JP2019145439A - 光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能な光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置を提供する。【解決手段】一次光（Ｌ１）を発光するレーザ素子（２１）と、被照射領域に一次光が照射されて二次光（Ｌ２）に波長変換する波長変換部（３０）と、二次光（Ｌ２）を取り出す光取出部（Ｂ）を備え、被照射領域の面積は、光取出部（Ｂ）の面積よりも大きく、７ｍｍ２以下である光源装置。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置に関し、特にレーザ素子からの一次光を波長変換部で二次光に波長変換する光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置に関する。

近年、青色半導体レーザから出射した一次光で蛍光体を励起して二次光を発光させ、白色あるいは単色の高輝度光源を得る技術が進展している。白色光源についてはレーザヘッドライトにて商品化されており、高輝度光源を活かした光学設計により、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）よりも遠方まで白色光が届く投光が実現されている。この技術を用いたレーザヘッドライトにおいては、数百〜２０００ルーメン級の白色光源が実現されれば投光器の設計が可能となる。

類似技術を用いた単色の高輝度光源は、プロジェクタ用の光源装置として商品化されている。水銀ランプの代替えとしてレーザを光源として用い、ＬＥＤでは実現出来ない高光束まで出力することが可能なプロジェクタが実現されている。この技術を用いたプロジェクタにおいては、レーザヘッドライトを大きく上回る数千から数万ルーメン級の光源装置が必要とされている。

このレーザ素子と蛍光体とを用いた光源装置では、ヘッドライト用途およびプロジェクタ用途のどちらも、レーザ光を蛍光体の上に小さく集光し波長変換することにより、ＬＥＤでは実現出来ない高輝度光源を得ることが出来ている。高輝度光源とは、すなわち、小さな面積から大きな光束(光度)を得ることが出来る光源であり、光取出部の面積が小さいことが必須である。

しかし、レーザ光を蛍光体の上で小さく集光した場合には、蛍光体の発熱が激しくなる。レーザヘッドライトにおける数百〜２０００ルーメン級の光源であれば蛍光体発光部の構成を工夫することにより排熱が可能であるが、プロジェクタに要求される数千〜数万ルーメン級の光源においては蛍光体発光部からの放熱は困難であった。その為、ホイール状の波長変換部を用いて波長変換部をモーターにより回転させ、回転に伴ってレーザ光が照射される領域を変化させ、波長変換部からの発熱を一点に集中させず分散させる構成が取られている（例えば特許文献１等を参照）。

特開２０１０−２３７４４３号公報

しかし上述した従来技術では、波長変換部材をモーター等で機械的に回転させ、波長変換部材の一部にのみレーザ光（一次光）を照射する構成であり、また、モーター等の回転を制御するための制御系回路や動力を伝達する手段が必要であるため、光源装置の小型化や軽量化が困難であった。また、モーター等の回転機構に異常が生じると波長変換部材の回転が停止し、波長変換部材のレーザ光が照射される領域からの放熱が阻害され、波長変換部材の劣化や損傷が生じるおそれがあった。

一方、モーター等の回転機構を用いない場合には、レーザ光が照射された領域の温度上昇を抑制して劣化や損傷を防止する必要があり、照射するレーザ光の高輝度化には限界があった。

そこで本発明は、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能な光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明の光源装置は、一次光を発光するレーザ素子と、被照射領域に前記一次光が照射されて二次光に波長変換する波長変換部と、前記二次光を取り出す光取出部を備え、前記被照射領域の面積は前記光取出部の面積よりも大きく、前記光取出部の面積は７ｍｍ^２以下であることを特徴とする。

このような光源装置では、一次光が照射される被照射領域の面積が光取出部の面積よりも大きく、光取出部の面積は７ｍｍ^２以下であるため、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能となる。

また、上記課題を解決するため本発明の光源装置は、一次光を発光するレーザ素子と、被照射領域に前記一次光が照射されて二次光に波長変換する波長変換部と、前記二次光を取り出す光取出部を備え、前記被照射領域の面積は、前記光取出部の面積よりも大きく、前記光取出部における前記二次光の輝度が１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上であることを特徴とする。

このような光源装置では、一次光が照射される被照射領域の面積が光取出部の面積よりも大きく、光取出部における二次光の輝度が１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上であるため、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能となる。

また、本発明の一実施態様では、前記一次光は、前記レーザ素子から前記被照射領域に対して拡大して照射される。

また、本発明の一実施態様では、前記被照射領域の主たる面の法線は、前記光取出部から前記二次光が出射する主たる方向とは異なる。

また、本発明の一実施態様では、前記被照射領域の主たる面の法線は、前記光取出部から前記二次光が出射する主たる方向と略直交する。

また、本発明の一実施態様では、前記波長変換部は、多数の蛍光体粒子が実質的に接触して形成された蛍光体層を備えている。

また、本発明の一実施態様では、前記一次光は前記被照射領域に均一に照射される。

また、本発明の一実施態様では、前記一次光は拡散部材によって拡散されて前記被照射領域に照射される。

また、上記課題を解決するため本発明の照明機器は、上記何れか一つに記載の光源装置を用いることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため本発明のプロジェクタ装置は、上記何れか一つに記載の光源装置を用いることを特徴とする。

本発明によれば、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能な光源装置、照明機器およびプロジェクタ装置を提供することができる。

第１実施形態にかかる光源装置を用いた機器の構成を示すブロック図であり、図１（ａ）は照明機器に用いた例を示し、図１（ｂ）はプロジェクタ装置に用いた例を示している。 第１実施形態に係る光源装置の構成を示す模式断面図である。 第１実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図３（ａ）は光取出部Ｂ側が小さい円錐台形状の例であり、図３（ｂ）は光取出部Ｂ側が大きい円錐台形状の例である。 第２実施形態にかかる光源装置を示す図であり、図４（ａ）は模式断面図を示し、図４（ｂ）はレーザ部２０の平面図を示している。 第３実施形態にかかる光源装置を示す図であり、図５（ａ）は放熱部３１の凹部内面に蛍光体層３２を形成した例を示し、図５（ｂ）は光取出部の面積を小さくした例を示し、図５（ｃ）は底が広い凹部の例を示し、図５（ｄ）は略球状の凹部の例を示している。 第４実施形態にかかる光源装置を示す模式断面図である。 第４実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図７（ａ）は透光性部材の表面に蛍光体層を形成した例であり、図７（ｂ）は放熱部３１の凹部内面に蛍光体層を形成して透光性部材を充填した例であり、図７（ｃ）は透光性部材の一部の表面に蛍光体層を形成した例である。 第５実施形態にかかる光源装置を示す模式断面図であり、図８（ａ）は半球状の例を示し、図８（ｂ）は放物面状の例を示している。 第６実施形態に係る光源装置の構成を示す模式断面図である。 第６実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図１０（ａ）は光取出部Ｂ側が小さい円錐台形状の例であり、図１０（ｂ）は光取出部Ｂ側が大きい円錐台形状の例である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る実施の形態を、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。図１は、本実施形態にかかる光源装置を用いた機器の構成を示すブロック図であり、図１（ａ）は照明機器に用いた例を示し、図１（ｂ）はプロジェクタ装置に用いた例を示している。

図１（ａ）に示した照明機器は、電力供給源１０と、レーザ部２０と、波長変換部３０と、制御部４０と、投光光学系５０を備えている。

電力供給源１０は、制御部４０からの制御信号に応じて、レーザ部２０の発光に必要な電流値および電圧値の電力をレーザ部２０に対して供給する。電力供給源１０としては、一次電池や二次電池、商用電源等を用いることができ、電圧変換回路や整流回路等の回路を含んでいる。

レーザ部２０は、電力供給源１０からの電力に応じて所定波長の一次光をレーザ発振し、波長変換部３０に対して照射する。レーザ部２０では発光状態を測定して、測定結果を制御部４０に伝達する。レーザ部２０が発光する一次光の波長は特に限定されないが、波長変換部３０の吸収帯域に応じて青色波長や紫色波長、近紫外光などの公知のレーザ素子を用いることができる。

波長変換部３０は、蛍光体材料を含有する部材であり、レーザ部２０からの一次光を二次光に波長変換して投光光学系５０に照射する。波長変換部３０に含まれる蛍光体材料は特に限定されないが、一次光が青色である場合には、二次光として黄色光を発光するＹＡＧ蛍光体等の公知の材料を用い、一次光と二次光の混色により白色を照射するとしてもよい。また、一次光が紫色や近紫外である場合には、二次光として青色、赤色、緑色を発光する複数の公知の蛍光体材料を用い、二次光の混色により白色を照射するとしてもよい。

制御部４０は、レーザ部２０の発光状態や予め設定された光量等に応じて電力供給源１０の出力を制御する情報処理装置である。制御部４０による制御は限定されず、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御やＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御等の公知のレーザ制御を組み合わせるとしてもよい。

投光光学系５０は、外部に対して光を照射する光学部材の組み合わせであり、例えば反射鏡、レンズ等を用いることができる。照明機器をヘッドランプ等の車両用灯具として用いる場合には、ハイビームやロービームの切替え、配光分布の制御等をする公知の構成を含めてもよい。

図１（ａ）に示した照明機器では、電力供給源１０から供給された電力によりレーザ部２０が一次光を発光し、波長変換部３０に照射された一次光が二次光に変換され、投光光学系５０を介して一次光と二次光が外部に取り出されることで、白色が照射される。

図１（ｂ）に示したプロジェクタ装置は、電力供給源１０と、レーザ部２０と、波長変換部３０と、制御部４０と、投光光学系５０と、単色分離合成部６０と、画像表示素子７０を備えている。プロジェクタ装置の場合には、波長変換部３０を赤色、緑色、青色の各色用意しておき、単色分離合成部６０で合成または分離して画像表示素子７０に照射し、投光光学系５０を介して外部に画像が照射される。

単色分離合成部６０は、ハーフミラーやダイクロイックミラーを用いて光を合成または分離する光学要素である。画像表示素子７０は、画像信号に基づいて画素の光の反射方向を制御する素子であり、例えばＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等が挙げられる。ここでは、単色分離合成部６０を経て波長変換部３０からの二次光を画像表示素子７０に入射する例を示したが、画像表示素子７０に二次光を照射した後に単色分離合成部６０を介して投光光学系５０を経て外部に画像照射するとしてもよい。

図２は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す模式断面図である。本実施形態の光源装置は、レーザ部２０がレーザ素子２１とレンズ２２を備え、波長変換部３０が放熱部３１と蛍光体層３２と波長フィルタ３３とを備えて構成されている。図２ではレーザ部２０を一つ用いた例を示しているが、複数のレーザ部２０を用いて蛍光体層３２の異なる領域に一次光Ｌ１を照射するとしてもよい。

レーザ素子２１は、電力が供給されて一次光Ｌ１をレーザ発振する半導体レーザを含んでいる。一次光Ｌ１の波長は限定されないが、例えば波長４５０ｎｍ程度の青色光を発振するものを用いることができる。図２ではＣＡＮ型パッケージのものを示しているが、パッケージの形状やサイズは限定されず、樹脂封止型であってもオープン型であってもよく、公知の構造を用いることができる。

レンズ２２は、レーザ素子２１から照射される一次光Ｌ１の配光を制御して波長変換部３０に入射するための光学要素である。後述するように波長変換部３０のうち一次光が照射される被照射領域の面積を大きくするためには、一次光Ｌ１のビーム径が拡大するレンズ２２を用いることが好ましい。

放熱部３１は、蛍光体層３２を保持して蛍光体層３２で生じた熱を外部に放熱するための部材である。放熱部３１を構成する材料は限定されないが、良好な熱伝導性と適切な剛性を有することが好ましく、アルミニウムや銅等の金属で構成することが好ましい。特に、放熱部３１の内面は蛍光体層３２が形成されるため、一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を良好に反射するアルミニウムを用いることが好ましい。また、銅などの熱伝導率が高い金属の内面に、アルミニウムや銀などの反射率が高い膜をコーティングするとしてもよい。

図２に示した本実施形態の放熱部３１は略円筒形状のアルミニウム製であり、一方の端部が光入射部Ａとされ、他方の端部が光取出部Ｂとされている。また、光入射部Ａには波長フィルタ３３が配置されている。ここでは放熱部３１として略円筒状のものを示したが、断面形状が他の形状であってもよく例えば矩形や多角形であってもよい。また、放熱部３１の外周に放熱フィンやファンを用いた空冷、水冷、ヒートパイプを用いた熱輸送や熱拡散など、公知の放熱構造を採用するとしてもよい。

蛍光体層３２は、放熱部３１の内面に形成されており、一次光Ｌ１が照射されてその一部を波長変換して二次光Ｌ２を照射する蛍光体材料を含む部材である。蛍光体層３２に含まれる蛍光体材料の種類は限定されず、一次光Ｌ１を吸収して二次光Ｌ２発光するものを公知の材料から適切に選択することができ、例えば青色光により励起されて黄色光を発光するＹＡＧ系蛍光体等を用いることができる。また、蛍光体層３２には蛍光体材料を微粒子状に形成した蛍光体粒子を多数含んでいる。蛍光体層３２における蛍光体粒子の含有形態は限定されないが、樹脂やガラスに蛍光体粒子を分散したものや、蛍光体粒子と透光性微粒子とが互いに接触するものが挙げられる。

蛍光体層３２で生じた熱を良好に放熱部３１に伝達するためには、蛍光体層３２として多数の蛍光体粒子が実質的に接触して形成されたものが好ましい。ここで、蛍光体粒子が実質的に接触するとは、隣接する蛍光体粒子同士が直接接触する場合や、蛍光体粒子の隙間にＳｉＯ_２やＴｉＯ_２等の透光性微粒子がバインダーとして充填されている場合をいう。

波長フィルタ３３は、放熱部３１の光入射部Ａに設けられ、一次光Ｌ１を透過してそれ以外の波長を反射するバンドパスフィルタである。波長フィルタ３３を光入射部Ａに配置して、波長フィルタ３３を介して一次光Ｌ１を波長変換部３０内部に取り込むことで、二次光Ｌ２が光入射部Ａ側から外部に照射されることを防止する。

図２に示した本実施形態の光源装置では、レーザ素子２１が発光した一次光Ｌ１はレンズ２２を介してビーム径が拡大され、波長フィルタ３３を透過して蛍光体層３２に略均一に照射される。このとき、レーザ素子２１および一次光Ｌ１の光軸は放熱部３１の円筒中心軸から傾いており、放熱部３１の内面に形成された蛍光体層３２の広い領域に照射される。蛍光体層３２のうち、レーザ素子２１から一次光Ｌ１が直接照射される領域を被照射領域とすると、放熱部３１の内面の一方の半円筒状にいて略全長にわたって被照射領域とされている。

蛍光体層３２の被照射領域では、一次光Ｌ１の一部が波長変換されて二次光Ｌ２となり、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は、放熱部３１の内面や蛍光体層３２で反射されながら光取出部Ｂから外部に照射される。よって、蛍光体層３２の被照射領域の主たる面の法線は、光取出部Ｂから白色光が出射する方向とは異なり、互いに略直交している。このように、一次光Ｌ１を二次光Ｌ２に波長変換している被照射領域と光取出部Ｂとを分けることで、被照射領域の面積を拡大して大光量の発光を可能にしながらも、光取出部Ｂの面積を小さくすることができる。

例えば、レーザ素子２１を波長４５０ｎｍの青色光で発振するＧａＮ系を用い、蛍光体層３２としてＹＡＧ系蛍光体粒子を用いて黄色をピークとするブロードな波長範囲の二次光Ｌ２を得ると、一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を混色した白色が光取出部Ｂから外部に照射される。蛍光体層３２に含まれる蛍光体粒子は例えば平均粒径（Ｄ５０）が５μｍ程度であり、これを放熱部３１の内面に塗布して平均層厚１２μｍとする。また放熱部３１として、例えば内周の直径が２ｍｍの円筒状で全長が１０ｍｍのものを用い、被照射領域の面積は３０ｍｍ^２程度であり、光取出部Ｂの断面積は３ｍｍ^２程度である。ここでは、光源装置を照明機器に用いる例として白色光を照射する場合を示したが、プロジェクタに用いる場合には赤色、緑色、青色の単色光を光取出部から外部に照射するとしてもよい。

このように、蛍光体層３２の被照射面積を光取出部Ｂの面積よりも大きくすることで、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に放熱部３１に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができ、光取出部Ｂからはランバーシアンに近似した配光で４万ルーメンの白色光を照射することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部Ｂから取り出しているため、光取出部Ｂの輝度は４０００Ｍｃｄ／ｍ^２程度に相当し、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となる。したがって、本実施形態の光源装置では、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。

図３は、本実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図３（ａ）は光取出部Ｂ側が小さい円錐台形状の例であり、図３（ｂ）は光取出部Ｂ側が大きい円錐台形状の例である。図３（ａ）（ｂ）に示したように、放熱部３１および蛍光体層３２の内径は光入射部Ａから光取出部Ｂまで一定である必要はなく、内径が徐々に縮小または拡大する円錐台形状としてもよい。図３（ａ）に示した変形例では、光入射部Ａの断面積を大きくして一次光Ｌ１を波長変換部３０に照射しやすくするとともに、光取出部Ｂの断面積を小さくして輝度を向上させることができる。また図３（ｂ）に示した変形例では、光取出部Ｂ方向に内径が拡大していくため、一次光Ｌ１および二次光Ｌ２を光取出部Ｂ側に良好に反射することができ、光取出し効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明する。第１実施形態と重複する構成は説明を省略する。図４は、本実施形態にかかる光源装置を示す図であり、図４（ａ）は模式断面図を示し、図４（ｂ）はレーザ部２０の平面図を示している。本実施形態の光源装置は、レーザ部２０がレーザ素子２１とレンズ２２とレーザ保持部２３を備え、波長変換部３０が放熱部３１と蛍光体層３２と反射部３４とを備えて構成されている。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態では、複数のレーザ素子２１がレーザ保持部２３によって保持され、複数のレンズ２２がそれぞれレーザ素子２１からの一次光Ｌ１を蛍光体層３２に照射している。レーザ保持部２３の直径は放熱部３１の光入射部の内径と略同程度である。

また、放熱部３１の一端にはレーザ部２０が配置され、他端には一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を反射する反射部３４が配置されている。放熱部３１は略円筒状または反射部３４に向かって少し内径が小さくなる筒状である。レーザ部２０の各レーザ素子２１からの一次光Ｌ１はレンズ２２によって制御され、放熱部３１の全長にわたって蛍光体層３２に照射される。よって本実施形態では、各レーザ素子２１から蛍光体層３２に沿って一次光Ｌ１が照射される領域が被照射領域とされている。

図４に示した本実施形態の光源装置では、レーザ部２０から照射された一次光Ｌ１は蛍光体層３２の長手方向に反った被照射領域に照射されて一部が二次光Ｌ２に波長変換される。また、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は、放熱部３１の内面や蛍光体層３２で反射され、反射部３４で反射されてレーザ部２０が配置された側から外部に照射される。このように本実施形態では、光入射部と光取出部が同じ側であり、波長変換部３０における光取出部の面積は、光入射部の面積と同じである。

本実施形態でも、蛍光体層３２の被照射領域の主たる面の法線は、光取出部から白色光が出射する方向とは異なり、互いに略直交している。このように、一次光Ｌ１を二次光Ｌ２に波長変換している被照射領域と光取出部とを分けることで、被照射領域の面積を拡大して大光量の発光を可能にしながらも、光取出部の面積を小さくすることができる。

また、複数のレーザ素子２１を用いて蛍光体層３２に対して一次光Ｌ１を照射しているため、波長変換部３０に含まれる蛍光体層３２のうち一次光Ｌ１が照射されない領域の面積を減らし、被照射領域の面積を増加させることができる。これにより、被照射領域を蛍光体層３２全体に分散させ、放熱性を向上させることができる。

本実施形態でも、蛍光体層３２の被照射面積を光取出部の面積よりも大きくすることで、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に放熱部３１に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部から取り出しているため、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となり、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について図面を用いて説明する。第１実施形態と重複する構成は説明を省略する。図５は、本実施形態にかかる光源装置を示す図であり、図５（ａ）は放熱部３１の凹部内面に蛍光体層３２を形成した例を示し、図５（ｂ）は光取出部の面積を小さくした例を示し、図５（ｃ）は底が広い凹部の例を示し、図５（ｄ）は略球状の凹部の例を示している。本実施形態の光源装置は、波長変換部３０が放熱部３１と蛍光体層３２と凹部３５とを備えている。

本実施形態では、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、放熱部３１が塊状の金属部材で構成されており、塊状の一部をくり抜いた凹部３５が形成され、凹部３５の内面に蛍光体層３２が形成されている。凹部３５の内面は、第１実施形態と同様に一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を反射する反射面として構成されている。図５に示したように、本実施形態の光源装置は、放熱部３１として塊状の金属部材を用いているため、放熱部３１の熱容量が大きくなり、蛍光体層３２での発熱が良好に外部に伝達して放熱することができる。

本実施形態の光源装置では、レーザ部２０からの一次光Ｌ１が、凹部３５の開口から蛍光体層３２の被照射領域に照射され、一部が二次光Ｌ２に波長変換される。波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は、凹部３５内面で反射されて凹部３５の開口から白色光として取り出される。したがって、凹部３５の開口面積が本実施形態における光取出部の面積となる。

図５（ａ）に示した例では凹部３５の内径が一定であるため、光取出部の面積は蛍光体層３２を形成した凹部３５の断面積と同程度となるが、図５（ｂ）〜（ｄ）に示した例では、凹部３５の光取出部面積を蛍光体層３２が形成された部分の断面積よりも小さくでき、より高輝度化を図るのに適している。

本実施形態でも、蛍光体層３２の被照射面積を光取出部の面積よりも大きくすることで、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に放熱部３１に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部から取り出しているため、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となり、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について図面を用いて説明する。第１実施形態と重複する構成は説明を省略する。図６は、本実施形態にかかる光源装置を示す模式断面図である。本実施形態の光源装置は、レーザ部２０と波長変換部３０と単色分離合成部６０を備え、波長変換部３０が放熱部３１と蛍光体層３２と凹部３５を備え、単色分離合成部６０がダイクロイックミラー６１とレンズ６２を備えて構成されている。

本実施形態は、光源装置をプロジェクタ装置に用いる例であり、レーザ部２０からは一次光Ｌ１として波長４５０ｎｍ程度の青色光を照射し、蛍光体層３２に含有される蛍光体粒子の材料としてセリウム付活ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ：Ｃｅ）系の緑色蛍光体を用いる。

ダイクロイックミラー６１は、所定波長の光を反射するとともに、その他の波長の光を透過する光学部材である。本実施形態では、一次光Ｌ１の青色光を反射し、二次光Ｌ２の緑色光を透過するように波長特性を設計しておく。レンズ６２は、平行光を焦点位置に集光し、焦点位置からの光を平行光にする光学部材であり、公知の集光レンズを用いることができる。

本実施形態では、レーザ部２０から照射された一次光Ｌ１がダイクロイックミラー６１で反射され、レンズ６２を介して凹部３５内の蛍光体層３２に照射される。蛍光体層３２の被照射領域では、一次光Ｌ１の一部が二次光Ｌ２に波長変換され、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は凹部３５の開口である光取出部からレンズ６２に到達する。光取出部から取り出された一次光Ｌ１と二次光Ｌ２はレンズ６２で制御され、二次光Ｌ２のみがダイクロイックミラー６１を透過して外部に照射される。

プロジェクタ装置では、図６に示した光源装置の他に、青色レーザと赤色レーザを用意しておき、ＤＭＤ等の画像表示素子７０に交互に赤色、緑色、青色の平行光を照射して、投光光学系５０を介して外部に画像投影を行う。

図６に示した光源装置では、例えば塊状のアルミニウムで構成された放熱部３１に形成された直径２．５ｍｍの凹部３５内に蛍光体層３２が形成されており、レンズ６２の焦点位置は凹部３５の出射口Ｂの中央に設計されている。これにより、レーザ部２０からの一次光Ｌ１は均一に凹部３５内面の蛍光体層３２全体に照射され、大きな面積を被照射領域として波長変換することができる。

図７は、本実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図７（ａ）は透光性部材の表面に蛍光体層を形成した例であり、図７（ｂ）は放熱部３１の凹部内面に蛍光体層を形成して透光性部材を充填した例であり、図７（ｃ）は透光性部材の一部の表面に蛍光体層を形成した例である。図７（ａ）〜（ｃ）に示したように、本変形例の光源装置では、レーザ部２０と波長変換部３０とダイクロイックミラー６１を備えており、波長変換部３０には透光性部材３７が含まれている。

透光性部材３７は、略放物面の外面を有する砲弾型の部材であり、一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を透過する材料で構成されている。具体的な材料は特に限定されず、例えばガラスやサファイア等を用いることができ透光性と熱伝導性を有するサファイアがより好ましい。透光性部材３７の略放物面外周には蛍光体層３２が形成されており、ダイクロイックミラー６１に対向する円形の開口断面には蛍光体層３２が形成されていない。透光性部材３７の開口断面は、例えば直径が３ｍｍの円形であり、この開口を介して光の入出射が行われる。よって 透光性部材３７の開口は、光入射部であるとともに光取出部となっている。

本変形例では、光源装置を照明機器に用いる例であり、レーザ部２０からは一次光Ｌ１として視感度の低い波長４０５ｎｍ程度の近紫外光を照射し、蛍光体層３２として近紫外で励起され赤色、緑色、青色を二次光Ｌ２として発光する複数種類の蛍光体粒子を混合したものを用いる。したがって、ダイクロイックミラーは近紫外光を反射し、可視光を透過するように波長特性を設計しておく。

本変形例では、レーザ部２０からの一次光Ｌ１がダイクロイックミラー６１で反射された後に透光性部材３７に入射し、透光性部材３７の曲面部の表面に形成された蛍光体層３２全体に均一に入射する。蛍光体層３２の被照射領域に入射した一次光Ｌ１は、一部が二次光Ｌ２に波長変換され、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は透光性部材３７の開口からダイクロイックミラー６１に到達する。ダイクロイックミラー６１は一次光Ｌ１を反射するので、二次光Ｌ２である赤色光、緑色光、青色光が混色された白色が外部に取り出される。

図７（ａ）（ｃ）に示した変形例では、蛍光体層３２は透光性部材３７の表面に形成されているため、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に透光性部材３７に伝達され、光源装置の外部に放熱される。図７（ｃ）に示した例では、透光性部材３７の一部領域にのみ蛍光体層３２を形成しているため、蛍光体層３２で波長変換によって生じる熱量と、透光性部材３７の体積に基づいた熱容量とのバランスを考慮して、波長変換部３０全体の放熱特性を最適化することができる。

また、図７（ｂ）に示した変形例では、塊状の放熱部３１に凹部３５を形成し、凹部３５の内面に蛍光体層３２が形成され、さらに蛍光体層３２の内部に透光性部材３７を充填している。凹部３５の内面は、第１実施形態と同様に一次光Ｌ１と二次光Ｌ２を反射する反射面として構成されている。これにより、蛍光体層３２での発熱は放熱部３１および透光性部材３７を介して良好に外部に伝達して放熱される。図７（ａ）〜（ｃ）のいずれの変形例でも、蛍光体層３２の膜厚方向において一次光Ｌ１が照射される側に透光性部材３７が接触して設けられており、透光性部材３７がヒートシンクとして機能している。これにより、蛍光体層３２での波長変換によって生じた熱をより効率的に外部に伝達して放熱することができる。

本実施形態でも、蛍光体層３２の被照射面積を光取出部の面積よりも大きくすることで、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に透光性部材３７に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部から取り出しているため、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となり、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について図面を用いて説明する。第１実施形態と重複する構成は説明を省略する。図８は、本実施形態にかかる光源装置を示す模式断面図であり、図８（ａ）は半球状の例を示し、図８（ｂ）は放物面状の例を示している。本実施形態の光源装置は、レーザ部２０と波長変換部３０とを備え、波長変換部３０は蛍光体層３２と透光性部材３７と散乱体３８とを備えている。

散乱体３８は、透光性部材３７の開口断面の略中央に配置され、一次光Ｌ１を散乱する部材である。散乱体３８の形状は限定されないが、一次光Ｌ１を均一に蛍光体層３２に照射するためには半球状のドーム形状が好ましい。また、散乱体３８の半球面には微小な凹凸が形成された散乱面であることが好ましい。散乱体３８を構成する材料は限定されないが、反射率の高い金属であってもよく、透光性部材３７に凹部を形成して凹部内面に反射率の高いアルミニウム等の金属膜を形成したものでもよい。

図８（ａ）（ｂ）に示すように本実施形態では、半球状または放物面状の透光性部材３７の頂点を除く曲面の略全面にわたって蛍光体層３２が形成されている。また、透光性部材３７のレーザ部２０と反対側は略平坦な開口断面とされており、断面の中心には散乱体３８が配置されている。

レーザ部２０からの一次光Ｌ１は、蛍光体層３２が形成されていない頂点部分から透光性部材３７内に照射され、散乱体３８により散乱されて蛍光体層３２の略全面に均一に照射される。一次光Ｌ１が照射された蛍光体層３２の被照射領域では、一次光Ｌ１の一部が二次光Ｌ２に波長変換され、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は透光性部材３７の開口から外部に取り出される。したがって、透光性部材３７の開口断面が光取出部に相当している。また、散乱体３８で一次光Ｌ１を均一に散乱して蛍光体層３２に照射しているため、蛍光体層３２の略全面を被照射領域にすることができる。

これにより本実施形態でも、被照射領域の面積を光取出部の面積よりも大きくして、均一に一次光Ｌ１を照射することで、蛍光体層３２の局所的な発熱を抑制することができる。また、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に透光性部材３７に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部から取り出しているため、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となり、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。
＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態について図面を用いて説明する。第１実施形態と重複する構成は説明を省略する。図９は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す模式断面図である。本実施形態の光源装置は、レーザ部２０がレーザ素子２１とレンズ２２を備え、波長変換部３０が蛍光体層３２と反射部３４と透光性部材３７とを備えて構成されている。

図９に示すように、本実施形態では透光性部材３７が略円筒形状をなしており、一方の端部Ａに反射部３４が配置され、他方の端部が光取出部Ｂとされている。また、透光性部材３７の内面には蛍光体層３２が形成されている。反射部３４の内面にも蛍光体層３２を形成するとしてもよい。

図９に示した本実施形態の光源装置では、レーザ素子２１が発光した一次光Ｌ１はレンズ２２を介してビーム径が拡大され、透光性部材３７を透過して蛍光体層３２に略均一に照射される。このとき、レーザ素子２１および一次光Ｌ１の光軸は透光性部材３７の円筒中心軸から傾いており、透光性部材３７の内面に形成された蛍光体層３２の広い領域に照射される。蛍光体層３２のうち、レーザ素子２１から一次光Ｌ１が直接照射される領域を被照射領域とすると、透光性部材３７の内面の一方の半円筒状にいて略全長にわたって被照射領域とされている。

また、透光性部材３７と蛍光体層３２との間に、一次光Ｌ１のみを透過して二次光Ｌ２を反射する誘電体多層膜フィルタを設けるとしてもよい。透光性部材３７の外部から照射された一次光Ｌ１は、透光性部材３７および誘電体多層膜フィルタを透過して蛍光体層３２に照射されるが、蛍光体層３２の被照射領域で波長変換された二次光Ｌ２は誘電体多層膜フィルタで反射される。これにより、蛍光体層３２で波長変換された二次光Ｌ２が透光性部材３７を介して外部に漏洩することがなく、筒状の透光性部材３７の内部で繰り返し反射されて光取出部Ｂから良好に二次光Ｌ２を取り出して、光取出し効率を向上することができる。

蛍光体層３２の被照射領域では、一次光Ｌ１の一部が波長変換されて二次光Ｌ２となり、波長変換されなかった一次光Ｌ１と二次光Ｌ２は、透光性部材３７の内面や蛍光体層３２で反射されながら光取出部Ｂから外部に照射される。例えば、一次光Ｌ１として波長４５０ｎｍ程度の青色光を用い、蛍光体層３２としてＹＡＧ系の黄色蛍光体を用いることで、一次光Ｌ１と二次光Ｌ２の混色により白色を照射することができる。また、一次光Ｌ１として波長４０５ｎｍの近紫外光を用い、蛍光体層３２として赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体を混合したものを用いることで、二次光Ｌ２の混色により白色を照射することができる。

本実施形態でも、蛍光体層３２の膜厚方向において一次光Ｌ１が照射される側に透光性部材３７が接触して設けられており、透光性部材３７がヒートシンクとして機能している。これにより、蛍光体層３２での波長変換によって生じた熱をより効率的に外部に伝達して放熱することができる。また、蛍光体層３２の被照射面積を光取出部Ｂの面積よりも大きくすることで、被照射領域で波長変換にともなって生じた熱は良好に透光性部材３７に伝達され、光源装置の外部に放熱される。したがって、レーザ素子２１から照射する一次光Ｌ１の光量を増加しても蛍光体層３２の被照射領域での温度上昇を抑制し、蛍光体層３２の劣化や損傷を防止することができる。また、断面積が７ｍｍ^２以下の光取出部から取り出しているため、１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上の高輝度となり、回転機構を用いず簡便な構成としながらも、高輝度化と小型化を図ることが可能である。

図１０は、本実施形態の変形例を示す模式断面図であり、図１０（ａ）は光取出部Ｂ側が小さい円錐台形状の例であり、図１０（ｂ）は光取出部Ｂ側が大きい円錐台形状の例である。図１０（ａ）（ｂ）に示したように、透光性部材３７および蛍光体層３２の内径は端部Ａから光取出部Ｂまで一定である必要はなく、内径が徐々に縮小または拡大する円錐台形状としてもよい。図１０（ａ）に示した変形例では、光取出部Ｂの断面積を小さくして輝度を向上させることができる。また図１０（ｂ）に示した変形例では、光取出部Ｂ方向に内径が拡大していくため、一次光Ｌ１および二次光Ｌ２を光取出部Ｂ側に良好に反射することができ、光取出し効率を向上させることができる。

なお、今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

Ｌ１…一次光
Ｌ２…二次光
１０…電力供給源
２０…レーザ部
３０…波長変換部
４０…制御部
５０…投光光学系
６０…単色分離合成部
７０…画像表示素子
２１…レーザ素子
２２…レンズ
２３…レーザ保持部
３１…放熱部
３２…蛍光体層
３３…波長フィルタ
３４…反射部
３５…凹部
３７…透光性部材
３８…散乱体
６１…ダイクロイックミラー
６２…レンズ

Claims (10)

1. 一次光を発光するレーザ素子と、
   被照射領域に前記一次光が照射されて二次光に波長変換する波長変換部と、
   前記二次光を取り出す光取出部を備え、
   前記被照射領域の面積は前記光取出部の面積よりも大きく、前記光取出部の面積は７ｍｍ^２以下であることを特徴とする光源装置。
2. 一次光を発光するレーザ素子と、
   被照射領域に前記一次光が照射されて二次光に波長変換する波長変換部と、
   前記二次光を取り出す光取出部を備え、
   前記被照射領域の面積は、前記光取出部の面積よりも大きく、
   前記光取出部における前記二次光の輝度が１０００Ｍｃｄ／ｍ^２以上であることを特徴とする光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置であって、
   前記一次光は、前記レーザ素子から前記被照射領域に対して拡大して照射されることを特徴とする光源装置。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の光源装置であって、
   前記被照射領域の主たる面の法線は、前記光取出部から前記二次光が出射する主たる方向とは異なることを特徴とする光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置であって、
   前記被照射領域の主たる面の法線は、前記光取出部から前記二次光が出射する主たる方向と略直交することを特徴とする光源装置。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の光源装置であって、
   前記波長変換部は、多数の蛍光体粒子が実質的に接触して形成された蛍光体層を備えていることを特徴とする光源装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の光源装置であって、
   前記一次光は前記被照射領域に均一に照射されることを特徴とする光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置であって、
   前記一次光は拡散部材によって拡散されて前記被照射領域に照射されることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１から８の何れか一つに記載の光源装置を用いることを特徴とする照明機器。
10. 請求項１から８の何れか一つに記載の光源装置を用いることを特徴とするプロジェクタ装置。

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