JP2019020198A - 標準光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超高輝度の標準光を生成可能な標準光源装置を提供する。【解決手段】本開示の標準光源装置（１００）は、１次光束（２５）を放射する半導体レーザー素子（１２）と、１次光束（２５）の光路上に配置され、１次光束（２５）を１次光束（２５）よりも強度分布の均一性が高い２次光束（２６）に変換する集光光学系（２０）と、２次光束（２６）の光路上に配置され、２次光束（２６）に含まれた光を元の波長よりも長い波長の光へと変換する波長変換部材（４０）と、波長変換部材（４０）に隣接する位置に配置された部材であり、開口（５１）を有し、波長変換が行われた２次光束（２６）の一部を通過させて標準光としての３次光束（２７）を生成する開口部材（５０）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、標準光源装置に関する。

輝度計、照度計、ＣＣＤセンサなどの光学機器の校正には、標準光が使用される。標準光とは、例えば、所定の輝度、所定の照度又は所定の色温度を有する光を意味する。標準光には、輝度、照度又は色温度の均一性が要求される。標準光を生成する標準光源装置としては、積分球を用いたものが知られている（特許文献１，２）。

図９に示すように、従来の標準光源装置は、ランプ２０１、ランプ電源２０２、アッテネータ２０３、拡散板２０４、積分球２０５、輝度モニタ２０６及びコンピュータ２０７を備えている。ランプ２０１の光は、アッテネータ２０３、拡散板２０４及び積分球２０５によって減衰及び均一化され、積分球２０５に設けられた開口部２０８から外部に放射される。輝度モニタ２０６によって検出された値に基づき、コンピュータ２０７は、ランプ電源２０２をフィードバック制御する。これにより、開口部２０８から放射される光の輝度が特定の値に調節される。

国際公開第２０１６／１５１７７８号 特開２００９−５２９７８号公報

従来の標準光源装置のランプには、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤランプなどが使用されている。これらのランプを用いた標準光源装置によって得られる標準光の輝度は、せいぜい１０数万ｃｄ／ｍ²である。そのため、超高輝度光源の評価に使用される輝度計の校正に従来の標準光源装置を使用することは望ましくない。従来の標準光源装置を使用して精度の高い校正を行うことは困難である。

本開示の目的は、超高輝度の標準光を生成可能な標準光源装置を提供することにある。

すなわち、本開示は、
１次光束を放射する半導体レーザー素子と、
前記１次光束の光路上に配置され、前記１次光束を前記１次光束よりも強度分布の均一性が高い２次光束に変換する集光光学系と、
前記２次光束の光路上に配置され、前記２次光束に含まれた光を元の波長よりも長い波長の光へと変換する波長変換部材と、
前記波長変換部材に隣接する位置に配置された部材であり、開口を有し、波長変換が行われた前記２次光束の一部を通過させて標準光としての３次光束を生成する開口部材と、
を備えた、標準光源装置を提供する。

本開示の標準光源装置によれば、超高輝度の標準光を生成可能である。

図１は、本開示の一実施形態にかかる標準光源装置の構成図である。 図２は、レーザー光源の構成図である。 図３は、波長変換部材及び開口部材の拡大断面図である。 図４は、波長変換部材の断面図である。 図５は、本実施形態において得られる３次光束を示す図である。 図６は、波長変換部材を用いた超高輝度光源の構成図である。 図７は、３次光束の輝度分布を示すグラフである。 図８は、半導体レーザー素子の電流値と３次光束の平均輝度との関係を示すグラフである。 図９は、従来の標準光源装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
近年、半導体レーザー素子及び波長変換部材を用いた超高輝度光源の開発が活発に進められている。そのような超高輝度光源は、１億ｃｄ／ｍ²を超える輝度の光を生成する。したがって、超高輝度光源の評価に使用される輝度計の校正には、１億ｃｄ／ｍ²を超える輝度の標準光が使用されるべきである。しかし、従来の標準光源装置は、せいぜい１０数万ｃｄ／ｍ²の輝度の標準光しか生成できず、要求を満たさない。輝度不足の標準光では、正確に校正を行うことができない。また、従来の標準光源装置には、積分球が使用されているため、小型化が難しいという問題もある。

本開示の第１態様にかかる標準光源装置は、
１次光束を放射する半導体レーザー素子と、
前記１次光束の光路上に配置され、前記１次光束を前記１次光束よりも強度分布の均一性が高い２次光束に変換する集光光学系と、
前記２次光束の光路上に配置され、前記２次光束に含まれた光を元の波長よりも長い波長の光へと変換する波長変換部材と、
前記波長変換部材に隣接する位置に配置された部材であり、開口を有し、波長変換が行われた前記２次光束の一部を通過させて標準光としての３次光束を生成する開口部材と、
を備えたものである。

本実施形態の標準光源装置は、例えば１億ｃｄ／ｍ²を超える超高輝度の標準光を生成可能である。積分球が使用されていないので、標準光源装置の小型化は容易である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる標準光源装置の前記開口部材は、前記波長変換部材に近い側の第１表面と、前記波長変換部材から遠い側の第２表面と、前記第１表面から前記第２表面へと貫通している開口とを有し、前記開口の内周面は、前記第１表面に対して傾斜している傾斜面であり、前記第１表面から前記第２表面に向かって前記開口の開口面積が連続的に拡大している。第２態様によれば、ランバーシアン配光分布を有する３次光束が得られる。この３次光束を使用すれば、精度の高い校正を行うことができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる標準光源装置では、前記波長変換部材と前記開口部材の前記第１表面とが面接触している。第３態様によれば、シャープなコントラストを示す３次光束が得られる。

本開示の第４態様において、例えば、第２態様にかかる標準光源装置の前記開口部材は、前記凹部の底面が前記第１表面となるように、前記開口の周囲において前記開口部材の厚さを減少させている凹部を有し、前記波長変換部材の一部が前記凹部に入り込み、前記第１表面としての前記凹部の前記底面に接している。第４態様によれば、波長変換部材から放射された光が凹部の側面によって遮蔽されるので、波長変換部材と開口部材との間の隙間から漏れにくい。このことは、均一な輝度分布及び照度分布を有する３次光束を生成することに寄与する。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかる標準光源装置は、前記１次光束の光強度を検出する光検出器をさらに備えている。第１光検出器の検出結果に基づき、必要な強度のレーザー光を１次光束として半導体レーザー素子から放射させることができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる標準光源装置は、前記３次光束の光強度を検出する光検出器をさらに備えている。第２光検出器の検出信号に基づき、高精度なフィードバック制御を行うことができる。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つにかかる標準光源装置の前記集光光学系は、コリメートレンズ、マイクロレンズアレイ及びコンデンサレンズを有する。集光光学系によれば、最終的に得られる３次光束の輝度分布及び照度分布の均一性を高めることができる。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる標準光源装置の前記波長変換部材は、基板と、前記基板上に配置された蛍光体層とを含み、前記蛍光体層は、マトリクスと、前記マトリクスに埋め込まれた蛍光体粒子とを含む。波長変換部材は、波長変換が行われた２次光束として、ランバーシアン配光分布の光を放射しうる。

本開示の第９態様において、例えば、第８態様にかかる標準光源装置の前記波長変換部材の前記マトリクスがＺｎＯを主成分として含む。ＺｎＯがマトリクスに主成分として含まれていると、蛍光体層の熱を外部（主に基板）に逃がしやすい。すなわち、ＺｎＯがマトリクスに主成分として含まれていると、温度上昇に伴う蛍光体の発光効率の低下に起因する輝度の低下が生じにくい波長変換部材を提供できる。

本開示の第１０態様において、例えば、第１〜第９態様のいずれか１つにかかる標準光源装置では、前記３次光束の平均輝度が４億ｃｄ／ｍ²以上である。４億ｃｄ／ｍ²以上の輝度は、超高輝度光源の評価に使用される輝度計の校正に要求される値を満たす。

本開示の第１１態様において、例えば、第１〜第１０態様のいずれか１つにかかる標準光源装置では、前記３次光束がトップハット形の輝度分布を有する。トップハット形の輝度分布を持つ光は、標準光に適している。

本開示の第１２態様において、例えば、第５又は第６態様にかかる標準光源装置は、前記半導体レーザー素子に電力を供給する電源と、前記光検出器の検出結果に基づいて前記電源の制御を行なうコントローラと、をさらに備えている。第１２態様によれば、電源から半導体レーザー素子に適切な大きさの電流が供給されるので、所望の輝度及び／又は照度の標準光が得られる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態にかかる標準光源装置１００は、レーザー光源１０、集光光学系２０、波長変換部材４０及び開口部材５０を備えている。レーザー光源１０は、集光光学系２０に向けて１次光束２５を放射する。１次光束２５は、レーザー光源１０から放射されたレーザー光である。集光光学系２０は、１次光束２５を２次光束２６へと変換する。波長変換部材４０及び開口部材５０は、２次光束２６から３次光束２７を生成する。１次光束２５の光路上に集光光学系２０が配置されている。２次光束２６の光路上に波長変換部材４０及び開口部材５０が配置されている。光軸Ｏは、１次光束２５及び２次光束２６の光路の中心である。光軸Ｏの上に光学装置９０が配置され、３次光束２７が標準光として利用される。本実施形態の標準光源装置１００は、例えば１億ｃｄ／ｍ²を超える超高輝度の標準光を生成可能である。積分球が使用されていないので、標準光源装置１００の小型化は容易である。

図２に示すように、レーザー光源１０は、半導体レーザー素子１２、第１光検出器１４及びカバーガラス１６を有する。半導体レーザー素子１２は、高出力のレーザーダイオードである。半導体レーザー素子１２の定格出力は、例えば、１．０〜３．０Ｗである。半導体レーザー素子１２は、単一のレーザーダイオードによって構成されていてもよく、光学的に結合された複数のレーザーダイオードによって構成されていてもよい。半導体レーザー素子１２の発振波長は、例えば、４４０〜４５０ｎｍの範囲にある。第１光検出器１４は、フォトダイオードによって構成されうる。半導体レーザー素子１２及び第１光検出器１４は、例えば、共通のサブマウント１８に配置され、図示しない共通の筐体に収納されている。ただし、半導体レーザー素子１２及び第１光検出器１４は、互いに異なる筐体に収納されていてもよい。カバーガラス１６は、半導体レーザー素子１２の前方に配置されている。半導体レーザー素子１２から１次光束２５としてのレーザー光が放射される。１次光束２５の大部分はカバーガラス１６を透過する。１次光束２５の一部がカバーガラス１６の表面で反射され、反射された１次光束の一部２５ａが第１光検出器１４によって検出される。第１光検出器１４の検出結果に基づき、必要な強度のレーザー光を１次光束２５として半導体レーザー素子１２から放射させることができる。

集光光学系２０は、２次光束２６を生成するビームシェイパーである。本実施形態において、集光光学系２０は、コリメートレンズ２１、マイクロレンズアレイ２２及びコンデンサレンズ２３を有する。コリメートレンズ２１、マイクロレンズアレイ２２及びコンデンサレンズ２３は、光路上にこの順番で並べられている。コリメートレンズ２１は、発散光である１次光束２５を平行光に変化させる機能を持つ光学部品である。マイクロレンズアレイ２２は、コリメートレンズ２１を通過した１次光束２５の強度分布の均一性を高める機能を持つ光学部品である。コンデンサレンズ２３は、マイクロレンズアレイ２２を通過した１次光束２５を集光する機能を持つ光学部品である。集光光学系２０によれば、最終的に得られる３次光束２７の輝度分布及び照度分布の均一性を高めることができる。集光光学系２０によって生成された２次光束２６が波長変換部材４０に照射される。

２次光束２６の強度分布の均一性は、１次光束２５の強度分布の均一性よりも高い。１次光束２５がガウシアン強度分布に近い強度分布を持つのに対し、２次光束２６はトップハット形の強度分布を持つ。ここで「強度」とは、単位面積あたりの光出力値又は強度（単位：Ｗ／ｍｍ²）を意味する。強度分布の均一性は、平坦性係数によって評価されうる。「平坦性係数」は、平均値をピーク値で割った値であり、０〜１の間で示される。平坦性係数が１に近ければ近いほど、強度分布の均一性が高いと言える。例えば、図７及び図８の輝度のグラフから求められる平坦性係数は０．９１である。

図３は、波長変換部材４０及び開口部材５０の拡大断面図である。図３に示すように、波長変換部材４０及び開口部材５０は、ホルダ６０によって支持されている。開口部材５０は、ねじ、ボルトなどの締結構造を用いてホルダ６０に固定されうる。波長変換部材４０は、ホルダ６０と開口部材５０との間に配置されている。波長変換部材４０は、集光光学系２０と開口部材５０との間に位置している。

ホルダ６０は、開口６１を有する板状の部材である。開口６１は、ホルダ６０を厚さ方向に貫通している貫通孔である。開口６１の形状は、例えば、平面視で円形である。光軸Ｏは、平面視での開口６１の中心に一致している。本実施形態では、開口６１は、波長変換部材４０に近づくにつれて内径が連続的に縮小している部分と、一定の内径を有する部分とによって構成されている。ただし、開口６１の構造は特に限定されない。開口６１は、一定の内径を有する部分のみによって構成されていてもよいし、波長変換部材４０に近づくにつれて内径が連続的に縮小している部分のみによって構成されていてもよい。ホルダ６０は、ステンレス、アルミニウム合金などの金属材料で作られている。なお、ホルダ６０は省略されていてもよい。

波長変換部材４０は、ホルダ６０の開口６１を塞いでいる。集光光学系２０で生成された２次光束２６は、ホルダ６０の開口６１を通じて、波長変換部材４０に照射される。

図４に示すように、波長変換部材４０は、基板４１及び蛍光体層４４を有する。基板４１は、蛍光体層４４を支持している。蛍光体層４４は、基板４１の上に配置されている。蛍光体層４４は、マトリクス４５、蛍光体粒子４６及びフィラー粒子４７を有する。マトリクス４５は、各粒子間に存在している。各粒子は、マトリクス４５に埋め込まれている。言い換えれば、各粒子は、マトリクス４５に分散されている。このような構造を有するので、波長変換部材４０は、波長変換が行われた２次光束２６として、ランバーシアン配光分布の光を放射しうる。

第１の波長帯域を有する励起光（本実施形態では２次光束２６）が波長変換部材４０に照射されたとき、波長変換部材４０は、励起光の一部を第２の波長帯域を有する光に変換して放射する。言い換えると、波長変換部材４０は、励起光に含まれた光を元の波長よりも長い波長の光へと変換し、放射する。第２の波長帯域は、第１の波長帯域と異なる帯域である。ただし、第２の波長帯域の一部が第１の波長帯域に重なっていてもよい。

基板４１は、基板本体４２及び薄膜４３を有する。基板４１の厚さは、例えば、蛍光体層４４の厚さよりも大きい。基板本体４２は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガラス、石英（ＳｉＯ₂）及び酸化亜鉛からなる群より選ばれる１つの材料で作られている。基板本体４２は、励起光及び蛍光体粒子４６から放射された光に対して透光性を有する。

薄膜４３は、蛍光体層４４を形成するための下地層として機能する。蛍光体層４４のマトリクス４５が結晶質であるとき、薄膜４３は、マトリクス４５の結晶成長過程における種結晶として機能する。つまり、薄膜４３は、単結晶薄膜又は多結晶薄膜である。マトリクス４５がＺｎＯ単結晶又はＺｎＯ多結晶によって構成されているとき、薄膜４３は、ＺｎＯ単結晶薄膜又はＺｎＯ多結晶薄膜でありうる。ただし、基板本体４２が種結晶の機能を発揮できる場合、薄膜４３は省略されていてもよい。例えば、基板本体４２が結晶質のＧａＮ又は結晶質のＺｎＯによって構成されているとき、結晶質のＺｎＯによって構成されたマトリクス４５を基板本体４２の上に直接形成することができる。マトリクス４５が結晶質でないときにも、薄膜４３は省略されうる。基板４１は、誘電体層などの別の層を有していてもよい。

蛍光体層４４において、蛍光体粒子４６は、マトリクス４５に分散されている。図４において、蛍光体粒子４６は、互いに離れている。フィラー粒子４７も蛍光体粒子４６から離れている。ただし、蛍光体粒子４６が互いに接していてもよいし、フィラー粒子４７が蛍光体粒子４６に接していてもよい。蛍光体粒子４６に複数のフィラー粒子４７が接していてもよい。蛍光体粒子４６及びフィラー粒子４７は、石垣のように積まれていてもよい。蛍光体層４４には、平滑な最表面を提供するためのトップコート層、光を散乱させるための散乱層などの層が含まれていてもよい。

蛍光体粒子４６の材料は特に限定されない。種々の蛍光物質が蛍光体粒子４６の材料として使用されうる。具体的には、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＹＡＧ）、Ｙ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＧＹＡＧ）、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＬｕＡＧ）、（Ｓｉ，Ａｌ）₆（Ｏ，Ｎ）₈：Ｅｕ（β−ＳｉＡｌＯＮ）、（Ｌａ，Ｙ）₃Ｓｉ₆Ｎ₁₁：Ｃｅ（ＬＹＳＮ）、Ｌｕ₂ＣａＭｇ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＬＣＭＳ）などの蛍光物質が使用されうる。蛍光体粒子４６は、互いに異なる組成を有する複数の種類の蛍光体粒子を含んでいてもよい。蛍光体粒子４６の種類及び量を調整することによって、任意の波長の光、すなわち、任意の色の光を波長変換部材４０から放射させることができる。例えば、２次光束２６に含まれた光が白色光に変換されるように、蛍光体粒子４６の種類及び量が調整されていてもよい。

マトリクス４５は、例えば、樹脂、ガラス又は他の無機材料によって構成されている。樹脂の例には、シリコーン樹脂が含まれる。他の無機材料の例には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ及びＳｉＯ₂が含まれる。他の無機材料は、結晶質であってもよい。マトリクス４５は、励起光及び蛍光体粒子４６から放射された光に対して透光性を有することが望ましい。マトリクス４５は、蛍光体粒子４６の屈折率よりも高い屈折率を有していてもよいし、蛍光体粒子４６の屈折率よりも低い屈折率を有していてもよい。透明性及び熱伝導性の観点から、マトリクス４５の材料として、ＺｎＯが適している。ＺｎＯは高い熱伝導性を有するので、ＺｎＯがマトリクス４５に主成分として含まれていると、蛍光体層４４の熱を外部（主に基板４１）に逃がしやすい。さらに、ＺｎＯがマトリクス４５に主成分として含まれていると、温度上昇に伴う蛍光体の発光効率の低下に起因する輝度の低下が生じにくい波長変換部材４０を提供できる。「主成分」とは、質量比にて最も多く含まれた成分を意味する。

マトリクス４５の材料としてのＺｎＯは、詳細には、ＺｎＯ単結晶又はｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶である。ＺｎＯは、ウルツ鉱型の結晶構造を有する。「ｃ軸に配向したＺｎＯ」とは、基板４１の主面（最も広い面積を有する面）に平行な面がｃ面であることを意味する。

ｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶は、ｃ軸に配向した複数の柱状の結晶粒を含む。ｃ軸に配向したＺｎＯ多結晶において、ｃ軸方向の結晶粒界は少ない。「柱状の結晶粒がｃ軸に配向している」とは、ｃ軸方向のＺｎＯの成長がａ軸方向のＺｎＯの成長よりも速く、基板４１の上に縦長のＺｎＯ結晶粒が形成されていることを意味する。ＺｎＯ結晶粒のｃ軸は、基板４１の法線方向に平行である。あるいは、基板４１の法線方向に対するＺｎＯ結晶粒のｃ軸の傾きが４°以下である。ここで、「ｃ軸の傾きが４°以下」とは、ｃ軸の傾きの分布が４°以下という意味であって、全ての結晶粒のｃ軸の傾きが４°以下であることを必ずしも意味しない。「ｃ軸の傾き」は、ｃ軸のＸ線ロッキングカーブ法による半値幅で評価できる。詳細には、ｃ軸のＸ線ロッキングカーブ法による半値幅が４°以下である。

蛍光体層４４において、フィラー粒子４７は、マトリクス４５に分散されている。フィラー粒子４７は、例えば無機粒子であり、典型的には金属酸化物を含む。フィラー粒子４７は、実質的に金属酸化物からなっていてもよい。金属酸化物の多くは、化学的に安定であり、蛍光を殆ど放射しないので、フィラー粒子４７の材料として適している。本明細書において「実質的に〜からなる」は、言及された化合物の本質的特定を変更する他の成分を排除することを意味する。

フィラー粒子４７に励起光が照射されたとき、フィラー粒子４７は、蛍光の光を放射しないか、無視できる強度の蛍光の光のみを放射する。フィラー粒子４７として、ＳｉＯ₂粒子、Ａｌ₂Ｏ₃粒子、ＴｉＯ₂粒子などを使用できる。これらの粒子は、化学的に安定であり、安価である。フィラー粒子４７の形状も限定されない。フィラー粒子４７の形状は、球状であってもよく、鱗片状であってもよく、繊維状であってもよい。

波長変換部材４０の製造方法は、例えば、ＷＯ２０１３／１７２０２５に詳細に記載されている。

図３に示すように、開口部材５０は、波長変換部材４０に隣接する位置に配置されている。開口部材５０は、開口５１を有する板状の部材である。開口部材５０の役割は、波長変換が行われた２次光束２６の一部を通過させて標準光としての３次光束２７を生成することである。波長変換が行われた２次光束２６が開口部材５０の開口５１を通過するとき、波長変換が行われた２次光束２６が開口５１によって切り取られる（成形される）。これにより、３次光束２７が生成される。

開口部材５０は、開口５１、第１表面５２及び第２表面５３を有する。第１表面５２は、波長変換部材４０に近い側の表面である。第２表面５３は、波長変換部材４０から遠い側の表面である。開口５１は、第１表面５２から第２表面５３へと貫通している貫通孔である。開口５１の形状は、平面視で円形である。開口５１の内周面５１ｐは、第１表面５２及び光軸Ｏに対して傾斜している傾斜面である。開口５１の開口面積は、第１表面５２から第２表面５３に向かって連続的に拡大している。開口５１の内径は、波長変換部材４０に近づくにつれて連続的に減少している。開口５１の内周面５１ｐは、すり鉢状の内周面である。第１表面５２の位置において、開口５１は最も小さい内径を有する。第２表面５３の位置において、開口５１は最も大きい内径を有する。光軸Ｏに平行な方向において、開口部材５０は、薄刃形状の断面を有する。光軸Ｏは、平面視での開口部材５０の開口５１の中心に一致している。開口部材５０の開口５１の中心を通る光軸Ｏは、ホルダ６０の開口６１の中心を通る。光軸Ｏに平行かつ光軸Ｏを含む断面において、開口５１の内周面５１ｐのなす角度θは、例えば、１２０〜１５０度の範囲にある。図３に示す例において、角度θは１２０度である。

図５に示すように、本実施形態によれば、ランバーシアン配光分布を有する３次光束２７が得られる。この３次光束２７を使用すれば、精度の高い校正を行うことができる。

集光光学系２０による２次光束２６の焦点は、例えば、波長変換部材４０の基板４１の出射側の表面（基板４１と蛍光体層４４との界面）の位置に合わせられる。第１表面５２の位置における開口５１の内径Ｄ１は、２次光束２６の焦点の位置における２次光束２６の直径Ｄ２よりも小さい。このような構成によれば、集光光学系２０によって成形されたスポットの形状及びサイズ（直径Ｄ２）が、幾何学的に定義された形状及びサイズ（開口５１の内径Ｄ１）に規定されうる。その結果、特定の形状の均一発光部を有する光源を実現することができる。

波長変換部材４０は、開口部材５０の第１表面５２に面接触している。詳細には、波長変換部材４０の蛍光体層４４が開口部材５０の第１表面５２に面接触し、開口５１が蛍光体層４４によって塞がれている。蛍光体層４４と開口部材５０の第１表面５２との間には隙間が存在しない。波長変換部材４０と開口部材５０とが密着していると、波長変換部材４０から放射された光が波長変換部材４０と開口部材５０との間で反射及び散乱されることを防止できる。その結果、シャープなコントラストを示す３次光束２７が得られる。

本実施形態において、開口部材５０は、開口５１の周囲において開口部材５０の厚さを減少させている凹部５５を有する。凹部５５の底面が第１表面５２を構成している。波長変換部材４０の一部は、凹部５５に入り込み、第１表面５２としての凹部５５の底面に接している。詳細には、波長変換部材４０の蛍光体層４４が凹部５５に入り込んでいる。この場合、波長変換部材４０から放射された光が凹部５５の側面によって遮蔽されるので、波長変換部材４０と開口部材５０との間の隙間から漏れにくい。このことは、均一な輝度分布及び照度分布を有する３次光束２７を生成することに寄与する。

開口部材５０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材料で作られている。開口５１の内周面５１ｐ及び第１表面５２での光の反射を防止するために、開口５１の内周面５１ｐ及び第１表面５２は、黒色に着色されていてもよい。内周面５１ｐ及び第１表面５２での光の反射を防止すれば、より均一な輝度分布及び照度分布を有する３次光束２７が得られる。

表面を黒色に着色するための処理としては、メッキ、陽極酸化、塗装、化成処理などが挙げられる。開口部材５０の材料がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合、開口部材５０の表面は、例えば、着色された酸化被膜によって形成されていてもよい。より具体的には、開口部材５０の表面は、黒アルマイト処理されていてもよい。黒アルマイト処理とは、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の部材を陽極酸化することによって多孔性の酸化被膜を形成する工程と、酸化被膜の細孔を黒色の着色剤で埋める工程とを含む処理である。開口部材５０の全体が黒アルマイト処理されていてもよい。

一般的には、JIS Z 8721 明度（無彩色）に規定された黒色度で、１〜４を「黒」、５〜８を「グレー」、９以上を「白」と判断する。本実施形態では、内周面５１ｐ及び第１表面５２の色がグレー又は黒（黒色度８以下）であってもよく、黒（黒色度４以下）であることが望ましい。

標準光源装置１００は、さらに、第２光検出器７０、コントローラ８０及び電源８２を備えている。電源８２は、コントローラ８０及び半導体レーザー素子１２に接続されており、コントローラ８０から与えられた制御信号にしたがって半導体レーザー素子１２に電力を供給する。第２光検出器７０は、光学装置９０の画角の範囲外であって、３次光束２７を検出できる角度範囲に配置されている。第１光検出器１４及び第２光検出器７０は、それぞれ、コントローラ８０に接続されている。第１光検出器１４及び第２光検出器７０の検出信号は、コントローラ８０に入力される。コントローラ８０は、第１光検出器１４及び第２光検出器７０から選ばれる少なくとも１つの検出器の検出結果に基づいて電源８２の制御を行なう。これにより、電源８２から半導体レーザー素子１２に適切な大きさの電流が供給されるので、所望の輝度及び／又は照度の標準光が得られる。

コントローラ８０は、例えば、第１光検出器１４の検出値が所望のレーザー強度範囲に収斂するように電源８２を制御する。あるいは、コントローラ８０は、例えば、第２光検出器７０の検出値が所望の輝度範囲に収斂するように電源８２を制御する。

第１光検出器１４はカバーガラス１６で反射された１次光束の一部２５ａを検出する。これに対し、第２光検出器７０は３次光束２７を検出する。第１光検出器１４の位置は、例えば、半導体レーザー素子１２から放射されてカバーガラス１６で反射した光を検出するように、予め調整されている。この場合、標準光源装置１００の使用時に位置調整などが不要であるため、第１光検出器１４は利便性に優れている。これに対し、第２光検出器７０の位置は、光学装置９０の位置とともに調整が必要かもしれない。ただし、第２光検出器７０は標準光としての３次光束２７を直接検出するので、高精度なフィードバック制御を行うためには、第２光検出器７０の検出信号に基づいて、電源８２の制御を行うことが望ましい。利便性の観点では第１光検出器１４を使用することが望ましく、所望の標準光を得るためには、第２光検出器７０を使用することが望ましい。

本実施形態の標準光源装置１００を用い、光学装置９０の校正を行うことができる。光学装置９０の例には、輝度計、照度計、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなどが含まれる。まず、標準光源装置１００の３次光束２７を標準光として光学装置９０に入射させる。標準光に基づいて光学装置９０の校正を行う。

光学装置９０は、例えば、超高輝度光源１０２の評価に使用される。

図６に示すように、超高輝度光源１０２は、波長変換部材４０及び半導体レーザー素子９１を備えている。半導体レーザー素子９１は、波長変換部材４０の基板４１に向かい合っている。半導体レーザー素子９１の光が基板４１を透過して蛍光体層４４に到達する。つまり、光源１０２は、透過型光源である。

半導体レーザー素子９１は、励起光を放射する。半導体レーザー素子９１は、単一のレーザーダイオードによって構成されていてもよく、複数のレーザーダイオードを光学的に結合された複数のレーザーダイオードによって構成されていてもよい。半導体レーザー素子９１は、例えば、青色光を放射する。本開示において、青色光は、４４０〜４６０ｎｍの範囲のピーク波長を有する光である。

光源１０２は、光学系９２をさらに備えている。半導体レーザー素子９１から放射された励起光の光路上に光学系９２が位置していてもよい。光学系９２は、レンズ、ミラー、光ファイバーなどの光学部品を含む。

図１を参照して説明した標準光源装置を作製し、生成された標準光の輝度分布を調べた。半導体レーザー素子として、発振波長４５０ｎｍ、定格出力３Ｗの青色半導体レーザー素子を用いた。開口部材の開口の直径は、第１表面において０．５ｍｍであった。角度θは１２０度であった。半導体レーザー素子の電流値を２．３Ａに設定し、得られた３次光束の輝度分布を光学濃度（Optical Density, OD）４の減光フィルタを装着したイメージング色彩輝度計によって測定した。結果を図７に示す。

図７に示すように、本開示の標準光源装置によって生成された３次光束は、トップハット形の輝度分布を有していた。輝度が概ね一定のスポットの直径は、０．５ｍｍであった。トップハット形の輝度分布を持つ光は、標準光に適している。また、３次光束の平均輝度は、４億ｃｄ／ｍ²以上であった。この輝度は、超高輝度光源の評価に使用される輝度計の校正に要求される値を満たす。「平均輝度」は、イメージング色彩輝度計から得られた値であって、光軸Ｏを中心に輝度が概ね一定であるスポット（直径０．５ｍｍの円形）の平均値である。平均輝度の上限は半導体レーザー素子の出力に依存するので特に限定されない。平均輝度の上限は、例えば、４．２億ｃｄ／ｍ²である。

図８は、半導体レーザー素子の電流値（ＬＤ電流）と３次光束の平均輝度との関係を示すグラフである。半導体レーザー素子の電流値を増加させると、３次光束の平均輝度が概ねリニアに増加した。

図８に示すように、半導体レーザー素子の電流値と平均輝度との間の関係を予め調べることが可能である。コントローラ８０は、半導体レーザー素子の電流値と平均輝度との関係が記述された参照テーブルを有していてもよい。この場合、第１光検出器１４及び第２光検出器７０を使用することなく（フィードバック系を使用することなく）、所望の標準光が得られる。

本開示の技術は、超高輝度光源の評価に使用される光学機器の校正に有用である。

１０ レーザー光源
１２ 半導体レーザー素子
１４ 第１光検出器
２０ 集光光学系
２１ コリメートレンズ
２２ マイクロレンズアレイ
２３ コンデンサレンズ
２５ １次光束
２６ ２次光束
２７ ３次光束
４０ 波長変換部材
４１ 基板
４２ 基板本体
４３ 薄膜
４４ 蛍光体層
４５ マトリクス
４６ 蛍光体粒子
４７ フィラー粒子
５０ 開口部材
５１ 開口
５１ｐ 内周面
５２ 第１表面
５３ 第２表面
５５ 凹部
６０ ホルダ
７０ 第２光検出器
８０ コントローラ
８２ 電源
９０ 光学装置
１００ 標準光源装置
Ｏ 光軸

Claims (12)

1. １次光束を放射する半導体レーザー素子と、
   前記１次光束の光路上に配置され、前記１次光束を前記１次光束よりも強度分布の均一性が高い２次光束に変換する集光光学系と、
   前記２次光束の光路上に配置され、前記２次光束に含まれた光を元の波長よりも長い波長の光へと変換する波長変換部材と、
   前記波長変換部材に隣接する位置に配置された部材であり、開口を有し、波長変換が行われた前記２次光束の一部を通過させて標準光としての３次光束を生成する開口部材と、
   を備えた、標準光源装置。
2. 前記開口部材は、前記波長変換部材に近い側の第１表面と、前記波長変換部材から遠い側の第２表面と、前記第１表面から前記第２表面へと貫通している開口とを有し、
   前記開口の内周面は、前記第１表面に対して傾斜している傾斜面であり、
   前記第１表面から前記第２表面に向かって前記開口の開口面積が連続的に拡大している、請求項１に記載の標準光源装置。
3. 前記波長変換部材と前記開口部材の前記第１表面とが面接触している、請求項１又は２に記載の標準光源装置。
4. 前記開口部材は、前記凹部の底面が前記第１表面となるように、前記開口の周囲において前記開口部材の厚さを減少させている凹部を有し、
   前記波長変換部材の一部が前記凹部に入り込み、前記第１表面としての前記凹部の前記底面に接している、請求項２に記載の標準光源装置。
5. 前記１次光束の光強度を検出する光検出器をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の標準光源装置。
6. 前記３次光束の光強度を検出する光検出器をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の標準光源装置。
7. 前記集光光学系は、コリメートレンズ、マイクロレンズアレイ及びコンデンサレンズを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の標準光源装置。
8. 前記波長変換部材は、基板と、前記基板上に配置された蛍光体層とを含み、
   前記蛍光体層は、マトリクスと、前記マトリクスに埋め込まれた蛍光体粒子とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の標準光源装置。
9. 前記マトリクスがＺｎＯを主成分として含む、請求項８に記載の標準光源装置。
10. 前記３次光束の平均輝度が４億ｃｄ／ｍ²以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の標準光源装置。
11. 前記３次光束がトップハット形の輝度分布を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の標準光源装置。
12. 前記半導体レーザー素子に電力を供給する電源と、
    前記光検出器の検出結果に基づいて前記電源の制御を行なうコントローラと、
    をさらに備えた、請求項５又は６に記載の標準光源装置。

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