JP6303931B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スリットを介してレーザ光を出力する発光装置に関する。
従来、LEDを用いた発光装置は、信号機や計測盤の表示などにおいて光源となる蛍光灯や電球に変わって使用されている。また、LEDを使用した発光装置は、一般家庭用の照明器具などにも利用されつつある。一方で、半導体レーザを光源とする発光装置が提案されている(例えば、特許文献1〜3)。
半導体レーザを光源とする発光装置は、例えば、光源からのレーザ光を拡散板に当てて拡散させ、その拡散板に塗布されている蛍光体により波長を変換して可視光として出力させるように構成されている。そして、半導体レーザの光源は、小型で電力効率がよく大きな出力を得ることができ、蛍光体を介して鮮やかな色を発光させることができるので、今後の発光装置の光源として注目されている。
特開2002−31773号公報 特開平07−281062号公報 特許第4770796号公報
しかしながら、従来の発光装置では、レーザ光源部を用いてレーザ光のビーム径をスリットにより制御して出射している。そのため、発光装置では、スリットから迷光として漏出するレーザ光があるため、安全性の改善が求められていた。
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、スリットから漏出するレーザ光を視認性の高い可視光とすることで、安全性を改善する発光装置を提供する。
本発明に係る発光装置は、レーザ光源部と、スリットを有する光学部材と、を備え、前記光学部材は、前記レーザ光源部におけるレーザ光の光路上に前記スリットが位置するように設置されると共に、前記レーザ光を長波長側の可視光に波長変換する波長変換部材を前記スリットの内壁に設けた構成とした。
本発明に係る発光装置は、スリットの内壁に波長変換部材を設けているので、スリットから迷光として漏出するレーザ光を波長変換部材により視認性の高い可視光に変換して安全性を改善でき、かつ、スリットを通過して照射されるレーザ光の直進性を維持することが可能となる。
本発明に係る実施形態の一例として開示する発光装置の一部を断面にして示す分解斜視図である。 図1に示す発光装置のレーザ光源部を除く光学部材の部分を切欠いて示す断面図である。 図2Aで示す発光装置の正面図である。 図1に示す発光装置のレーザ光及び漏出する迷光の状態を模式的に示す説明図である。 図3AにおけるIII−III線の断面でのレーザ光とスリットとの関係を示す説明図である。 本発明に係る実施形態の他の例として開示する発光装置の保持機構を断面にして示す分解斜視図である。 図4の発光装置の光学部材及び保持機構の一部を切欠いて示す断面図である。 図4の発光装置で用いる光学部材のキャップを示す正面図である。 本発明に係る実施形態の他の例として開示する発光装置においてキャップの凹部の内側に波長変換部材を設けた状態を示す分解斜視図である。 本発明に係る実施形態の他の例として開示する発光装置においてキャップの凹部の内側に波長変換部材を設けた状態を示す分解斜視図である。 図6に示す発光装置においてキャン開口とコリメートレンズとの間となるキャンの内側にも波長変換部材を設けた状態を示す断面図である。 本発明に係る実施形態の発光装置を照明装置に適用した状態を模式的に示す斜視図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものである。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態において発光装置を以下のものに特定しない。特に、実施の形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に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。また、以下の説明において参照する図面は、本発明の実施の形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係等が誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称および符号については原則として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こととする。
図1及び図2Aに示すように、発光装置1は、レーザ光を照射するものである。この発光装置1は、例えば、照明灯などの光源部として使用されるものである。発光装置1は、レーザ光源部5と、このレーザ光源部5のレーザ光の光路に沿って設けられた光学部材20とを備えている。
レーザ光源部5は、半導体レーザ素子2と、この半導体レーザ素子2を支持する支持体3と、この支持体3に貫通して設けられ半導体レーザ素子2と電気的に接続されるリード4とを備えている。
半導体レーザ素子2は、レーザ光を出射する半導体素子である。この半導体レーザ素子2は、光照射部2aである光照射面を一端に有しており、例えば、PN接合、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造等の半導体構造を備えている。半導体レーザ素子2は、光照射部2aを、キャン開口側に向けて支持体3に支持されている。半導体レーザ素子2は、照射するレーザ光の波長等は照射する目的に対応して予め設定されるものであり、この種のレーザ光を照射する半導体素子から構成されるものであれば特に限定されるものではない。また、本発明の実施形態によれば、レーザ光は、ビーム光と同義であり、ビーム光との表現に置き換えることができる。
支持体3は、半導体レーザ素子2を支持するステム柱体3aと、このステム柱体3aの基端側に設けられた円板状のステム基体3bとを備えている。ステム柱体3aは、半導体レーザ素子2を支持するための支持面を有しており、ここでは、支持面の中央に凹溝を設けこの凹溝に跨って半導体レーザ素子2が設置されるように構成されている。なお、ステム柱体3aには、例えば、Au-Sn等の接着材を介して半導体レーザ素子2が支持(搭載)されている。ステム柱体3aは、その基端側がステム基体3bに接続されている。
ステム基体3bは、円板状に形成され、ステム柱体3aを接続するものである。ステム基体3b及びステム柱体3aは、例えば、Cu、又は、Cuに少なくともW,Moのいずれか一方を含有させた合金、あるいは、Fe等で形成され、放熱性のよい金属素材であれば特に限定されない。
リード4は、半導体レーザ素子2と電気的な接続をして外部の電源からの電流を供給するものである。このリード4は、ステム柱体3aと平行となるように、ステム基体3bを貫通するように設けられている。なお、リード4は、支持体3とは絶縁された状態となっている。リード4は、ステム基体3bの内側に所定長さを突出した状態として示しているが、半導体レーザ素子2との電気的な接続ができれば、ステム基体3bと同一平面となる構成であっても構わない。
光学部材20は、支持体3に接続して半導体レーザ素子2を覆い、スリット13を介してレーザ光のビーム径を制御するものである。この光学部材20は、光路上にコリメートレンズ6を設置するキャン9をここでは有し、このキャン9の少なくとも一部を覆うように設けられ光路上にスリット13を配置させるキャップ11として構成されている。なお、ここでは、キャン9とレーザ光源部5とを併せてレーザ光源装置10として構成している。
キャン9は、支持体3と併せて、半導体レーザ素子2を気密状態に覆い封止することができるものである。このキャン9は、円筒形に形成され、基端側をステム基体3bに接続し、他端側にレーザ光を照射する開口が形成されている。そして、キャン9は、ここでは、レーザ光を照射する開口側にコリメートレンズ6を設けるように構成されている。キャン9は、ステム基体3bとの溶接等による接続性に優れた金属素材で形成され、例えば、Cu、Al、Ni、Feあるいは、それぞれの合金等であり、特に限定されるものではない。また、キャン9は、コリメートレンズ6を設置するための段差や凹凸等が適宜内周面に形成されている。なお、キャン9内は、気密性を保ち、大気や不活性ガスを封入して保持することで、半導体レーザ素子2の劣化を緩和することが可能となる。
コリメートレンズ6は、半導体レーザ素子2からのレーザ光を平行光に変換する。このコリメートレンズ6は、単レンズであっても複合レンズであってもよく、レーザ光を集束させて平行な光束に変換させるものであれば、限定されるものではない。また、コリメートレンズ6は、例えば、石英ガラス、サファイアガラス、硼珪酸ガラス、あるいは、樹脂であり、この種の構成として使用されるものであればその材質は特に限定されるものではない。そして、コリメートレンズ6は、半導体レーザ素子2から離間した位置に取り付けられている。また、コリメートレンズ6と、キャン開口との間も所定の距離を隔てた状態となるように設置されている。なお、コリメートレンズ6は、表面に光の波長を選択的に透過させるための表面処理層を設ける構成としても構わない。コリメートレンズ6を通過したレーザ光は、平行化されて所定のビーム径でスリット13側に送り出される。
図1、図2A及び図2Bに示すように、キャップ11は、レーザ光源部5からのレーザ光を所定のビーム径に抑制するものである。このキャップ11は、半導体レーザ素子2からのレーザ光の光路上に、スリット13を配置して当該スリット13を介してビーム径を制御する。キャップ11は、ここでは、ベース19の中央に凹部12を有する円筒形状に形成され、凹底部16にスリット13を形成している。そして、キャップ11は、ここでは、スリット13の内壁にレーザ光の波長を変換する波長変換部材14が設けられている。
キャップ11は、ベース19の中央に形成した凹部12の内径がキャン9の外径に合せて係合できる大きさに形成されている。そして、キャップ11は、凹部12により、キャン開口を覆うと共にキャン9の少なくとも一部を覆うように係合する。キャップ11は、キャン9に係合したときに、スリット13と、コリメートレンズ6との間が距離L1を隔てて設定されている。キャップ11は、スリット13と半導体レーザ素子2の光照射部2aとを離間するように設置されることになる。なお、ベース19の周面に形成された凸部15は、キャップ11を後記する保持機構30(図4参照)に設置して使用するような場合に、当該凸部15が取付溝部25に係合してキャップ11を位置決めするためのものである。
凹部12は、キャン9に係合したときに、半導体レーザ素子2からのレーザ光の光軸上にスリット13の中心を配置できる形状に形成されている。凹部12は、キャン9に嵌合できるようにキャン9の直径とほぼ同等あるいは同等以上の大きさに形成されている。また、凹部12の横断面形状は、キャン9の外形に対応する形状に形成され、ここでは円形に形成されている。
スリット13は、半導体レーザ素子2からのレーザ光のビーム径を制御するものである。このスリット13は、目的となる照射対象により予めその形状が設定されている。スリット13は、照射対象に対して照射面積を大きくすることができる形状に形成されることが望ましい。例えば、スリット13は、後記する図9のような長尺部材80に照射する場合には、長尺部材80の長手方向に長軸が沿うように楕円形状に形成されている。つまり、スリット13は、楕円形状となるレーザ光の下端側が長尺部材80の長手方向の手前側の端部に照射し、楕円形状となるレーザ光の上端側が長尺部材80の長手方向の奥側の端部に照射するようにしている。そして、図3Bに示すように、スリット13は、レーザ光BLのビーム径の範囲で通過させ、レーザ光BLのビーム径以外の光を遮断するように形成されている。つまり、スリット13の開口幅は、レーザ光BLの光強度分布の中心強度(ピーク値)に対する1/e(eは、自然対数の低の強度)の強度位置での等高線半径の範囲となるビーム径に相当している(ガウシアンビームのピーク値の1/eになるビーム径に相当)。したがって、スリット13では、レーザ光BLの迷光となるビームの裾野の1/e未満の光出力部分を除去することができる。また、スリット13の形状は、ここでは、一例として、楕円形の長径が照射方向に対して上下となるように形成されている。このように楕円形とすることで、ビームの裾野の1/e未満の光出力部分を除去しつつ効率よくレーザ光を出射することができる。ただし、スリット13の形状は、楕円形に限定されるものではない。スリット13は、凹部12の凹底部16の板厚を貫通する貫通穴として形成されている。
波長変換部材14は、半導体レーザ素子2からのレーザ光がスリット13を通過するときに、迷光として漏出する光を長波長側に波長変換するものである。つまり、波長変換部材14は、レーザ光が当たると、長波長側の視認性の高い可視光に波長変換している。これは、波長変換部材14に指向性の高いレーザ光が当たると、拡散反射して全方向に放射されるランバーシアン光に変換してともいえる。波長変換部材14は、スリット13から漏出するレーザ光の一部又は全部を、長波長側に発光ピーク波長を有する光に変換することで安全性を確保している。波長変換部材14は、スリット13の内壁にスプレーや刷毛等の塗布手段を介して塗布されることで設けられている。波長変換部材14は、ここでは、例えば、紫外光や青色のレーザ光を白色の白色光に変換するYAG蛍光体が使用されている。波長変換部材14は、スリット13の内壁に設けられていることで、漏出するレーザ光を長波長側の視認性のよい可視光に変換し、スリット13を適切に通過するレーザ光を直進性がよいまま照射させることが可能となる。
以上のように構成された光学部材20を備える発光装置1は、図3Aに示すように、基板T等に設置して使用する場合、半導体レーザ素子2を密閉し、かつ、コリメートレンズ6により、レーザ光BLを平行光にして、スリット13によりビーム径を制御した状態で照射させることができる。さらに、光学部材20は、レーザ光がスリット13を通過したものは直進性がよいまま照射させ、スリット13で迷光となるものは波長変換部材14により視認性の高い可視光VLに変換して安全性を確保することが可能となる。
なお、発光装置1は、光学部材20の形状が凹部12をベース19の中央に形成することとして説明したが、図4に示すように、キャップ111においてベース119の中央から偏心した位置に形成する凹部112の構成としても構わない。すなわち、図4、図5A及び図5Bに示すように、発光装置1Bは、ベース119の中心から偏心した位置に凹部112を有するキャップ111を用いる構成としている。発光装置1Bは、光学部材20Bのキャップ111と、光学部材20Bのキャン9とが別体となるように構成され、キャン9及びレーザ光源部5とが一体として保持機構30に保持される構成を備えている。なお、すでに説明した同じ部材は同じ符号を付し説明を省略する。
光学部材(キャップ)20Bは、ベース119の偏心した位置に凹部112を備えるキャップ111と、このキャップ111に離間して設置されコリメートレンズ6を有するキャン9とを備えている。そして、レーザ光源部5は、キャン9に接続された状態で保持機構30に保持されている。
キャップ111は、円板状のベース119と、このベース119の偏心した位置に形成した凹部112と、この凹部112の凹底部116に形成したスリット13と、このスリット13の側内面に設けた波長変換部材14と、ベース119の外周に凸部15とを備えている。
ベース119は、金属あるいは樹脂から厚みを備える円板状に形成されている。そして、ベース119は、周面に設けた凸部15が保持機構30の取付溝部25に係合されるように形成されている。このベース119は、レーザ光源部5からのレーザ光の熱により劣化しない金属あるいは耐熱性樹脂により形成されることが好ましい。
図4及び図5Bに示すように、凹部112は、横断面形状が、中央側の曲率半径の小さな半円弧状の曲線から直線を介して外周側となる曲率半径が大きな円弧状の曲線を結んだ形状をしている。凹部112は、横断面形状が曲線と直線とを組み合わせた形状とすることで、レーザ光源部5から照射されたレーザ光を、スリット113以外の凹底部116に当たる面積を小さくしている。また、凹部112の形状は、レーザ光の熱による膨張があったときの応力緩和を高めている。さらに、凹部112の形状は、曲線と直線と組み合わせた形状とすることで、キャン9と係合して使用される場合に、キャン9の直径がある程度変わっても許容して係合できる構成である。
以上のように構成されたキャップ111は、ベース119の凸部15を保持機構30の取付溝部25に係合させたときに、楕円形状のスリット13が縦長の楕円形状となるように設定されている。
図4に示すように、保持機構30は、光学部材20Bのキャップ111と、光学部材20Bのキャン9に一体に接続したレーザ光源部5(以下、キャン9とレーザ光源部5を併せてレーザ光源装置10という)と、を設置するものである。
図4及び図5Aに示すように、保持機構30は、キャップ111及びレーザ光源装置10を設置することで、半導体レーザ素子2のレーザ光の光路上にキャップ111のスリット13が配置するように構成されている。この保持機構30は、当該保持機構30を所定の設置位置に固定するための脚部21と、この脚部21の上端に形成した取付部22とを備えている。
脚部21は、その下端に所定位置に固定するための固定部21aと、この固定部21aから横断面を小さくした支持脚21bとを備えている。そして、脚部21は、支持脚21bの端部に取付部22を所定高さとなるように支持している。また、取付部22は、取付溝部25により光学部材20Bを係合して取り付ける凹状の光学部材取付部23と、この光学部材取付部23に対して偏心して対向する位置に設けた、レーザ光源装置10を係合して取り付ける凹状の光源取付部24とが形成されている。そして、光学部材取付部23と光源取付部24とは、連通するように形成されている。
保持機構30は、取付溝部25に凸部15が係合するように、光学部材取付部23に光学部材20Bを嵌合して取り付けると共に、光源取付部24にレーザ光源装置10を嵌合するように取り付けると、レーザ光源装置10の光路上にスリット13が位置するように構成されている。そして、保持機構30に取り付けられた光学部材20Bのキャップ111とレーザ光源装置10とは光軸方向において距離L2を隔てた状態で設置されることになる。
発光装置1Bは、保持機構30を介してレーザ光源装置10及び光学部材20Bのキャップ111を設置することで、簡単に光軸方向における位置合わせができ、また、スリット13の内壁に波長変換部材14が設けられていることから、スリット13から漏出するレーザ光を長波長側となる視認性の高い可視光に変換して安全性を高めることができる。さらに、発光装置1Bは、スリット13を通過するレーザ光の直進性を維持することができる。そして、発光装置1Bでは、保持機構30を使用することで、ユニットとしてレーザ光源装置10の位置の調整が簡単で所定位置に取り付ける作業も容易となる。
なお、レーザ光源装置10のキャン9とキャップ111とが光軸方向において、離間して設置される構成として説明したが、キャン9とキャップ111とが重なるように保持機構30に保持される構成であっても構わない。
また、波長変換部材14は、スリット13の内壁のみに設けた構成として説明したが、例えば、図6及び図7に示すように、スリット13の内壁及び凹部12,112の内側にも併せて設けた構成としても構わない。つまり、凹部12,112の内側面となる凹底面及び凹側面にも波長変換部材14を設けることとする。このように、スリット13の内壁及び凹部12,112の内側に波長変換部材14を設けることで、スリット13から迷光となるレーザ光をより確実に視認性の高い可視光に変換してスリット13から出すことができ安全性を増すことが可能となる。
さらに、図8に示すように、波長変換部材14は、キャン9の内側面となるエリアA1にも設ける構成としても構わない。波長変換部材14をキャン9のエリアA1に設けることで、漏出する迷光をさらに視認性の高い可視光に変換する確率を高めることができ、より安全性を高めることが可能となる。
以上のように、波長変換部材14を設ける位置は、スリット13の内壁、又は、スリット13の内壁及び凹部12,112の内側、あるいは、スリット13の内壁及びエリアA1、又は、スリット13の内壁、凹部12,112の内側及びエリアA1、のいずれかであっても構わない。
なお、発光装置1、1Bは、例えば、照明装置に設置して使用することができる。以下、図9を参照して、発光装置1を照明装置100に設置した構成の例について説明する。
照明装置100は、レーザ光源装置10及び光学部材20を備える発光装置1と、レーザ光源装置10から出射されるレーザ光を光路上に設置した波長変換部材90が塗布された長尺部材80とを備えている。発光装置1は、図示しないヒートシンクを備える円板状の基板に設置されている。なお、照明装置100は、円筒形状のカバー部材70を備える構成としても構わない。この照明装置100では、長尺部材80の波長変換部材90を設けた面と、発光装置1からのレーザ光の光軸とのいずれか一方または両方が傾斜して交差する位置関係になるように設定されている。したがって、照明装置100は、発光装置1から出射されたレーザ光BLを長尺部材80の波長変換部材90である例えばYAG蛍光体に照射して光の波長を変換し白色光として、カバー部材70から外に出力することで照明として使用することができる。
そして、発光装置1は、スリット13の形状が楕円形となるようにここでは形成しているので、長尺部材80の波長変換部材90の長細い長方形に対して、長細い楕円形状となる照射面にレーザ光BLを照射している。つまり、発光装置1のスリット13は、楕円形状となるレーザ光の下端側を長尺部材80の長手方向の手前側の端部に照射させ、楕円形状となるレーザ光の上端側を長尺部材80の長手方向の奥側の端部に照射させている。スリット13の開口幅は、レーザ光BLの光強度分布の中心強度に対する1/e(eは、自然対数の低の強度)の強度におけるビーム径に相当し、迷光となるレーザ光BLの裾野の1/e未満の光出力部分を除去している。
なお、カバー部材70が透明な部材であっても、発光装置1のスリット13から迷光となる光を、波長変換部材14(図1参照)が長波長側の視認性の高い可視光に波長変換するため、安全性は保たれる。また、照明装置100において、スリット13を通過するレーザ光BLは、波長変換部材90までの光路上では波長を変換することなく波長変換部材90まで到達するので、その直進性が保たれることになる。
以上説明した発光装置1,1Bは、以下に示す各構成であっても構わない。
発光装置1、1Bにおいて、光学部材20、20Bは、キャップ11,111あるいはキャン9の形状が、レーザ光の光路上にスリット13を設置できるような形状であればよく、例えば、板状、断面C字状、断面U字状等であっても構わない。つまり、光学部材20,20Bは、レーザ光の光路上にスリット13が設置でき、スリット13以外からレーザ光が照射されることがない形状であれば構わない。
そして、凹部12,112の形状は、キャン9の外形に合せて断面が円形となるように構成されることや、その他の形状であっても構わない。
また、スリット13の形状は、照射される照射物に対応して形成され、前記した楕円以外の形状、例えば、円形、矩形、小判型、ひし形、三角形等であっても構わない。なお、スリットの開口幅は、1/e(eは、自然対数の低の強度)の強度におけるビーム径として説明したが、レーザ光BLがスリット13の内壁に当たる範囲であれば、ビーム径に対して、大きくしても、あるいは、小さいくしても構わない。
さらに、波長変換部材14は、蛍光体を直接塗布したもの、もしくは、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の有機材料や、または、ガラス、SiO、AlN、ZrO、SiN、Al、GaNの少なくとも一つを含む無機材料をバインダにして、蛍光体を塗布しても構わない。また、波長変換部材14は、銅で付括された硫化カドミウム亜鉛やセリウムで付括されたYAG系蛍光体、及び、LAG系蛍光体であってもよく、半導体レーザ素子2からのレーザ光に対応して使用されることが望ましい。
また、発光装置1,1Bにおいて、コリメートレンズ6を備える構成とするレーザ光源装置10として説明したが、コリメートレンズ6が光路上にない構成としても構わない。さらに、レーザ光BLのビーム径は、スリット13より大きいとして説明したが、スリット13と同等であっても構わない。そして、発光装置1において、キャップ11とキャン9を別体として、また、発光装置1Bにおいて、キャップ111とキャン9を別体として説明したが、一体とした構成であっても構わない。さらに、保持機構あるいは、基板等に設置して使用する発光装置1,1Bにあっては、ヒートシンク等の放熱機構を備える構成としても構わない。
1、1B 発光装置
2 半導体レーザ素子
2a 光照射部
3 支持体
3a ステム柱体
3b ステム基体
4 リード
5 レーザ光源部
6 コリメートレンズ
9 キャン
10 レーザ光源装置
11 キャップ
12 凹部
13 スリット
14 波長変換部材
15 凸部
16 凹底部
19 ベース
20、20B 光学部材
21 脚部
21a 固定部
21b 支持脚
22 取付部
23 光学部材取付部
24 光源取付部
25 取付溝部
30 保持機構
100 照明装置
111 キャップ
112 凹部
113 スリット
116 凹底部
119 ベース

Claims (5)

  1. レーザ光源部と、スリットを有する光学部材と、を備え、
    前記光学部材は、前記レーザ光源部におけるレーザ光の光路上に前記スリットが位置するように設置されると共に、前記レーザ光を長波長側の可視光に波長変換する波長変換部材を前記スリットの内壁に設けた発光装置。
  2. 前記光学部材は、前記レーザ光源部の光照射部側を少なくとも覆う凹部を備えたキャップであり、前記キャップは、前記凹部の凹底部に前記スリットが形成され、前記凹部の内側に前記波長変換部材を設けた請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記キャップは、前記スリットと、前記レーザ光源部の光照射部とが離間して設置された請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記レーザ光源部と前記スリットとの間の前記光路上にコリメートレンズを設けた請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 前記スリットの開口幅は、前記レーザ光の光強度分布の中心強度において、1/eの強度になるビーム径に相当するようにした請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の発光装置。

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