JP7057486B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換部材及びこれを用いた光源装置に関する。

半導体レーザ素子及び蛍光体含有部材を組み合わせた光源装置として、基板の上に蛍光体含有部材を設けたものにレーザ光を照射し、例えば、白色の光を得るものがある（特許文献１～３等）。

ＷＯ２０１５／０４１１３８号公報 特開２０１３－０３０７２０号公報 特開２０１５－０４６３８６号公報

このような形態の光源装置においては、蛍光体含有部材に対して、真上からレーザ光を照射する形態と（特許文献１）、斜め上からレーザ光を照射する形態（特許文献２又は３）が挙げられる。前者の場合は、レーザ素子からの励起光を透過すると共に蛍光体含有部材からの蛍光を反射するダイクロイックミラー等が必要とされている。後者の場合であればダイクロイックミラー等は不要であるが、レーザ素子からの光の配光と蛍光体が発する蛍光の配光の違いが生じやすい。すなわち、後者の場合は、レーザ素子からの光については蛍光体含有部材の光照射面に対して斜め方向の配光強度が大きくなる傾向にあるが、蛍光については蛍光体含有部材の光照射面の真上において配光強度が大きくなる傾向にあるため、これらの混合光に色むらが生じやすい。
本発明は、輝度の向上及び色むらの改善が可能である波長変換部材及びそれを用いた光源装置を提供することを目的とする。

本願は以下の発明を含む。
（１）蛍光体を含有する蛍光部材と、
前記蛍光部材の上面に接続された蛍光体を含有しない透光部材とを備え、
該透光部材が、上方に延びる複数の貫通孔を有し、
前記複数の貫通孔の底部において、前記透光部材から前記蛍光部材が露出していることを特徴とする波長変換部材。
（２）蛍光体を含有する蛍光部材と、
前記蛍光部材の上面に接続された蛍光体を含有しない透光部材とを備え、
該透光部材が、上方に延びる複数の柱からなり、
前記蛍光部材の上面の前記複数の柱が設けられた領域以外の領域が、前記透光部材から露出していることを特徴とする波長変換部材。
（３）上記（１）及び（２）の波長変換部材と、
１以上のレーザ素子とを備え、
前記波長変換部材は、上面視において、前記レーザ光は前記波長変換部材と重ならない位置から前記波長変換部材に照射されるように配置されていることを特徴とする光源装置。
（４）上記（１）の波長変換部材と、
１以上のレーザ素子とを備え、
前記波長変換部材の前記貫通孔の内壁は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の光軸が交差する位置に配置されていることを特徴とする光源装置。
（５）上記（２）の波長変換部材と、
１以上のレーザ素子とを備え、
前記波長変換部材の前記柱の側壁は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の光軸が交差する位置に配置されていることを特徴とする光源装置。

本発明によれば、輝度の向上及び色むらの改善が可能である波長変換部材及びそれを用いた光源装置を提供することができる。

第１実施形態に係る波長変換部材の平面図である。 図１Ａの波長変換部材の断面図である。 図１Ａの波長変換部材の変形例を示す断面図である。 図１Ａの波長変換部材の別の変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る波長変換部材の平面図である。 図２Ａの波長変換部材の断面図である。 第３実施形態に係る光源装置の概略図である。 第４実施形態に係る光源装置の概略断面図である。

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例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、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。さらに、同一の名称、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、重複した説明は適宜省略する。

〔波長変換部材〕
一実施形態の波長変換部材１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、蛍光体を含有する蛍光部材１１と、その上に設けられた透光部材１２を備える。透光部材１２は、蛍光体を含有しない部材であり、蛍光部材１１の上面に接続されている。
蛍光部材１１は、蛍光部材１１の透光部材１２と反対側には、放熱部材１３が配置されていることが好ましい。
透光部材１２は、積層方向に延びる複数の貫通孔（図１Ａ中１２ａ）を有する。

図３に示すようにレーザ光が蛍光部材１１の上面に対して斜め方向から照射される場合、レーザ光の少なくとも一部が透光部材１２に入射する際には、透光部材１２にてレーザ光が屈折される。そして、透光部材１２に入射したレーザ光の一部は、透光部材１２の内側において貫通孔１２ａの内壁（以下、貫通孔１２ａの側面ということがある）で反射されて蛍光部材１１に向かう。また、透光部材１２に入射したレーザ光の別の一部は、貫通孔１２ａの内壁から外側に出る際に、透光部材１２とその外側との屈折率差によって屈折される。このように貫通孔１２ａによってレーザ光の進行方向を変えることにより、蛍光部材１１に入射するレーザ光の入射角度を不均一とすることができる。また、貫通孔１２ａによって光の横方向（つまり厚み方向と交差する方向）における光の伝搬が制限されるため、光の拡がりを低減することができる。

レーザ光は、一部が蛍光部材１１中の蛍光体によって波長変換され、別の一部が蛍光部材１１の上面で反射されるなどして第１光（レーザ光が散乱されてＬＥＤ光に近くなった光）として上方に取り出される。透光部材１２が無い場合は、蛍光部材１１に入射するレーザ光の入射角度は概ね均一であり、第１光の配光強度のピークは斜め方向、つまりレーザ光の光軸を蛍光部材１１の上面で正反射させた方向又はその近傍となる傾向にある。そこで、貫通孔１２ａを有する透光部材１２を設ける。これにより、蛍光部材１１に対するレーザ光の入射角度を不均一とすることができるため、第１光における斜め方向の配光強度を低減することができる。すなわち、蛍光部材１１の上面に垂直な方向に近い角度の配光の強度を高めることができるので、第１光の配光を、蛍光部材１１の上面に略垂直な方向にピークを有する第２光（蛍光体の蛍光）の配光に近づけることができる。したがって、蛍光部材１１からの光の色むらを改善することができる。

また、貫通孔１２ａを有する透光部材１２を設けることで、光の拡がりを低減することができるため、輝度を向上させることができると考えられる。また、第１光のうち蛍光部材１１から斜め方向に向かう光を低減することができるため、蛍光部材１１の上面と垂直な方向を光の取り出し方向とする場合において取り出される光の光束の向上を図ることができると考えられる。
なお、本実施形態において、蛍光部材１１の光入射面に垂直な方向を上下方向とし、該光入射面の透光部材１２が設けられた側を上側としている。

（蛍光部材１１）
蛍光部材１１は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を波長変換するために利用される部材である。そのために、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を波長変換可能な蛍光体を含んでいる。蛍光体は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体、ＬＡＧ系蛍光体、ＴＡＧ系蛍光体等が挙げられる。２種以上の蛍光体を１つの蛍光部材１１内に含めることもできる。特に、活性層がＧａＮ系材料からなる窒化物半導体レーザ素子を用いる場合には、レーザ光に対する耐久性が高いＹＡＧ系蛍光体が好ましい。青色光を発する半導体レーザ素子とＹＡＧ蛍光体を組み合わせることで、白色光を得ることができる。

蛍光部材１１は、蛍光体のみによって形成されていてもよいが、蛍光体と、蛍光体を保持するための保持体とにより形成されていることが好ましい。蛍光体と保持体とを有することにより、蛍光部材１１においてレーザ光の反射及び散乱をさせやすいため、蛍光部材１１の光入射面を光取出面と兼用する反射型の場合に適している。この場合、保持体は無機材料であることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子から出射される光に起因する保持体の劣化、変色等を抑制することができる。無機材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等が挙げられる。この場合、蛍光体は、例えば、蛍光部材１１に対して５０～９０体積％の濃度（量）で含有されているものが好ましい。保持体として無機部材を用いる場合は、蛍光部材１１を焼結体とすることができる。

蛍光部材１１は、板状の部材とすることができる。また、実質的に平坦な面を有することが好ましく、実質的に平坦な面を上面及び下面として、それらを平行に備えることがより好ましい。これにより、透光部材１２を容易に設けることができる。実質的に平坦な面とは、巨視的に見て平坦であればよく、微視的に見て粗面であってもよい。

蛍光部材１１は、その膜厚が薄くなるほど割れやすくなり、ハンドリングが困難となる。一方、その膜厚を厚くしすぎると、放熱性の悪化が懸念される。従って、蛍光部材１１の厚みは、例えば、５０μｍ～３００μｍが好ましく、８０μｍ～２００μｍがより好ましい。蛍光部材１１は、部分的に厚みが変化していてもよいが、均一な厚みを有していることが好ましい。これにより、透光部材１２を容易に形成することができる。
蛍光部材は、例えば、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）冷間等方加圧成形（ＣＩＰ）等を用いて形成することができる。

蛍光部材１１の上面、つまり、後述する透光部材１２が設けられる面に、レーザ光の反射を抑える機能を有する膜が付加されていてもよい。このような膜としては、例えば、反射防止膜１５が挙げられる（図１Ｃ参照）。反射防止膜１５は、レーザ光の波長域において例えば数％程度の低い反射率を有するものが挙げられる。この反射防止膜１５は、さらに、蛍光体の波長変換光（蛍光）に対しても同様に低反射率であるものが好ましい。これにより、蛍光部材１１に入射する光及び出射する光の損失を低減することができる。

（透光部材１２）
蛍光部材１１の上に設けられた透光部材１２は、レーザ光が透過可能な部材からなる。ここでの透過可能とは、レーザ光の６０％以上を透過することが好ましく、７０％以上を透過することがより好ましく、８０％以上を透過することがより一層好ましい。
透光部材１２は、上方、つまり、蛍光部材１１と透光部材１２との積層方向に延びる複数の貫通孔１２ａを有する。言い換えると、蛍光部材１１の下面及び上面を貫通するように、蛍光部材１１の上面及び下面に対して交差する方向に延びる、複数の貫通孔１２ａを有する。このような貫通孔１２ａを配置することにより、照射されるレーザ光は、積層方向に延びる貫通孔１２ａの内壁によって反射又は屈折される。これにより、上述のとおり、レーザ光の入射角度を不均一とすることができ、第１光の強度のピークを斜め方向から蛍光部材１１の上面に垂直な方向に近づけることができるため、蛍光部材１１から取り出される光の色むらを改善することができる。波長変換部材１０では、複数の貫通孔１２ａの底部において、透光部材１２から蛍光部材１１が露出している。

透光部材１２の貫通孔１２ａは、蛍光部材１１の上面及び下面に対して垂直に延びているものが好ましい。これにより、第１光を蛍光部材１１の上面に対して垂直な方向に向かわせやすい。貫通孔１２ａは、透光部材１２の厚み方向の全部、つまり、透光部材１２を完全に貫通する孔として形成されていることにより、透光部材１２内での光の横方向（つまり厚み方向と交差する方向）の伝搬を低減することができる。これにより、蛍光部材１１から取り出される光の輝度を向上させることができる。

貫通孔１２ａの形状及び大きさは、適用するレーザ光のスポット径によって適宜調整することができる。貫通孔１２ａの形状は、例えば、平面視において、円形、楕円形、三角形及び四角形等の多角形等が挙げられる。貫通孔１２ａの内壁が平面である場合よりも曲面である場合の方が、光の進行方向をより不均一とすることができると考えられる。このため、貫通孔１２ａの形状は、平面視において円形状又は楕円形状であることが好ましい。
貫通孔１２ａのサイズは、透光部材１２内から外に浸み出すエバネッセント光が透光部材１２に再入射しにくいように、適用するレーザ光の波長よりも大きいことが好ましい。具体的には、貫通孔１２ａの直径又は最大幅が適用するレーザ光の波長よりも大きいことが好ましく、蛍光の波長よりも大きいことがより好ましい。貫通孔１２ａ間の距離及び貫通孔１２ａの深さについても同様に、適用するレーザ光の波長よりも大きいことが好ましく、蛍光の波長よりも大きいことがより好ましい。貫通孔１２ａ間の距離は、適用するレーザ光のスポット径よりも小さいことが好ましく、例えば、１０～１００μｍの範囲が挙げられる。また、貫通孔１２ａの直径又は最大幅は１０～１００μｍの範囲が好ましい。貫通孔１２ａは、適用されるレーザ素子から照射されるレーザ光の照射領域内に複数存在することが好ましい。これにより、より効果的にレーザ光の進行方向を補正することができる。具体的には、適用するレーザ光のスポット径が例えば５００μｍ程度の場合、貫通孔１２ａは、そのスポット径内に数個～数十個配置されるものが好ましく、数個～十個配置されるものがより好ましい。これにより、レーザ光の照射位置の精度を緩和させることができる。この目的のためには、さらに、複数の貫通孔１２ａを、レーザ光の照射位置よりも広い範囲に配置することが好ましい。透光部材１２の厚み、つまり、貫通孔１２ａの深さは、貫通孔１２ａ間の距離よりも大きいことが好ましく、例えば２倍以上とすることができる。これにより、レーザ光が照射される領域の透光部材１２の表面積を大きくすることができる。貫通孔１２ａの深さは、１００μｍ以上が挙げられ、２００μｍ以上が好ましく、２００～１０００μｍがより好ましい。なお、貫通孔１２ａは、１つの透光部材１２内において一部の貫通孔１２ａが異なる大きさ（直径、ピッチ、高さ）又は形状であってもよいが、全ての貫通孔１２ａにおいて、大きさ及び形状が同じであるものが好ましい。これにより、レーザ光がどの位置に照射されても同程度の効果を得ることができる。
透光部材１２の上面、つまり、貫通孔１２ａ以外の領域の上面は、ドーム形状又は椀形状等の曲面でもよいが、実質的に平坦な面であることが形成容易であるため好ましい。

また、貫通孔１２ａは、その側面を蛍光部材１１の上面に対してほぼ垂直とすることができる。上下方向に切断した断面における貫通孔１２ａの断面形状は、例えば、四角形とすることができる（例えば、図１Ｂの１２）。形成容易のため、貫通孔１２ａはその側面を蛍光部材１１の上面に対して傾斜させてもよく、若干の傾斜又は曲面が存在してもよい。
透光部材１２の全体の大きさは、例えば、適用するレーザ光のスポット径よりも大きくすることができ、適用するレーザ光のスポット径の１．５～２０倍程度の平面積を有する大きさとしてもよい。

透光部材１２は、例えば、無機ガラス、サファイア等によって形成することができる。なかでも、熱伝導性が比較的良好なサファイアが好ましい。これにより、蛍光部材１１で生じた熱を、透光部材１２で引くことができるため、蛍光部材１１中の蛍光体の発光効率の向上と、それによる光源装置の温度特性の向上を図ることができる。透光部材１２は、蛍光体を含有しない。
貫通孔１２ａは、例えば、ダイシング、マシニングセンタにより形成することができ、リフトオフ法等によりパターニングしたマスクを用いてエッチングすることによって形成してもよい。

透光部材１２の上面、つまり、蛍光部材１１とは反対側の面に、コート部材が形成されていてもよい。コート部材としては、例えば反射防止膜（ＡＲコート）が挙げられる。反射防止膜の材料としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＭｇＯ等が挙げられる。これらは、２種以上積層して、半導体レーザ素子の発振波長等に応じて所望の反射率を有するように膜厚を調整することにより反射防止膜とすることができる。反射防止膜を施すことにより、透光部材１２の上面での反射が低減されるため、レーザ光を透光部材１２の内部に効率よく入射させることができ、また、透光部材１２の内部の光を上方へ効率よく取り出すことができる。また、反射防止膜を施すことにより、透光部材１２から側方に向かう光を低減することができる。

透光部材１２は、貫通孔１２ａ内に、透光部材１２を構成する材料と屈折率等の異なる透光性の材料を埋め込んでもよいが、そのままの形態、つまり、貫通孔１２ａ内は空洞であり、貫通孔１２ａの側面が空気と接触していることが好ましい。これによって、透光部材１２の内部と外部との屈折率差を大きくしやすいため、貫通孔１２ａの側面で反射させやすい。

図２Ａ及び２Ｂに示すように、透光部材２２は、上方、つまり、蛍光部材１１と透光部材１２との積層方向に延びる複数の柱２２ａからなる部材であってもよい。このような柱２２ａを配置することにより、照射されるレーザ光は、積層方向に延びる柱２２ａの内壁によって反射又は屈折される。これにより、上述のとおり、レーザ光の入射角度を不均一とすることができ、第１光の強度のピークを斜め方向から蛍光部材１１の上面に垂直な方向に近づけることができる。したがって、蛍光部材１１から取り出される光の色むらを改善することができる。波長変換部材２０では、蛍光部材１１の上面の複数の柱２２ａが設けられた領域以外の領域が、透光部材２２から露出している。
透光部材２２は、複数の柱２２ａからなること以外は、透光部材１２と同様の構成等を採用することができ、同様の効果を得ることができる。

透光部材２２の柱２２ａは、蛍光部材１１の透光部材１２が設けられた上面に対して垂直に延びているものが好ましい。これにより、柱２２ａの内壁によって反射又は屈折される光を蛍光部材１１の上面に対して垂直な方向に向かわせやすい。複数の柱２２ａは、互いに部分的に接続された形状とすることもできるが、透光部材１２の厚み方向の全部、つまり、個々に分離した独立柱で形成されていることが好ましい。これにより、透光部材２２内での光の横方向（つまり厚み方向と交差する方向）の伝搬を低減することができ、蛍光部材１１から取り出される光の輝度を向上させることができる。

柱２２ａの形状及び大きさは、適用するレーザ光のスポット径によって適宜調整することができる。柱２２ａの形状は、例えば、平面視において、円形、楕円形、三角形及び四角形等の多角形等が挙げられる。柱２２ａの内壁が平面である場合よりも曲面である場合の方が、光の進行方向をより不均一とすることができると考えられる。このため、柱２２ａの形状は、平面視において円形状又は楕円形状であることが好ましい。

柱２２ａ間の距離は、透光部材２２内から外に浸み出すエバネッセント光が透光部材２２に再入射しにくいように、適用するレーザ光の波長よりも大きいことが好ましい。柱２２ａ間の距離は、蛍光の波長よりも大きいことがより好ましい。柱２２ａの直径又は最大幅、及び、柱２２ａの高さについても同様に、適用するレーザ光の波長よりも大きいことが好ましく、蛍光の波長よりも大きいことがより好ましい。柱２２ａの直径又は最大幅は、適用するレーザ光のスポット径よりも小さいことが好ましく、例えば、１０～１００μｍの範囲が挙げられる。また、柱２２ａ間の距離は１０～１００μｍの範囲が好ましい。

柱２２ａは、適用されるレーザ素子から照射されるレーザ光の照射領域内に複数存在することが好ましい。これにより、より効果的にレーザ光の進行方向を補正することができる。具体的には、適用するレーザ光のスポット径が例えば５００μｍ程度の場合、柱２２ａの直径又は最大幅は、そのスポット径内に数個～数十個配置されるものが好ましく、数個～十個配置されるものがより好ましい。これにより、レーザ光の照射位置の精度を緩和させることができる。この目的のためには、さらに、複数の柱２２ａを、レーザ光の照射位置よりも広い範囲に配置することが好ましい。透光部材２２の厚み、つまり、柱２２ａの高さは、柱２２ａの直径又は最大幅の距離よりも大きいことが好ましく、例えば２倍以上とすることができる。これにより、レーザ光が照射される領域の透光部材２２の表面積を大きくすることができる。柱２２ａの高さは、１００μｍ以上が挙げられ、２００μｍ以上が好ましく、２００～１０００μｍがより好ましい。なお、柱２２ａは、１つの透光部材２２内において一部の柱２２ａが異なる大きさ（直径、ピッチ、高さ）又は形状であってもよいが、全ての柱２２ａにおいて、大きさ及び形状が同じであるものが好ましい。これにより、レーザ光がどの位置に照射されても同程度の効果を得ることができる。

また、柱２２ａは、その側面を蛍光部材１１の上面に対してほぼ垂直とすることができる。上下方向に切断した断面における柱２２ａの断面形状は、例えば、四角形とすることができる（例えば、図２Ｂの２２ａ）。形成容易のため、柱２２ａはその側面を蛍光部材１１の上面に対して傾斜させてもよく、若干の傾斜又は曲面が存在してもよい。

柱２２ａは、例えば、ダイシング、マシニングセンタにより形成することができ、リフトオフ法等によりパターニングしたマスクを用いてエッチングすることによって形成してもよい。

透光部材２２は、柱２２ａ内に、透光部材２２を構成する材料と屈折率等の異なる透光性の材料を埋め込んでもよいが、そのままの形態、つまり、柱２２ａ間は空洞であり、柱２２ａの側面が空気と接触していることが好ましい。これによって、透光部材２２の内部と外部との屈折率差を大きくしやすいため、柱２２ａの側面で反射させやすい。

（光反射部材１４）
蛍光部材１１の透光部材１２と反対側の面（下面）に、光反射部材１４を配置することができる（図１Ｃ参照）。光反射部材１４は、適用するレーザ光及び蛍光部材１１によって波長変換された光の双方を反射し得る機能を有するものが好ましい。例えば、光反射部材１４は、照射されるレーザ光に対する反射率が８０％以上であることが好ましく、さらには９０％以上であることが好ましい。光反射部材は、蛍光体の波長変換光に対する反射率も８０％以上であることが好ましく、さらには９０％以上であることが好ましい。光反射部材１４は、蛍光部材１１の下面に膜状に配置することができる。光反射部材１４は、蛍光部材１１の下面のほぼ全てに設けることが好ましく、光反射部材１４は、後述する基体の機能を兼ねていてもよい。光反射部材１４の厚みは、上述の反射率が得られる程度に厚いことが好ましく、例えば１００ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ～３μｍがより好ましい。

光反射部材１４としては、単層又は多層の誘電体膜、単層又は多層の金属膜等を用いることができる。これらを組み合わせてもよい。誘電体多層膜としてはＳｉＯ₂膜とＮｂ₂Ｏ₅膜が繰り返し積層された多層膜等を用いることができる。幅広い波長帯で比較的高い反射率を得るために、光反射部材１４は金属層を含むことが好ましい。例えば、光反射部材１４は、Ａｇ層またはＡｌ層を含む。金属層を蛍光部材１１に直接設けると、一部の光が金属層で吸収されることがある。そこで、金属層と蛍光部材１１との間に、単層又は多層の誘電体膜を設けてもよい。誘電体膜は光を吸収しにくいため、全体として反射率を向上させることができる。

波長変換部材１０は、放熱部材１３の上に配置されることが好ましい。放熱部材１３の材料としては、放熱性が良好な材料、つまり、蛍光体よりも熱伝導率の大きな材料による部材が挙げられる。これにより、波長変換部材１０、特に蛍光部材１１で発生する熱を効果的に放出することができ、蛍光体の発光効率の向上を図ることができる。放熱部材１３は例えばＣｕ等の金属からなる。放熱部材１３は、上述したように、光反射部材１４としての機能を兼ね備えていてもよい。

〔光源装置〕
光源装置３０は、図３に示すように、上述した波長変換部材１０又は２０と、１以上の半導体レーザ素子３１とを備える。以下では、重複した説明を避けるため、波長変換部材１０について記載するが、波長変換部材２０についても当てはまることは言うまでもない。波長変換部材１０は、半導体レーザ素子３１から照射されるレーザ光Ａが貫通孔１２ａに照射される位置に配置される。半導体レーザ素子３１は、上面視において、波長変換部材１０と重ならない位置に配置されていることが好ましい。これにより、ダイクロイックミラーを不要とすることができる。この場合、半導体レーザ素子３１は、半導体レーザ素子３１から照射されるレーザ光の光軸が、波長変換部材１０の貫通孔１２ａの内壁と交差する位置、つまり、レーザ光Ａを貫通孔１２ａに斜め方向から入射させる位置に配置されていることが好ましい。言い換えると、半導体レーザ素子３１は、レーザ光Ａが、貫通孔１２ａの内壁に照射されずに直接透光部材１２から露出した蛍光部材１１に照射されない位置に配置されることが好ましい。これにより、レーザ光Ａのほぼ全てを貫通孔１２ａの内壁で反射させる、又は、透光部材１２に入射させることができる。

このような構成により、透光部材１２に照射されたレーザ光を貫通孔１２ａの内壁で反射するなどして、レーザ光の蛍光部材１１の上面に対する入射角度を不均一とすることができる。これにより、蛍光部材１１の上面から取り出される第１光（レーザ光が散乱されてＬＥＤ光に近くなった光）の配光を、第２光（蛍光体の蛍光）の配光に近づけることができる。したがって、蛍光部材１１からの色むらを改善することが可能となる。また、また、貫通孔１２ａにより光の拡がりを低減することができるため、輝度を向上させることができると考えられる。また、貫通孔１２ａにより、第１光のうち蛍光部材１１から斜め方向に向かう光を低減することができるため、光源装置３０の光取り出し方向を蛍光部材１１の上面と垂直な方向とする場合において取り出される光の光束の向上を図ることができると考えられる。
なお、ここでは貫通孔１２ａを有する波長変換部材１０を用いる場合について説明したが、柱２２ａを有する波長変換部材１０を用いてもよい。この場合も同様の配置等を採用することができ、同様の効果を得ることができる。

（半導体レーザ素子３１）
半導体レーザ素子３１は、光源装置３０の光源として用いられる。半導体レーザ素子３１が出射するレーザ光は指向性が強い光であるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）が発する光よりも一般的に輝度が高い。したがって、光源として半導体レーザ素子３１を用いることにより、ＬＥＤを用いる場合よりも高輝度な光源装置３０を実現することができる。

半導体レーザ素子３１が出射するレーザ光のスポットの面積は、上面視において、透光部材１２の表面で、例えば、１ｍｍ²以下であることが好ましく、０．５ｍｍ²以下であることがより好ましい。レーザ光のスポットの面積は、例えば０．００７ｍｍ²以上である。また、上面視において、レーザ光のスポットのサイズは、その幅が例えば０．１ｍｍ以上である。なお、幅とは、略円形の場合は直径を指し、略楕円形状の場合は長径（長軸の長さ）を指す。レーザ光のスポットは、レンズ又はファイバー等の光学部材を用いることによって調整することができる。レーザ光の波長変換部材１０への入射角度は、意図する光の取り出し方向、レーザ光の種類等によって適宜設定することができる。レーザ光の入射方向と反射方向が一致しないように、蛍光部材１１の上面に対して垂直な方向は避け、この上面に対して傾斜した方向とすることが好ましい。

半導体レーザ素子３１は、例えばパッケージに収容された状態で用いる。パッケージにより半導体レーザ素子３１が気密封止されていることが好ましく、これにより半導体レーザ素子３１が出射するレーザ光による集塵を抑制することができる。後述する図４に示すように、半導体レーザ素子３１と波長変換部材１０を１つのパッケージ内に収容してもよい。

この光源装置３０では、１つの半導体レーザ素子３１に対して、１つの波長変換部材１０を用いてもよいし、複数の半導体レーザ素子３１に対して１つの波長変換部材１０を用いてもよい。複数の半導体レーザ素子３１を用いる場合は、例えば、複数の半導体レーザ素子３１から出射する複数のレーザ光を１つのビームに集光して用いる。これにより、高密度のレーザ光を取り出すことができ高輝度を得ることができる。半導体レーザ素子３１は、同じ波長のものであってもよいし、異なる波長のものであってもよい。

半導体レーザ素子３１は、例えば、４３０～４７０ｎｍの範囲にピーク波長を有するレーザ光を出射する。このような波長帯のレーザ光は、ＹＡＧ系蛍光体の励起に適している。また、このような波長帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子３１としては、ＧａＮ系半導体レーザ素子が挙げられる。
半導体レーザ素子３１は、波長変換部材１０から離間した位置に設ける。これにより、半導体レーザ素子３１の放熱経路と波長変換部材１０の放熱経路とを別経路とすることができるため、各部材の熱を効率的に逃がすことができる。

一実施の形態の光源装置４０は、図４に示すように、
基体４４と、基体４４に載置された半導体レーザ素子３１と、
波長変換部材１０と、
半導体レーザ素子３１を封止するように基体４４に接合され、半導体レーザ素子３１からの光を上方に透過させる窓を含む蓋体４５とを備える。

（基体４４／蓋体４５）
基体４４は、波長変換部材１０が固定される部材であり、半導体レーザ素子３１を実装する部材である。基体４４は、導電性、絶縁性等種々の材料によって形成することができる。例えば、基体４４の材料としては、セラミックス、金属、ガラス又はこれらの組み合わせが挙げられる。基体４４を放熱部材として用いてもよく、この場合は、基体４４は蛍光部材１１よりも熱伝導率の大きな材料により形成されていることが好ましい。これにより、蛍光部材の熱を効率的に放熱することができる。そのような材料としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈ等の金属又はこれら一種以上を含む合金等が挙げられる。また、ＡｌＮセラミックスを用いてもよい。

基体４４の厚みは、強度を確保し得る厚みがあればよく、例えば、５００μｍ～５ｍｍが挙げられる。
蓋体４５は、基体４４に接合され、半導体レーザ素子３１を気密封止するために用いることができる。蓋体４５の一部においては、波長変換部材から出射される光を取り出す透光性の窓が配置されている。窓は例えば無機ガラスからなる。蓋体４５を構成する材料は、例えば、上述した基体と同様の材料が挙げられる。

（その他の部材）
光源装置は、例えば、光制御部材(プリズム４１）、レンズ（集光レンズ、コリメートレンズ等）４３、ファイバー等の部材を単独で又は組み合わせて用いてもよい。このような部材を利用することにより、レーザ光のスポットのサイズ及び形状を調整することができる。また、波長変換部材１０を経た後の光を、レンズ等を用いて集光してもよい。

実施形態１：波長変換部材
実施形態１の波長変換部材１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、蛍光体を含有する蛍光部材１１と、その上に積層された透光部材１２とを備える。
蛍光部材１１は板状部材であり、その外形は、平面形状が四角形で３ｍｍ×３ｍｍ程度の大きさ、１００μｍ程度の厚さを有する。蛍光部材１１は、実質的に平坦な上下面を有する。蛍光部材１１は、ＹＡＧ蛍光体を含む。
蛍光部材１１の上に積層された透光部材１２は、サファイアによって形成されており、積層方向、つまり、蛍光部材１１の上面に垂直に延びる複数の貫通孔１２ａを有する。貫通孔１２ａは、円柱形状を有し、貫通孔１２ａの直径は５０μｍ、そのピッチは３０μｍ、その高さは２００μｍである。透光部材１２に配置された貫通孔１２ａは、全てが同じ大きさ、ピッチ及び高さである。透光部材１２の上面、つまり、貫通孔１２ａ以外の領域の上面は、実質的に平坦な面である。
蛍光部材１１の下には放熱部材１３が設けられており、波長変換部材１０は、平面視において放熱部材１３の中央に、接合層等によって固定されている。放熱部材１３は、銅板の表面に、銅板側から順にＮｉ層とＡｕ層が設けられた構成である。放熱部材１３の外形は、平面形状が四角形の板状体であり、１０ｍｍ×２０ｍｍ程度の大きさ、２ｍｍ程度の厚さを有する。

このような波長変換部材１０は、例えば、以下の方法によって製造することができる。
まず、平均粒径が約１０μｍのＹＡＧ系蛍光体［Ｙ_2.95Ｃｅ_0.05］Ａｌ₅Ｏ₁₂からなる粉末と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる保持体とを混合し、ＳＰＳ焼結法を用いて焼結して、塊状の蛍光部材を作製する。塊状の蛍光部材をワイヤーソーによって、厚み０．３ｍｍの板状にスライスする。その後、＃８００のダイヤモンド砥粒を用いて、板状体の蛍光部材の両面を研削し、研磨及びＣＭＰ処理を行い、蛍光部材の膜厚を１００μｍにする。この工程により、鏡面を有する板状の蛍光部材を得る。

透光部材１２を、塊状のサファイアをワイヤーソーによって、厚み０．３ｍｍの板状にスライスする。その後、＃８００のダイヤモンド砥粒を用いて、板状体のサファイアの両面を研削し、研磨及びＣＭＰ処理を行い、膜厚を２００μｍにする。
次いで、蛍光部材１１の片面又は透光部材１２の片面に、接合用のガラスコート（スパッタ等でガラスの薄膜を成膜する）を施す。そして、蛍光部材１１及び透光部材１２を、コートしたガラスを介して接合する。その後、蛍光部材１１の下面側に、放熱部材１３との接合層として、例えば、ＡｕＳｎ共晶合金を形成する。得られた蛍光部材１１及び透光部材１２の複合体をダイシング又はレーザ加工等により３ｍｍ×３ｍｍ程度のサイズに個片化し、蛍光部材１１の接合層側を放熱部材１３に接触させて、加熱することにより接合する。

その後、透光部材１２の上面から、マシニングセンタ等を用いて、貫通孔１２ａを形成する。
なお、上記において、蛍光部材１１及び透光部材１２を準備した後、透光部材１２の片面に接合用のガラスコートを施した後で貫通孔１２ａを形成し、その後、透光部材１２と蛍光部材１１とを接合してもよい。

上述した波長変換部材１０は、例えば、図１Ｃに示すように、蛍光部材１１の下面側、つまり、蛍光部材１１と放熱部材１３との間に、光反射部材１４が形成されている。
光反射部材１４は、蛍光部材１１側から順に、ＳｉＯ₂膜とＮｂ₂Ｏ₅膜が繰り返し積層された誘電体多層膜と、Ａｇ層との積層構造を有する。光反射部材１４の波長４００～８００ｎｍの光に対する反射率は９５～９９％程度である。また、蛍光部材１１の上面側、つまり、蛍光部材１１と透光部材１２との間に、反射防止膜１５を形成してもよい。反射防止膜１５は、レーザ光及び蛍光の波長域において数％程度の低反射率を有する。さらに、上述した波長変換部材１０は、例えば、図１Ｄに示すように、貫通孔１２ａを有する透光部材１２の上面、つまり、蛍光部材１１の反対側の面に、反射防止膜１６が形成されていてもよい。

このような実施形態１の波長変換部材１０は、貫通孔１２ａを有する透光部材１２が設けられているため、適用するレーザ光を貫通孔１２ａに沿った方向に補正することができ、また、蛍光部材１１から取り出される光を貫通孔１２ａに沿った方向に補正することができる。したがって、輝度を向上させることができ、且つ、色むらを改善することができる。

実施形態２：波長変換部材
実施形態２の波長変換部材２０は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、透光部材２２が、貫通孔を有するものではなく、複数の円柱状の柱２２ａによって形成されている以外、実質的に波長変換部材１０と同様の構成を有する。
ここで、柱２２ａの直径は５０μｍ、そのピッチは３０μｍ、その高さは２００μｍである。透光部材２２を構成する柱２２ａは、全てが同じ大きさ、ピッチ及び高さである。透光部材２２の上面、つまり、柱２２ａの上面は、実質的に平坦な面である。

本実施形態においても、実施形態１の波長変換部材１０と同様に、輝度向上及び色むら改善の効果が得られる。また、複数の柱２２ａからなる透光部材２２であれば、透光部材２２の内部における横方向の光の伝搬距離を短くすることができるため、輝度のより一層の向上が期待できる。一方で、透光部材２２の場合、柱２２ａの底面のみで蛍光部材１１と接続するため、透光部材１２、２２の強度の点からは、実施形態１のように貫通孔１２ａを有する透光部材１２の方が好ましいと考えられる。

実施形態３：光源装置
実施形態３の光源装置３０は、図３に示すように、波長変換部材１０と、蛍光部材１１にレーザ光を照射するための半導体レーザ素子３１を備える。波長変換部材１０は、半導体レーザ素子３１から照射されるレーザ光Ａが、波長変換部材１０の透光部材１２の貫通孔１２ａが配置された領域に照射される位置に配置されている。

半導体レーザ素子３１は、ピーク波長が約４５０ｎｍのレーザ光を出射可能であり、そのレーザ光のＦＦＰは略楕円形状である。図３に示すようにレーザ光は波長変換部材１０に対して斜め方向から入射する。波長変換部材１０の上面におけるレーザ光のスポットのサイズは、長手方向の長さが約０．５ｍｍであり、短手方向の長さが約０．３ｍｍである。

このような構成により、半導体レーザ素子３１からのレーザ光Ａを貫通孔１２ａに沿った方向に補正することができ、また、蛍光部材１１から取り出される光を貫通孔１２ａに沿った方向に補正することができる。これにより、半導体レーザ素子３１からの光の配光と蛍光体の蛍光の配光とを近づけることができるため、高輝度且つ色むらが改善された発光を得ることができる。

実施の形態４：光源装置
実施形態４の光源装置４０は、図４に示すように、波長変換部材１０と、半導体レーザ素子３１とを備える。また、波長変換部材１０と、半導体レーザ素子３１との間には、レーザ光を波長変換部材１０に適切に照射し得るように、レンズ４３とプリズム４１とを備える。これら波長変換部材１０、半導体レーザ素子３１と、レンズ４３と、プリズム４１とは、半導体レーザ素子３１を封止し得る基体４４内に収容され、蓋体４５によって気密封止されている。また、半導体レーザ素子３１は、放熱性の良好なサブマウント４２上に載置されている。なお、図４の光源装置４０では、図１Ａ等に示された波長変換部材１０において、放熱部材１３が基体４４に置き換わっている。

半導体レーザ素子３１から出射されたレーザ光は、該レーザ光を集光又は平行光化するレンズ４３を通り、レンズ４３からの光を屈折させるプリズム４１を通って、斜め上の方向から、波長変換部材１０に照射される。
このような光源装置４０においても、実施の形態３の光源装置３０と同様に、高輝度且つ色むらが改善された発光を得ることができる。

本発明の波長変換部材および光源装置は、ヘッドライトを含む車載用の各種光源、プロジェクタ装置の光源、液晶ディスプレイのバックライト光源、各種照明器具などの各種用途に利用することができる。

１０、２０ ：波長変換部材
１１ ：蛍光部材
１２ ：透光部材
１２ａ ：貫通孔
１３ ：放熱部材
１４ ：光反射部材
１５、１６ ：反射防止膜
２２ ：透光部材
２２ａ ：柱
３０、４０ ：光源装置
３１ ：半導体レーザ素子
４１ ：プリズム
４２ ：サブマウント
４３ ：レンズ
４４ ：基体
４５ ：蓋体
Ａ ：レーザ光
Ｂ ：光

Claims (13)

1. １以上のレーザ素子と、
   蛍光体を含有する蛍光部材及び前記蛍光部材の上面に接続された蛍光体を含有しない透光部材を有する波長変換部材とを備え、
   該透光部材が、直径が１０μｍ以上であり、上方に延びる複数の貫通孔を有し、
   前記複数の貫通孔の底部において、前記透光部材から前記蛍光部材が露出し、
   前記レーザ素子は、上面視において、前記波長変換部材に重ならない斜め上方から前記波長変換部材に光を照射するように配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記貫通孔が、前記蛍光部材の前記上面に対して垂直に延びている請求項１に記載の光源装置。
3. 前記貫通孔の深さが２００μｍ以上である請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記蛍光部材の下面に、光反射部材が配置されている請求項１～３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. １以上のレーザ素子と、
   蛍光体を含有する蛍光部材、前記蛍光部材の上面に接続された蛍光体を含有しない透光部材及び前記蛍光部材の下面に配置される光反射部材を有する波長変換部材とを備え、
   前記透光部材が、上方に延びる均等な大きさ及び形状を有する複数の柱からなり、
   前記蛍光部材の上面の前記複数の柱が設けられた領域以外の領域が、前記透光部材から露出し、
   前記レーザ素子は、上面視において、前記波長変換部材に重ならない斜め上方から前記波長変換部材に光を照射するように配置されていることを特徴とする光源装置。
6. 前記柱が、前記蛍光部材の前記上面に対して垂直に延びている請求項５に記載の光源装置。
7. 前記柱の長さが２００μｍ以上である請求項５又は６に記載の光源装置。
8. さらに、前記蛍光部材の前記透光部材と反対側に、前記蛍光部材よりも熱伝導率の大きな材料からなる放熱部材を有する請求項１～７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記蛍光部材と前記透光部材との間に反射防止膜を有する請求項１～８のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 前記波長変換部材の前記貫通孔の内壁は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の光軸が交差する位置に配置されている請求項１～４のいずれか１項に記載の光源装置。
11. 前記貫通孔は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の照射領域内に複数存在する請求項１０に記載の光源装置。
12. 前記波長変換部材の前記柱の側壁は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の光軸が交差する位置に配置されている請求項５～７のいずれか１項に記載の光源装置。
13. 前記柱は、前記レーザ素子から照射されるレーザ光の照射領域内に複数存在する請求項１２に記載の光源装置。

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