JP2021034501A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを高い精度で制御し得る発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置は、コリメート光源１０と、平坦面２０Ａおよび凸曲面２０Ｂを有し、コリメート光源１０から出射されたコリメート光Ｐを収束して収束ビームＱを形成する平凸レンズ２０と、収束ビームＱで照射される光学部材３０と、平凸レンズ２０を収容する筐体４０とを備える。筐体４０は、光学部材３０を支持する蓋部分４２であって、収束ビームＱを通過させる貫通孔４４を有する蓋部分４２を有しており、蓋部分４２は、平凸レンズ２０の前記平坦面の少なくとも一部に接している。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、発光装置に関する。
特許文献１は、ピッグテール型の合波レーザモジュールを開示している。このレーザモジュールは、複数のレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージを含むレーザユニットと、レーザパッケージからの出射光を集光する集光レンズを含む集光光学系ユニットと、集光光学系ユニットによって収束された光が入射する光ファイバを含む光ファイバユニットとを備えている。
特許文献１などに開示されている装置では、通常、集光レンズは接着層などによってレンズホルダ内に固定されている。また、レンズホルダは、照射対象を保持する部品、例えば集光光学系ユニットなどの筐体に固定されている。
特開２００７−６７２７１号公報
集光レンズから照射対象物までの距離は、照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを決定づける重要な要素である。
一方で、照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを高い精度で制御することが困難なことがある。
照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを高い精度で制御することが可能な発光装置が求められている。
本開示の発光装置は、一実施形態において、コリメート光源と、平坦面および凸曲面を有し、前記コリメート光源から出射されたコリメート光を収束して収束ビームを形成する平凸レンズと、前記収束ビームで照射される光学部材と、前記平凸レンズを収容する筐体とを備える。前記筐体は、前記光学部材を支持する蓋部分であって、前記収束ビームを通過させる貫通孔を有する蓋部分を有しており、前記蓋部分は、前記平凸レンズの前記平坦面の少なくとも一部に接している。
本開示の実施形態によれば、照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを高い精度で制御することが可能な発光装置が提供される。
図１Ａは、本開示における発光装置１００の構成例を模式的に示す断面図である。 図１Ｂは、本開示における発光装置１００の模式的な上面図である。 図２は、本開示におけるコリメート光源１０、平凸レンズ２０、および光学部材３０の配置関係を示す図である。 図３は、本開示における筐体４０の中心軸を含む面内における断面図である。 図４は、本開示における筐体４０の斜視図である。 図５は、本開示における発光装置１００の一部を拡大して示す断面図である。 図６Ａは、蓋部分４２が付加的な部分を有する例を示す断面図である。 図６Ｂは、蓋部分４２が付加的な部分を有する他の例を示す断面図である。 図７は、本開示の実施形態１における発光装置２００の構成例を模式的に示す断面図である。 図８は、光学部材３０の構成例を示す斜視図である。 図９は、コリメート光源１０から出たレーザビームの光軸を含む断面を模式的に示す図である。 図１０Ａは、発光装置２００のＸＺ面に平行な面内における光線を模式的に示す断面図である。 図１０Ｂは、発光装置２００のＹＺ面に平行な面内における光線を模式的に示す断面図である。 図１０Ｃは、光学部材３０の構成例を模式的に示す平面図である。 図１１Ａは、本開示の実施形態２における発光装置３００の構成例を模式的に示す断面図である。 図１１Ｂは、発光装置３００の構成要素の一部を分離した状態で示す断面図である。 図１２は、本開示の実施形態３における発光装置４００の構成例を模式的に示す断面図である。
発光素子から出射された光で物体表面または光入射面の狭い特定領域を照射するためには、通常、集光レンズが利用される。集光レンズは、光軸に平行に入射した光線束（以下、光ビームともいう。）を後側焦点の位置に収束する機能を有するレンズである。後側焦点の位置またはその近傍には、例えば、蛍光体、光ファイバの端面、被加工物などの種々の照射対象物の光入射面が配置され得る。集光レンズによってビーム径が縮小してエネルギ密度が上昇した収束ビームは、蛍光体の励起、光ファイバ中の伝送・励起、被加工物の加熱・加工などに利用され得る。
従来、照射対象物の光入射面に形成される光スポットの形状および大きさを高い精度で制御することが困難である理由は、集光レンズから照射対象物の光入射面までの距離を規定する従来の構造に複数のばらつき要因が存在することにある。例えば、レンズホルダに集光レンズを取り付けるときのアライメントずれ、レンズホルダを筐体などに取り付けるときのアライメントずれ、レンズホルダおよび筐体の寸法誤差などである。本開示の発光装置によれば、このような課題が解決され得る。
まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本開示の発光装置の基本的な構成例を説明する。
図１Ａは、本開示における発光装置１００の構成例を模式的に示す断面図であり、図１Ｂは、その模式的な上面図である。図１Ａは、図１Ｂにおける発光装置１００の１Ａ−１Ａ線断面を示している。添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が模式的に示されている。
発光装置１００は、図１Ａに示されるように、コリメート光源１０と、コリメート光源１０から出射されたコリメート光Ｐを収束して収束ビームＱを形成する平凸レンズ２０と、収束ビームＱで照射される光学部材３０と、平凸レンズ２０を収容する筐体４０とを備えている。
コリメート光源１０は、コリメート光Ｐを出射する光源である。コリメート光源１０の典型例は、光を放射する少なくとも１個の発光素子と、発光素子から放射された光をコリメートするレンズ（以下、コリメートレンズという。）とを含む。発光素子の例は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ（Laser Diode）などの半導体発光素子である。しかし、発光素子は、このような例に限定されず、ファイバレーザなどのレーザデバイスであってもよい。コリメート光源１０は、発光素子から放射された光を伝送する光ファイバなどの導波路部材を含んでいてもよい。
平凸レンズ２０は、平坦面２０Ａおよび凸曲面２０Ｂを有している。図示される例において、平凸レンズ２０の光が出射する側の表面の全体が平坦面２０Ａである。凸曲面２０Ｂの典型例は球面であるが、円柱面であってもよい。言い換えると、平凸レンズ２０は、球面レンズに限定されず、シリンドリカルレンズであってもよい。また、収差を減少または増加させるように曲率が調整された非球面レンズであってもよい。重要な点は、平凸レンズ２０の光が出射する側の表面が平坦面２０Ａを有していることにあり、平凸レンズ２０の形状は、図示されている例に限定されない。
図２には、コリメート光源１０、平凸レンズ２０、および光学部材３０の配置関係が示されている。理解を容易にするために、図２では筐体４０の記載は省略されている。光学部材３０の光入射面３０Ａには、平凸レンズ２０から出た収束ビームＱが光スポットＳを形成する。本開示において、光学部材３０の光入射面３０Ａにおいて収束ビームＱが入射している領域を「光スポット」と称する場合がある。この光スポットは、１個または複数個のスポットであり得る。光スポットは、基準値以上の強度（以下、放射照度ともいう。）を示す領域によって規定され得る。この「基準値」は、例えば、ピーク強度値の１／ｅ２倍の値であり得る。ここで、ｅはネイピア数であり、約２．７２である。光スポットＳの形状および大きさは、平凸レンズ２０の焦点位置に対する光学部材３０の光入射面３０Ａの位置に依存して変化し得る。なお、本開示において「光入射面」とは、図２に示されるような、光学部材３０において収束ビームＱが入射される物理的な表面だけでなく、後述する図７に示されるような、光学部材３０において収束ビームＱが入射する貫通孔が形成する面も含む。換言すると、「光入射面」とは、光学部材３０の貫通孔において、収束ビームＱが入射する面も含む。したがって、光スポットSの形状および大きさとは、収束ビームＱが光学部材３０の物理的表面に入射したときの形状および大きさだけでなく、収束ビームＱが光学部材３０の貫通孔に入射したときの断面における形状および大きさも含む。
本開示において、コリメート光Ｐは、理想的なガウシアンビームである必要はない。コリメート光Ｐは、複数のガウシアンビームの重ね合わせ、または非ガウシアンビームであってもよい。コリメート光Ｐの光軸に垂直なビーム断面内における強度分布は、単峰性である必要もなく、多峰性を有していてもよいし、いわゆる「トップハット」型であってもよい。
コリメート光Ｐが平凸レンズ２０に入射し、平凸レンズ２０の屈折作用によって収束ビームＱに変換された後、収束ビームＱの断面径が最も小さくなる位置（この例では、焦点の位置）でも、ビーム断面は拡がりを有している。ビーム径は、回折によって定まる限度（回折限界）よりも小さくすることはできず、平凸レンズ２０の球面収差などによって更に拡大する。また、前述したように、本開示におけるコリメート光Ｐは多様な強度分布を有し得るため、焦点の位置におけるビーム断面は、単純な円または楕円に限定されず、複雑で多様な形状を有し得る。更に、焦点の位置から僅かに外れるだけで、ビーム断面の形状およびサイズは変化し得る。本開示の実施形態では、光学部材３０の光入射面３０Ａの位置が平凸レンズ２０の焦点位置に一致している必要はなく、オフ・フォーカスの状態で光学部材３０の光入射面３０Ａに入射してもよい。
収束ビームＱの断面形状およびサイズは、光軸上における位置に応じて異なるため、所望の形状およびサイズを有する光スポットを光学部材３０の光入射面３０Ａ上に形成するためには、光学部材３０と平凸レンズ２０の配置関係を高い正確度で制御することが求められる。
本開示において、光学部材３０から平凸レンズ２０の平坦面２０Ａまでの距離、より正確には、光学部材３０の光入射面３０Ａから平凸レンズ２０の平坦面２０Ａまでの距離をＬとする。この距離Ｌが設計値（目標値）から僅かに外れると、前述した理由から、光学部材３０の光入射面３０Ａにおける放射照度の分布が設計値から大きく変動し得る。本開示の実施形態によれば、このような変動またはばらつきを抑制することが可能になる。この点の詳細は後述する。
次に、図３および図４を参照して、筐体４０の構成例を説明する。図３は、筐体４０の中心軸を含む断面図であり、図４は、筐体４０の斜視図である。これらの図に示されるように、筐体４０は、平凸レンズ２０を通過した光が入射する光学部材３０を支持する蓋部分４２を有している。蓋部分４２は、平凸レンズ２０を出た収束ビームＱを通過させる貫通孔４４を有している。蓋部分４２は、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａの少なくとも一部に接する。蓋部分４２は、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａのうち、収束ビームＱが出射する領域以外に接する。これにより、収束ビームＱを光学部材３０に入射することができる。蓋部分４２は、平面視で凸曲面２０Ｂの内側において、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａに接することが好ましい。これにより、平凸レンズ２０を小型化することができる。換言すると、平凸レンズ２０が外側に延びる鍔部（例えば図１１Ｂに示される参照符号「２０Ｃ」の部分）を有する場合において、蓋部分４２は、平面視で平凸レンズ２０の鍔部の内側を含む領域で平坦面２０Ａに接することが好ましい。また、筐体４０は、平凸レンズ２０の周囲を囲む側壁部分４６を有している。これらの図に示される筐体４０は、概略的に円柱形状を有している。しかし、本開示の実施形態における筐体の形状は、このような例に限定されない。筐体４０の外形は、概略的に、立方体、直方体、または、その他の形状を有し得る。
筐体４０の蓋部分４２は、光学部材３０が設けられる外側表面４２Ａと、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａの少なくとも一部に接する内側表面４２Ｂとを有している。蓋部分４２は、外側表面４２Ａから内側表面４２Ｂまでの距離によって決まる厚さＴを有している。この蓋部分４２の厚さＴによって、図２に示される光学部材３０の光入射面３０Ａから平凸レンズ２０の平坦面２０Ａまでの距離Ｌが規定されている。
筐体４０の蓋部分４２の厚さＴにも、製造ばらつきを原因として、設計値からの僅かなずれ（寸法公差）が生じ得る。しかし、蓋部分４２の厚さＴのみであれば、そのばらつきの大きさは非常に小さい。一方、従来技術では、例えばレンズをレンズホルダに取り付けるときのアライメントずれ、レンズホルダを筐体などに取り付けるときのアライメントずれ、レンズホルダおよび筐体の寸法誤差などの複数の要因が重なって距離Ｌの大きな変動を引き起こしやすい。また、蓋部分４２は２以上の部材より形成されていてもよい。蓋部分４２は、１の部材より形成されていることが好ましい。これにより、蓋部分４２の厚さＴのばらつきを抑制することができる。
本開示の発光装置によれば、図１Ａに示されるように、蓋部分４２の厚さＴのみによって距離Ｌを制御できるため、距離Ｌの変動要因を従来よりも少なくすることが可能になる。厚さＴの製造ばらつきは加工精度に依存し、例えば１００μｍ程度、または、それ以下である。このことは、光学部材３０の光入射面３０Ａにおける光スポットの形状およびサイズを高い正確度で制御することを可能にする。本開示の発光装置によれば、光学部材が例えば蛍光部材の場合、蛍光部材に入射する励起光の照度分布を調整して所望の光スペクトルおよび発光分布を実現することが可能になる。また、光学部材が例えば貫通孔を有する保持部材と、貫通孔に配置された蛍光部材とを含んでいる場合にも、保持部材の貫通孔に入射する励起光の照度分布を調整して所望の光スペクトルおよび発光分布を実現することが可能になる。また、光学部材が光ファイバであれば、細径のコアにも正確に集光して高い効率で光結合を実現することが可能になる。
本開示の発光装置によれば、平凸レンズ２０の凸曲面２０Ｂに入射する光がコリメート光であるため、コリメート光源１０と平凸レンズ２０との距離が、平凸レンズ２０からの収束ビームＱが光学部材３０の光入射面３０Ａにおいて形成する光スポットの形状およびサイズにほとんど影響しない。
更に、本開示の発光装置によれば、蓋部分４２の厚さＴを従来における蓋部分の厚さよりも大きくできる。厚さＴは、発光装置が自動車のヘッドランプに使用される場合、例えば３ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲にある。発光装置の用途、種別に応じて距離Ｌはさまざまな値をとり得るので、厚さＴも距離Ｌと同様に、さまざまな値をとり得る。
厚さＴが例えば３ｍｍ以上であれば、収束ビームＱに照射によって光学部材３０が発熱する場合でも、蓋部分４２を熱伝導率の高い材料、例えばアルミから形成することにより、筐体４０を介して不図示のヒートシンクに熱を速やかに散逸させることが可能になる。蓋部分４２の材料としては、ステンレス鋼または銅などの金属材料を用いてもよい。
図３および図４に示されるように、この例における貫通孔４４は、蓋部分４２の外側表面４２Ａにおける開口面積が内側表面４２Ｂにおける開口面積よりも小さい形状を有している。貫通孔４４は、収束ビームＱの通過を可能にする形状であれば、任意の形状を有し得る。貫通孔４４の形状は、例えば、円錐台形状とすることができる。図示されている例のように、蓋部分４２の外側表面４２Ａにおける開口面積を相対的に小さくすると、収束ビームＱの通過が可能でありつつ、光学部材３０の近傍における蓋部分４２の体積が増加するため、光学部材３０から放熱性を高める効果が得られる。
図５は、本開示における発光装置１００の一部を拡大して示す断面図である。図５の例において、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａと蓋部分４２の内側表面４２Ｂとの間に接着層２２が存在している。後述するように、接着層２２の厚さは、典型的には２０μｍ以下であり、非常に薄い。このため、図５以外の図面では、接着層２２の記載を省略する。また、本開示においては、接着層２２を介して平凸レンズ２０の平坦面２０Ａが蓋部分４２の内側表面４２Ｂに固着されている状態も、「平凸レンズ２０の平坦面２０Ａが蓋部分４２の内側表面４２Ｂに接触している」状態に含める。
筐体４０の蓋部分４２は、厚さＴを有する部分以外に、付加的な部分を有していてもよい。図６Ａは、蓋部分４２が付加的な部分を有する例を示している。この例において、蓋部分４２は、付加的な部分として凸部４８を有している。凸部４８を有することにより、凸部４８の位置を基準として、光学部材３０または平凸レンズ２０の位置決めが可能になる。本開示において、蓋部分４２の厚さＴとは、光学部材３０の光入射面３０Ａから平凸レンズ２０の平坦面２０Ａまでの距離Ｌを規定する部分の厚さである。従って、凸部４８の存在は、蓋部分４２の厚さＴに影響しない。凸部４８は、蓋部分４２の材料と同一の材料から形成され、一体部品を構成していてもよい。
図６Ｂは、蓋部分４２の他の構成例を示している。この例において、蓋部分４２は、溝などの凹部４９を有している。凹部４９を有することにより、例えば接着層を用いて光学部材３０を蓋部分４２に固定する際、接着層が凹部４９にも入るため、接着層が光学部材３０の外周側面へ回り込むのを抑制することができる。また、接着層を用いて平凸レンズ２０を蓋部分４２に固定する際、接着層が貫通孔４４または平凸レンズ２０の外周側面へ回り込むのを抑制することができる。このような凹部４９の存在も蓋部分４２の厚さＴに影響しない。蓋部分４２と平凸レンズ２０との間に大きな熱膨張係数差がある場合、蓋部分４２と平凸レンズ２０との間に発生し得る応力を緩和する構造が蓋部分４２に付与されていてもよい。
以下、本開示の発光装置の具体的な実施形態を説明する。
＜実施形態１＞
図７は、本開示の実施形態１における発光装置２００の構成例を模式的に示す断面図である。
発光装置２００は、コリメート光源１０と、平凸レンズ２０と、光学部材３０と、筐体４０とを備えている。コリメート光源１０、平凸レンズ２０、光学部材３０、および筐体４０の基本的な構成は、前述したとおりである。
本実施形態におけるコリメート光源１０は、１個または複数個のレーザダイオード（以下、単に「ＬＤ」と称する）を発光素子として有している。平凸レンズ２０は、筐体４０の蓋部分４２に固定されている。具体的には、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａは、接着層によって蓋部分４２の内側表面４２Ｂに固着されている。平凸レンズ２０の平坦面２０Ａと蓋部分４２の内側表面４２Ｂとの間で層状に拡がる接着層の厚さは、せいぜい１００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下である。このため、接着層の厚さについては、そのばらつきを無視できる。接着層は、例えばエポキシ系、アクリル系、シリコーン系およびビニル系の樹脂材料から形成され得る。
また、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａには、不図示の膜等が形成されていてもよい。これらの膜の厚さは、１０μｍ以下であれば、接着層と同様にばらつきを無視できる。
筐体４０は、平凸レンズ２０の周囲を囲む側壁部分４６を有している。平凸レンズ２０の周縁が接着層によって側壁部分４６に固着されていてもよい。これにより、平凸レンズ２０をより強固に固定することができる。筐体４０は、平凸レンズ２０およびコリメート光源１０の両方を収容し、金属製のヒートシンク５０に固定されている。コリメート光源１０の詳細は、後述する。
図８に示すように、光学部材３０は、蛍光部材７４と、蛍光部材７４の下方に配置される透光部材７２と、蛍光部材７４および透光部材７２を保持する保持部材７０を有する。蛍光部材７４は、蛍光体を含む蛍光領域３４と、蛍光領域３４の周囲に位置する光反射領域３６とを有している。蛍光領域３４とは光透過領域として機能し、光反射領域３６は遮光領域として機能し得る。透光部材７２は、例えばサファイアである。保持部材７０は、透光部材７２および蛍光部材７４が上方に配置される本体部７０Ａと、透光部材７２および蛍光部材７４を本体部７０Ａに固定する押さえ部７０Ｂとを有する。本体部７０Ａは熱伝導性に優れた材料、例えばアルミや銅から形成されている。保持部材７０の本体部７０Ａおよび押さえ部７０Ｂには、それぞれ、穴７５が同軸上に設けられており、穴７５に挿入されるネジ７６によって固定される。保持部材７０の本体部７０Ａは中央に貫通孔７７を有しており、収束ビームは貫通孔７７を通って蛍光領域３４に照射される。このような光学部材３０は、図７に示されるように、ネジなどの結合器３２によって筐体４０の蓋部分４２に固定されている。図８に示されるように、光学部材３０における保持部材７０の本体部７０Ａには、結合器３２のための開口部７８が設けられている。光学部材３０の構成は、図８に示される例に限定されない。
次に、図９を参照して、発光装置２００の主な動作を説明する。図９は、コリメート光源１０から出たレーザビームの光軸を含む断面を模式的に示す図である。図９では、理解を容易にするため、筐体４０およびヒートシンク５０の記載が省略されている。また、図９では、コリメート光源１０が備える発光素子のうち、１個のＬＤ１２のみが図示されている。
図９に示される例において、ＬＤ１２からＸ軸の負方向に出射されたレーザビームは、発散しながらミラー１４に照射される。レーザビームの遠視野像は、ほぼ楕円の断面形状を有する。ミラー１４によってＺ軸の正方向に反射されたレーザビームは、コリメートレンズ１６に入射する。コリメートレンズ１６は、レーザビームをコリメートしてコリメート光Ｐを形成する。コリメート光Ｐは、平凸レンズ２０の凸曲面２０Ｂに入射し、平坦面２０Ａから出射する。コリメート光Ｐは、平凸レンズ２０を通過するときに平凸レンズ２０の屈折作用により収束され、収束ビームＱに変換される。
平凸レンズ２０から出た収束ビームＱは、光学部材３０に入射する。本実施形態において、光学部材３０の光入射面３０Ａから平凸レンズ２０の平坦面２０Ａまでの距離Ｌは、図７に示す蓋部分４２の厚さＴに等しい。図９には、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａからコリメート光源１０までの距離Ｘも示されている。コリメート光Ｐを構成する光線の束はほぼ平行であるため、平凸レンズ２０の凸曲面２０Ｂに入射するコリメート光Ｐの状態は距離Ｘにほとんど依存しない。このため、製造ばらつきによって距離Ｘが変動しても、収束ビームＱが光学部材３０の光入射面３０Ａに形成する光スポットの形状およびサイズは、ほとんど影響されない。
図９には、コリメート光源１０の基板１１上に配置された１個のＬＤ１２が記載されているが、コリメート光源１０は、複数個のＬＤ１２を有していてもよい。なお、本実施形態におけるコリメート光源１０は、集塵によるＬＤ１２の端面劣化などを抑制するため、気密に封止されている。このようなコリメート光源１０は、レーザパッケージと呼ばれる。
次に、図１０Ａから図１０Ｃを参照して、コリメート光源１０が複数個のＬＤ１２を有する例を説明する。
まず、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照する。図１０Ａは、発光装置２００のＸＺ面に平行な面内における光線を模式的に示す断面図であり、図１０Ｂは、発光装置２００のＹＺ面に平行な面内における光線を模式的に示す断面図である。この例では、理解を容易にするため、ミラーの記載を省略しており、ＬＤ１２から出射されたレーザ光は、そのままコリメートレンズ１６に入射する。図示される例では、６個のＬＤ１２がＸＹ面に平行な面内において２行３列に配列されている。このため、コリメート光Ｐは、厳密には、６本のコリメートビームによって構成されている。言い換えると、この例におけるコリメート光源１０は、コリメート光Ｐとして、互いに平行な複数のコリメートビームを出射する。ＬＤ１２の個数は、６個に限定されず、５個以下であってもよいし、７個以上であってもよい。また、複数のＬＤ１２は、行および列状に配列されている必要はなく、同心円状、または非等間隔に配置されていてもよい。図１０Ａおよび図１０Ｂの例では、６個のコリメートレンズ１６が別々の光学素子として記載されているが、複数のコリメートレンズ部分を含む１枚のレンズアレイであってもよい。これにより、コリメート光源１０および／または筐体４０を小型化することができる。
各ＬＤ１２から出射されたレーザ光は、Ｙ軸に平行な方向よりも、Ｘ軸に平行な方向に大きな角度で発散する。このため、コリメートレンズ１６から出た各コリメートビームの断面は、Ｘ軸の方向に長軸、Ｙ軸の方向に短軸を有する楕円で近似され得る。ビーム断面は、例えば、ピーク強度値の１／ｅ２倍の値を基準として規定され得る。
次に、図１０Ｃを参照する。図１０Ｃは、光学部材３０の構成例を模式的に示す平面図である。
図１０Ｃの例において、光学部材３０は、蛍光領域３４と、蛍光領域３４の周囲に位置する光反射領域３６とを有している。発光装置２００では、ＬＤ１２は励起光源として機能する。光学部材３０の蛍光領域３４は、励起光の一部を吸収して蛍光を発する。本実施形態におけるＬＤ１２のピーク波長は、３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲とすることができる。好ましくは、青色の帯域内、例えば４４５ｎｍ以上４６５ｎｍ以下の範囲にある。蛍光領域３４は蛍光体を含み、波長変換部として機能する。蛍光体は、例えば、ＹＡＧ蛍光体、ＬＡＧ蛍光体、ＴＡＧ蛍光体、αサイアロン蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＣＡＳＮの少なくとも１種を含む。これらの蛍光体は、青色の励起光を吸収して黄色、緑色、橙色、または赤色の蛍光を発する。光反射領域３６は、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、イットリア等を含む光反射性セラミックスから形成され得る。光反射領域３６は、蛍光領域３４の内部から放射または散乱される蛍光および励起光を蛍光領域３４に向けて反射する。
蛍光領域３４の下方（裏面側）には、蛍光に対するバンドパスフィルターが設けられ得る。このバンドパスフィルターは、例えば誘電体多層膜から形成され、波長選択性を有している。誘電体多層膜がＬＤ１２から出射されたレーザ光を透過し、かつ、蛍光領域３４で発生した蛍光は反射するように、各誘電体層の屈折率および厚さが調整される。光学部材３０は、他の遮光部材および透明カバーなどの要素を備えていてもよい。
図１０Ｃには、収束ビームＱが光学部材３０の光入射面３０Ａ、すなわち蛍光領域３４の裏面側に形成する光スポットＳを模式的に示している。この例において、蛍光領域３４の裏面側は、収束ビームＱの焦点付近から外れた位置にある。言い換えると、蛍光領域３４の裏面側は、平凸レンズ２０の後側焦点の位置から外れている（オフ・フォーカス状態）。その結果、蛍光領域３４の広い範囲が励起光によって照射され得る。ＸＹ面に平行な面内における蛍光領域３４のサイズは、例えば長辺が２ｍｍ、短辺が１ｍｍの長さを有し得る。このようなサイズの蛍光領域３４を複数の収束ビームで照らすことにより、輝度の高い光を得ることができる。このように狭い領域に高い放射照度でレーザ光が入射するため、蛍光領域３４の温度は、動作時、例えば３００℃に達し得る。本実施形態では、筐体４０の蓋部分４２が例えば１０〜３０ｍｍ程度の厚さを有する金属またはセラミックスから形成されているため、高い耐熱性と放熱性を発揮することができる。
本実施形態の発光装置２００では、蛍光領域３４から放射された蛍光と、蛍光領域３４に吸収されず蛍光領域３４を透過した励起光とが合成され、いわゆる「白色光」が生成される。
図１０Ｃに示される例において、蛍光領域３４の裏面側に形成される光スポットＳは、複数のスポットを含んでいる。収束ビームＱが蛍光領域３４でオン・フォーカス状態にある場合等、複数のスポットが互いに重なり合って個々のスポットに区別できなくてもよい。より狭い領域に集光して光密度を高くしたい場合には、オン・フォーカス状態を実現するように筐体４０の蓋部分４２の厚さＴが設計され得る。
本実施形態によれば、前述した理由により、蛍光領域３４上に形成される光スポットＳの形状およびサイズが個々の発光装置によってばらつきにくく、目的とする発光特性を歩留まりよく実現することが可能になる。なお、蛍光領域３４から発せられる光は、白色光である必要はない。励起光の波長も、青色の帯域に限定されず、紫色または紫外の帯域内にあってもよい。
＜実施形態２＞
図１１Ａは、本開示の実施形態２における発光装置３００の構成例を模式的に示す断面図である。図１１Ｂは、発光装置３００の構成要素の一部を分離した状態で示す断面図である。
発光装置３００の基本的な構成は、前述した発光装置２００の構成と同様である。異なる第１の点は、筐体４０が、平凸レンズ２０の周囲を囲む側壁部分４６Ａ、４６Ｂを有し、下方に位置する側壁部分４６Ｂが、平凸レンズ２０の凸曲面２０Ｂ側の少なくとも一部に接する突出部４０Ｃを有していることにある。ここで、凸曲面２０Ｂ側とは、平凸レンズ２０のうち、平坦面２０Ａがある側とは反対の側をいう。異なる第２の点は、平凸レンズ２０の凸曲面２０Ｂを形成している部分、換言すると球体の一部分よりもＸＹ面内の外側に拡がった鍔部２０Ｃを有していることにある。平凸レンズ２０は、蓋部分４２と側壁部分４６Ｂの突出部４０Ｃとによって固定されている。より具体的には、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａは、蓋部分４２の内側表面４２Ｂに接触し、かつ、鍔部２０Ｃが側壁部分４６の突出部４０Ｃに接触している。
図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、側壁部分４６Ｂの突出部４０Ｃは、平凸レンズ２０に向けて内側に突出する内側突出部４０Ｃ１と、内側突出部４０Ｃ１の一部からさらに上側に突出する上側突出部４０Ｃ２を有する。内側突出部４０Ｃ１の一部に鍔部２０Ｃが接触できるように、上側突出部４０Ｃ２は、内側突出部４０Ｃ１の内側面から離間した位置で、上側に突出している。内側突出部４０Ｃ１の上面は、鍔部２０Ｃに接触している。また、鍔部２０Ｃを囲む上側突出部４０Ｃ２の側面の少なくとも一部は、鍔部２０Ｃに接触している。具体的には、内側突出部４０Ｃ１の上面が、鍔部２０Ｃの凸曲面側と接触する。そして、鍔部２０Ｃを囲む上側突出部４０Ｃ２の側面の少なくとも一部が、鍔部２０Ｃの側面と接触する。
図１１Ｂに示されるように、平凸レンズ２０は、筐体４０を構成する２つの部分によって上下から挟み込まれる。このため、接着層を用いない状態でも、平凸レンズ２０を筐体４０に対して固定することが可能である。上側の側壁部分４６Ａと下側の側壁部分４６Ｂとの接続および固定は、例えばネジ、溶接、圧入等によって行われる。なお、前述の方法と接着層を併用して平凸レンズ２０を筐体４０に対して固定してもよい。
このように筐体４０の構成は、多様であり得る。重要な点は、筐体４０が複数のパーツに分離可能である場合でも、平凸レンズ２０の平坦面２０Ａが、筐体４０の蓋部分４２における平坦な内側表面４２Ｂに接触していることにある。この構成により、蛍光領域３４上に形成される光スポットＳの形状およびサイズが個々の発光装置によってばらつきにくく、目的とする発光特性を歩留まりよく実現することが可能になる。
本開示の発光装置では、収束ビームによる所望の放射照度分布を光学部材上に再現性よく実現することが可能になる。光学部材は、蛍光体を備える波長変換素子に限定されず、光ファイバ、レンズなどでもよい。
なお、図１１Ｂに示されるように、筐体４０における蓋部分４２の内側表面４２Ｂと、筐体４０の他の部分、例えば、側壁部分４６Ｂの突出部４０Ｃとによって平凸レンズ２０を挟み込む構成は、発光装置３００の製造を容易にする効果をもたらす。また、平凸レンズ２０を蓋部分４２に接着層等を用いて固定する場合と比較して、耐熱性、耐振動性、耐衝撃性、耐熱衝撃性を向上することができる。さらに、筐体４０から蓋部分４２を容易に取り外すことができるため、例えば平凸レンズ２０等のレンズを交換することが容易となる。この効果は、コリメート光源１０に代えて他のタイプの光源（非コリメート光源）を用いても得ることが可能である。「非コリメート光源」の典型例は、ＬＥＤなどの発散光を放射する光源である。また、非コリメート光源は、収束ビームまたは発散ビームを出射する光源を含み得る。
＜実施形態３＞
図１２は、本開示の実施形態３における発光装置４００の構成例を模式的に示す断面図である。発光装置４００の基本的な構成は、前述した発光装置２００の構成と同様である。異なる点は、光学部材３０の構成にある。発光装置４００における光学部材３０は、光ファイバ３８Ａと、フェルール３８Ｂと、筒状金属連結部３８Ｃとを含む光ファイバパッケージ３８を有している。光ファイバ３８Ａの光入射端面（光入射面３０Ａ）には、平凸レンズ２０から収束ビームが入射される。
光ファイバ３８Ａに対する光結合率を高めるためには、蛍光領域３４の照射とは異なり、オン・フォーカス状態を実現して光スポットのサイズを可能な限り小さくすることが望ましい。
このように、本開示の実施形態では、多様な光学部材に対して所望の集光状態をばらつき少なく実現することが可能になる。
以上説明した各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示したものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本開示は特許請求の範囲に示される部材を、各実施形態の部材に特定しない。各実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
本開示の発光装置は、自動車など移動体用ヘッドランプ、プロジェクタ光源、内視鏡用光源、固体レーザの励起光源、ダイレクトレーザ装置の光源など、各種のレーザ光源に利用され得る。
１０・・・コリメート光源、２０・・・平凸レンズ、２０Ａ・・・平凸レンズの平坦面、２０Ｂ・・・平凸レンズの凸曲面、３０・・・光学部材、３４・・・蛍光領域（波長変換部）、３６・・・光反射領域、４０・・・筐体、４２・・・筐体の蓋部分、４２Ａ・・・蓋部分の外側表面、４２Ｂ・・・蓋部分の内側表面、４４・・・蓋部分の貫通孔、筐体の側壁部分４６・・・筐体の側壁部分、Ｐ・・・コリメート光、Ｐ・・・収束ビーム

Claims (12)

  1. コリメート光源と、
    平坦面および凸曲面を有し、前記コリメート光源から出射されたコリメート光を収束して収束ビームを形成する平凸レンズと、
    前記収束ビームで照射される光学部材と、
    前記平凸レンズを収容する筐体と、
    を備え、
    前記筐体は、前記光学部材を支持する蓋部分であって、前記収束ビームを通過させる貫通孔を有する蓋部分を有しており、
    前記蓋部分は、前記平凸レンズの前記平坦面の少なくとも一部に接している、発光装置。
  2. 前記筐体の前記蓋部分は、前記光学部材が設けられた外側表面と、前記平凸レンズの前記平坦面の少なくとも一部に接している内側表面とを有し、前記外側表面から前記内側表面までの厚さによって前記光学部材から前記平凸レンズの前記平坦面までの距離が規定されている、請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記蓋部分の前記貫通孔は、前記外側表面における開口面積が前記内側表面における開口面積よりも小さい形状を有している、請求項２に記載の発光装置。
  4. 前記平凸レンズの前記平坦面は、接着層によって前記蓋部分の前記内側表面に固着されている、請求項２または３に記載の発光装置。
  5. 前記筐体は、前記平凸レンズの周囲を囲む側壁部分を有し、
    前記平凸レンズの周縁は接着層によって前記側壁部分に固着されている、請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
  6. 前記筐体は、前記平凸レンズの周囲を囲む側壁部分を有し、
    前記側壁部分は、前記平凸レンズの前記凸曲面側の少なくとも一部に接する突出部を有している、請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
  7. 前記平凸レンズは、前記蓋部分と前記側壁部分の前記突出部とによって固定されている、請求項６に記載の発光装置。
  8. 前記コリメート光源は、
    半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、
    を有している、請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
  9. 前記半導体発光素子は、レーザダイオードである、請求項８に記載の発光装置。
  10. 前記コリメート光源は、
    複数の半導体発光素子が配列された基板と、
    前記複数の半導体発光素子から出射された光をコリメートするレンズアレイと、
    を有する、請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
  11. 前記コリメート光源は、前記コリメート光として、互いに平行な複数のコリメートビームを出射する、請求項１０に記載の発光装置。
  12. 前記光学部材は、蛍光体を含む光透過領域と、前記光透過領域の周囲を囲む光反射領域とを有している、請求項１から１１のいずれかに記載の発光装置。
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