JP2017194617A - 波長変換装置及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色むらや強度分布の偏りが抑制された均質な光を出射し、入射光が入射側に戻る戻り光が抑制され入射光の損失が少なく効率の高い波長変換装置及び光源装置を提供する。【解決手段】入射光を集光する又は入射光の強度分布を均一化する光学素子２３と、光学素子２３からの射出光が入射され多層反射膜２７を有する反射部材２５、及び多層反射膜２７を透過した透過光が入射される波長変換部材２６からなる波長変換素子２４と、を有し、多層反射膜２７は、光学素子２３からの射出光に対する反射率と比べて、射出光より長波長の光に対して高い反射率を有する波長変換装置２０。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換装置及び光源装置、特に反射膜を用いた波長変換装置及び光源装置に関する。

励起光をレンズやファイバ等に結合し、光変換部材などの光学部品を用いることによって、光の均一性や光の色を変化させる技術が知られている。例えば、特許文献１には、光ファイバに伝達された励起光を所望の色の光に変換する光変換部材を含む光部品が開示されている。また、光反射部材を設けて光変換効率を向上させる技術が開示されている。

特許５１５５５５５号公報

波長変換装置や光源装置において、光源からの光を光変換部材等に入射する際に、入射光のうち光変換部材などに反射されて入射側に戻る光（戻り光）が発生し、戻り光は取り出されずに損失となるため、光源からの光を有効に利用できないことが問題となっていた。例えば特許文献１のような光部品の場合、光反射部材を用いても、光の損失を防ぐことは困難である場合があり、光源からの出射光を有効に利用することが課題となっていた。

また、集光された光や強度分布が均一化された光を光変換部材等へ入射する際に、入射光が入射面に対して垂直な場合だけでなく、角度を有している場合がある。入射光が角度を有している場合に、戻り光の抑制が特に困難となる懸念があった。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、色むらや強度分布の偏りが抑制された均質な光を出射し、入射光が入射側に戻る戻り光が抑制され入射光の損失が少なく効率の高い波長変換装置及び光源装置を提供することを目的としている。

本発明の波長変換装置は、入射光を集光する又は入射光の強度分布を均一化する光学素子と、光学素子からの射出光が入射され多層反射膜を有する反射部材、及び多層反射膜を透過した透過光が入射される波長変換部材からなる波長変換素子と、を有し、多層反射膜は、光学素子からの射出光に対する反射率と比べて、射出光より長波長の光に対して高い反射率を有する。

図１（ａ）は、実施例１の光源装置を示す構成図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す光源装置の変形例を示す構成図である。 図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ実施例１に係るホモジナイザの出射角を示す説明図である。 図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ実施例１に係る多層反射膜の反射率波長特性を模式的に示すグラフである。 実施例１に係る反射部材を示す平面図である。 図５（ａ）は、実施例２の光源装置を示す構成図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す光源装置の変形例を示す構成図である。 図６（ａ）は、実施例３の光源装置を示す構成図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す光源装置の変形例を示す構成図である。 実施例３に係る反射部材を示す平面図である。 光ファイバの長さと光強度分布の指標Ａの関係を示すグラフである。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

[光源装置１０の構成]
図１（ａ）は、実施例１に係る光源装置１０の構成図である。光源装置１０は、励起光源１１、集光レンズ２１、マルチモードファイバ２２、光学素子２３、及び波長変換素子２４から構成されている。なお、光学素子２３及び波長変換素子２４が波長変換装置２０を構成している。

本実施例において、励起光源１１は端面発光型の青色半導体レーザ素子である。しかしながら、励起光源１１として、面発光型の半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、固体レーザ、ガスレーザ等を用いることができる。

集光レンズ２１は、励起光源１１から出射された光（励起光）ＬＥを集光し、集光された光（ソース光）はマルチモードファイバ２２に入射される。マルチモードファイバ２２に入射された光は、マルチモードファイバ２２によって導光され、光学素子２３に入射される。

光学素子２３は、光学素子２３に入射された入射光を集光する、又は当該入射光の強度分布を均一化する光学素子である。本実施例においては、光学素子２３が入射光の強度分布を均一化するホモジナイザである場合について説明する。本実施例においては、光学素子２３をホモジナイザ２３と称して説明する。

マルチモードファイバ２２からホモジナイザ２３に入射された入射光は、ホモジナイザ２３によって、強度分布が均一化されたビーム断面形状が矩形のレーザ光ＬＨとなって射出され、波長変換素子２４に入射される。

波長変換素子２４は、反射部材２５と波長変換部材２６とから構成されている。反射部材２５は、多層反射膜２７及び金属反射膜２８からなる。多層反射膜２７は、ホモジナイザ２３からの射出光ＬＨ（励起光ＬＥ）に対する反射率と比べて、当該励起光より長波長の光に対して高い反射率を有している。金属反射膜２８は、ホモジナイザ２３からの射出光ＬＨが入射しない領域に設けられている。

多層反射膜２７を透過した透過光は、波長変換部材２６に入射される。波長変換部材２６は、励起光源１１の励起光の波長を変換する性質の物質や本物質を含む樹脂材又は無機材などからなる。波長変換部材２６は、反射部材２５の一方の面に形成されている。すなわち、反射部材２５の多層反射膜２７を透過した透過光が出射される側に、波長変換部材２６が形成されている。

本実施例において、波長変換部材２６は、青色光によって励起されて黄色蛍光を出射する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子は、例えばＣｅ賦活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）などを用いることができる。励起光と蛍光体粒子による蛍光との混色によって、波長変換部材２６の出射面から白色光が出射される。
[ホモジナイザの構成]
本実施例においては、ホモジナイザ２３が異方性ビームホモジナイザである場合について説明する。ホモジナイザ２３は、ＺｎＣｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、溶融石英、又は樹脂などの透光性を有する結晶に、例えば平行な繰り返し構造などのパターンを有する溝が形成された透過型回折素子である。

また、マルチモードファイバ２２から出射される出射光は、光強度分布としてガウシアン分布を有する。ガウシアン分布を有する出射光は、ホモジナイザ２３を透過して均一な強度分布を有する射出光ＬＨに変換される。より詳細には、当該出射光がホモジナイザ２３を透過する際に、ホモジナイザ２３によって回折されることにより、射出光ＬＨの強度分布が均一化される。

ホモジナイザ２３は直方体形状や円柱形状を有している。また、ホモジナイザ２３は、マルチモードファイバ２２からの入射光の入射面２３ａ及び出射面２３ｂを有している。図２（ａ）は、ホモジナイザ２３の長方形形状の出射面２３ｂの長手方向において出射面２３ｂからの出射光が出射面２３ｂに垂直な線に対してなす角度（出射角）θvを示している。また、図２（ｂ）は、ホモジナイザ２３の出射面２３ｂの短手方向において、出射光が出射面２３ｂに垂直な線に対してなす角度（出射角）θsを示している。

なお、出射角θv及びθsは、例えば出射光の光強度がピーク値に対して１／ｅ²（ｅは自然対数の底）に減ずる角度として定義することができる。しかしながら、これに限定されず、用いられるホモジナイザや変換部材、あるいは多層反射膜の反射特性などに応じて適宜定めることができる。

ホモジナイザ２３からの出射角θsは出射角θvよりも大きい（θs＞θv）。ホモジナイザ２３からの射出光ＬＨは多層反射膜２７に入射される。本実施例において、多層反射膜２７の入射面は射出光ＬＨの光軸に対して垂直に配されている。従って、ホモジナイザ２３から多層反射膜２７に入射する入射光の最大の入射角は当該出射角θsである。

本実施例において、ホモジナイザ２３が回折光学素子から構成されている場合について説明するが、これに限らない。ホモジナイザ２３として、例えば、フライアイレンズや非球面レンズを用いたものなどを採用しても良い。また、ホモジナイザ２３が異方性を有し、長方形のビーム断面を有するビームを生成する例を示したが、円形や正方形などのビーム断面を有するビームを生成するホモジナイザを用いても良い。ビーム断面が円形のビームを出射する等方性ホモジナイザや、ビーム断面が楕円形、多角形又は正多角形のビームを出射するホモジナイザなどを用いてもよい。

[多層反射膜２７の低反射波長領域λ_LRと高反射波長領域λ_HR]
次に、多層反射膜２７に入射する光の波長と反射率の特性（反射率波長特性）について説明する。多層反射膜２７は、入射する光に対して低い反射率の波長領域を示す低反射波長領域（又は透過帯域）λ_LR及び高い反射率の波長領域を示す高反射波長領域（又は反射帯域）λ_HRを有している。多層反射膜２７に光を入射した場合、入射角が大きくなるほど高反射波長領域λ_HRが短波長側にシフトする（ブルーシフト）。

多層反射膜２７の実効屈折率をｎ_eff1とし、多層反射膜２７への入射光（射出光ＬＨ）の波長をλ_lasingとし、多層反射膜２７への入射光の最大の入射角θsを用いて、低反射波長領域λ_LRは以下の式によって表される。

なお、本実施例において、多層反射膜２７への最大の入射角は、ホモジナイザ２３からの射出光ＬＨの最大の出射角θｓである。より詳細には、ホモジナイザ２３が異方性ビームホモジナイザである場合、ホモジナイザ２３からの出射角はホモジナイザ２３の出射面内において異なる。このような場合、ホモジナイザ２３から多層反射膜２７への入射光の最大の入射角をθｓとして式（１）を適用して低反射波長領域λ_LRが定められる。

なお、多層反射膜２７が射出光ＬＨの光軸に垂直な面に対して傾斜して配されている場合には、ホモジナイザ２３からの出射角及び多層反射膜２７の当該傾斜角に基づいて、多層反射膜２７への入射光の最大の入射角θｓを算出して式（１）を適用すればよい。

実効屈折率ｎ_eff1は、多層反射膜２７が、例えば屈折率ｎ₁を有する膜厚Ｌ₁の層と、屈折率ｎ₂を有する膜厚Ｌ₂の層とから構成される場合、以下の式で表される。

特に、多層反射膜２７がλ/4多層膜ミラーの場合、実効屈折率ｎ_eff1は以下の式で表される。

入射光の波長λ_lasingは、本実施例において４５０ｎｍである。従って、例えば屈折率が２．３のＴｉＯ₂及び屈折率が１．４６のＳｉＯ₂から構成されるλ/４多層膜ミラーの実効屈折率ｎ_eff1は、１．７８６と算出される。また、入射角θｓは上記したホモジナイザ２３からの射出光ＬＨの最大の出射角であり、マルチモードファイバ２２からの出射光の角度θｆの影響を受けて２３°である。

式（１）より、低反射波長領域λ_LRは、４５０ｎｍ≦λ_LR≦４６０．９ｎｍとなり、低反射波長領域λ_LRの波長帯域幅はおよそ１１ｎｍである。

そして、λ_LRよりも長波長の高反射波長領域λ_HRは、以下のように表される。

式（４）にｎ_eff1＝１．７８６、θｓ＝２３°を代入すると、高反射波長領域λ_HRは、４６０．９ｎｍ＜λ_HR＜９００ｎｍとなる。式（１）及び式（４）のように、入射角を有する入射光（θｓ＞０）に対して、低反射波長領域λ_LR及び高反射波長領域λ_HRを表すことができる。

そして、式（１）及び式（４）を満たすように、励起光源１１からの励起光ＬＥの波長に応じて、多層反射膜２７を構成する各層の屈折率及び層厚を設定することによって、入射光（射出光ＬＨ）に対する反射率が低い多層反射膜２７を得ることができる。従って、ホモジナイザ２３からの射出光ＬＨの損失を抑制し、射出光ＬＨを高い効率で波長変換素子２４へ取り込むことができる。

図３（ａ）は、横軸を波長λ、縦軸を反射率Ｒとして、入射光（励起光ＬＥ）の波長λ_lasing、低反射波長領域λ_LR及び高反射波長領域λ_HRの関係を模式的に示したグラフである。また、多層反射膜２７の有する反射率波長特性の例（ＭＲ１）も共に示している。反射率波長特性ＭＲ１は、励起光ＬＥ（波長λ_lasing）及び低反射波長領域λ_LRの光に対する反射率が低く、高反射波長領域λ_HRの光に対する反射率が高いことを示している。

また、波長変換部材２６によって波長変換された光に対しても、入射側への戻り光を抑制するように、多層反射膜２７が構成されている。例えば、本実施例の場合、励起光源１１からの出射光（励起光ＬＥ）である青色光（励起光）の波長は４５０ｎｍであり、波長変換部材２６によって波長変換された光は例えば４９０〜７００ｎｍの波長帯域内の波長を有している。

例えば、励起光源１１からの励起光ＬＥが波長変換部材２６によって波長変換された光（例えば、蛍光）の波長帯域（ＢＰ）が高反射波長領域λ_HRに含まれ、励起光ＬＥの波長が低反射波長領域λ_LRに含まれるように多層反射膜２７を構成すればよい。これにより、入射光に対する反射率が低く、戻り光に対する反射率が高い多層反射膜２７を得ることができる。

そして、ホモジナイザ２３によって強度分布が均一化された入射光が高い効率で波長変換素子２４に取込まれ、波長変換部材２６に波長変換された光が高い効率で出射される。例えば、波長変換部材２６において青色光（励起光）が波長変換されて蛍光（黄色光）と混色される構成の場合、均質な白色光が高い効率で出射される。

また、波長変換された光が不連続な複数の波長領域を有する場合、多層反射膜２７の高反射波長領域λ_HRを不連続な波長領域としてもよい。図３（ｂ）は、波長変換された光が不連続な波長領域ＷＲ１及びＷＲ２を有している例について示している。図中のＭＲ２は多層反射膜２７の反射率波長特性を示している。図３（ｂ）の例において、多層反射膜２７は低反射波長領域λ_LR、高反射波長領域λ_HR（１）及び高反射波長領域λ_HR（２）を有している。

反射率波長特性ＭＲ２において反射率が高い波長領域、すなわち、多層反射膜２７の高反射波長領域λ_HR（１）及び高反射波長領域λ_HR（２）の波長帯域内に、波長変換された光の波長領域ＷＲ１及びＷＲ２が含まれていれば、波長変換された光は反射され、入射側への戻り光を抑制することができる。従って、当該不連続な波長領域ＷＲ１及びＷＲ２が高反射波長領域λ_HR（１）及び高反射波長領域λ_HR（２）に含まれるように、多層反射膜２７を構成すればよい。

より具体的には、多層反射膜２７は、例えば互いに異なる高反射波長領域λ_HR（ｊ）を有する複数の多層膜ミラー２７（ｊ）が積層されて構成されていてもよい（ｊ＝１，２，・・・）。この場合、複数の多層膜ミラー２７（ｊ）の各々の高反射波長領域λ_HR（ｊ）は周波数軸上で部分的に重なっていてもよく、あるいは分離されていてもよい。

また、この場合、上記した式（１）の低反射波長領域λ_LRは、複数の多層膜ミラー２７（ｊ）のうち最も低波長側に高反射波長領域λ_HR（ｋ）を有する多層膜ミラー２７（ｋ）によって定められる。

[金属反射膜]
光源装置１０の反射部材２５には、金属反射膜２８が設けられていてもよい。図４は、反射部材２５の入射面を示す平面図である。図中のハッチングを施した領域は、反射部材２５を構成する多層反射膜２７と反射部材２５に設けられた金属反射膜２８とを示している。金属反射膜２８は、多層反射膜２７の表面上の領域であってマルチモードファイバ２２からの射出光ＬＨが入射しない領域（非入射領域）に形成されている。波長変換部材２６の内部で反射又は散乱などにより入射側へ戻る戻り光は、金属反射膜２８によって反射される。

なお、金属反射膜２８は、多層反射膜２７の表面に形成されていてもよく、また、多層反射膜２７と一体として形成されていてもよい。また、金属反射膜２８は、波長変換部材２６の非入射領域に直接形成されていても良い。図１（ｂ）は、図１（ａ）の変形例として、金属反射膜２８Ａが波長変換部材２６の非入射領域に直接形成された光源装置１０Ａを示している。

図１（ｂ）に示すように、反射部材２５Ａは、マルチモードファイバ２２からの射出光ＬＨが入射する領域（入射領域）のみに多層反射膜２７Ａが形成されていてもよい。波長変換部材２６の入射領域に多層反射膜２７Ａを形成し、波長変換部材２６の非入射領域に金属反射膜２８Ａを形成することで、波長変換部材２６に対する放熱性に優れた構成とすることができる。なお、金属反射膜２８は、励起光源１１から出射される励起光ＬＥの波長や蛍光体の種類に応じて、適宜選択することができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属を用いることができる。

また、金属反射膜２８の平面形状は、多層反射膜２７に入射する入射光のビームの断面形状に合わせることが好ましい。例えば、図４は、実施例１のホモジナイザ２３からの射出光ＬＨが有する長方形のビーム断面の形状に合わせたものである。

なお、本実施例において励起波長が４５０ｎｍ（青色）の場合について説明したが、これに限らない。例えば紫色や緑色などの様々な色調を示す波長の光を用いることができる。励起波長を変換する蛍光体の種類を選択して励起光と組み合わせることによって、様々な色の光を取り出すことができる光源装置が得られる。

また、マルチモードファイバ２２としてコア径が３００μｍ、開口数ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバを例として示したが、他のコア径及びＮＡを有する光ファイバを用いても良い。また、マルチモードファイバ２２から出射した光は、本実施例において角度θｆを有している例について説明したが、これに限らない。マルチモードファイバ２２から出射した光がコリメートレンズなどを用いることで平行光となり、ホモジナイザ２３に垂直に入射されるような構成としてもよい。

なお、蛍光体粒子としてＹａＧ：Ｃｅを用いた例について説明したが、これに限らない。励起光の波長や所望の色調などによって異なる種類の蛍光体粒子を適宜選択して採用することができる。例えば、青色光によって励起されて黄色蛍光を出射するＣｅ賦活テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）、オルトシリケート蛍光体（（ＢａＳｒＣａ）ＳｉＯ₄、他）、αサイアロン蛍光体（Ｃａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕなど）などの蛍光体粒子を用いることができる。

また、波長変換部材２６は、蛍光体粒子を含んだ結晶、焼結体又はバインダーなどから形成されてもよい。例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの樹脂材、又はガラス材に蛍光体粒子が混合されたものが例として挙げられる。また、例えばＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等からなる拡散材（光散乱材）の粒子が蛍光体とともに混合されていてもよく、蛍光体のドメインが形成されていてもよい。さらに、波長変換部材２６と反射部材２５との間に拡散板が形成されていてもよい。

以上、詳細に説明したように、本実施例の波長変換装置２０及び光源装置１０によれば、多層反射膜に入射する入射光（励起光）が入射側へ戻る戻り光を抑制することができる。また、波長変換部材に波長変換された光（例えば、蛍光）が、反射や散乱などによって入射側へ戻る戻り光は多層反射膜によって反射され、波長変換光の戻り光も抑制される。従って、波長変換素子に入射する入射光及び波長変換光を高い効率で波長変換素子から出射させることができ、光の損失が少なく効率の高い波長変換装置及び光源装置を提供することができる。また、波長変換素子に金属反射膜を設けることで、反射や散乱などにより入射側へ戻る光をさらに高い効率で出射方向へ反射させることができる。

図５（ａ）を参照して、実施例２に係る光源装置３０の構成について説明する。光源装置３０は、励起光源１１及び波長変換装置４０からなる。波長変換装置４０は、光学素子４１及び波長変換素子４４から構成されている。

励起光源１１は、例えば励起波長４４５ｎｍの端面発光型レーザである。

光学素子４１は、コリメートレンズ４２及び集光レンズ４３から構成されている。励起光源１１からの励起光ＬＥは、コリメートレンズ４２（開口数ＮＡ₁）によって平行光となり、集光レンズ４３（開口数ＮＡ₂）によって集光され、集光された光ＬＣは波長変換素子４４に入射される。

波長変換素子４４は、反射部材４５、拡散板４６、及び波長変換部材４７から構成されている。反射部材４５は、多層反射膜４８及び金属反射膜４９から構成されている。金属反射膜４９は、多層反射膜４８において、集光レンズ４３からの光ＬＣが入射しない領域に設けられている。

多層反射膜４８を透過した透過光は拡散板４６によって拡散され、輝度分布の勾配が緩和されて均一化される。拡散板４６によって拡散された光（拡散光）は、波長変換部材４７に入射される。拡散板４６は、例えばレンズアレイや摺りガラスなどからなる。

波長変換部材４７は、蛍光体粒子を含む。波長変換部材４７へ入射された拡散光は、蛍光体粒子によって波長変換され、混色されて白色光となって波長変換部材４７から出射される。波長変換部材４７は、例えば青色光によって励起されて黄色蛍光を出射するＹＡＧ：Ｃｅなどの蛍光体粒子を含む。
[多層反射膜の低反射波長領域λ_LRと高反射波長領域λ_HR]
多層反射膜４８は、低反射波長領域λ_LRと高反射波長領域λ_HRとを有している。集光レンズ４３の開口数をＮＡ₂として、低反射波長領域λ_LRは以下の式のように表される。

式（５）におけるＮＡ₂は、本実施例においては、０．６５である。λ_lasingは励起光源１１から出射される励起光ＬＥの波長、ｎ_eff1は多層反射膜４８の実効屈折率である。例えば、多層反射膜４８がＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂から構成されるλ/4多層膜である場合、実効屈折率ｎ_eff1は１．７８６であり、式（５）は４４５ｎｍ≦λ_LR≦４７５．５ｎｍとなる。

また、入射光よりも長波長の領域である高反射波長領域λ_HRは以下のように表される。

式（５）の場合と同様に、ｎ_eff1＝１．７８６、ＮＡ＝０．６５を用いると、式（６）は、４７５．５ｎｍ＜λ_HR＜８９０ｎｍとなる。そして、本実施例において、集光レンズ４３からの入射光ＬＣの多層反射膜４８への最大の入射角は、集光レンズ４３の開口数ＮＡ₂によって式（５）及び式（６）に関連付けられている。

すなわち、集光レンズ４３の開口数ＮＡ₂を適用して、式（５）及び式（６）を満たすように、励起光源１１からの励起光ＬＥの波長に応じて、多層反射膜４８を構成する各層の屈折率及び層厚を設定することによって、波長変換素子４４に集光レンズ４３から入射する入射光ＬＣに対する反射率が低い多層反射膜４８を得ることができる。従って、入射光ＬＣの損失を抑制し、入射光ＬＣを高い効率で波長変換素子４４へ取込むことができる。

また、本実施例においては、波長変換素子４４は拡散材４６を有している。波長変換部材４７に波長変換された光（例えば、蛍光）が、反射や散乱などによって入射側へ戻る戻り光に加えて、拡散材４６の内部で散乱されて入射側へ戻る戻り光が発生し得る。すなわち、波長変換部材４７からの戻り光及び拡散材４６からの戻り光が発生し得る。

そこで、（５）式及び（６）式を満たすように多層反射膜４８を構成する各層の屈折率及び層厚を設定することで、波長変換部材４７からの戻り光及び拡散材４６からの戻り光を多層反射膜４８によって高い効率で出射方向へ反射させることができる。さらに、金属反射膜４９が設けられた領域において、波長変換部材４７からの戻り光及び拡散材４６からの戻り光を金属反射膜４９によって高い効率で出射方向へ反射させることができる。

なお、金属反射膜４９は、多層反射膜４８の表面に形成されていてもよく、また、多層反射膜４８と一体として形成されていてもよい。また、金属反射膜４９は、拡散材４６又は波長変換部材４７の非入射領域に直接形成されていても良い。図５（ｂ）は、図５（ａ）の変形例として、金属反射膜４９Ａが拡散材４６の非入射領域に直接形成されている光源装置３０Ａを示している。

図５（ｂ）に示すように、反射部材４５Ａは、集光レンズ４３からの射出光ＬＣが入射する領域（入射領域）のみに多層反射膜４８Ａが形成されていてもよい。拡散材４６の入射領域に多層反射膜４８Ａを設け、拡散材４６の非入射領域に金属反射膜４９Ａを設けることで、拡散材４６及び波長変換部材４７に対する放熱性に優れた構成とすることができる。なお、金属反射膜４９は、励起光源１１から出射される励起光ＬＥの波長や蛍光体の種類に応じて、適宜選択することができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属を用いることができる。

なお、本実施例においては、集光レンズ４３を用いて波長変換素子４４へ集光する構成について説明したが、この限りではない。例えば、集光レンズの代わりに光ファイバを用いても良い。その場合には、光ファイバの開口数ＮＡの値を式（５）及び式（６）におけるＮＡ₂として用いればよい。

また、集光レンズ４３を設けずに、コリメートレンズ４２からの平行光を波長変換素子４４へ入射してもよい。その場合においては、ＮＡ₂＝０とすればよく、励起光ＬＥの波長において低反射となる低反射波長領域λ_LRとすればよい。なお、反射部材４５は、金属反射膜４９を有していなくともよい。

以上、詳細に説明したように、本実施例の波長変換装置４０及び光源装置３０によれば、レンズ（ＮＡ＞０）に集光されて多層反射膜に入射する入射光が波長変換素子に反射されて入射側へ戻る戻り光を抑制することができる。また、波長変換部材によって波長変換された光（蛍光）や、拡散板に入射された光が反射や散乱などにより入射側へ戻る戻り光を抑制できる。従って、多層反射膜に入射する入射光を高い効率で波長変換素子から出射させることができ、光の損失が少なく効率の高い波長変換装置及び光源装置を提供することができる。

図６（ａ）を参照して、実施例３に係る光源装置５０の構成について説明する。光源装置５０は、励起光源５１及び波長変換装置６０からなる。波長変換装置６０は、光学素子６１及び波長変換素子６４から構成されている。

励起光源５１は、レーザ素子５１ａが２以上配されたレーザ素子アレイである。レーザ素子５１ａは例えば励起波長４５０ｎｍの端面発光型レーザ素子である。光学素子６１は、レンズアレイ６２及びファイバ群６３から構成されている。

レンズアレイ６２は、２以上の集光レンズ６２ａが、励起光源５１のレーザ素子５１ａからのレーザ光（励起光ＬＥ）を集光するように配されて構成されている。ファイバ群６３は、２以上のマルチモードファイバ６３ａからなり、レンズアレイ６２の集光レンズ６２ａからの光（ソース光）が入射されるように、それぞれのマルチモードファイバ６３ａが設けられて構成されている。

波長変換素子６４は、反射部材６５及び波長変換部材６６から構成されている。ファイバ群６３に入射され、導光された励起光ＬＥは、反射部材６５に入射される。反射部材６５を透過した透過光は、波長変換部材６６に入射される。

反射部材６５は、多層反射膜６７及び金属反射膜６８からなる。ファイバ群６３からの射出光ＬＦ（励起光ＬＥ）は、多層反射膜６７に入射される。金属反射膜６８は、多層反射膜６７において、ファイバ群６３からの射出光ＬＦが入射されない領域に設けられている。

波長変換部材６６は、蛍光体粒子を含む。反射部材６５を透過して波長変換部材６６に入射された透過光（青色光）は、蛍光体粒子によって波長変換され、混色されて白色光となって、波長変換部材６６から出射される。波長変換部材６６は、例えば青色光によって励起されて黄色蛍光を出射するＹＡＧ：Ｃｅなどの蛍光体粒子を含む。
[多層反射膜の低反射波長領域λ_LRと高反射波長領域λ_HR]
多層反射膜６７は、低反射波長領域λ_LRと高反射波長領域λ_HRとを有している。マルチモードファイバ６３ａの開口数をＮＡとして、低反射波長領域λ_LRは以下の式のように表される。

本実施例において、ＮＡは０．２である。実施例１の場合と同様に、λ_lasingは励起光源５１から出射される励起光ＬＥの波長、ｎ_eff1は多層反射膜６７の実効屈折率である。例えば、多層反射膜６７がＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂から構成されるλ/4多層膜である場合、実効屈折率ｎ_eff1は１．７８６であり、（５）式は４５０ｎｍ≦λ_LR≦４５２．８ｎｍとなる。この場合、低反射波長領域λ_LRの波長帯域幅はおよそ３ｎｍである。

また、入射光よりも長波長の領域である高反射波長領域λ_HRは以下のように表される。

式（７）の場合と同様に、ｎ_eff1＝１．７８６、ＮＡ＝０．２を用いると、式（８）は、４５２．８ｎｍ＜λ_HR＜９００ｎｍとなる。

このように、式（７）及び式（８）を満たすように、励起光源５１からの励起光ＬＥの波長に応じて、多層反射膜６７を構成する各層の屈折率及び層厚を設定することで、射出光ＬＦの損失を抑制することができる。また、波長変換素子６４に波長変換され、混色調整された光の損失を抑制することができる。
[金属反射膜６８]
本実施例の反射部材６５には、金属反射膜６８が設けられている。図７は、反射部材６５の入射面を示す平面図である。図中のハッチングを施した領域は、反射部材６５を構成する多層反射膜６７と反射部材６５に設けられた金属反射膜６８とを示している。金属反射膜６８は、多層反射膜６７の表面上の領域であってファイバ群６３からの射出光ＬＦが入射しない領域に形成されている。

また、金属反射膜６８の平面形状は、多層反射膜６７に入射する入射光のビームの断面形状に合わせることが好ましい。例えば、図７は、ファイバ群６３からの射出光ＬＦが有するビーム断面の形状に合わせたものである。より詳細には、ファイバ群６３からの射出光ＬＦが入射される領域の形状は、２以上のマルチモードファイバ６３ａのビーム断面形状である２以上の円形が配された形状であり、当該円の内側の領域に射出光ＬＦが入射される。金属反射膜６８は当該円の外側の領域に形成され、当該円の内側の領域には形成されていない。従って、射出光ＬＦは、金属反射膜６８に反射されることなく、高い効率で多層反射膜６７に入射される。

なお、金属反射膜６８は、多層反射膜６７と一体として形成されていてもよい。また、金属反射膜６８は、波長変換部材６６の非入射領域に直接形成されていても良い。図６（ｂ）は、図６（ａ）の変形例として、金属反射膜６８Ａが波長変換部材６６の非入射領域に直接形成された光源装置５０Ａを示している。

図６（ｂ）に示すように、反射部材６５Ａは、マルチモードファイバ６３ａからの射出光ＬＦが入射する領域（入射領域）のみに多層反射膜６７Ａが形成されていてもよい。波長変換部材６６の入射領域に多層反射膜６７Ａを形成し、波長変換部材６６の非入射領域に金属反射膜６８Ａを形成することで、波長変換部材６６に対する放熱性に優れた構成とすることができる。なお、金属反射膜６８は、励起光源１１から出射される励起光ＬＥの波長や蛍光体の種類に応じて、適宜選択することができる。例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの金属を用いることができる。

[マルチモードファイバ６３ａの長さ]
本実施例において、マルチモードファイバ６３ａを２以上配することで均質な光を波長変換素子６４に入射している。従って、マルチモードファイバ６３ａからの射出光の強度分布がより均質であれば、ファイバ群６３ａからの射出光もより均質となる。従って、マルチモードファイバ６３ａからの射出光のビーム断面において強度分布が均質であることが好ましい。

光ファイバのビーム断面の光強度分布のプロファイルデータ（ｘ, Ｐ（ｘ））（ｙ, Ｑ（ｙ））を用いて、光ファイバのビームの均質性を表す指標として、ｘ方向とｙ方向の強度分布プロファイルのずれを指標Ａとして、以下の式で表すことができる。

Ａ＝Σａｂｓ（Ｑ（ｙ）−Ｐ（ｘ）） （９）
式（９）を用いて、例えばコア径が３００μｍ、開口数ＮＡ＝０．２のマルチモードファイバについて、光ファイバの長さ（１０ｍｍ、５０ｍｍ、５００ｍｍ、３０００ｍｍ）に対して指標Ａの値をシミュレーションによりプロットしたグラフを図８に示す。指標Ａの値が十分に低下し、飽和するファイバの長さの閾値は５２０ｍｍである。すなわち、ファイバの長さを５２０ｍｍ以上とすることで、強度分布においてｘ方向とｙ方向のずれが最小となる。

従って、本実施例において、マルチモードファイバ６３ａを５２０ｍｍ以上とすることで、均質な射出光を波長変換素子６４に入射することができる。従って、マルチモードファイバ６３ａは、５２０ｍｍ以上とすることが好ましい。

なお、マルチモードファイバ６３ａには、コア径が３００μｍ、開口数ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバを用いた例を示したが、これに限らない。他のコア径及びＮＡを有する光ファイバを用いても良い。また、マルチモードファイバ６３ａの長さは５２０ｍｍ以上が好ましいことを説明したが、この限りではない。採用する光ファイバの構成や、ビーム断面における光強度分布のプロファイルなどの特性に応じて、適用する長さを決定すればよい。

以上、詳細に説明したように、本実施例の波長変換装置６０及び光源装置５０によれば、励起光源から出射された励起光ＬＥが導光されたファイバ群からの射出光ＬＦが波長変換素子に反射されて入射側へ戻る戻り光を抑制することができ、射出光ＬＦを効率良く波長変換素子へ取込むことができる。また、波長変換素子に波長変換され、混色された白色光が入射側へ戻る戻り光を抑制できる。すなわち、励起光が波長変換され、混色された均質な白色光を高い効率で波長変換素子から出射させることができる。従って、光の損失が少なく効率の高い波長変換装置及び光源装置を提供することができる。

なお、実施例１乃至３において、低反射波長領域の平均反射率Ｒ_LRは、高反射波長領域の平均反射率Ｒ_HRよりも低く、例えば２０％以下であることが好ましく、１０％以下であればなお好ましい。

一方、高反射波長領域の平均反射率Ｒ_HRは低反射波長領域の平均反射率Ｒ_LRよりも高く、例えば８０％以上であることが好ましい。ただし、上記したように、高反射波長領域λ_HRは、不連続な波長帯域を有する場合もあり、そのような場合においては、Ｒ_HRは６０％以上であることが好ましい。

また、実施例１乃至３において、多層反射膜がＴｉＯ₂及びＳｉＯ₂から構成されている例について説明したが、これに限らない。他の誘電体多層膜など、屈折率及び層厚の組み合わせによって得られる特性（反射率波長特性）に応じて、適宜選択して適用することができる。

以上、説明したように、本発明の波長変換装置及び光源装置によれば、集光又は均一化された入射光、波長変換された光、及び波長変換素子内で散乱された光が入射側に戻る戻り光を出射方向へ高い効率で反射させることができる。すなわち、戻り光が抑制されて入射光の損失が少なく、色むらや強度分布の偏りが抑制された均質な光を高い効率で出射する波長変換装置及び光源装置を提供することができる。

１０、１０Ａ、３０、３０Ａ、５０、５０Ａ 光源装置
２０、４０、６０ 波長変換装置
１１、５１ 励起光源
２１、４３、６２ａ 集光レンズ
２２、６３ａ マルチモードファイバ
２３、４１、６１ 光学素子
２４、４４、６４ 波長変換素子
２５、４５、６５ 反射部材
２６、４７、６６ 波長変換部材
２７、４８、６７ 多層反射膜
２８、２８Ａ、４９、４９Ａ、６８、６８Ａ 金属反射膜
４２ コリメートレンズ
４６ 拡散板

Claims (13)

1. 入射光を集光する又は前記入射光の強度分布を均一化する光学素子と、
   前記光学素子からの射出光が入射される多層反射膜を有する反射部材と、前記多層反射膜を透過した透過光が入射される波長変換部材と、からなる波長変換素子と、
   を有し、
   前記多層反射膜は、前記光学素子からの前記射出光に対する反射率と比べて、前記射出光より長波長の光に対して高い反射率を有する波長変換装置。
2. 前記光学素子は前記入射光の強度分布を均一化するホモジナイザであり、
   前記多層反射膜の実効屈折率をｎ_eff1とし、
   前記光学素子からの前記射出光が前記多層反射膜に入射する最大の入射角をθｓ（＞０）とし、
   前記光学素子からの前記射出光の波長をλ_lasingとしたとき、
   前記多層反射膜は、次式で表される低反射波長領域λ_LRと、
   

   

   次式で表される高反射波長領域λ_HRと、
   

   

   を有する請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記高反射波長領域λ_HRは次式
   

   

   で表される請求項２に記載の波長変換装置。
4. 前記光学素子は前記入射光を集光する集光レンズであり、
   前記集光レンズは開口数ＮＡを有し、
   前記多層反射膜の実効屈折率をｎ_eff1とし、
   前記入射光の波長をλ_lasingとしたとき、
   前記多層反射膜は次式で表される低反射波長領域λ_LRと、
   

   

   次式で表される高反射波長領域λ_HRと、
   

   

   を有する請求項１に記載の波長変換装置。
5. 前記高反射波長領域λ_HRは次式
   

   

   で表される請求項４に記載の波長変換装置。
6. 前記ホモジナイザは異方性ホモジナイザである請求項２又は３に記載の波長変換装置。
7. 前記反射部材は、前記射出光の非入射領域に設けられた金属反射膜を有する請求項１乃至６のいずれか１に記載の波長変換装置。
8. ソース光を導光し、前記光学素子への前記入射光を射出する光ファイバを有し、前記光ファイバは５２０ｍｍ以上の長さを有する請求項１乃至７のいずれか１に記載の波長変換装置。
9. 前記波長変換素子は、前記反射部材と前記波長変換部材との間に設けられた光拡散板を有する請求項１乃至８のいずれか１に記載の波長変換装置。
10. 前記低反射波長領域λ_LRの反射率が２０％以下であり、前記高反射波長領域λ_HRの
    反射率が８０％以上である請求項２乃至９のいずれか１に記載の波長変換装置。
11. 前記多層反射膜は、λ/4多層反射膜である請求項１乃至１０のいずれか１に記載の波長変換装置。
12. 前記多層反射膜は誘電体多層膜からなる請求項１１に記載の波長変換装置。
13. 前記入射光を生成する励起光源と、
    前記励起光源からの前記入射光が入射される請求項１乃至１２のいずれか１に記載の波長変換装置と、
    を有する光源装置。

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