JP2019161127A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広角な配光分布を実現するとともに色度の角度依存性が小さい発光装置を提供することである。【解決手段】 発光装置１００は、半導体レーザー素子１３０と、第１のレンズ１４０と、第２のレンズ１５０と、半導体レーザー素子１３０が発するレーザーの波長を変換する波長変換部１６０と、を有する。第１のレンズ１４０は、第１の広がり角θ１を有するとともに半導体レーザー素子１３０から発せられるレーザーを屈折させるものである。第２のレンズ１５０は、第２の広がり角θ２を有するとともに第１のレンズ１４０により屈折されたレーザーを屈折させるものである。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。【選択図】図１

Description

本明細書の技術分野は、発光装置に関する。

発光装置に、半導体レーザー素子が用いられることがある。半導体レーザー素子は高い指向性を有するため、光源として用いる場合に、レーザー光を拡散して用いられることがある。

例えば、特許文献１には、赤色レーザー、緑色レーザー、青色レーザーを発する半導体レーザー素子と、それぞれのレーザー光を拡散するための拡散レンズ３と、を有する発光装置が開示されている。この発光装置は、その他に、拡散された赤色レーザー、緑色レーザー、青色レーザーを重ね合わせる集合拡散レンズ９を有する。この発光装置は、集合拡散レンズ９により各色のレーザーを重ね合わせて白色光を照射する。

特開平７−２８２６０９号公報

一般に、レーザーの広がり角は狭い。発光装置においては、広がり角が狭いレーザーは波長変換部または散乱部で散乱される。しかし、波長変換部または散乱部を透過するレーザー光の配光分布はそれほど広くならない。一方、蛍光体等により波長変換されたレーザー光はランバートな配光となる。このように透過するレーザー光と波長変換されるレーザー光とは、異なる配光分布を有する。透過するレーザー光と波長変換されるレーザー光とを重ね合わせると、光取り出し方向に対する角度によって色度が異なっている。つまり、色度の角度依存性が大きくなってしまう。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。本明細書の技術が解決しようとする課題は、広角な配光分布を実現するとともに色度の角度依存性が小さい発光装置を提供することである。

第１の態様における発光装置は、半導体レーザー素子と、第１のレンズと、第２のレンズと、半導体レーザー素子が発するレーザーの波長を変換する波長変換部と、を有する。第１のレンズは、第１の広がり角θ１を有するとともに半導体レーザー素子から発せられるレーザーを屈折させるものである。第２のレンズは、第２の広がり角θ２を有するとともに第１のレンズにより屈折されたレーザーを屈折させるものである。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。

この発光装置は、第１の広がり角θ１をもつ第１のレンズと、第２の広がり角θ２をもつ第２のレンズと、を有する。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。そのため、波長変換部に入射する前のレーザーをより拡散させることができる。透過するレーザー光が大きい広がり角を有するからである。これにより、発光装置における色度の角度依存性が向上している。

本明細書では、広角な配光分布を実現するとともに色度の角度依存性が小さい発光装置が提供されている。

第１の実施形態における発光装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態におけるシミュレーションのモデルを説明するための図である。 シミュレーションの長手方向における角度に対する色度差ΔＣｘを示すグラフである。 シミュレーションの長手方向における角度に対する色度差ΔＣｙを示すグラフである。 シミュレーションの短手方向における角度に対する色度差ΔＣｘを示すグラフである。 シミュレーションの短手方向における角度に対する色度差ΔＣｙを示すグラフである。 第２の実施形態における発光装置の概略構成を示す図である。

以下、具体的な実施形態について、発光装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
１．発光装置
図１は、第１の実施形態の発光装置１００の概略構成図である。図１に示すように、発光装置１００は、筐体１１０と、実装基板１２０と、半導体レーザー素子１３０と、第１のレンズ１４０と、第２のレンズ１５０と、波長変換部１６０と、散乱部１７０と、を有する。また、発光装置１００は、出光面Ｓ１を有する。出光面Ｓ１は、発光装置１００からの光を外部に取り出すための面である。出光面Ｓ１は、半導体レーザー素子１３０から発せられるレーザーを出射する。光取り出し方向Ｋ１は、出光面Ｓ１に垂直である。光取り出し方向Ｋ１は、半導体レーザー素子１３０が発するレーザーの出射方向に対して平行である。

筐体１１０は、実装基板１２０と、半導体レーザー素子１３０と、第１のレンズ１４０と、第２のレンズ１５０と、波長変換部１６０と、散乱部１７０と、を収容している。

実装基板１２０は、半導体レーザー素子１３０を実装するための基板である。実装基板１２０は、半導体レーザー素子１３０を有する。

半導体レーザー素子１３０は、第１のレンズ１４０および第２のレンズ１５０を通過して波長変換部１６０に入射するレーザーを照射する。半導体レーザー素子１３０が発するレーザーは青色レーザーである。

第１のレンズ１４０は、半導体レーザー素子１３０から発せられるレーザーを屈折させるためのものである。第１のレンズ１４０は、半導体レーザー素子１３０からのレーザーをコリメート光に変えるコリメーターである。

第２のレンズ１５０は、半導体レーザー素子１３０から発せられるレーザーを屈折させるためのものである。第２のレンズ１５０は、第１のレンズ１５０によりコリメート光にされたレーザーを屈折させて波長変換部１６０に入射させる。

波長変換部１６０は、半導体レーザー素子１３０から発せられたレーザーの波長を変換するためのものである。実際には、第２のレンズ１５０により集光されたレーザーが波長変換部１６０に入射する。波長変換部１６０は、例えば、蛍光体と樹脂とを有する。波長変換部１６０は、半導体レーザー素子１３０から発せられたレーザーを散乱させる役割も担う。波長変換部１６０は、出光面Ｓ１からみて散乱部１７０より遠い位置に配置されている。

散乱部１７０は、半導体レーザー素子１３０から発せられたレーザーを散乱させるためのものである。実際には、波長変換部１６０を通過してきたレーザーを散乱させる。

２．第１のレンズおよび第２のレンズ
図１に示すように、半導体レーザー素子１３０の側から、第１のレンズ１４０、第２のレンズ１５０、波長変換部１６０、散乱部１７０の順で配置されている。第１のレンズ１４０は、半導体レーザー素子１３０と第２のレンズ１５０との間の位置に配置されている。第２のレンズ１５０は、第１のレンズ１４０と波長変換部１６０との間の位置に配置されている。このように、第１のレンズ１４０は、第２のレンズ１５０よりも光の経路の上流側の位置に配置されている。

第１のレンズ１４０は、第１の広がり角θ１を有する。第２のレンズ１５０は、第２の広がり角θ２を有する。第２のレンズ１５０の第２の広がり角θ２は、第１のレンズ１４０の第１の広がり角θ１よりも大きい。すなわち、次式を満たす。
θ２ ＞ θ１ ………（１）
θ１：第１のレンズの第１の広がり角
θ２：第２のレンズの第２の広がり角

第１のレンズ１４０の第１の広がり角θ１と、第２のレンズ１５０の第２の広がり角θ２とは、次式を満たすとなおよい。
１°≦θ２−θ１≦１５° ………（２）

第２のレンズ１５０は、波長変換部１６０と対面している。第２のレンズ１５０の焦点Ｆ１は、第２のレンズ１５０と波長変換部１６０との間の位置にある。焦点Ｆ１は、波長変換部１６０よりも第２のレンズ１５０に近い位置にあるとよい。波長変換部１６０に入射するレーザーの広がり角は同じであるが、波長変換部１６０に入射するレーザーがすでにある程度広がっているからである。

３．半導体レーザー素子からの光
半導体レーザー素子１３０から発せられたレーザーは、第１のレンズ１４０に入射してコリメート光に変換される。コリメート光になったレーザーは、第２のレンズ１５０に入射して屈折される。第２のレンズ１５０の第２の広がり角θ２は十分に広いので、レーザーは十分な広がり角θ２で波長変換部１６０に入射する。

波長変換部１６０に入射するレーザーのうち一部は透過する。波長変換部１６０に入射するレーザーのうち残部は波長を変換されるとともに散乱される。透過光と波長変換された波長変換光とは、重なり合って白色光となる。ここで、透過光の広がり角は十分に広い。波長変換光はランバートな配光分布である。そのため、これら透過光と波長変換光とが重なり合った光は、小さい角度依存性を有する。

また、透過光の広がり角が十分に大きいので、広角な配光分布の出射光が得られる。つまり、発光装置１００は、広角な配光分布を備えるとともに色度の角度依存性が小さい光を出射することができる。

４．シミュレーション
図２は本実施形態のシミュレーションのモデルを説明するための図である。図２に示すように、波長変換部１６０は、長方形形状である。そのため、シミュレーションに際して、波長変換部１６０の長手方向と、波長変換部１６０の短手方向と、を設定する。

図３から図６は、シミュレーションの結果を示すグラフである。図３は、シミュレーションの長手方向における角度に対する色度差ΔＣｘを示すグラフである。図４は、シミュレーションの長手方向における角度に対する色度差ΔＣｙを示すグラフである。図５は、シミュレーションの短手方向における角度に対する色度差ΔＣｘを示すグラフである。図６は、シミュレーションの短手方向における角度に対する色度差ΔＣｙを示すグラフである。

図３から図６の横軸は光取り出し方向Ｋ１に対する角度である。図３および図５の縦軸は、色度差ΔＣｘである。図４および図６の縦軸は、色度差ΔＣｙである。図３から図６において、一点鎖線、点線、破線、実線が描かれている。一点鎖線は、θ２−θ１＝０°の場合を示している。点線は、θ２−θ１＝２．５°の場合を示している。破線は、θ２−θ１＝５．０°の場合を示している。実線は、θ２−θ１＝１０°の場合を示している。

図３から図６は、光取り出し方向Ｋ１に対して、色度がどの程度変化しているかを表している。仮に、ある角度θａでの色度が光取り出し方向Ｋ１での色度と等しい場合には、角度θａにおける色度差ΔＣｘおよび色度差ΔＣｙは０（ゼロ）である。ある角度θａでの色度と光取り出し方向Ｋ１での色度との差が大きいほど、色度差ΔＣｘおよび色度差ΔＣｙは大きい。したがって、色度差ΔＣｘおよび色度差ΔＣｙはゼロに近いほうが好ましい。あらゆる方向に対して近い色度の光が放射されていることになるからである。

図３から図６までに示すように、光取り出し方向Ｋ１に対する角度が大きいほど、色度差ΔＣｘおよび色度差ΔＣｙは大きい傾向にある。

第１の広がり角θ１と第２の広がり角θ２との間には次の関係がある。θ２−θ１が２．５°の場合、５．０°の場合、１０°の場合のいずれの場合も、θ２−θ１が０°の場合に比べて、色度差ΔＣｘおよびΔＣｙが小さい。つまり、式（２）を満たす場合に、色度差ΔＣｘおよび色度差ΔＣｙは小さい。式（２）を満たす場合に、色度の角度依存性は向上する。

５．本実施形態の効果
本実施形態の発光装置１００は、第１の広がり角θ１をもつ第１のレンズ１４０と、第２の広がり角θ２をもつ第２のレンズ１５０と、を有する。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。そのため、波長変換部１６０に入射する前のレーザーをより拡散させることができる。透過するレーザー光が大きい広がり角を有するからである。これにより、発光装置１００における色度の角度依存性が向上している。

６．変形例
６−１．散乱部
散乱部１７０は、出光面Ｓ１からみて波長変換部１６０より遠い位置にあってもよい。この場合、散乱部１７０は、第２のレンズ１５０と波長変換部１６０との間にある。そして、半導体レーザー素子１３０から発せられたレーザーは、第１のレンズ１４０、第２のレンズ１５０を透過し、散乱部１７０で散乱された後に波長変換部１６０に入射することとなる。

６−２．波長選択部材
第２のレンズ１５０と波長変換部１６０との間に波長選択部材を設けてもよい。波長選択部材は、青色レーザーを透過するとともにそれより波長の長いレーザーを反射するものであるとよい。波長変換部１６０および散乱部１７０で散乱された波長の長いレーザーが第２のレンズ１５０に向かうのを防止できるからである。

６−３．第１のレンズ
第１のレンズ１４０は、必ずしもコリメーターでなくともよい。

６−４．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

７．本実施形態のまとめ
本実施形態の発光装置１００は、第１の広がり角θ１をもつ第１のレンズ１４０と、第２の広がり角θ２をもつ第２のレンズ１５０と、を有する。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。そのため、波長変換部１６０に入射する前のレーザーをより拡散させることができる。透過するレーザー光が大きい広がり角を有するからである。これにより、発光装置１００における色度の角度依存性が向上している。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。

図７は、第２の実施形態の発光装置２００の概略構成図である。図７に示すように、発光装置２００は、筐体１１０と、実装基板１２０と、半導体レーザー素子１３０と、第１のレンズ１４０と、第２のレンズ１５０と、波長変換部２６０と、散乱部２７０と、ミラー２８０と、を有する。また、発光装置２００は、出光面Ｓ２を有する。出光面Ｓ２は、発光装置２００からの光を外部に取り出すための面である。出光面Ｓ２は、半導体レーザー素子１３０から発せられるレーザーを出射する。光取り出し方向Ｋ２は、出光面Ｓ２に垂直である。光取り出し方向Ｋ２は、半導体レーザー素子１３０が発するレーザーの出射方向に対して垂直である。

ミラー２８０は、第１のレンズ１４０により屈折されたレーザーを反射させるとともに、その反射されたレーザーを第２のレンズ１５０に入射させる。具体的には、ミラー２８０は、第１のレンズ１４０によりコリメート光にされたレーザーを９０°の角度で反射させる。そのため、出光面Ｓ２は、半導体レーザー素子１３０の出射部と対向していない。

光取り出し方向Ｋ２の向きに出光するレーザーは、半導体レーザー素子１３０から直接照射される直接光ではない。そのため、人にとって安全である。

Ａ．付記
第１の態様における発光装置は、半導体レーザー素子と、第１のレンズと、第２のレンズと、半導体レーザー素子が発するレーザーの波長を変換する波長変換部と、を有する。第１のレンズは、第１の広がり角θ１を有するとともに半導体レーザー素子から発せられるレーザーを屈折させるものである。第２のレンズは、第２の広がり角θ２を有するとともに第１のレンズにより屈折されたレーザーを屈折させるものである。第２の広がり角θ２は、第１の広がり角θ１よりも大きい。

第２の態様における発光装置においては、第１の広がり角θ１および第２の広がり角θ２は、次式
１°≦θ２−θ１≦１５°
を満たす。

第３の態様における発光装置は、ミラーを有する。ミラーは、第１のレンズにより屈折されたレーザーを反射させるとともに、その反射されたレーザーを第２のレンズに入射させる。

第４の態様における発光装置は、第２のレンズと波長変換部との間に波長選択部材を有する。

１００…発光装置
１１０…筐体
１２０…実装基板
１３０…半導体レーザー素子
１４０…第１のレンズ
１５０…第２のレンズ
１６０…波長変換部
１７０…散乱部
Ｓ１…出光面

Claims (4)

1. 半導体レーザー素子と、
   第１のレンズと、
   第２のレンズと、
   前記半導体レーザー素子が発するレーザーの波長を変換する波長変換部と、
   を有する発光装置において、
   前記第１のレンズは、
   第１の広がり角θ１を有するとともに前記半導体レーザー素子から発せられるレーザーを屈折させるものであり、
   前記第２のレンズは、
   第２の広がり角θ２を有するとともに前記第１のレンズにより屈折されたレーザーを屈折させるものであり、
   前記第２の広がり角θ２は、
   前記第１の広がり角θ１よりも大きいこと
   を特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置において、
   前記第１の広がり角θ１および前記第２の広がり角θ２は、次式
   １°≦θ２−θ１≦１５°
   を満たすこと
   を特徴とする発光装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の発光装置において、
   ミラーを有し、
   前記ミラーは、
   前記第１のレンズにより屈折されたレーザーを反射させるとともに、その反射されたレーザーを前記第２のレンズに入射させること
   を特徴とする発光装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発光装置において、
   前記第２のレンズと前記波長変換部との間に波長選択部材を有すること
   を特徴とする発光装置。

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