JP6458825B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源を備えた光源装置に関する。

レーザ光源をはじめとする発光素子を備えた光源装置が、広く用いられている。その中でも、基板の面と平行な方向に光を出力する光源装置は、バックライトをはじめとする様々な分野での適用が期待されている。
このような光源装置を実現するため、基板の上面に載置された発光素子から光が上方へ出射された後、反射面により横方向に反射されて、最終的に光が基板の上面と平行な横方向に出力される光源装置（光モジュール）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１４２２６８号公報

特許文献１に記載の光源装置では、発光素子から、はじめに光が基板の上面と垂直な上方向に出射されるので、光源装置の上下方向の寸法として、発光素子から上方向にある反射面までの光路長が必要となり、上下方向の寸法が大きくなる。また、発光素子からの光を反射する反射部材や、発光素子及び反射部材の間にレンズを備える必要があるので、上下方向の必要寸法は更に大きくなる。よって、光源装置の上下方向の寸法を小さくするのには、自ずと限界がある。また、反射部材やレンズを要するので、光の出力効率も低下する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸が基板の上面と略平行となるように配置された光源装置であって、基板の上面と垂直な上下方向の寸法が小さく、かつ高い出力効率を有する光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光源装置は、基板と、前記基板の上面に配置され、前記基板の上面に対向した下面及びその反対側の上面を有し、前記下方に開口した下側凹部を有する透光性部材と、前記凹部の中であって前記基板の上面に配置されたレーザ光源と、を備え、前記レーザ光源は、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸が前記基板の上面と略平行となるように前記基板の上面に配置され、前記透光性部材の前記上面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に上側光反射膜が形成され、前記透光性部材の前記下面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に下側光反射膜が形成されている。

上記の態様によれば、レーザ光源を用いた光源装置であって、基板の上面と垂直な上下方向の寸法が小さく、かつ高い出力効率を有する光源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置の外形を模式的に示す斜視図である。 図１ＡのＡ−Ａ断面を示す側面断面図である。 図１ＢのＢ−Ｂ断面を示す平面断面図である。 光反射膜を形成する領域が異なる本発明の第１の実施形態に係る光源装置の変形例を示す図であって、図１Ｂと同様な断面を示す側面断面図である。 透光性部材の下側凹部の形状が異なる本発明の第２の実施形態に係る光源装置を示す図であって、図１Ｃと同様な断面を示す平面断面図である。 透光性部材が更に上側凹部を有する本発明の第３の実施形態に係る光源装置を示す図であって、図１Ｂと同様な断面を示す側面断面図である。 図３ＡのＣ−Ｃ断面を示す光源の出射側から見た側面断面図である。 ビアホールを有する本発明の第４の実施形態に係る光源装置を示す図であって、図１Ｃと同様な断面を示す平面断面図である。 図４ＡのＤ−Ｄ断面を示す側面断面図である。

以下、複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（本発明の第１の実施形態に係る光源装置）
はじめに、図１Ａから図１Ｃを参照ながら、本発明の第１の実施形態に係る光源装置１０２の説明を行う。図１Ａは、光源装置１０２の外形を模式的に示す斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面を示す側面断面図であり、図１Ｃは、図１ＢのＢ−Ｂ断面を示す平面断面図である。

光源装置１０２は、基板１０４と、透光性部材１０６と、レーザ光源１１０とを備える。透光性部材１０６は、基板１０４の上面１０４Ａに配置され、基板１０４の上面１０４Ａに対向した下面１０６Ｂ及びその反対側の上面１０６Ａを有する。透光性部材１０６は、更に、下方（つまり下面１０６Ｂ側）に開口した下側凹部１０８を有する。レーザ光源１１０は、この下側凹部１０８の中の基板１０４の上面１０４Ａに配置されている。
ただし、基板１０４の上面１０４の全面が平面である場合だけに限られず、上面１０４に凹部を有する場合もあり得る。レーザ光源１１０が、この凹部に配置されている場合もあり得る。レーザ光源１１０が、サブマウントを介して基板１０４の上面１０４Ａに配置されている場合もあり得る。

図１Ｂの太線の矢印に示すように、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光の光軸が基板１０４の上面１０４Ａと略平行となるように、レーザ光源１１０が基板１０４の上面１０４Ａに配置されている。更に、透光性部材１０６の上面１０６Ａの全面に上側光反射膜１１２Ａが形成され、下側凹部１０８の領域を除く透光性部材１０６の下面１０６Ｂの全面に下側光反射膜１１２Ｂが形成されている。
基板１０４の上面１０４Ａと、下側光反射膜１１２Ｂが形成された透光性部材１０６の下面１０６Ｂとは、気密に接合されており、レーザ光源１１０は、外部からシールされた下側凹部１０８の中に配置されている。

また、基板１０４には、導電性部材で構成された正極及び負極用の２つの配線層（またはリード）が備えられている。一方の配線層は、レーザ光源１１０の底面側のｎ電極と電気的に繋がり、他方の配線層は、ワイヤ１４０によってレーザ光源１１０の上面側のｐ電極と電気的に繋がっている（図１Ｂ参照）。レーザ光源１１０の上面と下側凹部１０８の上方の内面との間には、ワイヤ１４０が通過できるだけの空間が存在する。

なお、製造時において、配線層及びワイヤ１４０のボンディングを先に実施し、レーザ光源１１０の上面側のｐ電極及びワイヤ１４０の間のボンディングを後で行った方が、レーザ光源１１０の上面と下側凹部１０８の上方の内面との間に要する空間を小さくすることができる。
また、仮に、ｐ、ｎ両電極を光源の底面側に配置できる場合には、ワイヤ１４０が不要となるので、レーザ光源１１０の上面と下側凹部１０８の上方の内面との間は、部材の公差を考慮した空間のみを有すれば良い。これにより、光源装置を更に薄くすることができる。レーザ光源１１０の側面と下側凹部１０８の側方の内面との間の空間としては、部材の公差を考慮した空間のみを有すれば良い。

レーザ光源１１０を載置する基板１０４の材料として、シリコン材料を例示することができるが、樹脂、ガラス、セラミックをはじめとする絶縁性を有するその他の任意の材料を採用することができる。透光性部材１０６の材料として、ガラスを例示することができるが、温度条件等によっては、樹脂材料を用いる場合もあり得る。
光反射膜１１２Ａ、１１２Ｂは、アルミ、金、銀等の金属膜で構成され、蒸着等により透光性部材１０６の表面１０６Ａ、１０６Ｂに形成することができる。更に、金属膜とガラスとの間に、誘電多層膜でできた増反射膜を形成することにより、光の干渉作用を利用して更に反射率を高めることができる。

レーザ光源１１０として、可視光域の波長のレーザ光を出射する任意のタイプのレーザ光源を適用可能である。用途によっては、紫外線域や赤外線域の波長のレーザ光を発する光源も適用可能である。
基板１０４の上面１０４Ａと下側光反射膜１１２Ｂが形成された透光性部材１０６の下面１０６Ｂとは、例えば、配線層を接着層として接合することもできるし、接着剤を用いて接合することもできる。具体的には、基板１０４の上面１０４Ａと透光性部材１０６の下面１０６Ｂとにそれぞれ金（Ａｕ）が設けられ、Ａｕ−Ａｕ接合することができる。

以上のように、光源装置１０２は、レーザ光源１１０が載置された基板１０４の上面１０４Ａと略平行な方向に光を出力する光源装置である。このような光源装置は、例えば、導光板の端部に取り付けてバックライト等に用いるのに有用である。この場合、導光板の厚み寸法に合うように、高さ方向の寸法を小さくすることが望まれる。
しかし、レーザ光源から出射されたレーザ光もある程度広がって進むので、光源装置の高さ方向の寸法を小さくすると、上面側から光が漏れたり、下面側の基板により光が吸収されたりして、光源装置の出力効率が低下する可能性が高まる。

しかし、本実施形態に係る光源装置１０２では、透光性部材１０６の上面１０６Ａに上側光反射膜１１２Ａが形成され、透光性部材１０６の下面１０６Ｂに下側光反射膜１１２Ｂが形成されているので、透光性部材１０６の高さ方向の寸法を小さくしても、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を透光性部材１０６の内側に反射して、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を高い効率で無駄なく出力することができる。よって、高さ方向の寸法が小さく、かつ高い出力効率を有する光源装置１０２を実現できる。また、上側光反射膜１１２Ａは透光部材１０６の上面に設けられているで、下側凹部における気密性を損なうこともない。

更に、透光性部材１０６の下側凹部１０８の光の入射領域１０８Ａ（図１Ｃ参照）や、その前方の透光性部材１０６から光が出射する側面１０６Ｃ（図１Ｃ参照）に、誘電多層膜でできた反射防止膜を形成することにより、透過率を高めることができる。

レーザ光源１１０が配置される下側凹部１０８を除いて中実な透光性部材１０６が、基板１０４に気密に接合されている。よって、これにより、長く使用してもレーザ光源１１０及びその他の部材が損傷する可能性が低く、光源装置１０２の長寿命化を図ることができる。

また、ｎ電極を有するレ−ザ光源１１０の底面を基板１０４の上面１０４Ａに配置した場合、必然的に、レーザ光源１１０から出射されるレーザ光のファーフィルドパターンの長軸は、上下方向に伸びることになる。レーザ光の上下方向の広がりが横方向の広がりよりも大きいので、もし、反射層が無い場合には、光源装置の高さ方向の寸法を小さくすると、上面側から光が漏れたり、下面側の基板により光が吸収されたりする傾向がますます強くなる。

しかし、本実施形態によれば、レーザ光のファーフィルドパターンの長軸が、上下方向に伸びている場合であっても、透光性部材１０６の上下面両側に設けられた光反射膜１１２Ａ、１１２Ｂによって、レーザ光を透光性部材１０６の内側へ確実に反射することができるので、レーザ光源１１０からの出射されたレーザ光を高い効率で無駄なく出力することができる。

本実施形態において、透光性部材１０６におけるレーザ光が出射する領域を粗面化することもできる。更に詳細に述べれば、透光性部材１０６の下側凹部１０８の光の入射領域１０８Ａ（図１Ｃ参照）や、その前方の透光性部材１０６から光が出射する側面１０６Ｃ（図１Ｃ参照）が粗面化されている。これにより、光源装置２から出力される光を、横方向により大きく広げることができる。
なお、透光性部材１０６の面の粗面化は、ブラスト加工、エッチング、ダイシング等により実現できる。

図１Ｂに示すように、レーザ光源１１０の出射側の端部と透光性部材１０６の出射側の端部との間の距離（Ｌ１参照）が、レーザ光源１１０の出射側と反対側の端部と透光性部材１０６の出射側と反対側の端部との間の距離（Ｌ２参照）よりも長くなっている。

レーザ光源１１０の出射側の距離Ｌ１が長い場合には、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を、横方向により大きく広げることができる。よって、バックライト等に用いる場合に有用である。
なお、レーザ光のファーフィルドパターンの短軸が横方向になるので、仮に距離Ｌ１を長くとっても、透光性部材１０６の側面から光が漏れる可能性は低い。一方、上下方向に関しては、光反射膜１１２Ａ、１１２Ｂにより透光性部材１０６の内側へ反射されるので、問題は生じない。

次に、図１Ｄを参照しながら、光反射膜を形成する領域が異なる変形例の説明を行う。図１Ｄは、光源装置１０２の変形例を示す図であって、図１Ｂと同様な断面を示す側面断面図である。

図１Ｄに示す変形例では、透光性部材１０６の上面１０６Ａのうちレーザ光が照射される領域にのみ上側光反射膜１１２Ａ形成され、透光性部材１０６の下面１０６Ｂのうちレーザ光が照射される領域にのみ下側光反射膜１１２Ｂが形成されている。

（本発明の第２の実施形態に係る光源装置）
次に、図２を参照ながら、本発明の第２の実施形態に係る光源装置２０２の説明を行う。図２は、透光性部材２０６の下側凹部２０８の形状が光源装置１０２と異なる光源装置２０２を示す図であって、図１Ｃと同様な断面を示す平面断面図である。以下の説明においては、第１の実施形態と異なる部分について説明を行い、第１の実施形態と同様な部分の説明は省略する。

図２に示すように、下側凹部２０８を規定する面のうち、レーザ光の入射領域２０８Ａが、入射したレーザ光が基板２０４の上面２０４Ａと平行な方向に広がる凹レンズの形状を有している。

本実施形態では、下側凹部２０８を規定する面のうち、レーザ光の入射領域２０８Ａが、入射した光が横方向に広がる凹レンズの形状を有するので、高さ方向の寸法が小さいにも関わらず、横方向に十分広がった光を出力可能な光源装置２を提供できる。なお、上下方向については、上側光反射膜２１２Ａ及び下側光反射膜２１２Ｂによりレーザ光を反射するので、高い効率で光を出力できる。

（本発明の第３の実施形態に係る光源装置）
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照ながら、本発明の第３の実施形態に係る光源装置３０２の説明を行う。図３Ａは、透光性部材３０６が更に上側凹部３２０を有する光源装置３０２を示す図であって、図１Ｂと同様な断面を示す側面断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＣ−Ｃ断面を示すレーザ光源３１０の出射側から見た側面断面図である。以下の説明においては、第１の実施形態と異なる部分について説明を行い、第１の実施形態と同様な部分の説明は省略する。

図３Ａに示すように、透光性部材３０６は、上面３０６Ａのレーザ光が照射される領域に、上方に開口した上側凹部３２０を有している。更に、上側光反射膜３１２Ａの一部が上側凹部３２０に形成されている。ただし、上側光反射膜３１２Ａが上側凹部３２０にだけ形成されることもできるので、本実施形態では、上側光反射膜３１２Ａの少なくとも一部が上側凹部３２０に形成されているということができる。

これにより、図３Ｂに示すように、上側凹部３２０の上面３２０Ａに光を反射する上側光反射膜３１２Ａが設けられているので、レーザ光は左右方向で外側に広がるように反射される。よって、レーザ光源を用いながら十分に広がりのある光を出力する光源装置３０２を提供でき、例えば、照明装置にも広く適用することができる。

更に、図３Ａから明らかなように、上面視において、透光性部材３０６の下側凹部３０８と上側凹部３２０とが重ならないように配置されている。
上面視、つまり上方から見た平面視において、下側凹部３０８及び上側凹部３２０が重ならないようにすることで、一定の強度を確保しつつ、薄型が可能となる。

ただし、光源装置３０２の設置場所で要求される高さ寸法によっては、レーザ光が照射される領域以外の領域においても、透光性部材３０６の上面３０６Ａに上側凹部３２０を有することもできる。その場合、上面視において、下側凹部３０８及び上側凹部３２０が重なるように配置されている場合もあり得る。

また、図３Ｂから明らかなように、レーザ光の光軸に直交する断面において、上側凹部３２０が、光軸を通る基板３０４の上面と略垂直な線に対して対称な形状を有している。このような形状により、光軸に対して均等な広がりを示す出力光を得ることができる。

（本発明の第４の実施形態に係る光源装置）
次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照ながら、本発明の第４の実施形態に係る光源装置４０２の説明を行う。図４Ａは、ビアホール４３０を有する光源装置４０２を示す図であって、図１Ｃと同様な断面を示す平面断面図である。図４Ｂは、図４ＡのＤ−Ｄ断面を示す側面断面図である。以下の説明においては、第１の実施形態と異なる部分について説明を行い、第１の実施形態と同様な部分の説明は省略する。

基板４０４には、正極用の配線層４３２および負極用の配線層４３４が備えられている。負極用の配線層４３４は、レーザ光源４１０の底面側のｎ電極と電気的に繋がり、正極用の配線層４３２は、ワイヤ４４０によってレーザ光源４１０の上面側のｐ電極と電気的に繋がっている。

基板４０４の上面４０４Ａに基板側の接合層４４２が積層され、その上側に透光性部材側の接合層４４４が積層されている。具体的には、それぞれの材料にＡｕが用いられ、Ａｕ−Ａｕ接合によって接合されている。更に、透光性部材側の接合層４４４の上に、絶縁層４３８が積層され、その上に下側光反射膜４１２Ｂが積層されている。更に、その上に透光性部材４０６が接合されている。つまり、基板４０４の上面４０４Ａ及び透光性部材４０６の下面４０６Ｂは、基板側と透光性部材側の接合層４４２、４４４、絶縁層４３８及び下側光反射膜４１２Ｂを介して、互いに接合されている。
一方、基板４０４の下面４０４Ｂには、配線層４３６が積層されている。

本実施形態では、基板４０４の上面４０４Ａ側の基板側の接合層４４２及び下面４０４Ｂ側の配線層４３６を電気的に接続するビアホール４３０が形成されている。透光性部材４０６の下面４０６Ｂのレーザ光が照射される領域に、下側光反射膜４１２Ｂが設けられているので、ビアホール４３０は、配線層４３６と接する下側だけでなく、下側光反射膜４１２Ｂと接する上側もシールされた状態になっている。つまり、レーザ光源４１０が配置された下側凹部４０８の内部は外気からシールされている。

（本発明の第５の実施形態に係る光源装置）
第１から第４の実施形態では、レーザ光源の出射側の端部の前方が透光性部材における出射面となる例について説明したが、本実施形態では、レーザ光源の出射側端部の側方（例えば、図１Ｃの下方）を透光性部材における出射面とする。具体的には、透光性部材の凹部内において、基板上面にレーザ光の進行方向を基板と平行且つ垂直に方向を変えるミラーを配置する。

本発明の実施の形態、実施の態様を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施の形態、実施の態様における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

１０２、２０２、３０２、４０２ 光源装置
１０４、２０４、３０４、４０４ 基板
１０４Ａ、２０４Ａ、４０４Ａ 上面
１０６、２０６、３０６、４０６ 透光性部材
１０６Ａ、３０６Ａ 上面
１０６Ｂ、４０６Ｂ 下面
１０６Ｃ、２０６Ｃ 側面
１０８、２０８、３０８、４０８ 凹部
１０８Ａ、２０８Ａ 入射領域
１１０、２１０、３１０、４１０ レーザ光源
１１２Ａ、２１２Ａ、３１２Ａ、４１２Ａ 上側光反射膜
１１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、４１２Ｂ 下側光反射膜
３２０ 上側凹部
３２０Ａ 上面
４３０ ビアホール
４３２、４３４ 配線層
４４２、４４４ 接合層
４３６ 配線層
４３８ 絶縁層
１４０、４４０ ワイヤ

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上面に配置され、前記基板の上面に対向した下面及びその反対側の上面を有し、下方に開口した下側凹部を有する透光性部材と、
   前記凹部の中であって前記基板の上面に配置されたレーザ光源と、
   を備え、
   前記レーザ光源は、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸が前記基板の上面と略平行となるように前記基板の上面に配置され、
   前記透光性部材の前記上面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に上側光反射膜が形成され、
   前記透光性部材の前記下面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に下側光反射膜が形成され、
   前記凹部を規定する面のうち前記レーザ光が入射する領域が、入射したレーザ光が前記基板の上面と平行な方向に広がる凹レンズの形状を有することを特徴とする光源装置。
   
2. 基板と、
   前記基板の上面に配置され、前記基板の上面に対向した下面及びその反対側の上面を有し、下方に開口した下側凹部を有する透光性部材と、
   前記凹部の中であって前記基板の上面に配置されたレーザ光源と、
   を備え、
   前記レーザ光源は、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸が前記基板の上面と略平行となるように前記基板の上面に配置され、
   前記透光性部材の前記上面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に上側光反射膜が形成され、
   前記透光性部材の前記下面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に下側光反射膜が形成され、
   前記透光性部材における前記レーザ光が出射する領域が粗面であることを特徴とする光源装置。
   
3. 前記凹部を規定する面のうち前記レーザ光が入射する領域が粗面であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
   
4. 基板と、
   前記基板の上面に配置され、前記基板の上面に対向した下面及びその反対側の上面を有し、下方に開口した下側凹部を有する透光性部材と、
   前記凹部の中であって前記基板の上面に配置されたレーザ光源と、
   を備え、
   前記レーザ光源は、前記レーザ光源から出射されるレーザ光の光軸が前記基板の上面と略平行となるように前記基板の上面に配置され、
   前記透光性部材の前記上面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に上側光反射膜が形成され、
   前記透光性部材の前記下面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に下側光反射膜が形成され、
   前記透光性部材は、前記透光性部材の上面のうち少なくとも前記レーザ光が照射される領域に、上方に開口した上側凹部を有し、
   前記上側光反射膜の少なくとも一部が前記上側凹部に形成されていることを特徴とする光源装置。
   
5. 上面視において、前記透光性部材の前記下側凹部と前記上側凹部とが重ならないことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
   
6. 前記レーザ光の光軸に直交する断面において、前記上側凹部が、前記光軸を通る前記基板の上面と略垂直な線に対して対称な形状を有することを特徴とする請求項４または５に記載の光源装置。
   
7. 前記レーザ光のファーフィルドパターンの長軸が、上下方向に伸びていることを特徴とする請求項１から６の何れか1項に記載の光源装置。
   
8. 前記レーザ光源の出射側の端部と前記透光性部材の出射側の端部との間の距離が、前記レーザ光源の出射側と反対側の端部と前記透光性部材の出射側と反対側の端部との間の距離よりも長いことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の光源装置。