置されている。

本変形例によっても、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

これは、第１実施形態の効果に加え、さらに、図７、図８に示すように、α領域において各々の光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光が相互に補完し合うことによることによるものである。

図８（ａ）に示すように、直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に内接している場合において、点dは各々の光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光（ガウシアン分布）の足し合わせにより点oの輝度に対し100%（又は108%）となる。また、点bは各々の光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光（ガウシアン分布）の足し合わせにより約50%となる。

よって、図８（ａ）の場合、0.4×0.8mmの矩形波長変換部材１８内全体での強度比分布は58%(50〜108%)となる。すなわち、最大強度(108%)と最小強度(50%)の差は約58%となる。

図８（ｂ）に示すように、直径FWHMの円が波長変換部材１８の短辺長さを一辺とする正方形に外接している場合において、点dは各々の光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光（ガウシアン分布）の足し合わせにより点oの輝度に対し143%となる。また、点bは各々の光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光（ガウシアン分布）の足し合わせにより約100%となる。

よって、図８（ｂ）の場合、0.4×0.8mmの矩形波長変換部材１８内全体での強度比分布は43%(100〜143%)となる。すなわち、最大強度(143%)と最小強度(100%)の差は約43%となる。

以上より、0.4×0.8mmの矩形波長変換部材１８の強度分布比は、0.4×0.4mm正方形波長変換部材１８と光ファイバ１６との組み合わせ（例えば、図４（ｂ）参照）を二つ並列的に隣接して配置したものと同等となる。

なお、光ファイバ１６は、２本に限らず、３本以上であってもよいのは無論である。光ファイバ１６の本数が３本以上であっても、光ファイバ１６一本に対して正方形波長変換部材１８が対応するように波長変換部材１８のサイズを決めることで、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

図１１は、発光装置１０の他の変形例の概略図である。

第１実施形態との主な相違点は、第１実施形態では外形が矩形の波長変換部材１８を用いていた（図５参照）のに対して、本変形例では外形が円形の波長変換部材１８Ｂを用いている（図１１参照）点である。

波長変換部材１８Ｂの直径を2Lとしたとき、その充たすべき要件は以下のようになる。

第１実施形態と同様の式変形を行うと、次の式が導かれる。

ここで、tanθ_na、φ_coreはそれぞれ所与の値をとる。したがって、この式１２を満足するようにLとD2を求めることで、輝度分布の均一化を実現することができる。

次に、本発明の第２実施形態である発光装置について、図面を参照しながら説明する。

図９（ａ）は発光装置１０Ａの上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す発光装置１０ＡのＸ１−Ｘ２断面図である。

第１実施形態との主な相違点は、図９に示すように、本実施形態の発光装置１０Ａは、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光を導光する導光体２２をさらに備えている点である。

以下、第１実施形態である発光装置１０との相違点を中心に説明し、第１実施形態である発光装置１０と同様の構成については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。

フェルール２０は、円柱形状で、その中心軸ＡＸ₂₀（円柱軸）に沿って延びる貫通穴２０ａが形成されている。

貫通穴２０ａは、上部貫通穴２０ａ１及びこれより小径の下部貫通穴２０ａ２を含んでいる。

導光体２２は、光ファイバ１６の軸の延長線に沿って延びた形状で、一端部側に光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）に対向して配置される入射面２２ａ１を含み、かつ、他端部側に出射面２２ｂ１を含んでいる。導光体２２の材料としては、アクリル等の透明樹脂、ガラス等の他、透明性の高いサファイア等を用いることができる。具体的には、導光体２２は、下部導光体２２ａ及び下部導光体２２ａの上面のうち光ファイバ１６の軸の延長線を含む部分から当該光ファイバ１６の軸の延長線に沿って延びる上部導光体２２ｂを含んでいる。

波長変換部材１８は、導光体２２（上部導光体２２ｂ）の出射面２２ｂ１を覆った状態で当該導光体２２に固定されている。波長変換部材１８と導光体２２は一体焼成品であってもよいし、透明シリコーン樹脂によって接着されていてもよい。

下部導光体２２ａの軸直交断面は、上部貫通穴２０ａ１の軸直交断面と略同一の円形状とされている。上部導光体２２ｂの軸直交断面は、波長変換部材１８の軸直交断面と同様の矩形形状とされている。上部導光体２２ｂの外周面及び下部導光体２２ａの下面（光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）が対向する領域、すなわち、レーザー光が入射する入射面２２ａ１を除く）には反射率の高い金属反射膜２４（本発明の反射面に相当）、例えばAl反射膜が形成されている。

導光体２２とフェルール２０とは、下部導光体２２ａの下面に形成された金属反射膜２４とフェルール２０の上部貫通穴２０ａ１の底面とを金属接合することで接合されている。図９中の符号２６は、接合部材層を表している。

下部導光体２２ａの上面と上部導光体２２ｂ（及び波長変換部材１８）の外周面（側面）とフェルール２０に形成された上部貫通穴２０ａ１の内壁とで囲まれた空間には、封止部材２８が充填されている。封止部材２８は、例えば、高反射材入り樹脂であるTiO₂添加シリコーン樹脂で、波長変換部材１８の側面等に密着してこれを覆っている。

光ファイバ１６は、その出射端部１６ｂが下部貫通穴２０ａ２に挿入されて光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と下部導光体２２ａ（入射面２２ａ１）とが面接触（又は略面接触）した状態でフェルール２０の下面と光ファイバ１６とを接着剤で固定することで当該フェルール２０に固定されている。

導光体２２の光ファイバ１６の軸の延長線に沿った長さＤ２は、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光のうち一部の光が導光体２２を透過して直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が導光体２２内部において反射膜２４で反射された後に導光体２２を透過して波長変換部材１８を照射する長さとされている。これにより、図２（ａ）に示すのと同様に、n部がm部によって補完されて光強度が均一になる（又は均一に近づく）。その結果、波長変換部材１８における輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）が実現される。

上記構成の発光装置１０Ａにおいては、集光レンズ１４によって集光された半導体発光素子１２からの光は、光ファイバ１６の入射端部１６ａから光ファイバ１６（コア）内に導入されてコアとクラッドとの境界の全反射を利用してコア内部に閉じこめられた状態で光ファイバ１６の出射端部１６ｂまで伝搬されて、当該出射端部１６ｂから出射する。

そして、入射面２２ａ１から導光体２２内に導入されて、一部の光が導光体２２を透過して（出射面２２ｂ１から出射して）直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が導光体２２内部において反射膜２４で反射された後に導光体２２を透過して（出射面２２ｂ１から出射して）波長変換部材１８を照射する。導光体２２によって導光される光（例えば、青色域のレーザー光）を受けた波長変換部材１８は、これを透過する青色域のレーザー光と青色域のレーザー光による発光（例えば、黄色光）との混色による白色光（疑似白色光）を放出する。

その際、波長変換部材１８の側面からの光は充填された高反射樹脂等の封止部材２８により反射されるため、波長変換部材１８の側面からの光が波長変換部材１８表面以外の外部へ漏れるのが抑制される。また、レーザ入射方向と逆方向へ向かった光は、導光体２２の下面に形成されたダイクロック膜と金属膜２４によって反射されるため、波長変換部材１８表面以外の外部へ漏れるのが抑制される。

導光体２２の光ファイバ１６の軸の延長線に沿った長さD2は、上記式２に、各パラメータとして、tanθ_na（導光体２２がサファイアの場合）：0.119、φ_core：0.2[mm]、W：0.4[mm]、FWHM：0.6を代入することで求めることができる。

D2=（1/2（0.4/0.6）-1/2・0.2）÷0.119
＝0.233÷0.119
＝1.96[mm]
光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と折り返し点との間の距離Ｄ１は、上記式３に上記各パラメータを代入することで求めることができる。

D1=（1/2・0.4−1/2・0.2）÷0.119
＝0.1÷0.213
＝0.84[mm]
本実施形態においても、第１実施形態と同様、上記式１０を満足するようにWとD2を求めることで、輝度分布の均一化を実現することができる。

発光装置１０Ａは、次のようにして製造することができる。

まず、導光体２２を用意する。次に、上部導光体２２ｂの外周面及び下部導光体２２ａの下面（光ファイバ１６の出射端面が対向する領域、すなわち、入射面２２ａ１を除く）にAl反射膜等の反射膜２４、バンプ実装の場合はその後裏面に接合のためのTi/Pd/Au膜を形成する。

次に、導光体２２をフェルール２０に形成された上部貫通穴２０ａ１に挿入し、下部導光体２２ａの下面に形成された金属反射膜２４とフェルール２０の上部貫通穴２０ａ１の底面とを金属接合する。なお、金属接合に代えて、Agフィラー入りシリコーン樹脂等の接合剤を用いてもよい。

次に、下部導光体２２ａの上面と上部導光体２２ｂ（及び波長変換部材１８）の外周面（側面）とフェルール２０に形成された上部貫通穴２０ａ１の内壁とで囲まれた空間に高反射材入り樹脂であるTiO₂添加シリコーン樹脂等の封止部材２８を充填し、硬化させる。

次に、光ファイバ１６の出射端部１６ｂをフェルール２０に形成された下部貫通穴２０ａに挿入し、光ファイバ１６の出射端部１６ｂ（出射端面）と下部導光体２２ａ（入射面２２ａ１）とが面接触（又は略面接触）した状態で、フェルール２０の下面と導光体２２とを接着剤で接着することで当該フェルール２０に固定する。

以上のようにして、発光装置１０Ａを製造することができる。

本実施形態によれば、半導体発光素子１２と波長変換部材１８とを備えた発光装置１０Ａにおいて、半導体発光素子１２からの光の波長変換部材１８に対する照射効率の低下を抑制しつつ、輝度分布の均一化（輝度ムラの改善）を実現することができる。

これは、導光体２２の光ファイバ１６の軸の延長線に沿った長さが、光ファイバ１６の出射端部１６ｂから出射する光のうち一部の光が導光体２２を透過して直接波長変換部材１８を照射し、かつ残りの光が導光体２２内部において反射面で反射された後に導光体２２を透過して波長変換部材１８を照射する長さとされていることことによるものである。

次に、変形例について説明する。

第２実施形態では外形が矩形の波長変換部材１８を用いたが、これに代えて、外形が円形の波長変換部材を用いてもよい。

この場合、上記式１２を満足するようにLとD2を求めることで、輝度分布の均一化を実現することができる。

また、第２実施形態では、導光体２２として、下部導光体２２ａ及び上部導光体２２ｂを含む断面が凸形状のものを用いる構成について例示したが、これに限らず、例えば、図１０に示すように、下部導光体２２ａを省略し、上部導光体２２ｂに相当する部分のみを含むものを用いてもよい。

上記実施形態及び各変形例で示した各数値は全て例示であり、これと異なる適宜の数値を用いることができる。

上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。

１０、１０Ａ…発光装置、１２…半導体発光素子、１４…集光レンズ、１６…光ファイバ、１６ａ…入射端部、１６ｂ…出射端部、１８、１８Ａ…波長変換部材、２０、２０Ａ…フェルール、２０ａ…貫通穴、２０ａ１…金属反射膜、２０ａ…上部貫通穴、２０ａ…下部貫通穴、２２…導光体、２２ａ…下部導光体、２２ｂ…上部導光体

Claims (7)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子からの光を伝搬して光強度がガウシアン分布となる光を放出する光ファイバと、
   前記光ファイバによって伝搬される前記半導体発光素子からの光を受けて前記光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材と、
   前記光ファイバ及び波長変換部材を保持する保持部材と、を備え、
   前記保持部材には、貫通穴が形成されており、
   前記波長変換部材は、前記貫通穴の一方の端部側に固定され、
   前記光ファイバの出射端部は、前記貫通穴の他方の端部側に固定され、
   前記貫通穴の内壁には、反射面が形成されており、
   前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離は、前記光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が直接前記波長変換部材を照射し、かつ残りの光が前記反射面で反射された後に前記波長変換部材を照射する距離とされている発光装置。
2. D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、Wを前記波長変換部材の短辺長さとし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立する請求項１に記載の発光装置。
   

   
3. D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、2Lを前記波長変換部材の直径とし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立する請求項１に記載の発光装置。
   

   
4. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子からの光を伝搬して光強度がガウシアン分布となる光を放出する光ファイバと、
   前記光ファイバによって伝搬される前記半導体発光素子からの光を受けて前記光の少なくとも一部を異なる波長の光に変換する波長変換部材と、
   前記光ファイバ及び波長変換部材を保持する保持部材と、
   前記光ファイバの出射端部から出射する光を導光する導光体と、を備え、
   前記保持部材には、貫通穴が形成されており、
   前記光ファイバの出射端部は、前記貫通穴に挿入された状態で前記保持部材に固定されており、
   前記導光体は、前記光ファイバの軸の延長線に沿って延び、一端部側に前記光ファイバの出射端部に対向して配置される入射面を含み、かつ、他端部側に出射面を含み、
   前記波長変換部材は、導光体の出射面を覆った状態で当該導光体に固定されており、
   前記導光体の側面の少なくとも一部には、反射面が形成されており、
   前記導光体の前記光ファイバの軸の延長線に沿った長さは、前記光ファイバの出射端部から出射する光のうち一部の光が前記導光体を透過して直接前記波長変換部材を照射し、かつ残りの光が前記導光体内部において前記反射面で反射された後に前記導光体を透過して前記波長変換部材を照射する長さとされている発光装置。
5. D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、Wを前記波長変換部材の短辺長さとし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立する請求項４に記載の発光装置。
   

   
6. D2を前記光ファイバの出射端部と前記波長変換部材との間の距離とし、2Lを前記波長変換部材の直径とし、θ_naを前記光ファイバから放出される光の広がり角とし、φ_coreを前記光ファイバのコア径としたとき、以下の式が成立する請求項４に記載の発光装置。
   

   
7. 前記導光体は、下部導光体及び前記下部導光体の上面のうち前記光ファイバの軸の延長線を含む部分から当該光ファイバの軸の延長線に沿って延びる上部導光体を含み、
   前記上部導光体の側面には、反射面が形成されている請求項４から６のいずれか１項に記載の発光装置。

Images