JPWO2017154807A1 - 光源装置 - Google Patents

Abstract

光源装置（１００）は、半導体発光素子（１０１）と、半導体発光素子（１０１）から出射された励起光（１２１）を集光する集光光学系（１０２）と、励起光（１２１）が照射される波長変換素子（１０３）とを備え、波長変換素子（１０３）は、主光線（１２２）が入射される第１波長変換領域（１１１）と、第１波長変換領域（１１１）の周辺に配置され、主光線（１２２）以外の励起光（１２１）が入射される第２波長変換領域（１１２）とを備え、第２波長変換領域（１１２）の波長変換効率は、第１波長変換領域（１１１）の波長変換効率よりも低い。

Description

本開示は、光源装置に関する。

従来、励起光と、励起光を蛍光体に照射して発生する蛍光との混合光を照明光として利用する光源装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。

この種の光源装置について図２４を用いて説明する。図２４は、従来の光源装置１００１の概略構成を示す模式図である。図２４に示すように、光源装置１００１は、励起光を出射するレーザ素子１００２と、レーザ素子１００２から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部１００４と、発光部１００４が発生させた蛍光を反射する反射鏡１００５とを備えている。そして、反射鏡１００５の一部が発光部１００４の上方に反配置されている。このとき、発光部１００４の上面に照射された励起光のスポットの面積を当該上面の面積よりも小さくすることが開示されている。

一方、特許文献２に開示された光源装置では、レーザ素子と、蛍光体層と備え、蛍光体層に入射するレーザ素子からの励起光のビームの形状及び断面積を蛍光体層入射面全体の形状及び面積とほぼ等しくすることが開示されている。本従来例では、さらに蛍光体層の周囲には、レーザ素子からの励起光を吸収する吸収手段、又は、当該励起光を拡散する拡散手段が設けられている。

特開２０１２−９９２８０号公報 特開２０１１−１８１３８１号公報

しかしながら、従来の光源装置には以下の課題がある。

半導体レーザなどのレーザ素子においては、指向性を有する誘導放出光が出射される。当該誘導放出光は、主光線として発光部に照射される。しかしながら、レーザ素子においては、微弱ではあるが発光部以外のところから誘導放出光が出射されることがある。また、レーザ素子からは、指向性がない自然放出光が出射される。さらに、レーザ素子からの励起光を集光光学系によって集光する場合には、集光光学系に付着した塵などで誘導放出光が散乱されることによって散乱光が発生する場合がある。これらの副光線も発光部に照射される場合がある。

このため、特許文献１に開示されているように、レーザ素子１００２からの励起光を、集光光学系を用いて集光し、集光された主光線を発光部１００４へ照射する場合、主光線が照射されている領域の周辺部には、上記副光線が照射される。このため、発光部１００４からは、主光線に起因する蛍光だけでなく、副光線に起因する蛍光も出射される。したがって、発光部１００４からの出射光を反射鏡などの投光部材によって投光する場合、副光線に起因する蛍光も投影される。

このため、光源装置から所望の投影領域以外の領域に迷光となって投影されるという問題がある。

一方、特許文献２に開示された光源装置では、主光線以外の副光線は、蛍光体層に入射されず、吸収手段によって吸収される。これにより迷光の発生を抑制できる。

しかしながら、動作中の衝撃や、光源装置の温度変化などにより集光光学系の位置が変化し、主光線が蛍光体層ではなく吸収手段に照射された場合、ほぼすべての主光線は、吸収手段によって吸収される。

この場合、光源装置から出射光がほとんど出射されなくなる。そのため、例えば光源装置を車両前照灯などに用いた場合、光源装置から出射光が途絶えることにより、前方の視認性が突然なくなるという問題が生じ得る。

そこで、本開示は、半導体発光素子と集光光学系と波長変換素子とを備える光源装置において、半導体発光素子から出射される励起光のうち集光光学系で集光された主光線以外の励起光に起因する出射光を低減することを目的とする。また、本開示は、半導体発光素子及び集光光学系から出射される主光線の光軸がずれた場合においても出射光を出射できる光源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本開示に係る光源装置の一態様は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射された励起光を集光する集光光学系と、前記励起光が照射され、前記励起光の少なくとも一部を波長変換し、波長変換された光を出射する波長変換部を備える波長変換素子とを備え、前記波長変換素子は、前記波長変換部の一部を含み、前記励起光のうち、前記集光光学系によって集光された主光線が入射される第１波長変換領域と、前記波長変換部の前記一部以外の部分を含み、前記第１波長変換領域の周辺に配置され、前記主光線以外の前記励起光が入射される第２波長変換領域とを備え、前記第２波長変換領域の波長変換効率は、前記第１波長変換領域の波長変換効率よりも低い。

この構成により、集光光学系から波長変換素子に入射される励起光のうち、主光線以外の励起光は、波長変換効率の低い第２波長変換領域に入射される。したがって、主光線以外の励起光に起因する光源装置１００からの出射光を低減できる。また、この構成により、主光線の光軸がずれた場合においても、主光線は、第２波長変換領域に入射されるため、光源装置は、主光線に起因する出射光を出射できる。このため、例えば光源装置を車両前照灯に用いた場合において、光軸ずれが発生しても光源装置から出射光が出射されなくなることを抑制し、投光領域における視認性を確保することができる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記波長変換部は、希土類元素で賦活された蛍光材料を含み、前記蛍光材料は、前記励起光の少なくとも一部を吸収し、前記励起光と波長が異なる蛍光を前記波長変換された光として出射するとよい。

この構成により、例えば励起光として青色光を用い、蛍光材料として黄色蛍光体を用いることで、白色光を出射することができる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記第２波長変換領域における前記波長変換部の厚さは、前記第１波長変換領域における前記波長変換部の厚さよりも薄いとよい。

この構成により、第１波長変換領域において、第２波長変換領域より、波長変換されずに波長変換部から出射される励起光を低減することができる。このように、第２波長変換領域よりも波長変換効率が高い第１波長変換領域を実現できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記波長変換素子は、前記第２波長変換領域から出射される光量を低減する光減衰部を備えるとよい。

この構成により、光減衰部によって出射光の光量を低減できるため、第１波長変換領域より波長変換効率が低い第２波長変換領域を実現できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記光減衰部は、前記励起光を透過し、かつ、前記波長変換部から出射される波長変換された光を反射するとよい。

この構成により、第２波長変換領域から出射される波長変換された光の量を低減することができるため、第２波長変換領域における波長変換効率を低減することができる。また、この構成は、誘電体多層膜などにより容易に実現することができる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記光減衰部は、前記励起光及び前記波長変換部から出射される光の少なくとも一方を吸収し、熱に変換するとよい。

この構成により、光減衰部が励起光又は波長変換された光を吸収するため、第２波長変換領域における波長変換効率を低減することができる。また、この構成は、ＡｕやＣｕなどの金属膜、ポリシリコン、ＳｉＷやＳｉＴｉなどのメタルシリサイドなどにより容易に実現することができる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記光減衰部には、前記第１波長変換領域に対応する位置に開口部が形成されているとよい。

この構成により、光減衰部に主光線が入射することを抑制できる。したがって、光減衰部によって第１波長変換領域の波長変換効率が低下することを抑制できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記開口部の径は、前記波長変換部の前記主光線が入射される面における前記主光線のスポット径以上であるとよい。

この構成により、主光線を光減衰部の開口部の中央に入射することによって、主光線の強度が高い部分が光減衰部に入射することを抑制できる。したがって、光減衰部によって第１波長変換領域の波長変換効率が低下することを抑制できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記波長変換素子は、凹部が形成された支持部材を備え、前記波長変換部は、前記凹部及び前記凹部の周辺に配置されるとよい。

この構成により、例えば、支持部材の凹部及びその周辺に波長変換材料を塗布することによって波長変換部を形成できる。ここで、凹部に形成された波長変換部より凹部の周辺に形成された波長変換部の方が薄くなる。つまり、凹部に形成された波長変換部が第１波長変換領域を構成し、凹部の周辺に形成された波長変換部が第２波長変換領域を構成する。この構成により容易に第１波長変換領域及び第２波長変換領域を備える波長変換素子を実現できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記波長変換部のうち前記凹部に配置されている部分の表面は、凹んでいるとよい。

この構成により、凹部に配置された波長変換部の表面に主光線を入射することで、出射光を集光することができる。つまり、このような構成を備える波長変換部では、表面が平らな波長変換部よりも指向性が高い出射光を出射できる。

さらに、本開示に係る光源装置の一態様において、前記主光線は前記波長変換部の表面に対して斜めに入射し、前記波長変換素子は、前記第２波長変換領域に、前記表面における前記主光線の反射光が照射される凸部を備えるとよい。

この構成により、指向性が高い反射光を散乱させることができる。したがって、反射光が高い指向性を維持したまま光源装置から出射されることを抑制できる。

本開示によれば、半導体発光素子と集光光学系と波長変換素子とを備える光源装置において、半導体発光素子及びや集光光学系から出射される主光線以外の励起光に起因する出射光を抑制することができる。また、本開示によれば、半導体発光素子及び集光光学系から出射される主光線の光軸がずれた場合においても出射光を出射できる。

図１は、実施の形態１に係る光源装置の構成を示す断面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な上面図である。 図４は、実施の形態１に係る集光光学系として、非球面凸レンズを用いた場合の集光光学系の励起光への作用の一例を示した断面図である。 図５Ａは、実施の形態１に係る光源装置に投光部材を組み合わせて動作させた場合に得られる投影像を模式的に示した図である。 図５Ｂは、比較例に係る光源装置に投光部材を組み合わせて動作させた場合に得られる投影像を模式的に示した図である。 図６は、実施の形態１に係る光源装置の具体的な構成を示す断面図である。 図７Ａは、図６に示す実施の形態１に係る光源装置と同等の光学系と、光減衰部を形成しない波長変換素子とを用いて測定した、波長変換素子の表面に相当する面に主光線と副光線とを照射することにより出射される出射光の輝度分布である。 図７Ｂは、図７Ａに示す輝度分布のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における輝度分布を示すグラフであり、異なる波長変換素子、異なる集光光学系における輝度分布を比較したグラフである。 図８は、実施の形態１に係る光源装置における集光光学系の位置ずれの例を示す断面図である。 図９Ａは、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図９Ｂは、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な上面図である。 図１０は、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子の製造方法の各工程を示す模式図である。 図１１Ａは、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子における主光線の反射光の光路を示す模式図である。 図１１Ｂは、実施の形態１に係る波長変換素子における主光線の反射光の光路を示す模式図である。 図１２Ａは、実施の形態２に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１２Ｂは、実施の形態２に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な上面図である。 図１３は、実施の形態２に係る波長変換素子の製造方法の各工程を示す模式図である。 図１４は、実施の形態２に係る光源装置の具体的な構成を示す断面図である。 図１５は、実施の形態２の変形例１に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１６Ａは、実施の形態３に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１６Ｂは、実施の形態３に係る光源装置の具体的な構成を示す断面図である。 図１７は、実施の形態４に係る波長変換素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１８は、実施の形態４に係る波長変換素子の製造方法の各工程を示す断面図である。 図１９は、実施の形態４に係る波長変換素子の動作を示す模式図である。 図２０は、実施の形態４の変形例１に係る波長変換素子の概略構成を模式的に示す断面図である。 図２１は、実施の形態５に係る光源装置の構成を示す断面図である。 図２２は、実施の形態５に係る光源装置に搭載される波長変換素子の詳細な構成を示す模式的な断面図である。 図２３は、実施の形態５に係る光源装置に搭載される波長変換素子の効果を示す特性評価結果を示す図である。 図２４は、従来の光源装置の概略構成を示す模式図である。

本開示の実施の形態について、以下に図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程（ステップ）及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
［１−１．構成］
以下、実施の形態１に係る光源装置について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る光源装置１００の構成を示す断面図である。

本実施の形態に係る光源装置１００は、図１に示すように、半導体発光素子１０１と、集光光学系１０２と、波長変換素子１０３とを備える光源である。

以下、光源装置１００の各構成要素について説明する。

［１−１−１．半導体発光素子］
半導体発光素子１０１は、励起光を出射する発光素子である。以下、半導体発光素子１０１について、図１と併せて図２Ａ及び図２Ｂも参照しながら説明する。

図２Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１０１の概略構成を示す斜視図である。

図２Ｂは、本実施の形態に係る半導体発光素子１０１の概略構成を示す断面図である。

半導体発光素子１０１は、例えば窒化物半導体からなる半導体レーザ素子（例えばレーザチップ）であり、波長３８０ｎｍから４９０ｎｍの間にピーク波長を有するレーザ光を励起光１２１として出射する。図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施の形態では、半導体発光素子１０１は、炭化珪素基板などの支持部材１０８上に実装される。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、半導体発光素子１０１は、例えば、ＧａＮ基板である基板１０１ｂ上に、ｎ型ＡｌＧａＮで形成された第１クラッド１０１ｃ、ＩｎＧａＮ多重量子井戸層である発光層１０１ｄ、及び、ｐ型ＡｌＧａＮで形成された第２クラッド１０１ｅが積層された構成を有する。また、半導体発光素子１０１には、光導波路１０１ａが形成されている。

半導体発光素子１０１には、光源装置１００の外部から電力が入力される。半導体発光素子１０１の光導波路１０１ａで生成された例えばピーク波長４４５ｎｍのレーザ光は、励起光１２１として集光光学系１０２に向かって出射される。

［１−１−２．集光光学系］
集光光学系１０２は、半導体発光素子１０１から出射された励起光を集光する光学系である。集光光学系１０２の構成は、励起光１２１を集光できる構成であれば特に限定されない。集光光学系１０２として、例えば、非球面凸レンズを用いることができる。半導体発光素子１０１から出射される水平方向、垂直方向に放射角を持った励起光１２１を集光し、主光線１２２を生成する。主光線１２２は、波長変換素子１０３に照射される。図１に示すように、本実施の形態においては、主光線１２２は、斜め上方から波長変換素子１０３に照射される。具体的には、波長変換素子１０３の表面の法線に対して、４０°以上、８０°以下で入射される。

［１−１−３．波長変換素子］
波長変換素子１０３は、励起光１２１が照射され、励起光１２１の少なくとも一部を波長変換し、波長変換された光を出射する素子である。以下、波長変換素子１０３について、図１と併せて図３Ａ及び図３Ｂも参照しながら説明する。

図３Ａは、本実施の形態に係る波長変換素子１０３の概略構成を示す模式的な断面図である。

図３Ｂは、本実施の形態に係る波長変換素子１０３の概略構成を示す模式的な上面図である。なお、図３Ａは、図３ＢのＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面を示す。

図１に示すように、波長変換素子１０３は、半導体発光素子１０１から出射された励起光１２１が照射され、励起光１２１の少なくとも一部を波長変換し、波長変換された光を出射する波長変換部１０５を備える素子である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、波長変換素子１０３は、波長変換部１０５の一部を含み、励起光１２１のうち集光光学系１０２によって集光された主光線１２２が入射される第１波長変換領域１１１を備える。また、波長変換素子１０３は、波長変換部１０５の当該一部以外の部分を含み、第１波長変換領域１１１の周辺に配置され、主光線１２２以外の励起光１２１が入射される第２波長変換領域１１２とを備える。ここで、第２波長変換領域１１２の波長変換効率は、第１波長変換領域１１１の波長変換効率よりも低い。

本実施の形態では、波長変換素子１０３は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、支持部材１０４と、波長変換部１０５と、光減衰部１０６とを備える。

波長変換部１０５は、例えば、希土類元素で賦活された蛍光材料を含む。蛍光材料は、励起光１２１の少なくとも一部を吸収し、励起光１２１と波長が異なる蛍光を波長変換された光として出射する。

波長変換部１０５は、例えば、蛍光材料とそれを保持するためのバインダとを含む。蛍光材料としては、例えば、アルミネート系蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｃｅ^３＋又は（Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ）_３（Ａｌ、Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ等で表されるＣｅ賦活ガーネット系蛍光体など）、酸窒化物系蛍光体（例えばβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋、Ｃａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）ＳｉＯ_２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋など）、窒化物蛍光体（例えば（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋、(Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ）_３Ｓｉ_６Ｎ_１１：Ｃｅ^３＋など）、シリケート系蛍光体（例えばＳｒ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋など）、リン酸塩系蛍光体（Ｓｒ（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋など）、又は、量子ドット蛍光体（ＩｎＰ、ＣｄＳｅなどのナノ粒子）などを用いることができる。また、波長変換部１０５は、蛍光材料に加えて、主光線１２２を拡散（散乱）させる拡散材を含んでもよい。拡散材として、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２などの微粒子を用いることができる。さらに、波長変換部１０５に拡散材として熱伝導率の高い窒化ホウ素の微粒子を混合させることで、波長変換部１０５の光散乱性を強めるとともに、蛍光材料からの熱を効率よく支持部材に伝熱させることができる。

このとき、所望の蛍光を出射する蛍光体を選択することで、光源装置１００から所望の色度座標の出射光を出射させることができる。例えば、緑色、黄色、赤色などの出射光である。さらに、波長変換部１０５を複数の蛍光体を組み合わせて構成することや、波長変換部１０５から出射する蛍光の色度座標と波長変換部１０５で反射される励起光の色度座標を組み合わせることで白色光を光源装置１００から出射させることもできる。例えば、ピーク波長４０５ｎｍの励起光を出射する半導体発光素子１０１を用いる場合は、蛍光材料として、青色蛍光体であるＳｒ（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ^２＋と、黄色蛍光体であるＹＡＧ：Ｃｅ^３＋との組合せを用いることで白色光が得られる。また、例えばピーク波長４４５ｎｍなどの青色の励起光を出射する半導体発光素子を用いる場合は、蛍光材料として黄色蛍光体であるＹＡＧ：Ｃｅ^３＋や（Ｌａ、Ｙ）_３Ｓｉ_６Ｎ_１１：Ｃｅ^３＋を用いることで、拡散された青色光と黄色光を混合させることができ、白色光が得られる。蛍光材料を保持するバインダとしては、例えば高耐熱性シリコーン樹脂や有機無機ハイブリッド材を用いることができる。より高い耐光性が必要な場合は、バインダとして無機材料を用いることができる。

支持部材１０４は、波長変換部１０５が配置される部材である。支持部材１０４は、熱伝導性の高い材料で形成されてもよい。これにより、支持部材１０４は、波長変換部１０５で発生した熱を放散するヒートシンクとして機能する。支持部材１０４は、例えば、金属材料、セラミック材料、半導体材料で形成される。より具体的には、支持部材１０４は、Ｃｕ、Ａｌ合金、Ｓｉ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＳｉＣ及びダイヤモンドなどの少なくとも一つを含む材料で形成される。なお、支持部材１０４の上面（つまり、支持部材１０４と波長変換部１０５との間）に波長変換部１０５で波長変換された光を反射する光学膜を形成してもよい。

光減衰部１０６は、第２波長変換領域１１２から出射される光量を低減する部材である。この構成により、光減衰部１０６によって出射光の光量を低減できるため、第１波長変換領域１１１より波長変換効率が低い第２波長変換領域１１２を実現できる。

本実施の形態では、光減衰部１０６には、第１波長変換領域１１１に対応する位置に開口部が形成されている。より具体的には、光減衰部１０６は、中央に開口部１０６ａが形成された膜状部材であり、波長変換部１０５上に配置されている。つまり、本実施の形態では、光減衰部１０６の中央部分の開口部１０６ａでは、波長変換部１０５が露出される。図３Ａに示すように、波長変換素子１０３のうち、光減衰部１０６の開口部１０６ａに対応する領域が第１波長変換領域１１１に相当する。つまり、第１波長変換領域１１１は、波長変換部１０５が露出された領域である。一方、第２波長変換領域１１２は、波長変換部１０５上に光減衰部１０６が設けられた領域に相当する。本実施の形態では、第１波長変換領域１１１の上面視における形状、つまり、光減衰部１０６の開口部１０６ａの形状は、円形であるが、円形に限定されない。第１波長変換領域１１１の上面視における形状は、例えば矩形であってもよい。以上の構成により、光減衰部１０６に主光線１２２が入射することを抑制できる。したがって、光減衰部１０６によって第１波長変換領域１１１の波長変換効率が低下することを抑制できる。

また、開口部１０６ａの径は、波長変換部１０５の主光線１２２が入射される面における主光線１２２のスポット径以上である。この構成においては、主光線１２２を光減衰部１０６の開口の中央に入射することによって、主光線１２２の強度が高い部分が光減衰部１０６に入射することを抑制できる。したがって、光減衰部１０６によって第１波長変換領域１１１の波長変換効率が低下することを抑制できる。

本実施の形態では、光減衰部１０６は、励起光１２１及び波長変換部１０５において波長変換された光の少なくとも一方の一部を吸収し、そのほとんどを熱に変換する。これにより、光減衰部１０６が励起光又は波長変換された光を吸収するため、第２波長変換領域１１２における波長変換効率を低減することができる。本実施の形態では、光減衰部１０６は、励起光１２１の波長に対して反射率が低い材料を含む。例えば、光減衰部１０６として、励起光の波長の光に対して反射率が低い、例えば５００ｎｍ以下の光の反射率が６０％以下であるＡｕやＣｕなどの金属膜、可視光の反射率が低く、上部に誘電体多層膜を形成する場合に密着性が高いポリシリコン、高温域で金属膜より安定なＳｉＷやＳｉＴｉなどのメタルシリサイドなどを用いることができる。さらに、その表面にＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２などを組合せた積層膜を用いて干渉効果により反射率をさらに低減させることができる。さらに、光吸収材料として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｍｏ、Ｓｉ、Ｇｅなどから１つ以上の材料を選択し、反射防止材料として、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｒａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５などから１つ以上の誘電体材料を選択し、複数の積層構造として、特に励起光１２１の波長に対して高い減衰効果を得ることができる光減衰部１０６としてもよい。

［１−２．動作］
続いて光源装置１００の動作について図面を用いて説明する。

図１に示すように、半導体発光素子１０１の光導波路１０１ａから出射される励起光１２１は、集光光学系１０２により集光される光である主光線１２２となり、波長変換素子１０３の第１波長変換領域１１１へ入射する。

第１波長変換領域１１１に入射した主光線１２２は、波長変換部１０５にて、散乱又は吸収され、散乱光と蛍光で構成される出射光１２４となり光源装置１００から出射される。そして、出射光１２４は、例えば非球面凸レンズなどの投光部材１２０により投射光１２５として投射される。

一方で、半導体発光素子１０１からは、励起光１２１以外の光も出射される。以下、励起光１２１以外の光の発生過程について図２Ｂを用いて説明する。

半導体発光素子１０１の外部から入力された電力の一部は発光層１０１ｄで光に変換される。

発光層１０１ｄの任意の発光点１０１ｇで生成される光の大部分は発光層１０１ｄで増幅され誘導放出光である励起光１２１として発光面１０１ｆから出射される。

一方で、発光点１０１ｇで生成される光の一部は自然放出光のまま光導波路１０１ａを伝搬し発光面１０１ｆから第２励起光１２１ａとして出射される。

また、上述のように基板１０１ｂとしてＧａＮ、第２クラッド１０１ｅとしてＡｌＧａＮを用いた場合、第２クラッド１０１ｅよりも基板１０１ｂの屈折率が高い。この場合、誘導放出光の一部は、基板１０１ｂを伝搬し、発光面１０１ｆの基板１０１ｂ部分から、例えば図２Ｂの右側の光強度分布に示すようなブロードな分布を有する第３励起光１２１ｂとして出射される場合がある。

このとき、第３励起光１２１ｂの発光面１０１ｆからの出射点は、励起光１２１の光軸上にはない。このため、第３励起光１２１ｂは集光光学系１０２において集光された光である第３副光線１２２ｂに変換されても、第１波長変換領域１１１に入射されない。すなわち、波長変換素子１０３へ入射する第３副光線１２２ｂは、主光線１２２が照射される第１波長変換領域１１１の周辺領域、すなわち第２波長変換領域１１２に照射される。ここで、本実施の形態においては、第２波長変換領域１１２には光減衰部１０６が配置されている。

したがって、第３副光線１２２ｂは、光減衰部１０６により一部が吸収され、一部は光減衰部１０６を通過し波長変換部１０５に入射される。

波長変換部１０５に到達した第３副光線１２２ｂは、拡散された光と蛍光とで構成される第３出射光１２３ｂとなり、一部は光減衰部１０６で吸収され、投光部材１２０側に出射される。そして、第３出射光１２３ｂは、投光部材１２０で投影される。しかしながら、第３出射光１２３ｂは、光減衰部１０６で減衰されているため、第３出射光１２３ｂの投影像への影響は小さい。

一方で、半導体発光素子１０１から出射された励起光１２１の一部が、集光光学系１０２の表面状態などにより主光線１２２以外の副光線となり集光光学系１０２から出射される場合がある。このような副光線の生成について、図面を用いて説明する。

図４は、本実施の形態に係る集光光学系１０２として、非球面凸レンズを用いた場合の集光光学系１０２の励起光１２１への作用の一例を示した断面図である。

集光光学系１０２の表面に製造時及び動作中の衝撃などにより微小凹凸１０２ｃが形成される場合、塵又はホコリなどの粒子１０２ｄが付着する場合などがある。

この場合、微小凹凸１０２ｃ及び粒子１０２ｄにおいて、励起光１２１が回折する。この回折により第４副光線１２２ｃ及び第５副光線１２２ｄが発生し得る。これらの副光線は、主光線１２２の集光方向とは異なる方向に進み、第１波長変換領域１１１の周辺に照射される。

例えば、この第４副光線１２２ｃにより生成された第４出射光１２３ｃも、第３出射光１２３ｂと同様に投光部材１２０で投影される。

しかしながら、第４出射光１２３ｃも、第３出射光１２３ｂと同様に光減衰部１０６で減衰されているため、第４出射光１２３ｃの投影像への影響は小さい。

上記において、本実施の形態のように主光線１２２を波長変換素子１０３に対して斜め方向より入射する場合は、垂直な方向より入射する場合と比較し、上記の副光線が、波長変換素子１０３上で主光線１２２に対してより離れた位置に照射される。したがって、より分離された光となるため、副光線の投影像への影響は大きい。しかしながら、本実施の形態においては、波長変換素子１０３のうち主光線１２２が照射される領域の周辺には、波長変換効率の低い第２波長変換領域１１２が形成される。したがって、副光線の投影像への影響を小さくすることができる。以上のように、本実施の形態に係る光源装置１００によれば、集光光学系１０２から波長変換素子１０３に入射される励起光のうち、主光線１２２以外の励起光は、波長変換効率の低い第２波長変換領域１１２に入射される。したがって、主光線１２２以外の励起光に起因する光源装置１００からの出射光（第４出射光１２３ｃなどの迷光）を低減できる。

［１−３．投影像］
上記の構成を備える光源装置１００の投影像における効果を図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。

図５Ａは、本実施の形態に係る光源装置１００に投光部材１２０を組み合わせて動作させた場合に得られる投影像を模式的に示した図である。

図５Ｂは、比較例に係る光源装置１００ｚに投光部材１２０を組み合わせて動作させた場合に得られる投影像を模式的に示した図である。

比較例に係る光源装置１００ｚは、波長変換素子において光減衰部を備えない点、つまり、第１波長変換領域１１１及び第２波長変換領域１１２における波長変換効率がほぼ同一である点において、光源装置１００と相違し、その他の点において一致する。

図５Ｂに示すように、比較例に係る光源装置１００ｚの投影像には、第１波長変換領域１１１から出射される出射光１２４による投影像の周辺に、第２励起光１２１ａに起因する第２出射光１２３ａが出射光１２４を囲むように投影される。第２出射光１２３ａの照度は、出射光１２４より低いものの、視認できる程度となり得る。さらに、第３出射光１２３ｂや第４出射光１２３ｃによる投影像も、強い照度ムラとなって、出射光１２４の周辺に投影される。

一方で、本実施の形態の光源装置１００においては、図５Ａに示すように、第２出射光１２３ａ、第３出射光１２３ｂ及び第４出射光１２３ｃの照度が光減衰部１０６低減されるため、出射光１２４とその周辺のコントラストが大きい投影像を得ることができる。

このため、例えば、本実施の形態に係る光源装置１００を車両前照灯に用いた場合、遠方の道路面への照度を大きくするとともに、その周囲の、例えば歩道などの照度を低くするなど照度分布の制御を容易に行うことができる。

［１−４．具体的な構成例］
以下、図６を用いてより具体的な光源装置１００の構成を説明する。

図６は、本実施の形態に係る光源装置１００の具体的な構成を示す断面図である。

図６に示すように、光源装置１００は、例えばアルミ合金で形成された支持部材１５５に半導体発光素子１０１、集光光学系１０２及び波長変換素子１０３が、直接又は間接的に固定される。

半導体発光素子１０１は、例えば炭化珪素基板である支持部材１０８を介して、パッケージ１５０に実装される。

集光光学系１０２は例えば金属鏡筒であるホルダ１４１に、例えば非球面凸レンズであるレンズ１４２と、例えばマイクロレンズアレイなどの複数の光学領域１４３Ａ、１４３Ｂ及び１４３Ｃを有する光学素子１４３とを備える。このとき光学素子１４３は、半導体発光素子１０１から出射した励起光１２１の光強度分布を成形する機能を有し、複数の光学領域１４３Ａ、１４３Ｂ及び１４３Ｃの界面は光学的に不連続な界面となる。

波長変換素子１０３は、図３Ａと同じ構成を備え、半田などにより支持部材１５５に固定され、さらに開口部を有する遮光カバー１５１により上面が覆われる。

このとき、波長変換素子１０３の第２波長変換領域１１２の周辺部が遮光カバー１５１で覆われるように固定されてもよい。遮光カバー１５１は、例えば表面を黒色に着色するアルマイト加工を施したアルミニウム合金を成形したものを用いる。

このとき、支持部材１０４及び支持部材１５５の熱伝導性を高くすることで、蛍光体から発生した熱を素早く排熱することが可能となる。

波長変換素子１０３の蛍光発光する側の面に対する主光線１２２の入射角度は、波長変換素子１０３から出射する蛍光の利用効率が高くなるようにするのが良い。例えば、波長変換部１０５の上面に立てた垂線を基準として、４０〜８０°の範囲としてもよい。また、表面反射を低減するため、主光線１２２の入射偏光方向は、Ｐ偏光としてもよい。

上記の構成の光源装置１００において、半導体発光素子１０１から出射した励起光１２１は、レンズ１４２、光学素子１４３で集光され、主光線１２２となり、波長変換素子１０３に入射する。このとき主光線１２２は、光学素子１４３の複数の光学領域１４３Ａ、１４３Ｂ及び１４３Ｃにて変換された主光線１２２Ａ、１２２Ｂ及び１２２Ｃから構成され、波長変換素子１０３の第１波長変換領域１１１に集光される。このとき、主光線１２２の第１波長変換領域１１１におけるスポット径は、例えば、ピーク強度に対して１／ｅ^２の強度になる径で定義される。本実施の形態では、スポット径は０．１〜１ｍｍである。なお、本開示では、スポット径は、ガウス分布以外の光強度分布を有する光に対しても同様に定義される。

第１波長変換領域１１１に集光された主光線１２２は、波長変換部１０５により、例えば相関色温度が５５００Ｋの白色光など色度座標が異なる光に変換され、出射光１２４として、波長変換部１０５における主光線１２２の入射面と同じ側の面から出射される。

光源装置１００から出射された出射光１２４は、例えば非球面凸レンズなどの投光部材１２０に入射され、投射光１２５として出射される。

このとき、光学素子１４３に入射した励起光１２１は、光学素子１４３の光学的に不連続な界面で回折され、回折光である第４副光線１２２ｃが発生する。

この第４副光線１２２ｃは、第１波長変換領域１１１の周辺の第２波長変換領域１１２に入射する。第２波長変換領域１１２に入射した第４副光線１２２ｃは、第４出射光１２３ｃとなり、投光部材１２０により投射される。しかしながら、前述のように光減衰部１０６により第１波長変換領域１１１よりも低い光変換効率で変換されるため、投影像への影響を小さくすることができる。

［１−５．効果］
続いて本実施の形態に係る光源装置１００の効果を、図面を用いて説明する。

図７Ａは、図６に示す本実施の形態に係る光源装置１００と同等の光学系に、光減衰部を備えない波長変換素子を用いて測定した、波長変換素子１０３の表面に相当する面に主光線と副光線とを照射することにより出射される出射光の輝度分布である。つまり、第１波長変換領域１１１及び第２波長変換領域１１２における波長変換効率がほぼ同一である点において、光源装置１００と相違し、その他の点において一致する光源装置を用いている。光学素子１４３としては、複数のレンズが表面に形成された光学素子を用いた。つまり、光学領域１４３Ａ、１４３Ｂ、１４３Ｃそれぞれにレンズを備え、表面に不連続な境界を有する光学素子１４３を用いた。したがって、図７Ａに示す波長変換素子１０３の表面には主光線と副光線が入射される。

このとき、波長変換素子１０３の表面からは、図７Ａの２次元の輝度分布に示すように主光線１２２によって生成される出射光によるメインピークの他に、第４副光線１２２ｃによって生成される出射光による複数のサイドピークを観測することができる。これらのサイドピークは図５Ｂに示すように、投影像のサイドピークとして観測されてしまう。

このようなサイドピークに対して本実施の形態に係る光源装置１００を用いた場合の効果について説明する。

以下、主光線１２２の周辺での輝度分布を比較した結果について図７Ｂを用いて説明する。

図７Ｂは、図７Ａに示す輝度分布のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における輝度分布を示すグラフであり、異なる波長変換素子、異なる集光光学系における輝度分布を比較したグラフである。

図７Ｂの輝度分布（ａ）は、図７Ａに示す輝度分布の主光線１２２を含む斜め方向（ＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ）における輝度分布を示すグラフである。輝度分布１２２Ｇは、スポット幅（光強度がピーク強度の１／ｅ^２になる幅）０．５ｍｍであるガウス分布を示す。これに対し、主光線１２２による輝度分布は、同じスポット幅でありながら輝度ピーク付近の輝度が約５５０ｃｄ／ｍｍ^２でフラットになるように光学素子１４３で成形されている。しかしながら、位置−０．３３ｍｍ付近と−０．６２ｍｍ付近にサイドピークが観測される。この時、主光線１２２によるメインピークと位置−０．３３ｍｍ付近の第４副光線１２２ｃによるサイドピークの輝度比は、１２：１であり低いコントラストしか得られていない。

一方で図７Ｂの輝度分布（ｂ）は、本実施の形態の構成を用いた場合における輝度分布を計算した結果を示すグラフである。

本実施の形態においては、主光線１２２により発光する領域の中心から直径０．５５ｍｍ以上の周辺に光減衰部１０６を形成し第２波長変換領域１１２とする。そして中心から直径０．５５ｍｍ以内の領域を第１波長変換領域１１１とする。したがって、第１波長変換領域１１１は主光線１２２のスポット径よりも大きい。

また、図７Ｂの輝度分布（ｂ）においては、光減衰部１０６は、励起光及び出射光を吸収し、光減衰部１０６がない場合と比較して、出射光の輝度が１／１０となるように設計される。この結果、第４副光線１２２ｃが照射される領域は、第２波長変換領域１１２となり、この領域に形成された光減衰部１０６により、図７Ｂの輝度分布（ｂ）に示すように迷光を低減することが可能となる。このとき、主光線１２２によるメインピークと第４副光線１２２ｃによるサイドピークの輝度比は、１２０：１であり、主光線による発光領域とそれ以外の発光領域のコントラストが十分に大きな光源装置１００を実現することができる。

一方で、本実施の形態に係る光源装置１００においては、車両前照灯などの光源として使用する場合には、強力な振動や衝撃が印加される。

このように光源装置１００に衝撃が印加された場合、集光光学系１０２の位置にずれが生じる可能性がある。このような集光光学系の位置ずれについて図面を用いて説明する。

図８は、本実施の形態に係る光源装置１００における集光光学系１０２の位置ずれの例を示す断面図である。

図８に示すように、集光光学系１０２に矢印Ａ１の方向に力が加わることにより、集光光学系１０２の位置が矢印Ａ１の方向にずれる。この場合、主光線１２２は第２波長変換領域１１２に照射される。ここで、第２波長変換領域１１２は、第１波長変換領域１１１よりも波長変換効率は低いものの、波長変換された光（つまり、蛍光）を発することができる。例えば、図７Ｂの輝度分布（ｃ）に示すように、第２波長変換領域１１２である位置−１．０ｍｍに主光線１２２が照射された場合でも、ピーク輝度が約５０ｃｄ／ｍｍ^２である波長変換された出射光１２４を出射することができる。このピーク輝度は第１波長変換領域１１１から出射される出射光の輝度５５０ｃｄ／ｍｍ^２よりも小さいが、車両前照灯に用いられるハロゲンランプ（例えば輝度２０ｃｄ／ｍｍ^２）と同等以上の輝度の光を投光部材１２０により出射させることができる。

このため、例えば本実施の形態に係る光源装置１００を車両前照灯に用いた場合において、図８に示すような集光光学系１０２の位置ずれなどの不具合が発生しても、光源装置１００から出射光１２４が出射される。したがって、車両前方の視認性を確保することができる。

（実施の形態１の変形例１）
［１Ａ−１．構成］
以下、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子１０３ａについて、図面を参照しながら説明する。

図９Ａは、本変形例に係る波長変換素子１０３ａの概略構成を示す模式的な断面図である。

図９Ｂは、本変形例に係る波長変換素子１０３ａの概略構成を示す模式的な上面図である。図９Ａは、図９ＢのＩＸＡ−ＩＸＡ断面を示す。

波長変換素子１０３ａは、実施の形態１に係る波長変換素子１０３と同様に、中央部に、第１波長変換領域１１１を備え、その周辺に、第１波長変換領域１１１よりも励起光に対する波長変換効率が低い第２波長変換領域１１２を備える。

本変形例に係る波長変換素子１０３ａにおいては、主光線１２２は波長変換部１０５の表面に対して斜めに入射し、波長変換素子１０３ａは、第２波長変換領域１１２に、当該表面において発生する主光線の指向性が維持された反射光が照射される凸部１６０を備える。本変形例では、波長変換部１０５又は光減衰部１０６の上部であって、第１波長変換領域１１１の開口部１０６ａと隣接する位置に凸部１６０が形成される。このとき、凸部１６０は、主光線１２２の波長変換素子１０３への入射位置に対して、主光線１２２が入射する側と反対側の位置に形成される。

ここで、凸部１６０として効果を発揮できる最低高さについて説明する。主光線１２２が照射されるスポットの中心位置から凸部１６０側壁までの距離ｄと、波長変換部１０５の上面に立てた垂線を基準として主光線１２２が入射する角度θから最低高さｈを算出することが可能となる。式は以下の通りとなる。

ｈ＝ｔａｎ（９０−θ）×２ｄ （式１）

このとき、例えば、距離ｄは、０．０５ｍｍ以上、θは、４０°〜８０°である。

例えば、ｄ＝０．２５、θ＝７０°である場合の凸部１６０の最低高さｈは、０．１８ｍｍである。

また、凸部１６０の幅（つまり、図９Ｂにおける上下方向の寸法）は、第１波長変換領域１１１の最大幅よりも大きくてもよい。これにより、主光線１２２の反射光のうち、主光線１２２の指向性が維持されたまま反射される反射光の大部分を凸部１６０に照射させることができる。

［１Ａ−２．製造方法］
実施の形態１の変形例における波長変換素子１０３ａの製造方法について、図１０を用いて説明する。

図１０は、本変形例に係る波長変換素子１０３ａの製造方法の各工程を示す模式図である。

図１０の断面図（ａ）に示すように、例えばＳｉ基板からなる支持部材１０４上に、電子ビーム蒸着装置を用いてＮｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２からなる光学膜１０４ａを形成する。なお、光学膜１０４ａは、Ａｇ、Ａｇ合金（例えば、銀パラジウム銅（ＡＰＣ）合金）、Ａｌなどの金属膜上に、誘電体からなる増反射膜を形成した構成を備えてもよい。続いて、ＹＡＧ：Ｃｅからなる蛍光体粒子１７１と、有機無機ハイブリッド材として例えばポリシルセスキオキサンからなるバインダ１７２とを混合し、蛍光体ペースト１７０を作製し、光学膜１０４ａ上に配置された開口部１７５ａへ塗布する。これにより、図１０の断面図（ｂ）に示すように、開口マスク１７５に蛍光体ペースト１７０が満たされる。

次に、図１０の断面図（ｃ）に示すように、開口マスク１７５からはみ出た蛍光体ペースト１７０を、開口マスク１７５を用いて除去する。

次に、図１０の断面図（ｄ）に示すように、開口マスク１７５を取外し、約２００℃でバインダを硬化する。

次に、図１０の断面図（ｅ）に示すように、開口マスク１７６を用いて、光減衰部１０６を形成する。このとき開口マスク１７６は、第１波長変換領域の上方をカバーするため、図示しない支持部を備えた鍵型状のパターンを有する開口マスクを用いる。そして、光減衰部１０６を形成するために、開口マスク１７６の上方から、例えば、電子ビーム蒸着又はスパッタ装置などを用いて、例えば、Ａｕ、Ｃｕ，Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏの少なくとも１つ以上の材料を積層させる。このとき、さらに、その上からＮｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３などを組合せた積層膜を形成してもよい。

続いて開口マスク１７６を外すことにより、図１０の上面図（ｆ）に示すように、波長変換部１０５が露出した光減衰部１０６を得ることができる。

次に、図１０の断面図（ｇ）に示すように、開口マスク１７７を用いて、主光線１２２が照射される波長変換部１０５の中央部と隣接する位置に、バインダに微粒子を含んだ微粒子ペースト１８０を塗布する。

続いて、図１０の断面図（ｈ）に示すように、バインダ硬化することで凸部１６０を形成することができる。

このとき、微粒子として、例えば、平均粒子径が０．５μｍから１０μｍの、ＴｉＯ_２粒子、Ａｌ_２Ｏ_３粒子などを用いることができる。より好ましくは微粒子の大きさとしては平均粒径Ｄ５０が例えば２μｍのものを用いる。

以上のように、凸部１６０を備える波長変換素子１０３ａを製造することができる。

［１Ａ−３．効果］
本変形例の効果について図面を用いて説明する。

図１１Ａは、本変形例に係る波長変換素子１０３ａにおける主光線１２２の反射光１３１の光路を示す模式図である。

図１１Ｂは、実施の形態１に係る波長変換素子１０３における主光線１２２の反射光１３１の光路を示す模式図である。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、本変形例に係る波長変換素子１０３ａ及び実施の形態１に係る波長変換素子１０３において、主光線１２２が波長変換部１０５に入射する際に、主光線１２２と同等の指向性を有する反射光１３１が発生する。

そのため、図１１Ｂに示すように、波長変換素子１０３が凸部１６０を備えない場合には、反射光１３１が指向性の高い迷光として光源装置１００から出射される。一方で、本変形例に係る波長変換素子１０３ａにおいては、凸部１６０を備えるため、反射光１３１を散乱させることによって、反射光１３１に代えて、指向性の低い散乱光１３２を出射させることができる。このように、本変形例では、指向性が高い反射光１３１が光源装置から出射することを抑制できる。

また、本変形例では、第２波長変換領域１１２において、波長変換部１０５のうち光減衰部１０６で覆われない部分を、凸部１６０によって覆うことができる（図９Ｂ参照）。例えば、光減衰部１０６を設ける場合に、図１０の上面図（ｆ）に示すように、中央以外にも開口部を形成せざるを得ない場合がある。しかしながら、本変形例においては、第２波長変換領域１１２において、波長変換部１０５のうち光減衰部１０６で覆われない部分を、凸部１６０によって覆うことができる。したがって、第２波長変換領域１１２において、波長変換効率が高い領域が形成されることを抑制できるため、主光線１２２以外の励起光に起因する光源装置からの出射光を低減できる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る波長変換素子及びそれを用いた光源装置について説明する。本実施の形態に係る波長変換素子は、光減衰部を備えず、第１波長変換領域と第２波長変換領域との波長変換効率を波長変換部の厚さによって調整している点において、実施の形態１に係る波長変換素子１０３と相違する。以下、本実施の形態に係る光源装置について図面を参照しながら説明する。

［２−１．構成］
本実施の形態に係る波長変換素子の構成について図面を用いて説明する。

図１２Ａは、本実施の形態に係る波長変換素子２０３の概略構成を示す模式的な断面図である。

図１２Ｂは、本実施の形態に係る波長変換素子２０３の概略構成を示す模式的な上面図である。なお、図１２Ａは、図１２ＢのＸＩＩＡ−ＸＩＩＡ断面を示す。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、支持部材２０４、及び、支持部材２０４上に配置された波長変換部２０５を備える。波長変換素子２０３は、中央部に第１波長変換領域２１１を備え、その周辺に、第１波長変換領域２１１よりも波長変換部２０５の厚さが薄い、第２波長変換領域２１２を備える。本実施の形態では、第１波長変換領域２１１の上面視における形状は、矩形であるが、矩形に限定されない。当該形状は、例えば円形であってもよい。

［２−２．製造方法］
本実施の形態の波長変換素子２０３の製造方法について図面を用いて説明する。本製造方法において、波長変換部２０５は、蛍光体とバインダを含む。蛍光体としては、平均粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であるＹＡＧ：Ｃｅ^３＋などのアルミネート系蛍光体を用い、バインダとしてはポリシルセスキオキサンなどのシルセスキオキサンを主として用いる。また、波長変換部２０５は主光線１２２を拡散させる拡散材を含んでもよい。拡散材として、例えば、平均粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であるアルミナなどの微粒子を用いることができる。

図１３は、本実施の形態に係る波長変換素子２０３の製造方法の各工程を示す模式図である。

図１３の断面図（ａ）に示すように、支持部材２０４上に光学膜２０４ａ、例えば厚さが１０μｍ以上２００μｍ以下である波長変換膜２０５Ｍ及びマスク２７５を形成する。光学膜２０４ａ及び波長変換膜２０５Ｍは、それぞれ、実施の形態１の変形例１に係る波長変換素子１０３ａの光学膜１０４ａ及び波長変換部１０５と同様の構成を備える。波長変換膜２０５Ｍが形成された後に、波長変換膜２０５Ｍの中央部に、例えばメタルマスク、又は、レジストマスクを用いてマスク２７５が形成される。

次に、図１３の断面図（ｂ）に示すように、フッ素系ドライエッチング又はフッ化アンモニウムを用いたウェットエッチングを実施し、シルセスキオキサンからなるバインダをエッチングする。そしてバインダとともに蛍光体を除去し、中央部以外の波長変換膜２０５Ｍを例えば５μｍ以上１００μｍ以下薄膜化することによって、波長変換部２０５を形成する。

次に、図１３の断面図（ｃ）に示すように、マスク２７５を除去することで、本実施の形態に係る波長変換素子２０３を作製することができる。

［２−３．効果］
以上のように波長変換素子２０３を構成することにより、波長変換部２０５の厚さ（つまり、膜厚）は、第２波長変換領域２１２の方が第１波長変換領域２１１よりも薄くなる。これにより、第２波長変換領域２１２における蛍光体の量が少なくなるため、第２波長変換領域２１２の波長変換効率は、第１波長変換領域２１１の波長変換効率よりも低くなる。そのため、第２波長変換領域２１２に入射された励起光に起因する出射光（迷光）を低減できる。

また、上記において、波長変換部２０５を構成する材料として、エッチングが可能なバインダを用いた。この構成により、より簡単に波長変換素子２０３を構成することができる。このときバインダの種類としてはエッチング可能なものであれば、上記に限らず選択でき、例えば、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＯなどを選択できる。また、波長変換部２０５を構成する材料として、蛍光体に加えて、熱伝導率の高いＡｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯなどの微粒子を加えることで、波長変換部２０５の平均的な熱伝導率を高くしたまま蛍光体の比率を低下させ、波長変換部２０５の厚さを厚くしてもよい。これにより、第１波長変換領域及び第２波長変換領域における波長変換部の厚さの差を大きくし、変換効率の差を大きくすることができる。

［２−４．具体的な構成例］
以下、本実施の形態に係る光源装置の具体的な構成について図面を用いて説明する。

図１４は、本実施の形態に係る光源装置２００の具体的な構成を示す断面図である。

図１４に示すように、光源装置２００は、同一光軸上に配置された半導体発光素子１０１、集光光学系１０２、波長変換素子２０３及び投光部材２２０を備える。半導体発光素子１０１、集光光学系１０２、波長変換素子２０３及び投光部材２２０は、この順に配列されている。図１４に示すように、本実施の形態に係る光源装置２００においては、半導体発光素子１０１は、波長変換素子２０３に対して、投光部材２２０の反対側に配置される。半導体発光素子１０１から出射された励起光１２１は、波長変換素子２０３の支持部材２０４側から入射される。

集光光学系１０２は、例えば非球面凸レンズであるレンズ２４２と、光学的に不連続な界面で接続された複数の領域を有する光学素子２４３とを備える。本実施の形態では、光学素子２４３は、第１光学面２４３ａと第２光学面２４３ｂとを有する。第１光学面２４３ａは光学的に不連続な界面で接続された複数のマイクロレンズを有する。第２光学面２４３ｂは、凸型の非球面曲面を有する。

以下、波長変換素子２０３の構成について説明する。

波長変換素子２０３は、図１４に示されるように、支持部材２０４と、光学膜２０４ａと、波長変換部２０５とを備える。

支持部材２０４は、透光性部材からなり、例えば、サファイヤ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ＳｉＣ又はダイヤモンドなどの熱伝導性が高い部材である。支持部材２０４の熱伝導性を高くすることで、波長変換部２０５から発生した熱を支持部材２０４から素早く排熱することが可能となる。つまり、支持部材２０４の放熱性を高めることができる。

支持部材２０４における波長変換部２０５と接触する面の反対側の面（図１４の下側の面）には、励起光１２１の屈折率差による反射を抑制するため、反射防止膜（不図示）が形成される。

また、支持部材２０４と波長変換部２０５とが接する界面には、励起光１２１の波長の光を透過し、波長変換部２０５から出射される蛍光（波長変換された光）の波長の光を反射するダイクロイック膜などの光学膜２０４ａが形成されてもよい。このような光学膜２０４ａにより、波長変換部２０５から支持部材２０４に向かって伝播する蛍光を反射して、波長変換部２０５から投光部材２２０に向かって出射させることができる。このため、波長変換部２０５で生成された蛍光を有効利用することができる。

波長変換部２０５は、蛍光材料とそれを保持するためのバインダを含む。蛍光材料及びバインダとしては、上記波長変換部１０５と同様の材料を用いることができる。

このとき、波長変換素子２０３は、中央部に第１波長変換領域２１１を備え、その周辺に、第１波長変換領域２１１よりも波長変換部２０５の厚さ（膜厚）が薄い、第２波長変換領域２１２を備える。

また、第１波長変換領域２１１の幅は、主光線２２２の照射スポット径と同程度にしてもよい。このとき、第１波長変換領域２１１の幅を０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすることで輝度の高い光源装置２００を実現することができる。

また、波長変換部２０５の上面には、励起光１２１の反射を防止する反射防止構造が形成されていてもよい。

上記構成において半導体発光素子１０１から出射された励起光１２１はレンズ２４２と光学素子２４３により光強度分布が成形され、集光する光である主光線２２２となり、波長変換素子２０３に入射する。

波長変換素子２０３に入射した主光線２２２は、支持部材２０４と光学膜２０４ａを通過し、第１波長変換領域１１１の波長変換部２０５に入射する。つまり、主光線２２２は光学素子２４３の複数の領域から波長変換部２０５に入射する。

このとき第１波長変換領域２１１への最大スポット幅（１／ｅ^２強度の幅）は、０．１以上、１ｍｍ以下である。

波長変換部２０５に入射した主光線２２２は、散乱又は吸収され、波長変換部２０５における主光線２２２の入射側の面と反対側の面（図１４の上側の面）から出射光２２４として出射される。

出射光２２４は、例えば非球面凸レンズである投光部材２２０により投射光２２５となり投光される。

光学素子２４３に入射した励起光１２１の一部は、光学素子２４３の光学的に不連続な界面で回折して、第４副光線２２２ｃとなり、第２波長変換領域２１２へ照射される。

以上のように、本実施の形態においては、集光光学系１０２において、第４副光線２２２ｃが発生し、波長変換素子２０３に照射される。しかしながら、第４副光線２２２ｃは、第２波長変換領域２１２に照射される。本実施の形態では、第２波長変換領域２１２における波長変換効率は低いため、第４副光線２２２ｃに起因する出射光（迷光）を低減できる。

また、本実施の形態では、波長変換素子２０３における出射光２２４が出射する側の面と反対側の面から主光線２２２が入射される。これにより、主光線２２２が波長変換素子２０３に入射する際に発生する反射光は出射光２２４と逆向きに伝播する。したがって、本実施の形態では、主光線２２２が波長変換素子２０３に入射する際に発生する反射光に起因する光源装置２００からの出射光（迷光）をより一層低減できる。

また、本実施の形態のように、主光線２２２の照射位置が波長変換素子２０３の出射光２２４が出射される位置の裏側にある場合には、一般に、主光線２２２の波長変換素子２０３への照射位置を所定の位置に調整することが難しい。しかしながら、本実施の形態では第１波長変換領域２１１だけでなく、第２波長変換領域２１２においても波長変換されるため、第２波長変換領域２１２に主光線２２２が照射されている場合においても、出射光２２４が出射される。そのため、主光線２２２の照射位置を視認でき、当該照射位置を第１波長変換領域２１１に容易に合わせることができる。

（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２の変形例１に係る波長変換素子について説明する。本変形例に係る波長変換素子は、光減衰部を備える点において、実施の形態２に係る波長変換素子２０３と相違し、その他の点において一致する。以下、本変形例に係る波長変換素子について、実施の形態２に係る波長変換素子２０３との相違点を中心に図１５を用いて説明する。

図１５は、本変形例に係る波長変換素子２０３ａの概略構成を示す模式的な断面図である。図１５においては、図１２Ａと同様に、波長変換素子２０３ａの中央付近を通り、支持部材２０４の主面に垂直な断面が示されている。

図１５に示すように波長変換素子２０３ａは、支持部材２０４、及び、支持部材２０４上に配置された波長変換部２０５を備える。波長変換素子２０３ａは、さらに第２波長変換領域２１２の上部に光減衰部２０６を備える。本変形例では、光減衰部２０６の励起光入射側の面（図１５の上側の面）は、第１波長変換領域２１１の光入射面（図１５の上側の面）よりも低くなるように形成される。つまり、第１波長変換領域２１１における波長変換部２０５は、光減衰部２０６から突出する。また、光減衰部２０６は、第１波長変換領域２１１における波長変換部２０５の側面（図１５の第１波長変換領域２１１の上下方向に延びる面）と接してもよい。

上記構成により、実施の形態２に係る波長変換素子２０３と同様に、半導体発光素子１０１又は集光光学系１０２から出射され、第１波長変換領域２１１以外に入射する励起光が出射光（迷光）として投影されることを抑制できる。また、光源装置２００に衝撃などが印加され、集光光学系１０２の位置がずれた場合、第１波長変換領域２１１周辺にある第２波長変換領域２１２に主光線２２２が照射され、波長変換された出射光を投光部材２２０により出射させることができる。このため、光源装置２００に集光光学系１０２の位置ずれなどの不具合が発生しても、光源装置２００から出射光が出射されなくなることを抑制できる。さらに、主光線の裾野の光が第２波長変換領域２１２にはみ出したとしても、第１波長変換領域２１１より発光効率は低いが波長変換されるため、発光効率を高くすることも可能となる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る波長変換素子及び光源装置について説明する。本実施の形態に係る光源装置は、主に波長変換素子が光減衰部を備える点において、実施の形態２に係る光源装置２００と相違する。以下、実施の形態３に係る光源装置について、実施の形態２に係る光源装置２００との相違点を中心に図面を用いて説明する。

図１６Ａは、本実施の形態に係る波長変換素子３０３の概略構成を示す模式的な断面図である。図１６Ａにおいては、図１２Ａなどと同様に、波長変換素子３０３の中央付近を通り、支持部材３０４の主面に垂直な断面が示されている。

図１６Ａに示すように、本実施の形態に係る波長変換素子３０３は、支持部材３０４と、光学膜３０４ａと、波長変換部３０５と、光減衰部３０６とを備える。支持部材３０４は、実施の形態２に係る波長変換素子２０３の支持部材２０４と同様の構成を備える。

光学膜３０４ａは、波長変換部３０５から出射される蛍光（波長変換された光）を反射する部材である。本実施の形態では、光学膜３０４ａは、支持部材３０４の表面に形成された誘電体多層膜を備えるダイクロイック膜である。

光減衰部３０６は、実施の形態１に係る光減衰部１０６と同様の材料で形成された部材であり、本実施の形態では、光学膜３０４ａと、波長変換部３０５との間に配置される。光減衰部３０６の中央には、開口部が形成されている。光減衰部３０６の開口部の形状は特に限定されず、用途に応じて適宜定められてよい。当該形状は、例えば、円形、矩形、正方形などでもよい。

波長変換部３０５は、例えばＣｅ賦活ガーネット系蛍光体を含む部材であり、光減衰部３０６の開口部、及び、光減衰部３０６の上（図１６Ａの上側）に配置される。

本実施の形態では、第１波長変換領域３１１は、光減衰部３０６の開口部の上方となる。また、第２波長変換領域３１２は、その周辺の波長変換部３０５が形成されている領域となる。

続いて、図１６Ｂを用いて、本実施の形態に係る光源装置３００の構成について説明する。

図１６Ｂは、本実施の形態に係る光源装置３００の具体的な構成を示す断面図である。

本実施の形態においては、支持部材３０４を形成する材料として、励起光１２１に対して透明で、熱伝導性が高い材料を用いる。具体的には、支持部材３０４を形成する材料として、サファイヤ基板を用いる。

また、光学膜３０４ａは波長４９０ｎｍより短い波長の光を透過し、波長４９０ｎｍより長い波長の光を反射するダイクロイック膜である。

例えば窒化物半導体レーザ素子である半導体発光素子１０１の光導波路１０１ａから出射された励起光１２１は、集光光学系１０２で集光されて波長変換素子３０３の支持部材３０４側（図１６Ｂの下側）から入射される。

本実施の形態において、集光光学系１０２は、レンズ２４２と、光学素子２４３とを備える。光学素子２４３は、第１光学面２４３ａと第２光学面２４３ｂとを有する。第１光学面２４３ａは凸型の非球面曲面を有する。第２光学面２４３ｂは、光学的に不連続な界面で接続された複数のマイクロレンズを有する。

このとき集光光学系１０２に集光される主光線２２２は、光減衰部３０６の中央の開口部より波長変換部３０５に入射される。

波長変換部３０５に入射した主光線２２２は、波長変換部３０５により、散乱された励起光と蛍光とで構成される出射光２２４となり、投光部材２２０で、投射光２２５として投光される。

上記の構成において、光学素子２４３の第２光学面２４３ｂにおいて、発生する回折光である第４副光線２２２ｃは、波長変換素子３０３の第１波長変換領域３１１の周辺である第２波長変換領域３１２に照射される。このとき光減衰部３０６は波長変換部３０５より入射側（集光光学系１０２側）に配置されている。

本実施の形態では、実施の形態２に係る光源装置２００と同様に、波長変換素子３０３の出射光２２４が出射する側の反対側から主光線２２２が入射される。したがって、本実施の形態では、主光線２２２が波長変換素子３０３に入射する際に発生する反射光に起因する光源装置３００からの出射光（迷光）をより一層低減できる。

また、本実施の形態に係る波長変換素子３０３は、第２波長変換領域３１２に光減衰部３０６を備えるため、実施の形態２に係る波長変換素子２０３より、第２波長変換領域３１２から出射される出射光を低減することができる。

なお、上記において、集光光学系１０２を、レンズ２４２と、光学素子２４３とで構成したがこの限りでない。レンズを含み３つ以上の光学系で構成してもよい。また、レンズ２４２と光学素子２４３とを一体化させ、一方側に曲率の大きい非球面曲面、他方側に複数のマイクロレンズを形成した一つの光学素子を用いて集光光学系を構成してもよい。これにより、より簡素な構成の光源装置を実現できる。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４に係る波長変換素子について説明する。本実施の形態に係る波長変換素子は、主に支持部材に凹部が形成されている点において、実施の形態２に係る波長変換素子２０３と相違する。以下、本実施の形態に係る波長変換素子について、実施の形態２に係る波長変換素子２０３との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図１７は、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の概略構成を示す模式的な断面図である。図１７においては、図１２Ａなどと同様に、波長変換素子４０３の中央付近を通り、支持部材４０４の主面に垂直な断面が示されている。

図１７に示すように、本実施の形態に係る波長変換素子４０３は、支持部材４０４と波長変換部４０５とを備える。

本実施の形態では、支持部材４０４に、凹部４０８が形成されている。

波長変換部４０５は、凹部４０８及びその周辺の領域に配置されている。つまり、支持部材４０４の凹部４０８及びその周辺の領域は、波長変換部４０５で覆われている。

本実施の形態では、第１波長変換領域４１１は、凹部４０８上に形成された波長変換部４０５であり、第２波長変換領域４１２は、凹部４０８以外の領域に形成された波長変換部４０５である。

このため、第１波長変換領域４１１における波長変換部４０５の厚さは、第２波長変換領域４１２の波長変換部４０５の厚さよりも厚くなる。

この構成により、第２波長変換領域４１２の励起光の光量に対する波長変換効率を、第１波長変換領域４１１に比較して小さくすることができる。

支持部材４０４に形成される凹部４０８の深さは、波長変換部４０５に混合される蛍光体の平均粒子径以上としてもよい。これにより、凹部４０８における単位面積当たりの蛍光体の量を、凹部４０８の周辺における単位面積あたりの蛍光体の量より多くすることができる。

凹部４０８の形状は、例えば、上向き（図１７の上向き）に開いたテーパ形状でもよい。また、凹部４０８の底面付近は、曲率を有してもよい。

続いて、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の詳細な構成及び製造方法について図面を用いて説明する。

図１８は、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の製造方法の各工程を示す断面図である。

まず、図１８の断面図（ａ）に示すように、支持部材４０４を準備し、支持部材４０４の上面に開口マスク４７５を形成する。本実施の形態では、支持部材４０４としてＳｉ基板を用いる。支持部材４０４の表面に熱酸化によりＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィーと、フッ酸を用いたウェットエッチングとにより開口マスク４７５を形成する。

続いて、例えばＫＯＨ溶液による異方性エッチングなどを用いたエッチングにより、図１８の断面図（ｂ）に示すように支持部材４０４に凹部４０８を形成する。

続いて、開口マスク４７５を除去し、電子ビーム蒸着又はスパッタなどを用いて、図１８の断面図（ｃ）に示すように、光学膜４０４ａを形成する。光学膜４０４ａは、例えば、誘電体多層膜、及び、Ａｇなどの金属膜の少なくとも一方で形成される。

続いて、図１８の断面図（ｄ）に示すように、蛍光体粒子とバインダとを混合した蛍光体ペースト４７０を上部より塗布する。蛍光体粒子としては、例えばＹＡＧ黄色蛍光体を用いることができる。バインダとしては、例えばポリシルセスキオキサンを用いることができる。

続いて、図１８の断面図（ｅ）に示すように、蛍光体ペースト４７０を、所定の厚さの開口マスクを用いて、支持部材４０４上に成膜する。このとき、凹部４０８に対応する第１波長変換領域４１１における蛍光体ペースト４７０の厚さは、凹部４０８の深さ分だけ厚くなる。

続いて、蛍光体ペースト４７０を塗布した支持部材４０４を、１５０〜２００℃の高温槽で加熱することによって、蛍光体ペースト４７０を硬化させる。これにより、波長変換部４０５を形成できる。蛍光体ペースト４７０が硬化する際、硬化収縮し、凹部４０８上方の波長変換部４０５に凹部４１８が形成される。これにより、図１８の断面図（ｆ）に示すような、波長変換部４０５に凹部４１８が形成された波長変換素子４０３が製造される。

なお、本実施の形態においては凹部４０８の形成方法の一例としてウェットエッチングを示したが、凹部４０８の形成方法は、これに限定されない。凹部４０８の形成方法として、例えば、ドライエッチング又は切削加工などを用いることができる。凹部４０８の形成方法は、支持部材４０４として用いる材料に応じて適宜選択される。

続いて、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の動作及び効果について図１９を用いて説明する。

図１９は、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の動作を示す模式図である。

図１９に示すように、本実施の形態に係る波長変換素子４０３において、半導体発光素子から出射され集光光学系により成形された主光線１２２が波長変換部４０５の第１波長変換領域４１１に入射する。

このとき、第１波長変換領域４１１における波長変換部４０５の表面には、凹部４１８が形成されているため、波長変換部４０５の凹部４１８から出射された出射光１２４の一部は、凹部４１８の表面で反射される。より具体的には、出射光１２４に含まれる主光線１２２の散乱光１２４ａと、主光線１２２が波長変換された光である蛍光１２４ｂとが、凹部４１８の表面で反射され得る。これにより、出射光１２４が集光されるため、本実施の形態に係る波長変換素子４０３では、出射光１２４の指向性を向上できる。つまり、本実施の形態に係る波長変換素子４０３の波長変換部４０５では、表面が平らな波長変換部よりも指向性が高い出射光１２４を出射させることができる。

また、半導体発光素子又は集光光学系において主光線１２２とは異なる第３副光線１２２ｂが発生したとしても、第１波長変換領域４１１の周辺に形成された第２波長変換領域４１２に入射される。第３副光線１２２ｂは、第２波長変換領域４１２で、波長変換され得る。しかしながら、第３副光線１２２ｂの強度は低く、例えば、主光線１２２の、１００分の１程度である。さらに、第２波長変換領域４１２における波長変換効率は第１波長変換領域４１１より低い。そのため、第３副光線１２２ｂに起因して出射される第３出射光１２３ｂの強度は、出射光１２４と比較して十分小さい。

以上のように、本実施の形態に係る波長変換素子４０３では、第２波長変換領域４１２における波長変換部４０５の厚さは、第１波長変換領域４１１における波長変換部４０５の厚さより薄いため、第３副光線１２２ｂに起因する出射光（迷光）を低減できる。

さらには、第１波長変換領域４１１が出射光１２４の放射角（配光特性）を狭角化することができるため、光の利用効率、及び、投射光学系の設計自由度を向上できる。例えば、投射光学系におけるリフレクタ又はレンズを小型化することができる。

（実施の形態４の変形例１）
次に、実施の形態４の変形例１に係る波長変換素子について説明する。本変形例に係る波長変換素子は、光減衰部を備える点において、実施の形態４に係る波長変換素子４０３と相違する。以下、本変形例に係る波長変換素子について、実施の形態４に係る波長変換素子４０３との相違点を中心に図面を参照しながら説明する。

図２０は、本変形例に係る波長変換素子４０３ａの概略構成を模式的に示す断面図である。

図２０に示すように、本変形例に係る波長変換素子４０３ａは、実施の形態４に係る波長変換素子４０３と同様に、凹部４０８が形成された支持部材４０４と、波長変換部４０５とを備える。波長変換素子４０３ａは、さらに、光減衰部４０６を備える。光減衰部４０６の、支持部材４０４の凹部４０８に対応する位置には開口部が形成されている。当該開口部に対応する領域が第１波長変換領域４１１であり、その周辺が第２波長変換領域４１２である。

このような構成により、光減衰部４０６の特性を調整することで、波長変換素子４０３の第２波長変換領域４１２における励起光に対する波長変換効率を調整することができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る波長変換素子及び光源装置について説明する。本実施の形態に係る光源装置は、集光光学系が光ファイバーを備え、半導体発光素子からの光が、光ファイバーを伝搬した後、波長変換素子に入射する点で、実施の形態１に係る光源装置１００と相違する。また、波長変換素子は、実施の形態２と同様に、第一波長変換領域及び第２波長変換領域の波長変換部の厚さが異なる点で同じであるが、波長変換部の詳細な構成が異なる。以下、本実施の形態に係る光源装置について、実施の形態１及び２に係る光源装置１００及び２００との相違点を中心に図面を用いて説明する。

図２１は、本実施の形態に係る光源装置５００の構成を示す断面図である。図２２は、本実施の形態に係る光源装置５００に搭載される波長変換素子５０３の詳細な構成を示す模式的な断面図である。図２１においては、図１２Ａなどと同様に、波長変換素子５０３の中央付近を通り、支持部材５０４の主面に垂直な断面が示されている。図２３は、本実施の形態に係る光源装置５００に搭載される波長変換素子５０３から放射される出射光２２４の特性評価結果を示す図である。図２３においては、出射光２２４の光強度の出射角度依存性が示されている。

［５−１．構成］
光源装置５００は、半導体発光素子１０１と、集光光学系５０２と、波長変換素子５０３とを備える。そして、集光光学系５０２は、レンズ５４３と、主光線１２２が伝搬する光ファイバー５４４と、レンズ５４５とを備える。

半導体発光素子１０１は、例えばパッケージである支持部材１０８上に搭載され、半導体発光素子１０１の光導波路１０１ａから例えばピーク波長４５０ｎｍのレーザ光である励起光１２１を照射する。

波長変換素子５０３は、支持部材５０４と、支持部材５０４上に配置された波長変換部５０５とを備える。波長変換素子５０３は、中央部に第１波長変換領域５１１を備え、その周辺に、第１波長変換領域５１１よりも波長変換部５０５の厚さが薄い、第２波長変換領域５１２を備える。そして、開口部を有する遮光カバー１５１が、波長変換素子５０３の主光線１２２の入射側に配置される。遮光カバー１５１は波長変換素子５０３の第２波長変換領域５１２の周辺部を覆うように固定される。

また、波長変換素子５０３の主光線１２２の入射側には、例えばパラボリックミラーである投光部材５２０が配置される。

図２２に、波長変換素子５０３の、より詳しい断面の構成を示す。支持部材５０４は、例えばシリコン基板、窒化アルミニウムセラミック基板などの基板であり、表面に可視光を反射する光学膜５０４ａが形成される。光学膜５０４ａは、単層又は多層の膜であり、本実施の形態では第１光学膜５０４ａ１と第２光学膜５０４ａ２とで構成される。第１光学膜５０４ａ１は、例えば、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌなどの金属膜で構成される反射膜である。第２光学膜５０４ａ２は、第１光学膜５０４ａ１を酸化などから保護する機能も有し、例えば、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡｌＮなどの１つ又は複数の誘電体層からなる。

本実施の形態において、波長変換部５０５は、ＹＡＧ：Ｃｅからなる蛍光体粒子５７１、及び、蛍光体粒子５７１を第２光学膜５０４ａ２に固着するためのバインダ５７２の他に、微粒子５７３が混合される。波長変換部５０５には、さらにボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂが形成される。

［５−２．動作］
本実施の形態においては、励起光１２１は、波長変換素子５０３の波長変換部５０５側より入射され、同じ波長変換部５０５側より出射光が放射される。具体的には、光導波路１０１ａから出射された励起光１２１はレンズ５４３により集光され、光ファイバー５４４に入射され、光ファイバー５４４の内部を伝搬する。光ファイバー５４４から出射された主光線１２２は、レンズ５４５により再び集光され、波長変換素子５０３に集光される。

このとき、光源装置５００において、主光線１２２は、集光光学系５０２のレンズ５４５から波長変換部５０５の第１波長変換領域５１１の表面に斜め方向から入射される。青色レーザ光である主光線１２２の一部は、第１波長変換領域５１１の表面及び内部にて拡散し、他の一部は、第１波長変換領域５１１の蛍光体粒子５７１にて蛍光となり、第１波長変換領域５１１の表面から放射される。この拡散して放射される散乱光２２４ａと蛍光２２４ｂとが混合した光は出射光２２４として、投光部材５２０に向かって出射される。出射光２２４は、投光部材５２０で反射され、ほぼ平行な光である投射光２２５となり光源装置５００の外部へと出射される。

このとき、集光光学系５０２のいずれかの部品で発生した第３副光線１２２ｂは、第２波長変換領域５１２に照射されるが、第２波長変換領域５１２の波長変換効率は、第１波長変換領域５１１の波長変換効率よりも低い。そのため、第２波長変換領域５１２に入射された励起光である第３副光線１２２ｂに起因する出射光（迷光）を低減できる。

光源装置５００は、さらに第２波長変換領域５１２の周辺を覆うように遮光カバー１５１を備える。遮光カバー１５１は、例えばアルミ板に表面が黒色アルマイト加工したものを用いる。このため、第２波長変換領域５１２のさらに外側に到達する副次光を、遮光カバー１５１の表面に照射させることで副次光の大部分を吸収させることができる。

本実施の形態においては、集光光学系５０２の一部が光ファイバー５４４で構成される。このため、半導体発光素子１０１と、波長変換素子５０３との位置関係を自由に設定できる。このため、本実施の形態に係る光源装置５００を用いて投光装置を構築する場合には、より自由な設計ができる。

［５−３．波長変換素子の具体例及びその効果］
以下、波長変換素子５０３の具体例について説明する。本実施の形態において波長変換部５０５は、蛍光体粒子５７１として平均粒子径が１μｍ以上３０μｍ以下で熱伝導率が約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である（Ｙ_ｘＧｄ_１−ｘ）_３（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ（０．５≦ｘ≦１、０．５≦ｙ≦１）又は（Ｌａ_ｘＹ_１−ｘ）_３Ｓｉ_６Ｎ_１１：Ｃｅ^３＋（０≦ｘ≦１）を含み、蛍光体粒子５７１を固定するバインダ５７２として、熱伝導率が約１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるシルセスキオキサンを主成分とする透明材料を含む。

波長変換部５０５は、蛍光体粒子５７１を第１粒子としたときの第２粒子として、平均粒子径が０．１以上１０μｍ以下で熱伝導率が約３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）のＡｌ_２Ｏ_３の微粒子をさらに含む。このとき第２粒子は蛍光体粒子５７１に対して１０ｖｏｌ％以上、９０ｖｏｌ％以下の比率で波長変換部５０５に混合される。この構成により、第１波長変換領域５１１の波長変換部５０５において、同じ蛍光体粒子の含有量で、かつ第２粒子を含まない場合の波長変換部と比較し、単位体積あたりの蛍光体粒子５７１の比率を低くし、厚さを厚くすることができる。このため、波長変換部５０５における第１波長変換領域５１１を容易に厚くすることができる。そして、第１波長変換領域５１１と第２波長変換領域５１２との厚さの差を大きくし、変換効率に差をつけることができるため、第３副光線１２２ｂの投影像への影響を小さくすることができる。このとき、第１波長変換領域５１１は、熱伝導率が比較的低いバインダではなく、熱伝導率がより高い第２粒子の含有量を増やすことで厚みを厚くするため、第１波長変換領域５１１で発生する熱を容易に支持部材に放熱させることができる。したがって、第１波長変換領域５１１の発光効率の低下などの性能低下を抑制することができる。

また第２粒子として、屈折率１．５のシルセスキオキサンとの屈折率差が大きい屈折率１．８のＡｌ_２Ｏ_３を用いている。これにより、波長変換部５０５の厚さが薄い第２波長変換領域５１２においても励起光の散乱性を高めることができるため、第２波長変換領域５１２から放射する光の、単位出射角あたりの光強度密度を低くすることができる。

さらに、波長変換部５０５の内部に、ボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂを設けてもよい。本実施の形態においては、波長変換部５０５の中央付近に形成されたボイド５７４Ｍと、光学膜５０４ａとの界面付近に形成されたボイド５７４Ｂが構成される。

本実施の形態においては、波長変換部５０５は、光学膜２０４ａに近いほどボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂの密度（つまり、構成比率）が高くなるように構成される。この構成により、波長変換部５０５の内部に侵入した励起光を、バインダ５７２などとの屈折率差が大きいボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂにおいてより効率的に散乱させて、光源装置５００から取り出すことができる。また、ボイド５７４Ｂは、誘電体である第２光学膜５０４ａ２と接するため、金属表面によるエネルギーロスを低減しつつ、効果的に励起光及び蛍光を散乱させることができる。

上記のようなボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂは、実施の形態１で説明したように、ＹＡＧ：Ｃｅからなる蛍光体粒子５７１と、ポリシルセスキオキサンからなるバインダ５７２とを混合した、蛍光体ペーストを用いて波長変換部５０５を構成することで容易に形成できる。具体的には、蛍光体粒子５７１と第２粒子とを、ポリシルセスキオキサンを有機溶剤に溶かしたバインダ５７２に混合した蛍光体ペーストからなるペースト膜を支持部材５０４上に形成する。その後、２００℃程度の高温アニールを行うことで、ペースト膜中の有機溶剤を気化させる。このとき、波長変換部５０５における支持部材５０４に近い部分から気化した有機溶剤は、波長変換部５０５によって保持されやすいためボイド５７４Ｍ及び５７４Ｂを容易に形成することができる。このような製造方法により、容易に光学膜２０４ａの近傍に高い密度でボイドを形成することができる。また上記の製造方法において、蛍光体ペーストを異なる大きさの開口形状を有する開口マスクを用いて複数回塗布することで容易に波長変換部５０５の厚さが異なる第１波長変換領域と第２波長変換領域を形成することができる。

このようにして構成した波長変換部５０５の第１波長変換領域５１１によって、さらに次のような効果も得られる。図２３のグラフ（ａ）は、励起光１２１の入射面に対して直交する方向（図２１においては上部への法線方向）に対する散乱光２２４ａに相当する波長の光と蛍光２２４ｂに相当する波長の光との光強度の出射角度依存性を示す。本実施の形態に示す波長変換素子５０３用いることで得られる散乱光２２４ａは励起光１２１が十分散乱されたのち放射された光であることがわかる。特に、出射角度が大きい領域では法線方向に対する光強度比が、ｃｏｓθで表されるｌａｍｂｅｒｔｉａｎ分布よりも大きくなるような分布を実現できている。このような分布を有する光源装置は、図２３のグラフ（ｂ）に示すように、散乱光２２４ａと蛍光２２４ｂとで構成される出射光２２４の色度の角度分布を、出射角度が大きくなるにつれて色度ｘが低くなるように設定できる。つまり、出射光の出射角度が大きくなるにつれて、相関色温度が高くなるような配光分布を実現できる。このような配光分布の光源装置を用いることで、角度が０度付近、つまり照射中心の色温度は視感度の高い色度としながらも、全光束の相関色温度を高くすることができる投光装置を実現できる。なおこのような、配光分布を有する光源装置は、波長変換部５０５を、例えば、ＹＡＧ：Ｃｅからなり、平均粒径が２〜１０μｍである蛍光体粒子と、Ａｌ_２Ｏ_３からなり、平均粒径１〜４μｍである第２粒子と、屈折率が１．５以下のシリコーン又はポリシルセスキオキサンからなるバインダとで構成し、バインダの体積比率を波長変換部５０５の体積に対して２０％から５０％とすることで実現できる。そして、支持部材５０４上における波長変換部５０５の膜厚が２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲においては、散乱光と蛍光との光強度の比率に応じて相関色温度５０００Ｋから６５００Ｋの出射光を実現できる。

なお、本実施の形態において、バインダとしてポリシルセスキオキサンを用いたがこの限りではない。例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＢａＯなどの無機物を主に構成する材料で構成することでより高い信頼性を有する波長変換素子５０３を構成することができる。また、波長変換部５０５に含まれる第２粒子は、Ａｌ_２Ｏ_３に限らず、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２などの微粒子を選択することができる。特に、熱伝導率の高い窒化ホウ素、ダイヤモンドの微粒子を混合させることで、波長変換部５０５の光散乱性を強めるとともに、蛍光体粒子５７１からの熱を効率よく支持部材５０４に伝導させることができる。また蛍光体粒子５７１についても、（Ｙ_，Ｇｄ）_３（Ａｌ_，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ又は（Ｌａ_，Ｙ）_３Ｓｉ_６Ｎ_１１：Ｃｅに限らず、所望の色度座標の出射光を出射させるため、実施の形態１で示したような任意の蛍光体材料を選ぶことができる。

（その他の変形例など）
以上、本開示に係る光源装置及び投光装置について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記各実施の形態及び各変形例では、半導体発光素子として半導体レーザを用いたが、半導体発光素子は、半導体レーザに限定されない。例えば、半導体発光素子として発光ダイオードを用いてもよい。

その他、各実施の形態及び各変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

本開示は、投写表示装置などのディスプレイ分野、又は、車両用照明、産業用照明や医療用照明などの照明分野に用いられる波長変換素子及び光源装置に適用できる。

１００、１００ｚ、２００、３００、５００、１００１ 光源装置
１０１ 半導体発光素子
１０１ａ 光導波路
１０１ｂ 基板
１０１ｃ 第１クラッド
１０１ｄ 発光層
１０１ｅ 第２クラッド
１０１ｆ 発光面
１０１ｇ 発光点
１０２、５０２ 集光光学系
１０２ｃ 微小凹凸
１０２ｄ 粒子
１０３、１０３ａ、２０３，２０３ａ、３０３、４０３、４０３ａ、５０３ 波長変換素子
１０４、１０８、１５５、２０４、３０４、４０４、５０４ 支持部材
１０４ａ、２０４ａ、３０４ａ、４０４ａ、５０４ａ 光学膜
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５ 波長変換部
１０６、２０６、３０６、４０６ 光減衰部
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１ 第１波長変換領域
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 第２波長変換領域
１２０、２２０、５２０ 投光部材
１２１ 励起光
１２１ａ 第２励起光
１２１ｂ 第３励起光
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、２２２ 主光線
１２２ｂ 第３副光線
１２２ｃ、２２２ｃ 第４副光線
１２２ｄ 第５副光線
１２３ａ 第２出射光
１２３ｂ 第３出射光
１２３ｃ 第４出射光
１２４、２２４ 出射光
１２４ａ、１３２、２２４ａ 散乱光
１２４ｂ、２２４ｂ 蛍光
１２５、２２５ 投射光
１３１ 反射光
１４１ ホルダ
１４２、２４２ レンズ
１４３、２４３ 光学素子
１４３Ａ、１４３Ｂ、１４３Ｃ 光学領域
１５０ パッケージ
１５１ 遮光カバー
１６０ 凸部
２０５Ｍ 波長変換膜
２４３ａ 第１光学面
２４３ｂ 第２光学面
５０４ａ１ 第１光学膜
５０４ａ２ 第２光学膜
５４３、５４５ レンズ
５４４ 光ファイバー
Ａ１ 矢印

Claims (15)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子から出射された励起光を集光する集光光学系と、
   前記励起光が照射され、前記励起光の少なくとも一部を波長変換し、波長変換された光を出射する波長変換部を備える波長変換素子とを備え、
   前記波長変換素子は、
   前記波長変換部の一部を含み、前記励起光のうち、前記集光光学系によって集光された主光線が入射される第１波長変換領域と、
   前記波長変換部の前記一部以外の部分を含み、前記第１波長変換領域の周辺に配置され、前記主光線以外の前記励起光が入射される第２波長変換領域とを備え、
   前記第２波長変換領域の波長変換効率は、前記第１波長変換領域の波長変換効率よりも低い
   光源装置。
2. 前記波長変換部は、希土類元素で賦活された蛍光材料を含み、
   前記蛍光材料は、前記励起光の少なくとも一部を吸収し、前記励起光と波長が異なる蛍光を前記波長変換された光として出射する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長変換部は、前記主光線を拡散させる拡散材を含む
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記第２波長変換領域における前記波長変換部の厚さは、前記第１波長変換領域における前記波長変換部の厚さよりも薄い
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記波長変換素子は、前記第２波長変換領域から出射される光量を低減する光減衰部を備える
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記光減衰部は、前記励起光を透過し、かつ、前記波長変換部から出射される波長変換された光を反射する
   請求項５に記載の光源装置。
7. 前記光減衰部は、前記励起光及び前記波長変換部から出射される光の少なくとも一方を吸収し、熱に変換する
   請求項５に記載の光源装置。
8. 前記光減衰部には、前記第１波長変換領域に対応する位置に開口部が形成されている
   請求項５〜７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記開口部の径は、前記波長変換部の前記主光線が入射される面における前記主光線のスポット径以上である
   請求項８に記載の光源装置。
10. 前記波長変換素子は、凹部が形成された支持部材を備え、
    前記波長変換部は、前記凹部及び前記凹部の周辺に配置される
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光源装置。
11. 前記波長変換部のうち前記凹部に配置されている部分の表面は、凹んでいる
    請求項１０に記載の光源装置。
12. 前記集光光学系は、光学的に不連続な界面で接続された複数の領域を有する光学素子を備え、
    前記主光線が、前記光学素子の前記複数の領域から前記波長変換部に入射する
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光源装置。
13. 前記集光光学系は、前記主光線が伝搬する光ファイバーを備える
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光源装置。
14. 前記主光線は前記波長変換部の表面に対して斜めに入射する
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光源装置。
15. 前記波長変換素子は、前記第２波長変換領域に、前記表面における前記主光線の反射光が照射される凸部を備える
    請求項１４に記載の光源装置。

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