JP2017107776A - 発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体に照射されるレーザ光の強度が部分的に強くなることを抑え、蛍光体の輝度飽和や温度消光、劣化を防止した発光装置を提供する。
【解決手段】複数のレーザ光を出射するレーザ光源１００と、レーザ光源１００から出射された複数のレーザ光が入射され、入射された複数のレーザ光を収束光に変換する非球面レンズ１２０と、非球面レンズ１２０からの収束光が励起光として照射され、蛍光を発生する蛍光体１３０とを備え、複数のレーザ光は、水平方向と垂直方向の拡がり角が異なり、該拡がり角が小さい方向に並んだ状態で、非球面レンズ１２０に入射し、非球面レンズ１２０は、拡がり角が大きい方向における光強度を均一にする機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子からレーザ光を蛍光体に照射し、蛍光体から蛍光を発生させる発光装置、および発光装置より発生した蛍光を照明光として利用する照明装置に関する。

半導体レーザ素子を利用した照明装置には、スポット照明、車両用前照灯、プロジェクター、内視鏡照明などがあるが、いずれもイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）に代表される蛍光体に、波長が４００ｎｍ近傍、又は４５０ｎｍ近傍のレーザ光を集光照射し、蛍光体が励起されることにより発生する蛍光、又は蛍光と励起光の散乱成分から成る放射光を照明光源として利用している。半導体レーザ素子を使用する照明光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用した照明に比べ、発光点のサイズを小さくできることから、照明装置の輝度が高くなる。この結果、投射光学系により平行度の高い照明光を得ることができる為、ビームをぼかさず遠方を照射することができ、放射光を前方に照射する為の光学系を小型にすることも可能となる。

従来、この半導体レーザ素子に蛍光体を組み合わせた照明装置の例として、特許文献１では、１枚の集光レンズを用いて、半導体レーザ素子から出射したレーザ光を励起光として蛍光体に照射し、蛍光体より蛍光を発生させ、この蛍光を反射面により前方に照射する照明装置が提案されている。

特開２００５−１５００４１号公報

しかしながら、上記の従来の照明装置では、高輝度且つ高出力の照明光を作り出すことを目的に高出力のレーザ光を蛍光体上に小さく絞ると、光密度が高くなり過ぎ、励起される電子が枯渇するため、蛍光体における変換効率が飽和する、いわゆる輝度飽和が発生する。また、温度の上昇に伴う蛍光体の温度消光が起きる場合もある。更に、蛍光体の耐熱温度を越えて温度が上がり過ぎると蛍光体自体が焼けてしまい劣化してしまう問題がある。

本発明は上記の問題を鑑みなされたものであり、蛍光体に照射されるレーザ光の強度が部分的に強くなることを抑え、蛍光体の輝度飽和や温度消光、劣化を防止した発光装置、およびその発光装置より発生した蛍光を照明光として利用する照明装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る発光装置は、複数のレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射された複数のレーザ光が入射され、入射された前記複数のレーザ光を収束光に変換する非球面レンズと、非球面レンズからの収束光が励起光として照射され、蛍光を発生する蛍光体とを備え、複数のレーザ光は、水平方向と垂直方向の拡がり角が異なり、拡がり角が小さい方向に並んだ状態で、非球面レンズに入射し、非球面レンズは、前記拡がり角が大きい方向における光強度を均一にする機能を有することを特徴とする。

このような構成の発光装置では、非球面レンズから蛍光体に向かう収束光は、レーザ光の拡がり角が大きい方向の光強度が非球面レンズの働きにより均一化され、レーザ光の拡がり角が小さい方向の光強度が複数のレーザ光の重なり合いにより均一化される。このため、水平方向及び垂直方向の両方向において光強度が均一化された光を、蛍光体に照射することが可能となる。

本発明の一形態に係る発光装置は、蛍光体が非球面レンズを通過する光の近軸光線が像を結ぶ焦点面よりも非球面レンズ側にずれた位置に配置されていることが好ましい。

この場合、平方向及び垂直方向の両方向における光強度が最も均一化される位置に、蛍光体を配置することが出来る。

本発明の一形態に係る発光装置は、複数のレーザ光の発光領域が、拡がり角の小さい方向に並んでいることが好ましい。

この場合、レーザ素子の発光領域の位置により、非球面レンズに入射するレーザ光の並ぶ方向と間隔を調整することができる。

本発明の一形態に係る発光装置は、レーザ光源が１つの素子構造に複数の発光領域を有する半導体レーザ素子を備えることが好ましい。

この場合、複数の発光領域を小さな間隔で周期的に配置することができ、発光領域の間隔が最適化された半導体レーザ素子を用いることにより、非球面レンズに入射する複数のレーザ光の重なり具合を最適化することができる。

本発明の一形態に係る照明装置は、上記の本発明の発光装置と、発光装置から発生した蛍光を所定方向に放出する光学部材とを備えたことを特徴とする。

このような構成の照明装置では、水平方向及び垂直方向の両方向において強度が均一化された光を照射することにより発生した蛍光を、照明光として外部に放出することが可能となる。

本発明によれば、水平方向及び垂直方向の両方向において光強度が均一化された光が励起光として蛍光体に照射され、蛍光体の輝度飽和や温度消光、劣化を防止した発光装置、およびその発光装置より発生した蛍光を照明光として利用する照明装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す垂直断面図である。 実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す水平断面図である。 実施形態１に係る発光装置で用いられる半導体レーザ素子の概略構成と電流経路を示す斜視図である。 実施形態１において半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の放射形状を示す図である。 実施形態１で用いた非球面レンズに単一のレーザ光を入射させ、非球面レンズからの収束光の強度分布が均一となる面での水平方向、垂直方向での光の強度分布の測定結果を示す図である。 実施形態１において蛍光体と焦点面との間の任意のＡ−Ａ位置での強度分布を示す図である。 実施形態１において蛍光体が配置されたＢ−Ｂ位置での強度分布を示す図である。 実施形態１において非球面レンズと蛍光体との間のＣ−Ｃ位置での強度分布を示す図である。 実施形態１において蛍光体から外部に放出される光の波長分布を示す図である。 本発明の実施形態２に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す垂直断面図、図２は本発明の実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す水平断面図である。図１および図２には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の三次元直交座標軸を示しており、図１の垂直断面はｙ−ｚ面の断面であり、図２の水平断面はｘ−ｚ面の断面である。

実施形態１の発光装置は、図１及び図２に示すように、レーザ光源１００と、非球面レンズ１２０と、蛍光体１３０とを備える。

レーザ光源１００は、複数のレーザ光を出射する光源であり、半導体レーザ素子１０１と、ステム１０２と、電極ピン１０３と、サブマウント１０４と、保護キャップ１０５と、窓部１０６とを備え、ステム１０２と保護キャップ１０５と窓部１０６とにより１つのパッケージを構成している。このパッケージ内には半導体レーザ素子１０１が収容されており、具体的には、ステム１０２の内面にサブマウント１０４が取り付けられており、サブマウント１０４上に半導体レーザ素子１０１が固定されている。半導体レーザ素子１０１は、レーザ光が窓部１０６からパッケージ外部に出射する向きに配備されている。ステム１０２からは、半導体レーザ素子１０１に電力を供給するための電極ピン１０３が外部に出ている。

レーザ光源１００は、筒状のハウジング１４０の一方側の面の穴部に嵌め込み固定されており、電極ピン１０３がハウジング１４０の一方側の面から外部に突出している。半導体レーザ素子１０１からはレーザ光がハウジング１４０内に向かって出射される。非球面レンズ１２０は、レンズホルダー１２１を介してハウジング１４０の内面に固定されている。非球面レンズ１２０には、半導体レーザ素子１０１からのレーザ光が入射する。非球面レンズ１２０は、レーザ光源１００から出射された複数のレーザ光が入射され、入射された複数のレーザ光を収束光に変換する。

蛍光体１３０は透明基板１３１の上に積層形成されている。ハウジング１４０の他方側には、開口部を有する固定部材１３２が取り付けられている。ハウジング１４０の他方側は開口しており、その開口に固定部材１３２の開口部が位置している、透明基板１３１は固定部材１３２に開口部を塞ぐように固定されており、その開口部の位置に蛍光体１３０が存在する。蛍光体１３０には非球面レンズ１２０を通過したレーザ光が入射する。蛍光体１３０は、非球面レンズ１２０からの収束光が励起光として照射され、蛍光を発生する。透明基板１３１は、蛍光体１３０へのレーザ光の照射によって生じる熱を放熱するため、熱伝導率の高い材料からなる固定部材１３２に直接接触、又は放熱グリースを介して固定されている。

図３は実施形態１の発光装置で用いられる半導体レーザ素子１０１の概略構成と電流経路を示す斜視図、図４は半導体レーザ素子１０１から出射されるレーザ光の放射形状を示す図である。なお、図３及び図４にもｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の三次元直交座標軸が示されており、半導体レーザ素子１０１がレーザ光源１００に実装されたときの座標軸であり、図１及び図２に示した三次元直交座標軸と一致している。

半導体レーザ素子１０１は、図３に示すように、ＧａＮ等の半導体基板１６３上に、ＡｌＧａＮ等からなるｎ型クラッド層１６４、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層等からなるＭＱＷの活性層１６５、ＡｌＧａＮ等からなるｐ型クラッド層１６６がエピタキシャル成長によって積層されている。ｐ型クラッド層１６６には、２つのリッジ部１６６ａ、１６６ｂが形成されている。ｐ型クラッド層１６６上には、リッジ部１６６ａ、１６６ｂが形成されていない平坦面及びリッジ部１６６ａ、１６６ｂの側面に絶縁層１６７が形成され、リッジ部１６６ａ、１６６ｂにｐ側電極１６８が形成されている。半導体基板１６３の下面にはｎ側電極１６２が形成されている。

ｎ側電極１６２及びｐ側電極１６８は、Ａｕをベースとした合金等の蒸着などによって形成されており、ｐ側電極からｎ側電極の方向に電流が流れるように電圧を加えることにより、リッジ部１６６ａ、１６６ｂの下方の活性層の領域で光の誘導放出が発生する。この時、ｎ型クラッド層１６４とｐ型クラッド層１６６の屈折率は、その間に形成された活性層１６５の屈折率より低いため、光は薄い活性層１６５の中に閉じ込められる。また、ｐ型クラッド層１６６の外側に形成されるｐ側電極１６８は、ストライプ状に形成されており、また、それ以外の領域に絶縁層１６７が形成されている為、電流が流れる範囲がｐ側電極１６８のストライプ幅の範囲に限定される構造になっている。この結果、発光領域の水平方向の大きさが限定される。これら垂直、水平の両方向に限定された空間で発生する光が、活性層１６５の前後の壁開端面の間で無数に光の反射を繰り返すことで、光が増幅されレーザ光の外部放出に至る。

実施形態１では、レーザ光源１００は、１つの素子構造に複数の発光領域を有する半導体レーザ素子１０１を備える。半導体レーザ素子１０１は、波長４５０ｎｍの青色のレーザ光を出射する２つの発光領域を有するマルチエミッタ構造であり、具体的には、リッジ部１６６ａの下方の部分が第１レーザ光を出射する第１発光領域１０１ａとなり、リッジ部１６６ｂの下方の部分が第２レーザ光を出射する第２発光領域１０１ｂとなる。第１発光領域１０１ａと第２発光領域１０１ｂは離間しており、第１発光領域１０１ａと第２発光領域１０１ｂとの発光中心間の距離は、リッジ部１６６ａ、１６６ｂ間の距離で制御され、数十〜数百μｍである。また、第１発光領域１０１ａ、第２発光領域１０１ｂは、同じ結晶成長プロセスにより形成されるため、第１発光領域１０１ａ、第２発光領域１０１ｂから出射されるレーザ光はほぼ同じ光学特性を有しており、それら波長や放射光の拡がり角は、ほぼ同一の特性である。なお、半導体レーザ素子１０１の外形サイズは、水平方向（ｘ軸方向）が発光領域の数とその間隔に応じた長さで数百μｍ〜数ｍｍ、上下方向（ｙ軸方向）方向は百μｍ前後、前後方向（ｚ軸方向）は、数百μｍ〜数ｍｍのオーダーである。

半導体レーザ素子１０１の第１発光領域１０１ａ、第２発光領域１０１ｂから放出されるレーザ光は、図４に示すように、一定の角度で楕円錐状に拡がる発散光として放射される。各発光領域の大きさは、結晶成長によりｎｍオーダーで制御が可能である垂直方向が数μｍ以下、リッジ部の幅で決まる水平方向が数μｍ〜百μｍのオーダーである。この為、レーザ光は、発光領域の幅が狭い垂直（ｙ軸）方向には、回折によって大きく拡がり、発光領域の幅が広い水平（ｘ軸）方向は垂直方向に比べ、概ね１／２〜１／５程度の狭い拡がり角になる。各発光領域の発光中心間の距離は、上記のとおり、数十〜数百μｍの間隔しかないため、半導体レーザ素子１０１の出射側端面から１ｍｍ離れるよりも前に、第１発光領域からのレーザ光と第２発光領域からのレーザ光は、水平方向において重なり始める。実施形態１の発光装置では、図３及び図４により説明した半導体レーザ素子１０１が、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の向きが図１、図２に一致するように、サブマウント１０４上に固定されており、第１発光領域からのレーザ光と第２発光領域からのレーザ光は、非球面レンズ１２０が配置されている位置では、ほぼ全領域が重なり合った状態になっている。

次に、本発明の非球面レンズ１２０について説明する。

非球面レンズ１２０は半導体レーザ素子１０１から発散光として出射するレーザ光を収束光に変換する光学素子である。非球面レンズ１２０は屈折力に内外周差があり、非球面レンズ１２０からの収束光は、図１に示すように、非球面レンズ１２０の近軸光線１１６が焦点面１５０に結像し、非球面レンズ１２０の外周部を通る光線１１７が焦点面１５０からずれた位置１５５に結像する。この非球面レンズ１２０の内周側と外周側の焦点位置の差を球面収差という。球面収差は、非球面レンズ１２０の中心部から周辺方向に向かって屈折力が増すことにより発生する。焦点面におけるビームスポットをできるだけ小さく絞るためにはこれを極力排除する必要があることから、一般に市販されている非球面レンズでは、この球面収差が限りなくゼロになるように非球面レンズの非球面形状が設計されている。このことから、逆に非球面形状を調整することで、あえて球面収差の量を増やし、レンズ外周部の焦点位置を焦点面の前後に調整することも可能である。

一方、図１に示すように、球面収差を有する非球面レンズ１２０、つまり非球面レンズ１２０の外周方向に向かって屈折力が増すレンズを使い、ガウシアン強度分布のレーザ光を絞ると、強度の弱い外周側の光線１１７が内側に集まり、近軸光線１１６と重なる効果により、焦点面より手前側に光の強度分布が均一となる面が存在する。この光の強度分布が均一となる面は、非球面レンズ１２０の外周部の屈折力を非球面形状の設計によって制御し、球面収差量を変えることにより、焦点面１５０と非球面レンズ１２０の間の任意の位置に調整することできる。

図５は実施形態１で用いた非球面レンズ１２０に単一のレーザ光を入射させ、非球面レンズ１２０からの収束光の強度分布が均一となる面での水平（ｘ軸）方向、垂直（ｙ軸）方向での光の強度分布を測定し、その結果を示した図である。図５（ａ）は、レーザ光の形状とその強度分布を反転グレースケールで示すビームプロファイルの図、図５（ｂ）は水平方向における光の強度（積分値）分布を示す図、図５（ｃ）は垂直方向における光の強度（積分値）分布を示す図である。この測定結果を得るために非球面レンズ１２０に入射させたレーザ光はｘ軸方向に小さく、ｙ軸方向に大きい拡がり角を有する放射形状である。

図５の測定結果により、レーザ光の拡がり角が大きいｙ軸方向における光の強度分布は、図５（ｃ）に示されるように、非球面レンズの球面収差の作用によってトップハットの形状に均一化されるが、レーザ光の拡がり角が小さいｘ軸方向における光の強度分布は、図５（ｂ）に示されるように、トップハットの形状にはならず、均一化されないことが判った。これは、レーザ光の拡がり角は小さい場合、レーザ光は非球面レンズの近軸領域のみを通過するために外周通過光の補正効果が得られないためであると考えられる。すなわち、半導体レーザ素子からの非光軸対称なレーザ光を、光軸対称の形状をしている非球面レンズで強度分布の均一化を図っても、水平、垂直どちらか一方向にしか均一化できないという問題がある。

実施形態１の発光装置では、半導体レーザ素子１０１の第１発光領域１０１ａと第２発光領域１０１ｂとが、レーザ光の拡がり角が小さい水平（ｘ軸）方向に並ぶように配置されている。つまり、複数のレーザ光は、水平方向と垂直方向の拡がり角が異なり、該拡がり角が小さい方向に並んだ状態で、非球面レンズ１２０に入射する。半導体レーザ素子１０１のレーザ光の出射側端面は、非球面レンズ１２０の主平面と平行であり、第１発光領域１０１ａおよび第２発光領域１０１ｂは、非球面レンズ１２０から等距離にある。

実施形態１の発光装置では、図２に示すように、第１発光領域１０１ａからのレーザ光１１０ａと第２発光領域１０１ｂからのレーザ光１１０ｂとが、ほぼ重なり合った状態で非球面レンズ１２０に入射する。非球面レンズ１２０に入射したレーザ光１１０ａ、１１０ｂは、収束光１１１ａ、１１１ｂに変換され、重なり合った状態で蛍光体１３０に照射される。収束光１１１ａ、１１１ｂは、蛍光体１３０が無い場合には、その位置を通った後、焦点面１５０で完全に分離した状態で結像する。

次に、実施形態１の発光装置において、非球面レンズ１２０と焦点面との間での収束光１１１ａ、１１１ｂの強度分布について説明する。図６は蛍光体１３０と焦点面１５０との間の任意のＡ−Ａ位置（図２参照）での強度分布、図７は蛍光体１３０が配置されたＢ−Ｂ位置（図１及び図２参照）での強度分布、図８は非球面レンズ１２０と蛍光体１３０との間のＣ−Ｃ位置（図２参照）での強度分布を夫々示している。図６、図７、図８において、（ａ）はレーザ光の形状とその強度分布を反転グレースケールで示すビームプロファイルの図、（ｂ）は水平（ｘ軸）方向における光の強度（積分値）分布を示す図、（ｃ）は垂直（ｙ軸）方向における光の強度（積分値）分布を示す図である。

図６及び図８に示すように、蛍光体１３０が配置された位置より前後の位置（Ａ−Ａ位置、Ｃ−Ｃ位置）では、光強度は双峰性または単峰性のピークを有する分布になるが、図７に示すように、蛍光体１３０が配置されたＢ−Ｂ位置では、水平方向、垂直方向の両方において、トップハットの形状に均一化された光強度分布になっている。これは、垂直方向においては、図５の場合と同様に非球面レンズ１２０の作用により強度分布が均一化され、水平方向においては、２つの収束光１１１ａ、１１１ｂの光強度のガウス分布が重なり合い、その和が均一な強度分布になるためである。つまり、非球面レンズ１２０は、水平方向と垂直方向の拡がり角が大きい方向における光強度を均一にする機能を有する。本実施形態では、このような光の強度分布が得られる位置に蛍光体１３０が配置されるように調整されている。つまり、蛍光体１３０は、非球面レンズ１２０を通過する光の近軸光線が像を結ぶ焦点面よりも非球面レンズ１２０側にずれた位置に配置されている。

なお、蛍光体１３０の位置調整以外に、均一な光強度分布を得るための調整方法としては、蛍光体１３０の位置を固定して半導体レーザ素子１０１と非球面レンズ１２０との距離を調整する方法がある。具体的には、半導体レーザ素子１０１のｚ軸方向の位置を調整する、又は非球面レンズ１２０のｚ軸方向の位置を調整することにより、２つの収束光１１１ａ、１１１ｂの焦点面１５０の位置を変化させ、これによりＢ−Ｂ位置での２つの収束光の重なり具合を変化させ、蛍光体１３０で図７のような均一な光強度分布が得られるように調整すればよい。

また、本実施形態で使用した非球面レンズ１２０は、Ｂ−Ｂ位置で、垂直（ｙ軸）方向の光強度分布が均一化するように、半導体レーザ素子１０１から出射されるレーザ光の垂直（ｙ軸）方向の拡がり角に合わせ、球面収差が最適化されたレンズである。

蛍光体１３０は非球面レンズ１２０からの収束光１１１ａ、１１１ｂの合成光を励起光として、その一部をより大きな波長の分布をもった蛍光に変換し、外部に放出する。また蛍光に変換されなかった励起光の残り成分も、蛍光体粒子や蛍光体のバインダー、および混入された粒子によって散乱され蛍光体外部に放出される。蛍光も、励起光の散乱光も、蛍光体形成面に対して垂直な２方向にランバーシアン分布で放出される。人の視覚は目に入るそれら放出光の和を、蛍光と散乱光の比率に応じた色として認識するため、その比率を蛍光体の厚さや密度で適切に制御することで、白色、又は任意の色に見える波長分布を形成することができる。

図９は、蛍光体１３０から外部に放出される光の波長分布を示す図である。図９において、波長４５０ｎｍにおける光強度のピークは蛍光体１３０で蛍光に変換されずに散乱された励起光によるもので、そのピークよりも大きな波長における光強度は、蛍光体１３０で蛍光に変換された光成分によるものである。そして、図９に示す波長成分の光が人間には白色に見える。

以上のように、実施形態１の発光装置では、半導体レーザ素子１０１から出射された２つのレーザ光１１０ａ、１１０ｂが１つの非球面レンズに入射して収束光となり、蛍光体１３０に励起光と照射され、蛍光体１３０からは蛍光が発生する。このとき、蛍光体１３０に照射される収束光は、図７に示すように、水平方向及び垂直方向の両方向において、トップハットの形状の均一な強度分布を有するスポット状の光である。このため、蛍光体１３０に照射される励起光の強度が部分的に強くなることはなく、光密度の増加による輝度飽和、また温度上昇に伴う温度消光や劣化が防止される。

実施形態１では、非球面レンズ１２０に２つのレーザ光を入射させたが、３つ以上のレーザ光を入射させてもよい。この場合、各レーザ光を出射する半導体レーザ素子の発光領域の間隔を等間隔にすればよく、１つの素子構造で３つ以上の発光領域を有するマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子を用いれば容易に実現できる。また、マルチエミッタ構造の半導体レーザ素子を用いずに、１つの素子構造に１つの発光領域を有する半導体レーザ素子を用いて、これらの実施形態と同様に非球面レンズに複数のレーザ光を入射させてもよい。

また、本実施形態では、半導体レーザ素子１０１からのレーザ光の波長を４５０ｎｍの青色光としたが、蛍光体の励起波長であれば他の波長の可視光、又は紫外光でなくても構わない。但し、紫外光の場合は、発光装置の仕様に応じた可視領域のスペクトルを蛍光のみで生成する必要があり、複数の波長分布が必要となる場合は、蛍光体を混ぜるか積層して使用する。

また、半導体レーザ素子１０１の水平横モードはシングルモードでもマルチモードでも良いが、一般的にはマルチモードレーザの方が高出力である為、より高輝度な発光装置を得るためにはマルチモードが望ましい。

また、本実施形態では、半導体レーザ素子１０１の発光領域の間隔を、数十μｍ〜数百μｍとしたが、この間隔は、できるだけ小さい方がレンズに入射するレーザ光の利用効率が上がり、また水平方向の光強度分布が均一になるｚ方向の位置が焦点面に近づくため、結果的に蛍光体に照射される照射レーザ光のスポットサイズを小さくすることができ、蛍光体からの光の輝度も上がる。このため、半導体レーザ素子の発光領域の間隔は、可能であれば百μｍ以下にすることが望ましい。

（実施形態２）
実施形態２は本発明の発光装置を用いた反射型の照明装置である。図１０は実施形態２の照明装置の概略構成を示す断面図である。

実施形態２の照明装置は、図１０に示すように、２つのレーザ光を出射するマルチエミッタ構造の半導体レーザ素子２００と、半導体レーザ素子２００出射されたレーザ光を収束光に変換する非球面レンズ２２０と、非球面レンズ２２０からの収束光を励起光として照射される蛍光体２３０と、蛍光体２３０から放射された光を反射して外部（所定方向）に放出するリフレクター２６０（光学部材）とを備える。

リフレクター２６０は、非球面レンズ２２０と蛍光体２３０の間に配置されており、非球面レンズ２２０からの収束光が蛍光体２３０に向けて通過するための貫通穴が設けられている。リフレクター２６０は、蛍光体２３０側の面に放物面状の凹部からなる反射面２６１が形成されている。リフレクター２６０には、反射面２６１を構成する凹部を塞ぐように透明基板２３１が取り付けられており、透明基板２３１の反射面２６１側の面の中央部分に蛍光体２３０が付いている。蛍光体２３０は、輝度を高めるために数百μｍ〜数ｎｍ幅の正方形、又は長方形、又は円形や楕円形に形状をしている。また、蛍光体２３０と透明基板２３１との間には、放射される蛍光と散乱光を励起光の入射面側に反射するため、金やアルミニウム、またはそれらの合金などでできた全反射膜が形成されている。

半導体レーザ素子２００は、動作時に高温になる為、その放熱対策としてアルミニウムや銅など熱伝導率の高い金属からなる放熱フィン２７０に、放熱グリースを介して接触している。また、リフレクター２６０の反射面２６１とは反対側の面には固定部材２８０が取り付けられており、固定部材２８０の中心孔の内部に半導体レーザ素子２００と非球面レンズ２２０が取り付けられている。

実施形態２の照明装置では、実施形態１の発光装置と同様に、半導体レーザ素子２００から出射された２つのレーザ光は、１つの非球面レンズ２２０に入射して収束光となり、蛍光体２３０に励起光として照射され、蛍光体２３０からは蛍光が発生する。蛍光体２３０に照射される収束光は、図７に示すように、水平方向及び垂直方向の両方向において、トップハットの形状の均一な強度分布を有するスポット状の光である。このため、蛍光体２３０に照射される励起光の強度が部分的に強くなることはなく、光密度の増加による輝度飽和、また温度上昇に伴う温度消光や劣化が防止される。

蛍光体２３０から発生した蛍光は、リフレクター２６０に向かい反射面２６１で反射される。反射面２６１で反射された光は、透明基板２３１を透過して外部に照明光２９０として放出される。

本実施形態の照明装置は、スポット照明や、車両用前照灯など、遠方にある狭い領域を照らすことを目的としている。このため、リフレクター２６０の反射面２６１は放物面をしており、蛍光体２３０をその放物面の焦点位置に配置することで、平行光を外部に照射する構成となっている。尚、照明光を発散光として前方に投射する目的で、反射面を回転楕円面にしても構わない。

なお、本実施形態では、蛍光体２３０が形成された位置以外の面から、リフレクター２６０からの反射光が外部に放出される構成になっているため、透明基板２３１の表裏全面にＡＲコーティングが施されている。また、励起光の照射により蛍光体２３０が発する熱は、透明基板２３１から放熱される。従って、透明基板２３１の材質は、透明ガラス、又は放熱の効果を重視するならば、より熱伝導率が高いサファイアガラスが適している。

また、実施形態２の照明装置では、蛍光体２３０からの蛍光をリフレクター２６０の反射面２６１で反射させ所定方向に放出する構成としたが、例えば、図１及び図２の実施形態１の発光装置において、蛍光体１３０と焦点面１５０の間に遠方照射用の投写レンズ（光学部材）を配置して照明装置を構成してもよい。この場合、蛍光体１３０からランバーシアン分布で発生した蛍光、及び励起光の散乱成分を、略平行光として所定方向の遠方に放出することが可能となる。

以上、本発明の発光装置及び照明装置について、実施形態１及び２に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態１又は２に施したものや、実施形態１及び２における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、蛍光体に照射されるレーザ光の強度が部分的に強くなることを抑え、蛍光体の輝度飽和や温度消光、劣化を防止した発光装置、及び、発光装置より発生した蛍光を照明光として利用する照明装置として、例えば、内視鏡などの医療用の照明装置、プロジェクターなどのカラー映像を表示するＲＧＢ光を得るための照明装置、植物育成に適した波長分布で発光する照明装置など、蛍光体に励起光を照射して任意の色の照明光を得る方式の全ての照明装置に対して適用することができる。

１００ レーザ光源
１０１ 半導体レーザ素子
１０１ａ 第１発光領域
１０１ｂ 第２発光領域
１０２ ステム
１０３ 電極ピン
１０４ サブマウント
１０５ 保護キャップ
１０６ 窓部
１１０ａ、１１０ｂ レーザ光
１１１ａ、１１１ｂ 収束光
１１６ 近軸光線
１１７ 光線
１２０ 非球面レンズ
１２１ レンズホルダー
１３０ 蛍光体
１３１ 透明基板
１３２ 固定部材
１４０ ハウジング
１５０ 焦点面
１５５ 位置
１６２ ｎ側電極
１６３ 半導体基板
１６４ ｎ型クラッド層
１６５ 活性層
１６６ ｐ型クラッド層
１６６ａ、１６６ｂ リッジ部
１６７ 絶縁層
１６８ ｐ側電極
２００ 半導体レーザ素子
２２０ 非球面レンズ
２３０ 蛍光体
２３１ 透明基板
２６０ リフレクター
２６１ 反射面
２７０ 放熱フィン
２８０ 固定部材
２９０ 照明光

Claims (5)

1. 複数のレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された複数のレーザ光が入射され、入射された前記複数のレーザ光を収束光に変換する非球面レンズと、
   前記非球面レンズからの収束光が励起光として照射され、蛍光を発生する蛍光体と
   を備え、
   前記複数のレーザ光は、水平方向と垂直方向の拡がり角が異なり、該拡がり角が小さい方向に並んだ状態で、前記非球面レンズに入射し、
   前記非球面レンズは、前記拡がり角が大きい方向における光強度を均一にする機能を有する発光装置。
2. 前記蛍光体は、前記非球面レンズを通過する光の近軸光線が像を結ぶ焦点面よりも前記非球面レンズ側にずれた位置に配置されている請求項１記載の発光装置。
3. 前記レーザ光源は、前記複数のレーザ光の発光領域が、拡がり角の小さい方向に並んでいる請求項１又は２記載の発光装置。
4. 前記レーザ光源は、１つの素子構造に複数の発光領域を有する半導体レーザ素子を備える請求項３記載の発光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置と、
   前記発光装置から発生した蛍光を所定方向に放出する光学部材と
   を備えた照明装置。