JP2019207788A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射光と非反射光とを区別して、集光、拡散、あるいはコリメート等の光の出射制御を行えるようにする。【解決手段】 発光装置は、光を放射する発光素子と、光を反射する光反射面を有する光反射部材と、発光素子から放射された光の進行方向を制御するレンズ部を有するレンズ部材と、を備え、レンズ部は、光の進行方向の制御に係る第１レンズ形状と第２レンズ形状とを有し、第１レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面に向かって進行し反射された反射光の進行方向を制御し、第２レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面の端部を境界に光反射面に向かって進行した反射光以外の光であって、光反射面の端部を境界に光反射面の外に向かって進行する光である非反射光の進行方向を制御する。【選択図】 図５

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来より、発光素子から放射された光を集光、拡散、またはコリメートする際に、レンズが利用されることは知られている。例えば特許文献１には、発光素子から放射された光が、リフレクタを介して、あるいは、介さずに、投影レンズに入射し、外部に出射する車両用照明灯具が開示されている。

特開２０１０−６７３８０

しかしながら、特許文献１により開示される発光装置では、リフレクタを介して反射されて入射する光も、反射されずに入射する光も、同じレンズ構造を通過する。そのため、反射光と非反射光とを区別して、集光、拡散、あるいはコリメート等の光の出射制御を行うことができない。

本発明に係る発光装置は、光を放射する第１発光素子と、光を反射する光反射面を有する第１光反射部材と、前記第１発光素子から放射された光の進行方向を制御する第１レンズ部を有するレンズ部材と、を備え、前記第１レンズ部は、第１レンズ形状と第２レンズ形状とを有し、前記第１レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面に向かって進行し反射された反射光の進行方向を制御し、前記第２レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面の端部を境界に光反射面に向かって進行した前記反射光以外の光であって、光反射面の端部を境界に光反射面の外に進行する光である非反射光の進行方向を制御する。

本発明に係る発光装置によれば、反射光と非反射光のそれぞれに応じて、集光、拡散、あるいはコリメート等の光の出射制御を行うことができる。

図１は、第１実施形態に係る発光装置の模式図である。 図２は、当該発光装置のレンズ部材の構造を説明するための模式図である。 図３は、レンズ部材を省略した当該発光装置の斜視図である。 図４Ａは、レンズ部材に基づく光の制御方法の一例である。 図４Ｂは、レンズ部材に基づく光の制御方法の他の一例である。 図４Ｃは、レンズ部材に基づく光の制御方法の他の一例である。 図４Ｄは、レンズ部材に基づく光の制御方法の他の一例である。 図５は、第２実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図６は、当該発光装置における半導体レーザ素子等の配置を説明するために一部の構成を省略した上面図である。 図７は、当該発光装置の上面図である。 図８は、図６のVIII- VIIIを結ぶ直線における当該発光装置の断面図である。

本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る発光装置１の模式図である。発光装置１は、基部１０、サブマウント２０、半導体レーザ素子３０、光反射部材４０、及びレンズ部材５０を有する。また、発光装置１は、基部１０の平面上に、サブマウント２０、半導体レーザ素子３０、光反射部材４０、及びレンズ部材５０を配置する。また、発光装置１は、基部１０において光反射部材４０が配置される配置面を基準に、その配置面の上に配置される半導体レーザ素子３０及び光反射部材４０よりも更に上方に、レンズ部材５０が配置される。以下、発光装置１の構成要素について説明する。なお、本明細書において「上方」とは、基部１０の配置面を基準にして、半導体レーザ素子３０が配置される方向を指す。

基部１０は、平面上に直接サブマウント２０及び光反射部材４０を配置する。また、基部１０は、平面上にサブマウント２０を介して半導体レーザ素子３０を配置する。ここで、本願においては、ある面の上に部材が直接配置される状態、あるいは、その面の上に直接配置された別の物体の上に部材が直接配置される状態のいずれも、「面の上に部材を配置する」と表現するものとする。つまり、その面の上方に部材が配置され、間接物を介してあるいは介さずにその面と部材が物理的に繋がっている状態は、その面の上に部材が配置されている状態と表記する。なお、面の上に部材が直接配置されていることに特定する場合は「直接」の文言を用いて表現するものとする。直接配置されていることに特定されていない場合は、いずれであってもよいことを示している。

基部１０は、半導体レーザ素子３０を外部電源と電気的に接続するための電極を有しており、この電極に半導体レーザ素子３０が電気的に接続される。これにより、基部１０は半導体レーザ素子３０を外部電源と電気的に接続する役割を果たす。基部１０としてはセラミックや金属、これらの複合体等を用いることができる。

サブマウント２０は、その底面で基部１０と接合し、その上面に半導体レーザ素子３０を配置する。サブマウント２０は、基部１０の上面から半導体レーザ素子３０が光を放射する位置までの高さを十分に確保する役割を担っている。従って、半導体レーザ素子３０のみで既に十分な高さが確保できていれば、サブマウント２０は発光装置１の構成から省くことが可能である。なお、サブマウント２０は、その熱伝導率が基部１０の熱伝導率よりも高いものを用いることで、高さの確保の他、放熱性を向上させる役割も果たし得る。発光装置１において半導体レーザ素子３０の発光点は光反射部材４０に近い側の側面に設けられており、発光点から光反射部材４０の方向に光は放射される。

ここで、確保したい十分な高さとは、例えば、半導体レーザ素子３０から放射される光の主要部分が基部１０に直接照射されない高さとすることができる。半導体レーザ素子３０から放射された光は、基部１０の配置面を基準にして捉えると、配置面へと進む光と、配置面と平行に進む光と、配置面から離れる光と、に区分することができる。従って、この例の場合、主要部分のうち配置面へと進む光が、そのまま配置面に直接照射されず、光反射部材４０に照射されるように高さを確保する。そのため、確保する高さは、半導体レーザ素子３０から放射される光の拡がりや、配置面の上に配される半導体レーザ素子３０と光反射部材４０との距離、などを考慮して決定される。ここで、レーザ素子による光の主要部分とは、レーザ光のピーク強度値から１／ｅ^２等の任意の強度に落ちたところまでの強度範囲の部分を指す。

サブマウント２０としては、基部１０及び半導体レーザ素子３０と好適に接合するものが望ましい。例えば、半導体レーザ素子３０として窒化物半導体を含む材料を用い、基部１０の主材料として窒化アルミニウムを用いる場合は、サブマウント２０として、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いることができる。また、サブマウント２０には金属膜が設けられており、半導体レーザ素子３０はＡｕ−Ｓｎ等の導電層によりサブマウント２０に固定されている。

半導体レーザ素子３０は、その底面でサブマウント２０と接合しており、光反射部材４０に近い側の側面から光を放射する。半導体レーザ素子３０の放射光は、光の出射端面と平行な面において、活性層を含む複数の半導体層の積層方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも長い、楕円形状のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）を有する。ここでいうＦＦＰとは、半導体レーザ素子の光出射端面からある程度離れており且つ光出射端面と平行な面において放射光の光強度分布を測定したものである。ＦＦＰの形状は、光の主要部分による形状として特定される。

光反射部材４０は、その底面で基部１０と接合し、半導体レーザ素子３０から放射された光を反射する。光反射部材４０により反射された光は、その上方に配置されるレンズ部材５０へと向かう。半導体レーザ素子３０から放射された光がレンズ部材５０に入射するまでの光路長は、光反射部材４０を介在させないよりもさせる方が長くなる傾向にある。光路長が長い方が光反射部材４０と半導体レーザ素子３０との実装ずれによる影響を小さくすることができる。

光反射部材４０は、少なくとも一面に光反射面を有する。光反射部材４０は、半導体レーザ素子３０からの放射光を受けるため、熱に強い材料を主材として用い、反射率の高い材料を光反射面に用いることが望ましい。主材として、石英若しくはＢＫ７（硼珪酸ガラス）等のガラス、アルミニウム等の金属、又はＳｉ等を採用することができ、光反射面として金属や誘電体多層膜等を採用することができる。なお、発光装置１は、必要に応じて複数の光反射面を有する光反射部材４０としてもよいし、光反射部材４０以外に光反射部材を有していてもよい。

レンズ部材５０は、半導体レーザ素子３０から放射された光が入射する位置に配置される。また、レンズ部材５０に入射する光には、光反射部材４０による反射を介して入射する光と、光反射部材４０による反射を介さず光反射部材４０の上方に進行して入射する光と、が含まれる。説明上の便宜のため、以下、光反射部材４０による反射を介して入射する光を反射光、光反射部材４０による反射を介さず光反射部材４０の上方に進行して入射する光を非反射光と呼ぶ。レンズ部材５０には、例えば、ＢＫ７やＢ２７０等のガラス等を用いることができる。

図２は、第１実施形態に係る発光装置１において、本発明のレンズ部材の構造を説明するための模式図である。図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子３０から放射される光を説明するための発光装置１の斜視図である。なお、図３は説明の便宜上、レンズ部材５０を省いている。

図２に示すように、発光装置１のレンズ部材５０は、第１レンズ形状５１と、第２レンズ形状５２を有する。第１レンズ形状５１は、半導体レーザ素子３０から放射された光のうち、反射光を制御するために設計されたレンズ形状を有している。一方で、第２レンズ形状５２は、非反射光を制御するために設計されたレンズ形状を有している。具体的には、第１実施形態に係る発光装置１において、第１レンズ形状５１は、反射光における焦点ＦＲに基づいてレンズ形状が設計されており、第２レンズ形状５２は、非反射光における焦点ＦＤに基づいてレンズ形状が設計されている。なお、レンズ部材５０を用いた光の制御とは、例えば、光の集光、拡散、コリメートが挙げられる。

図２及び図３において矢印で記される実線は、半導体レーザ素子３０から発せられる光Ｌの進行方向を記している。また、図３における破線は、光反射部材４０の光反射面４１が存在する平面上において、半導体レーザ素子３０から放射された光の主要部分が照射される放射領域を示している。

半導体レーザ素子３０は、楕円形状のＦＦＰを有する光を放射する。この光の拡がり角は、水平方向の拡がり角よりも垂直方向の拡がり角の方が大きい。そのため、放射領域もこれに起因した形状となっている。また、図３に示されるように、発光装置１において、放射領域の一部は光反射部材４０の光反射面４１に収まっていない。この一部の光は光反射面４１に照射されずにその上方を通過する。半導体レーザ素子３０から放射される光のうち、光反射面４１に照射して反射する光が反射光、光反射面４１に照射されず光反射面４１の上方に向かっていく光が非反射光に該当する。

また、放射領域において、光の垂直方向拡がりの両端に対応する点ＬＵ及びＬＤのうち、点ＬＤは光反射面４１に存在しているのが好ましい。この場合、光の垂直方向拡がりの端を進む光のうち、基部１０の配置面から離れる方向に進む光は、光反射部材４０の外を進む非反射光となり、基部１０の配置面へと向かう方向に進む光は、光反射面４１に照射して反射する反射光となる。光反射面４１の端部のうち上端部において光が放射される部分は、反射光と非反射光の境界と捉えることができる。

図２に示すように、第１レンズ形状５１は、光反射部材４０を介して上方に進行する反射光の出射方向を制御するためのものであるから、この境界において反射された光が第１レンズ形状５１を通過してレンズ部材５０の外に出射するように設計される。また、光反射面４１の下端に近い位置で反射される主要部分の光も第１レンズ形状５１を通過してレンズ部材５０の外に出射するように設計される。

図３の点ＬＤに照射して反射した光が、半導体レーザ素子３０あるいはサブマウント２０に照射されてレンズ部材５０に入射しない場合、光反射面４１の下端に近い位置で反射される光には、レンズ部材５０に入射しない光が含まれることとなる。光の主要部分がこのような光を含むか否かは、半導体レーザ素子３０の材質やサイズ、レーザ光の拡がり角、光反射部材４０の光反射面４１の角度などが影響する。

点ＬＤにおける反射光がレンズ部材に入射する場合は、点ＬＤにおいて反射された光が第１レンズ形状を通過するようにレンズ部材５０を設計すればよい。一方で、入射しない場合は、図２に示すように、光反射面４１の下端に近い位置で反射される光のうち、半導体レーザ素子３０の上端ＵＥへと進む光の進行方向の延長線上に第１レンズ形状５１が設けられればよい。ここで、発光装置１における上端ＵＥは、基部１０の配置面とレンズ部材５０における光の入射面との間で、光反射面４１からレンズ部材５０の入射面のある平面へと進む反射光の進路上に他の部材が存在する場合に、反射光の進路上における他の部材が存在する領域と存在しない領域の境界である。

第２レンズ形状５２は、半導体レーザ素子３０から放射される光のうち、最も上方へ向かって放射される光が、第２レンズ形状５２を通過してレンズ部材５０の外に出射するように設計することが考えられる。また、図２において、半導体レーザ素子３０における光の放射点ＦＤと光反射面４１の上端部の境界とを結ぶ直線が第２レンズ形状５２を通過するようにレンズ部材５０を設計すれば、光反射面４１の外に向かう光、つまり、光反射面４１の境界よりも上方に向かって放射される非反射光の全てを、第２レンズ形状５２から出射させることができる。

理論上は、最も上方へ向かって放射される光の進路と、光反射面４１の境界で反射した光の進路との交点ＣＰに第１レンズ形状５１と第２レンズ形状５２の境界を設ければ、反射光が第２レンズ形状５２を通過することも、非反射光が第１レンズ形状５１を通過することも避けられる。しかし、発光装置１を製造するときの実装誤差を考えれば、図２に示すように、交点ＣＰよりも離れた位置を第１レンズ形状５１と第２レンズ形状５２の境界ＤＰを設定するのが望ましい。具体的には、焦点ＦＤあるいはＦＲを基準に点ＣＰよりも離れた位置し、最も上方へ向かって放射される光の進路と光反射面４１の境界で反射した光の進路との間に挟まれた領域であって、理論上、反射光も非反射光も通過しない領域に境界ＤＰを設けることができる。

一方で、このようにＤＰを設定すると、垂直方向の光の拡がり角が大きくなることで、発光装置１のサイズが大きくなる。交点ＣＰがより上方に位置するため、ＤＰもその分上方に位置することとなり、全体として発光装置１の高さが大きくなるためである。従って、発光装置１のサイズを抑えるために、ＣＰよりも近い位置に境界ＤＰを設けることもある。このような場合には、レンズ部材５０のレンズ球面において、反射光と非反射光の両方が出射する領域が生じる。この場合には、反射光を優先し、この領域を第１レンズ形状５１とする方がよい。反射光の方が光の強度が強いため、反射光を優先する方が、制御されて出射する光の全体的な光量は多い。従って、いずれにしても、光反射面４１の上端部を反射する光が第１レンズ形状５１を通過するように、実装誤差を考慮してレンズ部材５０は設計されるのが好ましく、光の主要部分における反射光が全て第１レンズ形状５１を通過するように設計されるのが好ましい。

なお、図２では、半導体レーザ素子３０により放射される光のうち出射端面に垂直な方向を進む光の進行方向ＯＡは、基部１０と光反射部材４０との接合面と平行となるよう設計されているが、必ずしも平行である必要はない。平行であることが要求される発光装置が対象であっても、平行であることが要求されない発光装置が対象であっても、本発明は適用できる。

図４Ａ〜４Ｄは、レンズ部材５０による光の制御の例示である。図４Ａは、反射光と非反射光を同じ方向にコリメートする制御を示す。つまり、この場合第１レンズ形状５１及び第２レンズ形状５２はそれぞれ、反射光をコリメートするコリメートレンズ及び非反射光をコリメートするコリメートレンズとして機能する形状を有する。また、第１レンズ形状５１は、焦点ＦＲからの光を制御したい方向へコリメートする形状で設計され、第２レンズ形状５２は、焦点ＦＤからの光が、第１レンズ形状５１が制御したい方向と同じ方向へコリメートされる形状で設計される。このようにすることで、例えば、半導体レーザ素子３０により放射される光の一部が非反射光となる場合に、反射光だけを利用するよりも、より多くの光量を有するコリメート光を出射することが出来る。

図４Ｂは、反射光と非反射光を共にコリメートさせるが、それぞれをコリメートする方向が異なっている。よって、それぞれ焦点ＦＲ、ＦＤを基準とし、それぞれに制御したい方向へと光がコリメートされるように第１レンズ形状５１及び第２レンズ形状５２は設計される。このようにすることで、例えば、反射光と非反射光の比率を調整し、１の半導体レーザ素子３０から放射された光を２つの光に分光し、それぞれをコリメート光として利用することが出来る。また例えば、非反射光が、反射光によるコリメート光の照射領域に進行して干渉しないように、非反射光の進行方向を制御することが出来る。

図４Ｃは、反射光と非反射光を、同じ点に集光する制御を示す。この場合、反射光と非反射光が同じ点に集光されるように、それぞれ第１レンズ形状５１と第２レンズ形状５２は設計される。このようにすることで、例えば、半導体レーザ素子３０により放射される光の一部が非反射光となる場合に、反射光だけを利用するよりも、より多くの光を集光することが出来る。

図４Ｄは、反射光と非反射光を、それぞれ異なる点に集光する制御を示しており、集光したい点に合わせて第１レンズ形状５１と第２レンズ形状５２は設計される。このようにすることで、例えば、反射光と非反射光の比率を調整し、１の半導体レーザ素子３０から放射された光を２つの光に分光し、それぞれを特定の位置に集光させることが出来る。なお、制御の方法はこれらに限らない。反射光と非反射光とをそれぞれどのように制御したいかに応じて、第１レンズ形状５１と第２レンズ形状５２の形状は設計されればよい。

以上、第１実施形態に係る発光装置１によれば、半導体レーザ素子３０から放射された光のうち、反射光と非反射光のそれぞれに合わせた光の出射制御を実現することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る発光装置２は、複数の半導体レーザ素子から放射された光がレンズ部材を通過して発光装置２の外部へ出射する装置である。また、第２実施形態に係る発光装置２は、制御された光を出射する発光機能を有するパッケージと、実装基板と、を有している。なお、実装基板は有していなくてもよい。図５乃至図８は、発光装置２を説明する図である。図５は発光装置２の斜視図を、図６は発光装置２の基部２１０の枠内に配置される各構成要素を記した上面図を、図７は発光装置２の上面図を、図８は図７のVIII-VIIIを結ぶ直線における当該発光装置の断面図を示す。なお、説明の便宜上、図６は発光装置２の基部２１０と接合している蓋部２６０を外した状態の図を記す。図５乃至図８において点線で記されるＳ１及びＳ２は、図面間で発光装置２の向きの対応を示すための補助線であり、発光装置２の構成要素ではない。

図５に示すように、発光装置２は、実装基板としての基板２００と、パッケージとしての基部２１０、蓋部２６０、接着部２７０、及び、レンズ部材２５０と、を有する。また、基部２１０は全体として凹形であり、図６に示すように、基部２１０の側部により囲われる枠内には、さらに複数の半導体レーザ素子、各半導体レーザ素子に対応したサブマウント、及び、複数の光反射部材が配置される。

具体的には、基部２１０の枠内の平面に、第１半導体レーザ素子２３０、第２半導体レーザ素子２３１、第３半導体レーザ素子２３２、第１半導体レーザ素子２３０を配する第１サブマウント２２０、第２半導体レーザ素子２３１を配する第２サブマウント２２１、第３半導体レーザ素子２３２を配する第３サブマウント２２２、第１半導体レーザ素子２３０に対応した第１光反射部材２４０、第２半導体レーザ素子２３１に対応した第２光反射部材２４１、第３半導体レーザ素子２３２に対応した第３光反射部材２４２が配置される。以下、発光装置２の構成要素について説明する。

基板２００は、基部２１０と接合し、基部２１０の平面上に配される半導体レーザ素子を電気的に接続する役割を果たす。図７に示される複数の金属膜２８０はそのためのものである。基板２００の上面には、対となる金属膜２８０が３組、それぞれの対が各半導体レーザ素子に対応して配置されている。各金属膜２８０は絶縁膜で被覆される部分２８２を有しており、金属膜２８１及び２８３の領域は覆われていない。この絶縁膜２８２は、基部２１０を基板２００に半田実装する際に、半田が金属膜２８１の領域に広がることを抑制する。基板２００は、例えばセラミックスなどの絶縁性材料と金属などの導電性材料との組み合わせによって形成することができる。

基部２１０は、図８に示されるように、底部と側部を有し、底部の上面２１３と側部の内側面とによって凹部を形成する。側部の外側面は、底部の下面と交わり、側部の下面は底部の下面の一部として捉えることができる。基部２１０の側部の上面２１１は蓋部２６０と接合し、底部の下面で基板２００と接合する。また、図６に示されるように、底部の上面２１３には複数の光反射部材及び各半導体レーザ素子に対応したサブマウントが直接配置される。なお、サブマウントを省き、各半導体レーザ素子を底部の上面に直接配置してもよいことは、第１実施形態と同様である。底部の下面は基板２００との接合面、底部の上面は半導体レーザ素子、光反射部材、あるいはサブマウントが配される配置面、側部の上面は蓋部２６０との接合面といえる。

また、図６及び８に示すように、基部２１０は、側部の一部分において凹部内に段差を有している。図６の例では、Ｓ１側を除く側部の内側に段差が設けられている。この段差によって形成される平面２１２、つまり基部２１０の底部の上面２１３と交わる側部の内側面と、基部２１０の側部の上面２１１と交わる側部の内側面と、の間に形成される平面２１２には、基板２００と電気的に接続するための金属膜が設けられる。各半導体レーザ素子はこの金属膜とワイヤを介して電気的に接続することで、発光装置２の外部から電力の供給を受けることができる。

蓋部２６０は、基部２１０と接合し、基部２１０の側部により囲われた枠を覆う。蓋部２６０の下面において基部２１０と接合される領域には金属膜が設けられ、ＡｕＳｎ等を介して基部２１０と蓋部２６０は接合し固定される。また、基部２１０と蓋部２６０とが接合することで形成された閉空間は気密封止された空間となる。この閉空間内に半導体レーザ素子等が配置されるため、半導体レーザ素子の光出射端面に有機物等が集塵することを抑制することができる。蓋部２６０としては、例えば、ガラスに金属膜が設けられたもの又はサファイアに金属膜が設けられたものを用いることができ、中でもサファイアに金属膜が設けられたものを用いることが好ましい。光が拡がると、その光を通過させるレンズ部の形状は大きくなるが、サファイアは、比較的屈折率が高く光の拡がりを抑えることができるため、レンズ部材２５０のレンズ部の大きさを抑えることができる。また、比較的強度が高いため破損しにくいため、閉空間の気密信頼性を確保することができる。

接着部２７０は、蓋部２６０とレンズ部材２５０とを接着する接着剤によって形成される。接着部２７０は、蓋部２６０の上面とレンズ部材２５０の下面とに接着し、これによって蓋部２６０とレンズ部材２５０は固定される。また、接着部２７０は、蓋部２６０の上面の全域あるいはレンズ部材２５０の下面の全域に形成されてはおらず、半導体レーザ素子から発せられた光の経路の邪魔にならないように配される。そのため、接着部２７０は、第１レンズ部２５３、第２レンズ部２５４、第３レンズ部２５５が形成されている領域に対応するレンズ部材２５０の下面には形成されず、レンズ部材２５０の外縁の領域に形成されるように利用するのが望ましい。接着部２７０を形成する接着剤としては、紫外線硬化型の樹脂を用いることが好ましい。紫外線硬化型の樹脂は加熱せずに比較的短い時間で硬化することができるため所望の位置にレンズ部材２５０を固定しやすい。

レンズ部材２５０は、複数のレンズ部が連結したレンズ形状を有している。具体的には、第１レンズ部２５３、第２レンズ部２５４、第３レンズ部２５５が連結しており、各レンズ部は異なる半導体レーザ素子からの光を通過させる。また、第１レンズ部２５３は、第１レンズ形状２５１及び第２レンズ形状２５２を有する。第１レンズ形状２５１及び第２レンズ形状２５２は、第１実施形態で説明した第１レンズ形状５１及び第２レンズ形状５２と同様のものである。

第２実施形態に係る発光装置２は、３つの半導体レーザ素子を有し、第１半導体レーザ素子２３０から発せられた赤色の光Ｌ１が第１レンズ部２５３を通過し、第２半導体レーザ素子２３１から発せられた青色の光Ｌ２が第２レンズ部２５４を通過し、第３半導体レーザ素子２３２から発せられた緑色の光Ｌ３が第３レンズ部２５５を通過する。第１レンズ部２５３の第１レンズ形状２５１は、赤色の反射光をコリメートするレンズ形状で設計され、第１レンズ部２５３の第２レンズ形状２５２は、赤色の非反射光をコリメートするレンズ形状で設計される。第２レンズ部２５４は、青色の反射光をコリメートするレンズ形状で設計され、第３レンズ部２５５は、緑色の反射光をコリメートするレンズ形状で設計される。

青色光の発光ピーク波長は、４２０ｎｍ〜４９４ｎｍの範囲内にあることが好ましく、４４０ｎｍ〜４７５ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。青色のレーザ光を発する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮを用いることができる。

緑色光の発光ピーク波長は、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲内にあることが好ましく、５１０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。緑色のレーザ光を発する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮを用いることができる。

赤色光の発光ピーク波長は、６０５ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲内にあることが好ましく、６１０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。赤色発光の半導体レーザ素子としては、例えば、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体を含むものが挙げられる。ここでは、赤色発光の半導体レーザ素子として、２以上の導波路領域を備えるものを用いている。これらの半導体を含む半導体レーザ素子は、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子と比べて、熱により出力が低下しやすい。そこで導波路領域を増やすことにより熱を分散させ、半導体レーザ素子の出力低下を低減することができる。

なお、発光装置２は、赤色、青色、緑色の３色の半導体レーザ素子を用いる以外に、色の組合せを変えることもできる。上述したように、赤色光は熱に対する出力特性が他と比べて悪く、青色光の方が緑色光よりも発熱量が少ない。発光装置２において３つの半導体レーザ素子のうち緑色光を放射する半導体レーザ素子２３１が中央に配置されているのは、半導体レーザ素子２３１の熱特性が最も良好なためである。言い換えると、赤色、青色、緑色の３色の半導体レーザ素子を用いる以外の場合であっても、３つの半導体レーザ素子のうち熱特性が最も良好なものを真ん中に配置すると良い。

光反射部材は半導体レーザ素子毎に用意される。第１半導体レーザ素子２３０に対応した第１光反射部材２４０、第２半導体レーザ素子２３１に対応した第２光反射部材２４１、第３半導体レーザ素子２３２に対応した第３光反射部材２４２が、基部２１０の平面に配置される。

基部２１０の枠内において、第１半導体レーザ素子２３０、第２半導体レーザ素子２３１、及び、第３半導体レーザ素子２３２の３つの半導体レーザ素子の光の出射端面は揃えて配置される。つまり、３つの半導体レーザ素子の光の出射端面は、共通した１の平面上に存在するように配置される。

また、３つの半導体レーザ素子のそれぞれに対応する光反射部材は、対応する半導体レーザ素子の出射端面から光反射面までの距離が等しくなるように配置される。図６の例では、３つの半導体レーザ素子の出射端面は揃っており、３つの光反射部材の光反射面も揃っている。また、出射端面と光反射面の半導体レーザ素子側の辺とは平行である。

さらに、それぞれの光反射部材の光反射面は、基部２１０の底部の上面に対して同じ角度を成す。図６の例では、いずれの光反射部材も、その底面と光反射面とで成す角度が４５度となるように設計されており、従って、基部２１０の底部の上面に対する角度もおよそ４５度となる。また、出射端面に垂直な方向を進む光は、光反射部材の光反射面を介して反射され、基部２１０の底部上面と垂直に上方へと進行することとなる。

３つの半導体レーザ素子は楕円形状の光を放射し、出射端面に垂直な方向を進む光の進行方向は、光反射部材が配される基部２１０の平面と平行である。加えて、光の発光位置は基部２１０の配置面から同じ高さとなるように揃えられているため、出射端面に垂直な方向を進む光が光反射面に照射する位置が揃う。

なお、放射する光の楕円形状が一致していれば、３つの半導体レーザ素子から放射された光は、同じように対応する光反射部材に照射され、同じように対応するレンズ部を通過して出射する。一方で、第２実施形態に係る発光装置２においては、３つの半導体レーザ素子から放射される光は楕円形状が異なる。例えば、半導体レーザ素子２３０は、半導体レーザ素子２３１や２３２と比べて、大きな楕円形状の放射領域を有する。図６には、図３で示したものと同様に、それぞれの半導体レーザ素子から放射される光の放射領域をＬ１、Ｌ２、Ｌ３で示す。第２実施形態では、半導体レーザ素子２３０から放射される光だけが、対応する光反射部材の光反射面に収まりきらない放射領域を有している。

第２実施形態に係る発光装置２では、半導体レーザ素子の出射端面、光反射部材の形状、光反射面の大きさ、角度等が揃うように設計されているが、このような設計でなくても本願発明を適用することはできる。例えば、特定の半導体レーザ素子だけ光反射部材との距離を離したり、特定の光反射部材だけ光反射面を大きくしたり、各半導体レーザ素子に応じて光反射面の角度を調整する等してもよい。但し、例えば、特定の半導体レーザ素子だけ光反射部材との距離を離したことが、確保すべき枠内の空間の大きさに影響を与え、基部２１０の側部の大きさに影響を与える可能性がある。また、光反射面を大きくすることで光反射部材の高さが大きくなり、基部２１０の側面の高さに影響を与える可能性がある。つまり、半導体レーザ素子、サブマウント、光反射部材の配置によっては、発光装置２に比べてサイズの大きな発光装置となる可能性がある。また、特定の半導体レーザ素子だけ光反射部材との距離を離した場合、配置面に向かって進む光が光反射面に照射されなくなることも考えられる。光反射面までの距離が長くなると、配置面に向かって進む光はそれだけ下方へと進むためである。なお、１のサブマウント上に３つの半導体レーザ素子を全て配してもよいし、１の光反射部材で３つの半導体レーザ素子から放射される光を反射する光反射面を形成してもよい。

図７において、破線Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３はそれぞれ、第１半導体レーザ素子２３０、第２半導体レーザ素子２３１、第３半導体レーザ素子２３２から放射された光の主要部分がレンズ部材２５０を通過して出射するときの通過領域を示す。

破線Ｌ１乃至Ｌ３が示すように、１の半導体レーザ素子から放射された光の主要部分の通過領域は１のレンズ部に収まる。また、破線Ｌ１が示すように、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光の主要部分は、第１レンズ形状２５１を通過する光と、第２レンズ形状２５２を通過する光と、を有している。

各レンズ部は、対応する半導体レーザ素子から放射される光の波長や焦点などの特性に応じてレンズ形状を設計する。図６に示されるように第２実施形態に係る発光装置２では、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光の主要部分の一部は第１光反射部材２４０の光反射面に照射されない非反射光を有する。一方で、第２半導体レーザ素子２３１から放射された光の主要部分は全て第２光反射部材２４１の光反射面を介して反射され、第３半導体レーザ素子２３２から放射された光の主要部分は全て第３光反射部材２４２の光反射面を介して反射される。

従って、第１乃至第３レンズ部は、対応する半導体レーザ素子から放射され対応する光反射部材の光反射面を介して反射された反射光を制御する第１レンズ形状を有する。また、第１レンズ部２５３は、対応する半導体レーザ素子から放射され光反射面の照射されずに光反射面の外に向かって進行する非反射光を制御する第２レンズ形状を有する。第２レンズ部２５４及び第３レンズ部２５５は、対応する半導体レーザ素子から放射された主要部分の光が全て対応する光反射面を介して反射されるため、第２レンズ形状を有していない。なお、第２レンズ部２５４や第３レンズ部２５５が第２レンズ形状を有していてもよい。よって、第１乃至第３半導体レーザ素子から放射された光のうち、少なくとも主要部分の光については、レンズ部材２５０によって意図した制御を作用させることができる。

第２実施形態の発光装置２において、レンズ部材２５０は、複数のレンズ部が連結したレンズ形状を有しているが、各レンズ部は対応する半導体レーザ素子からの光が通過する領域をカバーするだけの大きさは少なくとも有しているのが望ましい。その上で、発光装置２を小型化するためには各半導体レーザ素子を近付けて配置する必要があるため、レンズ部材２５０のサイズもこれに応じて加工されることとなる。放射される楕円形状の光の長径に対応するレンズ部の幅が、隣り合う半導体レーザ素子の間の距離よりも大きい場合、放射される楕円形状の光の短径に対応するレンズ部の幅は長径よりに対応する幅よりも小さくなるように設計される必要がある。

第２実施形態の発光装置２は、光の長径に対応する第１レンズ部２５３のレンズ幅の半値と、光の長径に対応する第２レンズ部２５４のレンズ幅の半値と、の和が、第１半導体レーザ素子２３０と第２半導体レーザ素子２３１との間の距離よりも大きい。従って、それぞれのレンズ部は半球形ではなく、図７に記されるように連結した構造を有し、放射される楕円形状の光の短径に対応するレンズ部の幅は、長径に対応するレンズ部の幅よりも小さくなる。

図８は、図７のVIII-VIIIを結ぶ直線における発光装置２の断面図である。図８に示されるように、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光のうち、第１光反射部材２４０の光反射面を介して反射された光は、蓋部２６０を通過し、接着部２７０によって生じたレンズ部材２５０と蓋部２６０の間の隙間を通過して、レンズ部材２５０に入射する。そして、レンズ部材２５０に入射した光は第１レンズ部２５３の第１レンズ形状２５１を通過して発光装置２の外部に出射する。図８の例では、出射光は基板２００から垂直方向に進行する。

また、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光のうち、第１光反射部材２４０の光反射面を介すことなく、光反射面の上方に向かって進行した光は、蓋部２６０を通過し、接着部２７０によって生じたレンズ部材２５０と蓋部２６０の間の隙間を通過して、レンズ部材２５０に入射する。そして、レンズ部材２５０に入射した光は第１レンズ部２５３の第２レンズ形状２５２を通過して発光装置２の外部に出射する。図８に示すように、この出射光も基板２００から垂直方向に進行する。

よって、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光のうち、反射光及び非反射光のいずれも、レンズ部材２５０を通過して発光装置２から外部に出射されるときには、同じ方向にコリメートさせることができる。また、第２半導体レーザ素子２３１及び第３半導体レーザ素子２３２から放射された光についても、発光装置２から外部に出射されるときには、第１半導体レーザ素子２３０の出射光と同じ方向にコリメートさせることができる。従って、赤色、緑色、及び、青色の３色の光の出射方向が制御された発光装置を提供することが出来る。

なお、発光装置２のように、第１半導体レーザ素子２３０から放射された光が、第１光反射部材２４０の光反射面を介して、あるいは、介さずに、レンズ部材２５０に入射するまでの間に、蓋部２６０等の他の部材を通過したとしても、第１レンズ部２５３が、反射光を制御するための形状で設計された第１レンズ形状と、非反射光を制御するための形状で設計された第２レンズ形状を有する、という点は第１実施形態に係る発光装置１と変わらない。

第２実施形態に係る発光装置２では、複数の半導体レーザ素子のうち、少なくとも１の半導体レーザ素子の光の垂直方向の拡がり角が、他の半導体レーザ素子の垂直方向の拡がり角よりも大きい。そこで、垂直方向の拡がり角の大きな半導体レーザ素子から放射された光が全て光反射部材の光反射面に照射されるように光反射面を大きくすると、光反射部材の高さが大きくなり、発光装置２のサイズが大きくなる。

第２実施形態に係る発光装置２は、少なくとも、垂直方向の拡がり角の最も小さい半導体レーザ素子から放射された光を全て反射できるだけの光反射面を確保し、垂直方向の拡がり角の大きな半導体レーザ素子から放射された光の一部が光反射面に照射されない状況を許容する。従って、光反射面の大きさを垂直方向の拡がり角の大きな光に合わせるよりも、発光装置２のサイズを小さくすることが出来る。

第２実施形態に係る発光装置２は、第１レンズ形状と第２レンズ形状を有するレンズ部と、第１レンズ形状を有し第２レンズ形状を有さないレンズ部と、を有する。また、光の垂直方向拡がりに対応したレンズ部の長径の長さは、第２レンズ形状を有する場合の方が、第２レンズ形状を有さない場合よりも小さい。よって、第２レンズ形状を設けることでレンズ部のサイズが大きくなることはない。

＜実施例１＞
次に、第２実施形態で示した発光装置２に係る実施例を説明する。実施例１の発光装置２は、辺の長さが１０ｍｍ程度で、Ｓ１側の辺の長さが、Ｓ２側の辺の長さよりも数ｍｍ程度長い基板２００を有する。また、基部２１０の外側面の長さは、Ｓ１側の辺が約７．０ｍｍ、Ｓ２側の辺が約６．０ｍｍである。また、基部２１０の底部の下面からレンズ部材２５０のレンズ部の頂点までの高さは約５．１ｍｍで、基板２００の厚みも含めれば、発光装置２は高さが６．０ｍｍ程度の装置となる。

基部２１０の底部の下面から側部の上面２１１までの高さは約２．０ｍｍ、レンズ部材２５０の下面からレンズ部の頂点までの高さは約２．５ｍｍ、レンズ部の底面から頂点まで高さは約１．９０ｍｍである。なお、レンズ部の底面とは、平面上にレンズ形状を有するレンズ部が配置されたものとして見て捉えた場合のレンズ部が配置される平面にあたる。また、レンズ部材２５０の下面からレンズ部の底面までの高さは約０．６ｍｍである。

レンズ部材２５０のＳ１側の辺の長さは約６．０ｍｍ、Ｓ２側の辺の長さは約５．５ｍｍで、レンズ部のＳ１方向の長さは約５．０ｍｍである。隣り合う半導体レーザ素子間の間隔は約１．２５ｍｍであり、光の垂直方向拡がりに対応した第１レンズ部２５３の長さは約４．３２ｍｍ、第２レンズ部２５４の長さは約４．４８ｍｍ、第３レンズ部２５５の長さは約４．４６ｍｍである。なお、第２レンズ形状が無かったとした場合の第１レンズ形状の長さは約４．４３ｍｍである。各レンズ部のＳ１方向の長さは、第１レンズ部２５３が１．８７ｍｍ、第２レンズ部２５４が１．２５ｍｍ、第３レンズ部２５５が１．８８ｍｍである。

赤色の光を発する第１半導体レーザ素子２３０から放射された光の主要部分に対応する第１レンズ部２５３の通過領域であって、楕円形状の光の長径に対応する放射領域の長さは約４．０ｍｍ、緑色の光を発する第２半導体レーザ素子２３１から放射された光の主要部分に対応する第２レンズ部２５４の通過領域であって、楕円形状の光の長径に対応する放射領域の長さは約３．３ｍｍ、青色の光を発する第３半導体レーザ素子２３２から放射された光の主要部分に対応する第３レンズ部２５５の通過領域であって、楕円形状の光の長径に対応する放射領域の長さは約３．３ｍｍ、である。同様に、楕円形状の光の短径に対応する放射領域の長さはそれぞれ、約０．８０ｍｍ、約０．６５ｍｍ、約０．８０ｍｍである。

このように、実施例１の発光装置２では、隣り合う半導体レーザ素子間の距離よりも、各レーザの楕円形状の光の長径に対応する放射領域の長さの方が大きい。この放射領域をカバーするレンズ部の長さは放射領域の長さよりも大きくなるが、光の短径に対応するレンズ部の長さを同じにすると、半導体レーザ素子間の距離もこれに合わせて離さなければならなくなる。すると、基部２１０の側部も大きくなり、結果としてパッケージが大きくなる。パッケージのサイズを小型にするためには、レンズ部のレンズ径に合わせて半導体レーザ素子間の間隔を調整するのではなく、半導体レーザ素子間の間隔に合わせてレンズ部の形状を調整し、連結するようにした方がよい。

また、実施例１の発光装置２は、Ｓ１側の辺が約７．０ｍｍ、Ｓ２側の辺が約６．０ｍｍの外側面を有する基部２１０の枠内に３つの半導体レーザ素子が配置され、赤色、緑色、青色の光がそれぞれコリメートされて発光装置の外部へと出射する。３色の光のそれぞれに関する光強度や中心波長などの光特性を測定する際には、複数のダイクロイックミラーを用いて、各色の光の主要部分を別々に分光するとよい。例えば、第１レンズ部２５３から出射した赤色のコリメート光を１のダイクロイックミラーである方向へと進ませ、第２レンズ部２５４から出射された緑色のコリメート光を別のダイクロイックミラーで別の方向へと進ませる。これにより３つの光はそれぞれ別々の方向へと進むため、それぞれの進行先に測定器を設けることで、３色の光を同時に放射した状態で実施例１の発光装置２から出射される各色の光の光特性を測定することができ、１色ずつ光を発光させて測定するよりも効率的に測定することができる。

以上、本発明に係る発光装置を、各実施形態、実施例に基づき説明してきたが、本発明の技術思想を実現する発光装置はこれに限らない。例えば、光を放射する素子として半導体レーザ素子を採用したが、他の発光素子であってもよい。第１乃至第３半導体レーザ素子は、第１乃至第３発光素子の一例である。

本発明に係る発光装置では、発光素子から放射される光が光反射部材の方向に進むときに、光反射部材の光反射面に点で照射されるのではなく幅を持って照射される。そして、その光の一部が光反射部材に照射されずに抜けていく。このような状況が生じている場合に、本発明に開示されたレンズ部材を有する発光装置は、反射光および非反射光のいずれも制御することが出来る。

また、本発明により開示される技術的特徴を有する発光装置は、発光装置１あるいは発光装置２の構造に限られるわけではない。例えば、第１及び第２実施形態のいずれにも開示のない構成要素を有する発光装置においても本発明は適用され得るものであり、開示された発光装置と違いがあることは本発明を適用できないことの根拠とはならない。また、第２実施形態において開示され、第１実施形態において開示されていない構成要件を、第１実施形態の発光装置に組み込むことも可能である。

このことはつまり、第１実施形態あるいは第２実施形態により開示された発光装置の全ての構成要素を必要十分に備えることを必須としないものであっても、本発明が適用され得ることを示す。例えば、特許請求の範囲に、第１実施形態あるいは第２実施形態により開示された発光装置の一部の構成要素が記載されていなかった場合、その構成要素については、本実施形態に開示されたものに限らず、代替、省略、形状の変形、材料の変更などといった当業者による設計の自由度を認め、その上で特許請求の範囲に記載された発明が適用されることを請求するものである。

各実施形態に記載の発光装置は、プロジェクタ、車載ヘッドライト、照明、ディスプレイのバックライト等に使用することができる。

１…発光装置
１０…基部
２０…サブマウント
３０…半導体レーザ素子
４０…光反射部材
４１…光反射面
５０…レンズ部材
５１…第１レンズ形状
５２…第２レンズ形状
２…発光装置
２００…基板
２１０…基部
２２０…第１サブマウント
２２１…第２サブマウント
２２２…第３サブマウント
２３０…第１半導体レーザ素子
２３１…第２半導体レーザ素子
２３２…第３半導体レーザ素子
２４０…第１光反射部材
２４１…第２光反射部材
２４２…第３光反射部材
２５０…レンズ部材
２５１…第１レンズ形状
２５２…第２レンズ形状
２５３…第１レンズ部
２５４…第２レンズ部
２５５…第３レンズ部
２６０…蓋部
２７０…接着部

Claims (13)

1. 光を放射する第１発光素子と、
   光を反射する光反射面を有する第１光反射部材と、
   前記第１発光素子から放射された光の進行方向を制御する第１レンズ部を有するレンズ部材と、を備え、
   前記第１レンズ部は、光の進行方向を制御するための第１レンズ形状と第２レンズ形状とを有し、
   前記第１レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面に向かって進行し反射された反射光の進行方向を制御し、
   前記第２レンズ形状は、放射された光のうち、光反射面の端部を境界に光反射面に向かって進行した前記反射光以外の光であって、光反射面の端部を境界に光反射面の外に向かって進行する光である非反射光の進行方向を制御する発光装置。
2. 前記第１レンズ部は、前記反射光をコリメートする前記第１レンズ形状と、前記非反射光をコリメートする前記第２レンズ形状と、を有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１レンズ部において、少なくとも前記反射光の主要部分は前記第２レンズ形状を通過しない請求項１または２に記載の発光装置。
4. 基部を備え、
   前記第１発光素子及び前記第１光反射部材は、前記基部の平面上に配置される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記レンズ部材は、前記光反射面を介して反射された後、前記基部の前記平面から離れる方向に進行する前記反射光が通過する前記第１レンズ形状と、前記光反射面を経由せずに前記基部の前記平面から離れる方向に進行する前記非反射光が通過する前記第２レンズ形状と、を有する
   請求項４に記載の発光装置。
6. 光を放射する第２発光素子と、
   前記第１光反射部材と一体に、あるいは、前記第１光反射部材とは別個に構成され、光反射面を有する第２光反射部材と、を備え、
   前記レンズ部材は、前記第１レンズ部と、前記第２発光素子から放射された光の進行方向を制御する第２レンズ部と、を有し、
   前記第２レンズ部は、前記第１レンズ形状を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記レンズ部材は、前記第１レンズ部と前記第２レンズ部とが連結して形成される請求項６に記載の発光装置。
8. 前記第２発光素子から放射された光のうち少なくとも主要部分の光は全て、前記第２光反射部材の光反射面に照射する請求項６または７に記載の発光装置。
9. 前記第１発光素子から放射される光の垂直方向の拡がり角は、前記第２発光素子から放射される光の垂直方向の拡がり角よりも大きい、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の発光装置。
10. 光を放射する第３発光素子と、
    前記第１及び第２光反射部材と一体に、あるいは、前記第１及び第２光反射部材とは別個に構成され、光を反射する光反射面を有する第３光反射部材と、を備え、
    前記レンズ部材は、前記第１レンズ部と、前記第２レンズ部と、前記第３発光素子から放射された光の進行方向を制御する第３レンズ部と、を有し、
    前記第３レンズ部は前記第１レンズ形状を有する請求項６乃至９のいずれか一項に記載の発光装置。
11. 前記第１発光素子は赤色光を放射し、前記第２発光素子は青色光を放射し、前記第３発光素子は緑色光を放射する請求項１０に記載の発光装置。
12. 前記レンズ部材を介して、赤色光、緑色光、及び、青色光のコリメート光を出射する請求項１１に記載の発光装置。
13. 前記第１乃至第３発光素子は、半導体レーザ素子である請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光装置。

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