JP2020181893A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、配光ムラを低減することができる発光装置を提供することを目的とする。
複数の半導体レーザ素子と、
前記複数の半導体レーザ素子の各出射光が入射する複数の第1傾斜面と、該第1傾斜面から入射した光を出射させる下面とを有する透光性部材と、
前記透光性部材の前記下面に接触し、前記透光性部材の前記下面から出射した光の波長を変換する波長変換部材とを備える発光装置。
本開示の発光装置10は、例えば、図1Aから1Dに示すように、複数の半導体レーザ素子1(以下「レーザ素子」と称することがある)と、透光性部材2と、波長変換部材3とを備える。透光性部材2は、各レーザ素子1の出射光が入射する複数の第1傾斜面2aと、第1傾斜面2aから入射した光を出射させる下面2bとを有する。波長変換部材3は、透光性部材2の下面2bに接触して配置されている。
このように、複数のレーザ素子1を用いることにより、透光性部材2に対して異なる方向から光を入射させることが可能となる。その結果、取り出される光の配光ムラを低減することができる。すなわち、図1Bに示すようにレーザ素子1をその出射光が波長変換部材3の光照射面に対して斜め方向から入射するように配置すると、光照射面でレーザ素子1が出射する光の一部分が反射される。このため、レーザ素子1が1つのみである場合は、波長変換部材3の光照射面で反射された位置において、レーザ素子1の出射光の色味が相対的に強くなる。そこで、複数のレーザ素子1を用いて複数の第1傾斜面2aからそれぞれレーザ光を入射させる。これにより、レーザ素子1の出射光のうち波長変換部材3の光照射面において反射された光が向かう方向が複数となるため、発光装置10から取り出される光の配光ムラを低減することができる。なお、本明細書において、配光ムラとは、発光装置10から取り出される光の配光特性に偏りが生じていることを意味する。配光ムラは、色ムラ又は輝度ムラと言い換えてもよい。
また、波長変換部材3と透光性部材2の下面2bとが接触していることから、レーザ素子の光が照射されるところから波長変換部材3で発生した熱を透光性部材2側に排熱することが可能となる。波長変換部材3は高温になると変換効率が低下するが、本開示の発光装置10では、波長変換部材3の熱を透光性部材2側に排熱できることにより、波長変換部材3の変換効率を低下させすぎずに照射できる光の出力の上限を高くすることができる。これによって、レーザ素子1として比較的高出力のレーザ光を発するレーザ素子を採用することができ、発光装置10として高い光出力を得ることが可能となる。
半導体レーザ素子1は、1つの発光装置10に複数配置されている。
レーザ素子1としては、例えば、窒化物半導体(主として一般式InxAlyGa1-x-yN、0≦x、0≦y、x+y≦1)で表される)などの半導体層を備える素子が挙げられる。その組成等を調整することにより、半導体レーザ素子1の発振波長を調整することができる。例えば、400nm以上530nm以下の範囲に発振波長のピークを有する半導体レーザ素子1を用いることができる。例えば、YAG系蛍光体と組み合わせる場合は、発光装置10から取り出される光を混色により白色とすることができるので、発振するレーザ光のピーク波長が420nm以上490nm以下の範囲にあるレーザ素子1が好ましい。半導体レーザ素子1としては、上述のとおり比較的高出力のレーザ素子を用いることができ、例えば1W以上、さらには5W以上の光出力を有するレーザ素子を用いることができる。
また、複数のレーザ素子1は、透光性部材2及び/又は波長変換部材3を挟む位置に配置されていることが好ましい。これにより、配光ムラを効果的に低減することができる。すなわち、一方のレーザ素子1の出射光のスポット及び他方のレーザ素子1の出射光のスポットの光密度の低い部分と低い部分のみを重ね合わせること、または出射光のスポットのほぼ全体を光密度の低い部分と高い部分とを互いに補うように重ね合わせること等により、配光ムラを低減することができる。例えば、図1Dに示すように、上面視において、直線状に、1つのレーザ素子1、透光性部材2及び波長変換部材3、1つのレーザ素子1がこの順に配置されていてよい。また、このような配置においてレーザ素子1がそれぞれ2以上配置されていてもよい。例えば、透光性部材2及び/又は波長変換部材3を中心にして、互いに120度の角度の位置、つまり3方向に、レーザ素子1が3つ配置されていてもよい。また、透光性部材2及び/又は波長変換部材3を中心にして、互いに90度の角度の位置、つまり4方向に、レーザ素子1が4つ配置されていてもよい。
レーザ素子1は、後述するベース5の実装面に直接配置されていてもよいが、ベース5の実装面にサブマウント7を介して配置されていることが好ましい。これにより、レーザ素子1の光出射端面をベース5の実装面から離すことができるため、レーザ素子1が出射するレーザ光の主要部分がベース5の実装面に当たるのを回避することができる。また、サブマウント7を利用して、放熱性を向上させることができる。なお、ベース5の実装面とは、レーザ素子1等の各部品が実装される面を指す。例えば、図1Bにおいては、ベース5は凹部を有する形状であり、その凹部の内側の表面のうちの底面が実装面である。サブマウント7は、例えば、窒化アルミニウム、炭化珪素等によって形成することができる。レーザ素子1は、サブマウント7を介する場合及びベース5の実装面に直接配置される場合のいずれにおいても、出射したレーザ光の光軸が、ベース5の実装面に対して実質的に平行な方向に進行するように実装することが好ましい。ここでの平行とは、±5度程度の変動は許容されることを意味する。以下、本明細書においては「平行」を同程度の変動が許容される意味で用いる。また、本明細書においてレーザ光の光軸とは、レーザ光の中心部の進行方向を示す軸線を意味する。出射光の光軸についても同様の意味で用いる。
透光性部材2は、レーザ素子1の出射光が入射する複数の第1傾斜面2aと、この第1傾斜面2aから入射した光を出射させる下面2bとを有する。透光性部材2は、レーザ素子1が出射する出射光の光軸上に、光軸に交差するように配置されている。
透光性部材2は、半導体レーザ素子1から出射される光及び波長変換部材3によって変換された光の60%以上を透過し得る部材であることが好ましく、70%以上を透過し得る部材であってもよく、80%以上を透過し得る部材であってもよく、さらには90%以上を透過し得る部材であることがより好ましい。
透光性部材2が備える複数の第1傾斜面2aは、図1Dに示すように、透光性部材2の内側に向かって傾斜する。言い換えると、第1傾斜面2aは、透光性部材2の下面2bに対する傾斜角α(図1B参照)の角度が90度未満である。第1傾斜面2aは、レーザ素子1からの出射光の光軸、すなわちレーザ素子1が出射する出射光の光軸に交差する面であって、出射光の光軸に対して傾斜している面である。第1傾斜面2aの傾斜角度は、後述する透光性部材2の材料における屈折率と相まって、透光性部材2に入射したレーザ素子1の出射光を透光性部材2の下方、つまり、後述する下面2bに向かう方向に屈折させることができる角度に設定されていることが好ましい。また、第1傾斜面2aの傾斜角度は、後述する透光性部材2の下面2bで、複数のレーザ素子1からの出射光が重なり得るような角度に設定されていることが好ましい。第1傾斜面2aは、例えば、レーザ素子1が出射するレーザ光の光軸に対して、数度以上90度未満の角度で交わる面であり、数十度以上80度以下の角度で交わる面とすることができ、40度以上75度以下の角度で交わる面であってもよい。なお、図1Bの傾斜角αは、透光性部材の下面2bに対する第1傾斜面2aの傾斜角であり、透光性部材の下面2bがレーザ光の光軸に平行な場合において、傾斜角αの角度は第1傾斜面2aとレーザ光の光軸が成す角度と等しい。言い換えると、レーザ素子1からの出射光の光軸を含む平面に対して所定の傾斜角度となる傾斜面を第1傾斜面2aと称することができる。所定の傾斜角度とは、例えば数度以上90度未満であり、数十度以上80度以下とすることができ、40度以上75度以下であってもよい。詳細には、レーザ素子1からの出射光の光軸の方向をx軸とし、それと垂直且つ透光性部材の下面2bと平行な方向をy軸とし、x軸とy軸とを含むxy平面に垂直な方向をz軸とした場合、y軸とz軸を含むyz平面がy軸を回転軸として回転することにより得られる面、すなわちxy平面に対して上述した所定の傾斜角度で傾斜した面を、第1傾斜面2aと称することができる。言い換えると、レーザ素子1からの出射光の光軸を含む平面との二面角の角度が上述した所定の傾斜角度である面を第1傾斜面と称することができる。また、第1傾斜面2aは、下面2bに対して傾斜した面であるといえる。ここでの傾斜角αの角度は、上述した所定の傾斜角度の範囲内とすることができる。
バンドパスフィルタ11としては、短波長パスフィルタ(SWPF)等が挙げられる。バンドパスフィルタ11は例えば誘電体多層膜によって構成される。
第2傾斜面2cは、透光性部材2において1つ配置されるのみであってもよいし、複数配置されてもよい。
ここでの光反射膜8は、レーザ素子1からの出射光及び波長変換部材3によって波長変換された光に対する反射率が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。光反射膜8は、誘電体多層膜、金属膜又はこれらの積層膜によって形成することができる。光反射膜8は、第2傾斜面2cの全面を覆うことができる。
透光性部材2は、第1傾斜面2a、下面2b、第2傾斜面2c及び上面2dは、平らな面であることが好ましいが、表面が凹凸を有していてもよい。ここでの凹凸の程度は、平均表面粗さRaが概ね1nm以上200nm以下が挙げられる。
波長変換部材3は、レーザ素子1の出射光の波長を変換する部材である。波長変換部材3は、透光性部材2の下面に接触している。ここでの接触とは、波長変換部材3が直接透光性部材2に接するものであることが好ましいが、熱的に接続されていればよく、例えば、両者の位置関係を固定又は支持するために用いる部材(例えば、接着剤等)を介して接触するものも含まれる。なかでも、波長変換部材3と透光性部材2とは密着していることが好ましい。接着剤等は、透光性部材2から波長変換部材3へ光の入射が可能であればよい。例えば、透光性を有するものが好ましく、透光性部材2からの光を70%以上透過し得るものであればよく、80%以上透過し得るものが好ましく、90%以上透過し得るものがより好ましい。このように波長変換部材3が透光性部材2の下面に接触することにより、透光性部材2の熱を、波長変換部材3側に排熱することができる。また、後述するように、波長変換部材3が、支持部材6と熱的に接続されている場合には、波長変換部材3の熱を、支持部材6側にも排熱することができる。
また、熱伝導率に優れるものを波長変換部材3の材料として用いることにより、レーザ素子1の出射光が照射されることに起因して蛍光体が発する熱を効率よく放出することができる。これによって蛍光体の発光効率の低下度合を低減させることができ、規定内の光出力を長期間維持することができる。
波長変換部材3の大きさは、レーザ素子1からの光がその上面に適度に照射されるものであればよい。波長変換部材3の大きさは、透光性部材2から波長変換部材3の上面に向けて出射される光の全部を導入し得るものが好ましい。波長変換部材3は、例えば、透光性部材2の下面と同じまたはそれより小さい平面積の上面を有する柱状又は錐台状の部材に設定することができる。なお、波長変換部材3に導入されるレーザ素子1からの出射光は、透光性部材2に入射した後で、散乱及び/又は反射されることにより、レーザ光ではなく位相が揃っていない光になる場合があるため、波長変換部材3に導入される光は、レーザ光に限定されない。
反射膜9は、波長変換部材3の波長変換光に対する反射率が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。反射膜9は、レーザ素子1からの出射光に対する反射率も同様の程度とすることがより好ましい。反射膜9は、誘電体多層膜、金属膜又はこれらの積層膜によって形成することができる。
波長変換部材3における反射膜9が配置される面は、反射膜9と密着していることが好ましい。これによって、波長変換部材3で生じる熱を、反射膜9を通じて放出する経路を確保することができる。
発光装置は、支持部材6を備えている。レーザ素子1、透光性部材2及び波長変換部材3は、支持部材6によって規定される空間内に配置されている。支持部材6は、レーザ素子1等を気密封止することができる。
支持部材6は、ベース5とキャップ4を有する。図1B及び図2Bに示すように、レーザ素子1、透光性部材2及び波長変換部材3は、ベース5及びキャップ4により規定される空間内に配置されている。ベース5は、主として、レーザ素子1及び波長変換部材3を載置するためのものである。ベース5は、適度な強度及び熱伝導率を有する材料によって構成することができる。このような材料としては、例えば、銅、銅合金、鉄又はコバール等の鉄合金等を含む金属、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウム等を含むセラミックス等が挙げられる。ベース5は、複数の材料の組合せにより形成されていてもよい。
ベース5の形状は、例えば、板状、上方に向かって開口した凹部を有する形状など、種々の形状が挙げられる。ベース5は、半導体レーザ素子1が実装される実装面が平坦で、さらにその実装面に平行な下面を備えた形状とすることができる。ベース5の平面形状は、例えば、略円形、略楕円形、略多角形等の種々の形状が挙げられる。ベース5の大きさは、適宜調整することができ、例えば、ベース5の平面積は10mm2以上が挙げられる。
ベース5の厚みは、強度、放熱性等を考慮すると、0.2mm以上であることが挙げられ、0.2mm以上1.0mm以下が好ましい。ベース5は、全領域にわたって一定の厚みを有するものであってもよいし、部分的に厚みが異なっていてもよい。
ベース5が上方に向かって開口した凹部を有する形状である場合、その高さは、例えば、700μm以上4000μm以下が挙げられ、1000μm以上3500μm以下が好ましい。
キャップ4は、例えば、金属接着剤等を用いて又は溶接によって、ベース5に接合されている。
キャップ4の形状は、例えば、板状、下方に向かって開口した凹部を有する形状など、種々の形状が挙げられる。キャップ4の形状は、ベース5との係合によって半導体レーザ素子1等を収容する空間を規定し得る形状である。例えば、図1A〜1Dに示すように、ベース5が上方に向かって開口した凹部を有する形状である場合には、キャップ4の形状として板状が挙げられる。あるいは、ベース5が、互いに平行な上面及び下面を備えた板状の形状である場合には、キャップ4の形状として、ベース5上に載置されたレーザ素子1等の上方に位置する天井部と、天井部を支持する側壁部とを有する下方に向かって開口した凹部を有する形状が挙げられる。また、キャップ4は、ベース5上にキャップ4を固定する等のための突出及び屈曲等の形状の部位を有していてもよい。
キャップ4の厚みは、0.2mm以上、例えば、0.2mm以上1.0mm以下とすることができる。
光取り出し窓4aの大きさは、レーザ素子1からの出射光、反射光及び/又は波長変換光等を通過させることができる大きさとする。光取り出し窓4aの大きさは、例えば0.3mm2以上9mm2以下の大きさとすることができ、0.5mm2以上4mm2以下の大きさであってもよい。また、光取り出し窓4aは、キャップ4の上面から見て、透光性部材の上面2dを完全に内包する大きさ及び位置であることが好ましい。これにより、透光性部材の上面2dから出射される光の主要部分を発光装置10の外部へ取り出すことができる。光取り出し窓4aの形状は、矩形等の多角形、円形、楕円形、等の種々の形状が挙げられる。透光性部材2及び波長変換部材3を合わせたものの形状としては、例えば柱形状と錐台形状とを組み合わせた形状(例えば、四角柱と四角錐台とを組み合わせた形状)が挙げられる。この場合、光取り出し窓4aの形状は矩形等の多角形、例えば四角形とすることができる。
この実施形態1の発光装置10は、図1A〜1Dに示すように、2つのレーザ素子1、透光性部材2及び波長変換部材3を備える。
これらレーザ素子1、透光性部材2及び波長変換部材3は、ベース5とキャップ4とを有する支持部材6内に配置されている。ベース5は実質的に開口を有する有底の形状であり、キャップ4は平板状であり、両者の対向により、レーザ素子1等を収容する空間を規定する。
半導体レーザ素子1は、ベース5とキャップ4とにより規定される空間内において、ベース5の実装面にサブマウント7を介して配置されている。
ベース5及びキャップ4は、それぞれコバールによって形成されている。キャップ4には、その中央に光を取り出す光取り出し窓4aが、例えば、上面視において1mm×0.5mmの長方形で設けられている。ベース5とキャップ4とは溶接によって接合されており、これによって半導体レーザ素子1が気密封止されている。
支持部材6に規定される空間内には、さらに、透光性部材2と、波長変換部材3とが収容されている。
波長変換部材3は、透光性部材2の下面2bに接触して、透光性部材2の下方に配置されている。波長変換部材3は、例えば、直方体の形状である。波長変換部材3は上面で透光性部材2と密着して、波長変換部材3と透光性部材2とが一体となって透光性部材2から入射した光を波長変換し、波長変換した光を、透光性部材2に反射させ、透光性部材2の上面2dから、光取り出し窓4aに向かって、光を取り出すことができる。
波長変換部材3は、蛍光体と酸化アルミニウムとの焼結体によって形成されており、蛍光体としてはYAG蛍光体が用いられており、YAG蛍光体は波長変換部材3の全重量に対して70重量%含有されている。
この実施形態の発光装置10Aは、図2A〜2Cに示すように、透光性部材2の第1傾斜面2aに、バンドパスフィルタ11が配置されている。このバンドパスフィルタ11は、例えば、SiO2膜とNb2O5膜を複数積層した誘電体多層膜からなり、レーザ素子1の出射光における反射率が、波長変換部材3の波長変換光の波長における反射率よりも低い短波長パスフィルタである。
また、波長変換部材3の下面に、誘電体多層膜とAgによる反射膜9が配置されている。
これらの構成以外は、実質的に発光装置10と同様の構成である。
このような構成を有することにより、透光性部材2から半導体レーザ素子1側に出ようとする波長変換光をバンドパスフィルタ11で反射することができる。
したがって、この発光装置10Bは、発光装置10と同様の効果に加えて、発光装置10Bの内部における光の損失をより低減可能という効果を有する。
また、波長変換部材3によって波長変換された光を反射膜9によって透光性部材2側に反射させることができるために、より光取り出し効率を向上させることができる。さらに、反射膜9により、波長変換部材3と支持部材6との放熱経路を確保することができ、より放熱性を向上させることが可能となる。
この実施形態の発光装置10Bは、図3A〜3Cに示すように、第2傾斜面2cに、誘電体多層膜とAlによる光反射膜8を有する透光性部材2を用いた以外は、実質的に発光装置10Aと同様の構成である。
このような構成を有することにより、透光性部材2の第2傾斜面2cにおいて透光性部材2の内部から出射しようとする光を光反射膜8で反射することができる。これにより、発光装置10Bから取り出される光の配光ムラを低減することができる。また、レーザ素子1からの光の一部が光反射膜8で波長変換部材3に向かって反射されることにより、光反射膜8を設けない場合と比較して波長変換部材3に照射される励起光の量を増大させることができる。
2 透光性部材
2a 第1傾斜面
2b 下面
2c 第2傾斜面
2d 上面
3 波長変換部材
4 キャップ
4a 光取り出し窓
5 ベース
6 支持部材
7 サブマウント
8 光反射膜
9 反射膜
10、10A、10B 発光装置
11 バンドパスフィルタ
Claims (6)
- 複数の半導体レーザ素子と、
前記複数の半導体レーザ素子の各出射光が入射する複数の第1傾斜面と、該第1傾斜面から入射した光を出射させる下面とを有する透光性部材と、
前記透光性部材の前記下面に接触し、前記透光性部材の前記下面から出射した光の波長を変換する波長変換部材とを備える発光装置。 - 前記透光性部材は、前記第1傾斜面と異なる面であって、前記下面に隣接する第2傾斜面をさらに有し、
該第2傾斜面は、光反射膜で被覆されている請求項1に記載の発光装置。 - 前記波長変換部材の下方に反射膜をさらに備え、
前記透光性部材は、波長変換された光を出射する上面をさらに備える請求項1又は2に記載の発光装置。 - 前記透光性部材及び前記波長変換部材は、2以上の前記半導体レーザ素子に挟まれる位置に配置されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第1傾斜面は、前記半導体レーザ素子の出射光を透過し前記波長変換部材によって波長変換された光を反射するバンドパスフィルタで被覆されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置。
- ベースと、光取り出し窓が設けられたキャップとを有する支持部材を備え、
前記半導体レーザ素子、透光性部材及び波長変換部材は、前記ベース及び前記キャップにより規定される空間内に配置されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。
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