WO2014010478A1 - 光源装置 - Google Patents

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孝一郎 古田
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Definitions

  • the present invention relates to a light source device.
  • Patent Document 1 a light source device that generates light of a plurality of colors using a light source that outputs light of a single color such as a semiconductor light source is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a blue laser diode (LD) is used as a light source, and a rotation having a region transmitting blue light and a region generating red and green fluorescence and reflecting these fluorescence by blue light A wheel is provided to guide blue light and red and green light in separate light paths.
  • LD blue laser diode
  • Patent No. 4711154 gazette
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a light source device having a small optical path configuration and capable of generating light with high efficiency.
  • the present invention comprises a light source for outputting monochromatic light, a wavelength conversion element disposed on an output optical axis of the light source and generating light of a color different from the monochromatic light by being irradiated with the monochromatic light, and
  • the output optical axis is disposed between the light source and the wavelength conversion element, and transmits the monochromatic light and scatters the light generated in the wavelength conversion element toward the light source in the direction of the wavelength conversion element.
  • a dichroic mirror that folds back in parallel to the light source device.
  • monochromatic light output from the light source is converted to light of a different color in the wavelength conversion element, and then output along the output optical axis.
  • part of the light scattered to the light source side is folded back only once in parallel with the output optical axis by a single dichroic mirror, and is scattered to the opposite side to the light source It is output together with other light. Therefore, in the light after conversion, the occurrence of the deviation of the optical axis and the loss is prevented.
  • light can be generated and output with high efficiency from monochromatic light output from the light source.
  • the wavelength conversion element, and the dichroic mirror are all arranged in a line on the output optical axis, the optical path configuration can be miniaturized.
  • a first collimating optical system which is disposed between the dichroic mirror and the wavelength conversion element and collimates the light scattered from the wavelength conversion element toward the light source, and the wavelength conversion element
  • a second collimating optical system may be provided which is disposed in the subsequent stage and collimates the light scattered from the wavelength conversion element to the side opposite to the light source. In this way, light generated in the wavelength conversion element and scattered in each direction can be converted into parallel light and output by the first collimating optical system and the second collimating optical system.
  • the first collimating optical system may include a lens having a flat surface, and the dichroic mirror may be integrally formed on the flat surface.
  • the plurality of wavelength conversion elements may be arranged in a direction along or crossing the output optical axis in the irradiation area of the monochromatic light on the output optical axis, and a plurality of sets of The wavelength conversion element and the dichroic mirror may be arranged in series on the output optical axis.
  • the light source device 1 is, as shown in FIG. 1, a light source 2 for outputting monochromatic light, and an output optical axis X of the light source 2 (hereinafter, also simply referred to as an optical axis X) in line.
  • the dichroic mirror 3, the first collimating optical system 4, the wavelength conversion element 5, and the second collimating optical system 6 are provided.
  • the light source 2 is a semiconductor light source, a laser diode or the like that outputs monochromatic light with high directivity.
  • blue laser light L having a wavelength of 450 nm is assumed as monochromatic light beam.
  • a single light source 2 is shown in FIG. 1, a plurality of (for example, 2 ⁇ 2 or 3 ⁇ 3) light sources 2 outputting laser light L parallel to each other are arranged in an array. It may be
  • the dichroic mirror 3 is disposed perpendicular to the optical axis X, and transmits the laser light L incident from the light source 2 along the optical axis X. Further, the dichroic mirror 3 reflects the fluorescence Lb 'back scattered in the wavelength conversion element 5 along the optical axis X as described later.
  • the dichroic mirror 3 has a characteristic of transmitting light of a wavelength of 500 nm or less and reflecting light of a wavelength longer than 500 nm.
  • FIG. 8 shows the relationship between the wavelength of the laser light L assumed in the present embodiment, the wavelength of the fluorescence L ′ generated by the wavelength conversion element 5 (described later), and the spectral transmission characteristics of the dichroic mirror 3.
  • the left vertical axis is the light transmittance of the dichroic mirror 3, and the right vertical axis is the relative intensity of the laser light L and the fluorescence L '.
  • the first collimating optical system 4 includes a meniscus lens or a plano-convex lens disposed with the convex surface facing the light source 2 side.
  • the first collimating optical system 4 collimates the fluorescence L ′ backscattered by the wavelength conversion element 5 and emits the collimated fluorescence L ′ to the dichroic mirror 3. Further, the first collimating optical system 4 condenses the fluorescence L ′ reflected and returned by the dichroic mirror 3 on the wavelength conversion element 5.
  • the occurrence of spherical aberration can be suppressed by arranging the meniscus lens or the plano-convex lens with the convex surface facing the light source 2 as described above.
  • the first collimating optical system 4 is preferably composed of a plurality of lenses in which the above-described meniscus lens or plano-convex lens is combined with a lens (not shown). By doing so, the occurrence of spherical aberration can be further suppressed.
  • the wavelength conversion element 5 is an element that emits light by being irradiated with the laser light L (monochromatic light) from the light source 2 and holds, for example, a phosphor or a quantum dot excited by the laser light L.
  • the wavelength conversion element 5 is a phosphor that includes the wavelength 450 nm of the laser light L in the excitation wavelength band and generates fluorescence (light) L 'having a peak wavelength of 550 nm.
  • the fluorescence L 'generated in the wavelength conversion element 5 is fluorescence Lf' which is forward scattered in the space S1 on the front side (the opposite side to the light source 2) of the optical axis X, and the rear side (the same side as the light source 2) It is divided into the fluorescent light Lb 'backscattered to space S2 of.
  • the forward scattered fluorescence Lf ′ is incident on the second collimating optical system 6, and the backscattered fluorescence Lb ′ is incident on the first collimating optical system 4.
  • the second collimating optical system 6 includes one meniscus lens or plano-convex lens disposed with the convex surface facing the optical axis X forward.
  • the second collimating optical system 6 collimates the fluorescence L ′ incident from the wavelength conversion element 5 and emits it along the optical axis X.
  • the second collimating optical system 6 is preferably composed of a plurality of lenses in which the above-described meniscus lens or plano-convex lens and a lens (not shown) are combined. By doing so, the occurrence of spherical aberration can be further suppressed.
  • the blue laser light L output from the light source 2 transmits the dichroic mirror 3 and is incident on the wavelength conversion element 5 so that the green fluorescence in the wavelength conversion element 5 is generated.
  • the fluorescence Lf ′ which is forward scattered is converted into parallel light by the second collimating optical system 6 and then output to the outside of the light source device 1 along the optical axis X.
  • the fluorescence Lb ′ which has been backscattered and travels in the reverse direction to the optical axis X is converted into parallel light by the first collimating optical system 4 and then folded back by the dichroic mirror 3.
  • the light is collected on the wavelength conversion element 5.
  • the overlap between the light emission wavelength band of the wavelength conversion element 5 and the excitation wavelength band is small or not at all. Therefore, the fluorescence Lb ′ collected on the wavelength conversion element 5 excites the phosphor and hardly causes energy loss, and passes through the wavelength conversion element 5.
  • the fluorescence Lb ′ transmitted through the wavelength conversion element 5 is converted into parallel light by the second collimating optical system 6 as with the forward-scattered fluorescence Lf ′ and then the outside of the light source device 1 along the optical axis X Output.
  • the entire fluorescence L 'generated in the wavelength conversion element 5 is output from the light source device 1 as the final output light.
  • an optical path is formed linearly along the output optical axis X of the light source 2, and the backscattered fluorescence Lb 'is a single dichroic disposed perpendicular to the optical axis X.
  • the mirror 3 reflects light in a direction parallel to the optical axis X and only once. Therefore, the occurrence of optical axis misalignment and loss of the fluorescence Lb 'is prevented, and the reflected fluorescence Lb' is output along the optical axis X to the outside of the light source device 1 with sufficiently high efficiency.
  • This has the advantage that the fluorescent light L 'as output light can be generated from the laser light L with high efficiency. Further, by making the optical path straight, there is an advantage that the optical path configuration can be made compact.
  • the single wavelength conversion element 5 is provided to generate the green fluorescence L ′ from the blue laser light L.
  • a plurality of wavelength conversion elements 51 and 52 are provided.
  • light of a plurality of colors may be generated from the blue laser light L.
  • the light source device 1 includes two wavelength conversion elements 51 and 52 arranged in the direction along the optical axis X.
  • the first wavelength conversion element 51 has the same characteristics as the wavelength conversion element 5 described above.
  • the second wavelength conversion element 52 includes the wavelength 450 nm of the laser light L in the excitation wavelength band and a fluorescence L having a wavelength longer than that of the fluorescence L ′ generated by the first wavelength conversion element 51, for example, 650 nm. "Holding phosphor to generate”.
  • the overlap between the emission wavelength bands of the wavelength conversion elements 51 and 52 and the excitation wavelength bands of the wavelength conversion elements 51 and 52 is small or not at all. Therefore, the fluorescence Lb ', Lb "hardly excites the phosphor to cause energy loss, and passes through the wavelength conversion elements 51, 52.
  • the two wavelength conversion elements 51 and 52 may be arranged in the direction crossing the optical axis X, as shown in FIG. In this case, adjacent surfaces of the two wavelength conversion elements 51 and 52 are disposed substantially on the optical axis X such that the laser light L is incident on both of the wavelength conversion elements 51 and 52. Also in this case, as in the light source device 1, it is possible to simultaneously generate green fluorescence L ′ and red fluorescence L ′ ′ from the blue laser light L.
  • wavelength conversion elements 51 and 52 it is not necessary to be one each of wavelength conversion elements 51 and 52, for example, one wavelength conversion element is 1 Alternatively, two wavelength conversion elements may be provided, and two wavelength conversion elements may be provided.
  • the dichroic mirror 3 and the first collimating optical system 4 are separately configured, but instead, the light source device 10 according to the modification shown in FIG.
  • the first collimating optical system 41 and the dichroic mirror 31 may be integrally formed.
  • the first collimating optical system 41 includes a lens (a plano-convex lens in the illustrated example) 4a having a flat surface, and the dichroic mirror 31 is integrally formed on the flat surface of the lens 4a.
  • the number of optical elements can be further reduced, and the optical path configuration can be further miniaturized.
  • a plurality of wavelength conversion elements 51 and 52 as shown in FIGS. 2 and 3 may be employed.
  • the lens surface disposed closest to the light source 2 among the lens surfaces of the lenses constituting the first collimating optical system 41 is a flat surface, and the dichroic mirror 31 is formed on the flat surface.
  • a plurality of (two in the illustrated example) dichroic mirrors 3, 3 ', the first collimating optical system 4, 4 ', wavelength conversion elements 5, 5' and second collimating optics 6, 6 ' may be provided in series on the optical axis X.
  • the wavelength conversion element 5 ′ of the latter group has a wavelength (for example, a peak wavelength of 650 nm) longer than the fluorescence L ′ generated by the wavelength conversion element 5 of the previous group.
  • the second set of dichroic mirrors 3 'transmits the laser light L from the light source 2 and the fluorescence L' generated by the first set of wavelength conversion elements 5 and transmits the second set of It has a characteristic of reflecting the fluorescence L ′ ′ generated by the wavelength conversion element 5 ′. That is, as the wavelength conversion elements 5 and 5 'are disposed at positions farther from the light source 2 on the optical axis X, that is, as they are disposed downstream, the wavelength band of the generated light is longer. It is configured to hold the phosphor.
  • FIG. 9 shows the wavelengths of the laser light L assumed in the configuration of the light source device 20, the wavelengths of the fluorescence L ′, L ′ ′ generated by the wavelength conversion elements 5, 5 ′, and the spectral transmission characteristics of the dichroic mirrors 3, 3 ′.
  • the left vertical axis is the light transmittance of the dichroic mirror 3, 3 ′, and the right vertical axis is the relative intensity of the laser light L and the fluorescence L ′, L ′ ′.
  • the laser light L that has passed through the wavelength conversion element 5 of the preceding set excites the wavelength conversion element 5 'of the subsequent set to emit light.
  • a plurality of wavelength conversion elements 51 and 52 as shown in FIGS. 2 and 3 may be employed instead of the wavelength conversion elements 5 and 5 ′.
  • the wavelength conversion element 5 is fixedly disposed in the optical path, but instead, a plurality of wavelength conversion elements are alternatively disposed in the optical path. It may be done.
  • a plurality of wavelength conversion elements 51, 52, 53 may be provided on the rotation turret 7.
  • the rotary turret 7 is arranged on the surface of the diffusion plate 8 in the circumferential direction around the central axis O, and the diffusion plate 8 transmits and diffuses light.
  • the plurality of (three in the illustrated example) wavelength conversion elements 51, 52, and 53 that emit light of different colors according to the laser light L are provided.
  • the rotary turret 7 is disposed in the optical path so that the central axis O is parallel to the optical axis X, and is rotated by a drive mechanism (not shown) around the central axis O, thereby turning one wavelength conversion element 51, 52, 53 It is configured to be disposed in the light path.
  • the light source device 30 according to the modified example configured as described above, it is possible to easily switch the color of the output light to be finally generated.
  • the light source device 1 includes the collimating optical systems 4 and 5.
  • the configuration of the light source device is not limited to this, and the light source device 1 may not include the collimating optical system.

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Abstract

光路構成が小型であるとともに高い効率で光を生成する。単色光（Ｌ）を出力する光源（２）と、該光源（２）の出力光軸（Ｘ）上に配置され、単色光（Ｌ）の照射によって該単色光（Ｌ）とは異なる色の光（Ｌ'）を発生する波長変換素子（５）と、光源（２）と波長変換素子（５）との間に配置され、単色光（Ｌ）を透過し、波長変換素子（５）において発生された光（Ｌ'）のうち光源２側に散乱した光（Ｌｂ'）を波長変換素子（５）の方向に出力光軸（Ｘ）と平行に折り返すダイクロイックミラー（３）とを備える光源装置（１）を提供する。

Description

光源装置
　本発明は、光源装置に関するものである。
　従来、半導体光源のような単一の色の光を出力する光源を用い、複数の色の光を生成する光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、青色のレーザダイオード（ＬＤ）を光源として用い、青色の光を透過する領域と、青色の光によって赤色と緑色の蛍光を発生するとともにこれらの蛍光を反射する領域とを有する回転ホイールを備え、青色の光と赤色および緑色の光とを別々の光路で導光している。
特許第４７１１１５４号公報
　しかしながら、特許文献１の場合、青色の光を導光する光路と、赤色および緑色の光を導光する光路とが別々に設けられているため、装置構成が大きくなり、部品点数も多くなるという問題がある。また、ミラーによって光路を複数回折り曲げているため、光を効率良く導光することができない。すなわち、光軸に対するミラーの角度がθずれていると、反射後の光の光軸の角度は２倍の２θずれることとなる。この光軸の角度のずれは、ミラーによって反射される度に累積される。また、ミラーによって反射される度に光は損失する。その結果、特許文献１の光路構成では、光源の出力に対して高い効率で光を生成して出力することができないという問題がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光路構成が小型であるとともに高い効率で光を生成することが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、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明は、単色光を出力する光源と、該光源の出力光軸上に配置され、前記単色光が照射されることによって該単色光とは異なる色の光を発生する波長変換素子と、前記光源と前記波長変換素子との間に配置され、前記単色光を透過するとともに前記波長変換素子において発生された光のうち前記光源側に散乱した光を前記波長変換素子の方向に前記出力光軸と平行に折り返すダイクロイックミラーとを備える光源装置を提供する。
　本発明によれば、光源から出力された単色光は、波長変換素子において異なる色の光に変換された後に、出力光軸に沿って出力される。この場合に、波長変換素子において発生した光のうち光源側に散乱した一部の光は、単一のダイクロイックミラーによって出力光軸と平行に一度だけ折り返されて、光源とは反対側に散乱した他の光とともに出力される。したがって、変換後の光において光軸のずれや損失の発生が防止される。これにより、光源が出力した単色光から高効率で光を生成して出力することができる。また、光源、波長変換素子およびダイクロイックミラーは全て出力光軸上に一列に配置されているので、光路構成を小型にすることができる。
　上記発明においては、前記ダイクロイックミラーと前記波長変換素子との間に配置され、該波長変換素子から前記光源側に散乱した光を平行光にする第１のコリメート光学系と、前記波長変換素子の後段に配置され、該波長変換素子から前記光源とは反対側に散乱した光を平行光にする第２のコリメート光学系とを備えた構成であってもよい。
　このようにすることで、波長変換素子において発生して各方向に散乱した光を、第１のコリメート光学系および第２のコリメート光学系によって平行光にして出力することができる。
　上記構成においては、前記第１のコリメート光学系が、平面を有するレンズを備え、前記ダイクロイックミラーが、前記平面に一体的に形成されていてもよい。
　このようにすることで、光学素子の数をさらに少なくし、光路構成をさらに小型にすることができる。
　上記発明においては、複数の前記波長変換素子が、前記出力光軸上の前記単色光の照射領域において、前記出力光軸に沿う方向にまたは交差する方向に配列されていてもよく、複数組の前記波長変換素子および前記ダイクロイックミラーが、前記出力光軸上に直列に配置されていてもよい。
　このようにすることで、光源から出力された単色光から複数の色の光を生成することができる。
　本発明によれば、光路構成が小型であるとともに高い効率で光を生成することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る光源装置の全体構成図である。 図１の光源装置が備える波長変換素子の変形例を示す図である。 図１の光源装置が備える波長変換素子のもう１つの変形例を示す図である。 図１の光源装置の変形例を示す全体構成図である。 図１の光源装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図６の変形例に係る光源装置が備える回転ターレットの（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。 図１の光源装置における、ダイクロイックミラーの分光透過特性と、光源が出力するレーザ光および波長変換素子が発生する蛍光の波長分布とを示すグラフである。 図５の光源装置における、２つのダイクロイックミラーの分光透過特性と、レ―ザ光および蛍光の波長分布とを示すグラフである。
　以下に、本発明の一実施形態に係る光源装置１について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る光源装置１は、図１に示されるように、単色光を出力する光源２と、該光源２の出力光軸Ｘ（以下、単に光軸Ｘともいう。）上に一列に配置されたダイクロイックミラー３、第１のコリメート光学系４、波長変換素子５および第２のコリメート光学系６とを備えている。
　光源２は、指向性の高い単色のビーム光を出力する半導体光源やレーザダイオードなどである。本実施形態においては、単色のビーム光として、４５０ｎｍの波長を有する青色のレーザ光Ｌを想定している。図１には単一の光源２が示されているが、レーザ光Ｌを互いに平行に出力する複数（例えば、２個×２個または３個×３個）の光源２がアレイ状に配置されていてもよい。
　ダイクロイックミラー３は、光軸Ｘに対して垂直に配置され、光源２から入射してきたレーザ光Ｌを光軸Ｘに沿って透過する。また、ダイクロイックミラー３は、後述するように波長変換素子５において後方散乱した蛍光Ｌｂ’を光軸Ｘに沿って反射する。本実施形態においては、５００ｎｍ以下の波長の光を透過し、５００ｎｍよりも長い波長の光を反射する特性を有するダイクロイックミラー３を想定している。図８は、本実施形態において想定されるレーザ光Ｌの波長と、波長変換素子５が発生する蛍光Ｌ’の波長（後述）と、ダイクロイックミラー３の分光透過特性との関係を示している。左縦軸はダイクロイックミラー３の光透過率であり、右縦軸はレーザ光Ｌおよび蛍光Ｌ’の相対強度である。
　第１のコリメート光学系４は、凸面を光源２側に向けて配置されたメニスカスレンズまたは平凸レンズを備えている。第１のコリメート光学系４は、波長変換素子５において後方散乱された蛍光Ｌ’を平行化してダイクロイックミラー３へ出射する。また、第１のコリメート光学系４は、ダイクロイックミラー３によって反射されて戻ってきた蛍光Ｌ’を波長変換素子５に集光する。ここで、上記のようにメニスカスレンズまたは平凸レンズを、凸面を光源２側に向けて配置することによって、球面収差の発生を抑制することができる。第１のコリメート光学系４は、上記のメニスカスレンズまたは平凸レンズと図示しないレンズとを組み合わせた複数のレンズから構成されていることが望ましい。このようにすることで、球面収差の発生をさらに抑制することができる。
　波長変換素子５は、光源２からのレーザ光Ｌ（単色光）が照射されることによって発光する素子であり、例えば、レーザ光Ｌによって励起される蛍光体または量子ドットを保持している。本実施形態においては、波長変換素子５として、レーザ光Ｌの波長４５０ｎｍを励起波長帯域に含むとともに５５０ｎｍのピーク波長を有する蛍光（光）Ｌ’を発生する蛍光体を想定している。波長変換素子５において発生した蛍光Ｌ’は、光軸Ｘの前方側（光源２とは反対側）の空間Ｓ１に前方散乱する蛍光Ｌｆ’と、光軸Ｘの後方側（光源２と同一側）の空間Ｓ２に後方散乱する蛍光Ｌｂ’とに分けられる。これら蛍光Ｌｆ’，Ｌｂ’のうち、前方散乱した蛍光Ｌｆ’は第２のコリメート光学系６へ入射し、後方散乱した蛍光Ｌｂ’は第１のコリメート光学系４へ入射する。
　第２のコリメート光学系６は、凸面を光軸Ｘ前方に向けて配置された１つのメニスカスレンズまたは平凸レンズを備えている。第２のコリメート光学系６は、波長変換素子５から入射してきた蛍光Ｌ’を平行化し、光軸Ｘに沿って出射する。第２のコリメート光学系６は、上記のメニスカスレンズまたは平凸レンズと図示しないレンズとを組み合わせた複数のレンズから構成されていることが望ましい。このようにすることで、球面収差の発生をさらに抑制することができる。
　次に、このように構成された光源装置１の作用について説明する。
　本実施形態に係る光源装置１によれば、光源２から出力された青色のレーザ光Ｌがダイクロイックミラー３を透過して波長変換素子５に入射することによって、該波長変換素子５において緑色の蛍光Ｌ’が発生する。発生した蛍光Ｌ’のうち、前方散乱した蛍光Ｌｆ’は、第２のコリメート光学系６によって平行光に変換されてから光軸Ｘに沿って光源装置１の外部へ出力される。
　一方、後方散乱して光軸Ｘを逆方向に進んだ蛍光Ｌｂ’は、第１のコリメート光学系４によって平行光に変換されてからダイクロイックミラー３によって折り返され、第１のコリメート光学系４によって波長変換素子５に集光される。ここで、波長変換素子５の発光波長帯域と励起波長帯域との重なりは少ないか、或いは全くない。したがって、波長変換素子５に集光された蛍光Ｌｂ’は、蛍光体を励起させてエネルギー損失を生じることは殆どなく、波長変換素子５を透過する。そして、波長変換素子５を透過した蛍光Ｌｂ’は、前方散乱した蛍光Ｌｆ’と同様に、第２のコリメート光学系６によって平行光に変換されてから光軸Ｘに沿って光源装置１の外部へ出力される。これにより、波長変換素子５において発生した蛍光Ｌ’全体が最終的な出力光として光源装置１から出力される。
　この場合に、本実施形態によれば、光源２の出力光軸Ｘに沿って直線状に光路が形成され、後方散乱した蛍光Ｌｂ’が、光軸Ｘに垂直に配置された単一のダイクロイックミラー３によって光軸Ｘに平行な方向に、かつ、一度だけ反射される構成とされている。したがって、蛍光Ｌｂ’の光軸ずれおよび損失の発生が防止され、反射された蛍光Ｌｂ’は十分に高い効率で光軸Ｘに沿って光源装置１の外部へ出力される。これにより、レーザ光Ｌから出力光としての蛍光Ｌ’を高効率で生成することができるとうい利点がある。また、光路を直線状とすることによって、光路構成を小型にすることができるという利点がある。
　なお、本実施形態においては、単一の波長変換素子５を備え、青色のレーザ光Ｌから緑色の蛍光Ｌ’を生成することとしたが、これに代えて、複数の波長変換素子５１，５２を備え、青色のレーザ光Ｌから複数の色の光を生成することとしてもよい。
　図２に示される変形例に係る光源装置１は、光軸Ｘに沿う方向に配列された２つの波長変換素子５１，５２を備えている。第１の波長変換素子５１は、上述した波長変換素子５と同一の特性を有している。第２の波長変換素子５２は、レーザ光Ｌの波長４５０ｎｍを励起波長帯域に含むとともに第１の波長変換素子５１が発生する蛍光Ｌ’よりも長い波長、例えば、６５０ｎｍのピーク波長を有する蛍光Ｌ”を発生する蛍光体を保持している。
　ダイクロイックミラー３を透過してきた青色のレーザ光Ｌが第１の波長変換素子５１および第２の波長変換素子５２に入射すると、第１の波長変換素子５１において緑色の蛍光Ｌ’が発生し、第２の波長変換素子５２において赤色の蛍光Ｌ”が発生する。これら緑色の蛍光Ｌ’と赤色の蛍光Ｌ”のうち、前方散乱した蛍光Ｌｆ’，Ｌｆ”は第２のコリメート光学系６へ入射する。一方、後方散乱した蛍光Ｌｂ’，Ｌｂ”はダイクロイックミラー３で折り返されてから、第１のコリメート光学系４、第１の波長変換素子５１および第２の波長変換素子５２を通過し、第２のコリメート光学系６へ入射する。ここで、波長変換素子５１，５２の各発光波長帯域と波長変換素子５１，５２の各励起波長帯域との重なりは、少ないか、或いは全くない。したがって、蛍光Ｌｂ’，Ｌｂ”は、蛍光体を励起させてエネルギー損失を生じることは殆どなく、波長変換素子５１，５２を透過する。
　このようにすることで、単色のレーザ光Ｌから、該レーザ光Ｌとは異なる２色の光Ｌ’，Ｌ”を同時に生成することができる。
　２つの波長変換素子５１，５２は、図３に示されるように、光軸Ｘに交差する方向に配列されていてもよい。この場合、レーザ光Ｌが両方の波長変換素子５１，５２に入射するように、２つの波長変換素子５１，５２同士の隣接面が略光軸Ｘ上に配置される。このようにしても、光源装置１と同様に、青色のレーザ光Ｌから緑色の蛍光Ｌ’と赤色の蛍光Ｌ”とを同時に生成することができる。
　また、図２および図３のように複数の波長変換素子５１，５２を備える構成においては、各波長変換素子５１，５２が１つずつである必要はなく、例えば、一方の波長変換素子を１つ、他方の波長変換素子を２つ備えていてもよく、各波長変換素子を２つずつ備えていてもよい。
　また、本実施形態においては、ダイクロイックミラー３と第１のコリメート光学系４とが別体に構成されていることとしたが、これに代えて、図４に示される変形例に係る光源装置１０のように、第１のコリメート光学系４１とダイクロイックミラー３１とが一体的に形成されていてもよい。この場合、第１のコリメート光学系４１が平面を有するレンズ（図示する例では平凸レンズ）４ａを備え、該レンズ４ａの平面にダイクロイックミラー３１が一体的に形成されていることが好ましい。
　このように構成された変形例に係る光源装置１０によれば、光学素子の数をさらに削減し、光路構成をさらに小型にすることができる。この構成においても、波長変換素子５に代えて、図２および図３に示されるような複数の波長変換素子５１，５２を採用してもよい。
　ここで、第１のコリメート光学系４１を構成するレンズが有するレンズ面のうち最も光源２側に配されるレンズ面が平面であり、該平面にダイクロイックミラー３１が形成されることが好ましい。これにより、後方散乱した蛍光Ｌｂ’は、第１のコリメート光学系４１によって十分に平行光とされた状態でダイクロイックミラー３１に入射することとなり、ダイクロイックミラー３１による蛍光Ｌｂ’の反射効率を向上することができる。
　また、本実施形態においては、図５に示される変形例に係る光源装置２０のように、複数組（図示する例では２組）のダイクロイックミラー３，３’、第１のコリメート光学系４，４’、波長変換素子５，５’および第２のコリメート光学系６，６’が、光軸Ｘ上に直列に備えられていてもよい。
　この場合、後段の組の波長変換素子５’は、図２の波長変換素子５２と同様に、前段の組の波長変換素子５が発生する蛍光Ｌ’よりも長い波長（例えば、６５０ｎｍのピーク波長）を有する蛍光Ｌ”を発生する。後段の組のダイクロイックミラー３’は、光源２からのレーザ光Ｌおよび前段の組の波長変換素子５が発生した蛍光Ｌ’を透過し、後段の組の波長変換素子５’が発生した蛍光Ｌ”を反射するような特性を有する。すなわち、複数の波長変換素子５，５’は、光軸Ｘ上で光源２から離れた位置に配置されるほど、つまり後段側に配置されるほど、発生する光の波長帯域が長波長である蛍光体を保持するように構成されている。
　図９は、光源装置２０の構成において想定されるレーザ光Ｌの波長と、波長変換素子５，５’が発生する蛍光Ｌ’，Ｌ”の波長と、ダイクロイックミラー３，３’の分光透過特性との関係を示している。左縦軸はダイクロイックミラー３，３’の光透過率であり、右縦軸はレーザ光Ｌおよび蛍光Ｌ’，Ｌ”の相対強度である。
　このようにして、前段の組の波長変換素子５を通過したレーザ光Ｌが、後段の組の波長変換素子５’を励起して発光させるようになっている。
　この変形例に係る光源装置２０においても、波長変換素子５，５’に代えて、図２および図３に示されるような複数の波長変換素子５１，５２を採用してもよい。
　また、本実施形態においては、波長変換素子５が光路に固定配置されていることを前提としたが、これに代えて、複数の波長変換素子が択一的に光路に配されるように構成されていてもよい。例えば、図６に示されるように、複数の波長変換素子５１，５２，５３が回転ターレット７に設けられていてもよい。
　回転ターレット７は、図７の（ａ），（ｂ）に示されるように、光を透過および拡散する拡散板８と、該拡散板８の表面に中心軸Ｏを中心にして周方向に配列して設けられ、レーザ光Ｌによって互いに異なる色の発光を呈する複数（図示する例では３つ）の波長変換素子５１，５２，５３とを備えている。回転ターレット７は、中心軸Ｏが光軸Ｘと平行となるように光路に配置され、中心軸Ｏ回りに図示しない駆動機構によって回転させられることによって、一の波長変換素子５１，５２，５３を光路に配するように構成されている。
　このように構成された変形例に係る光源装置３０によれば、最終的に生成する出力光の色を簡単に切り替えることができる。
　また、本実施形態においては、波長変換素子５が保持する発光体の例として、蛍光体および量子ドットを挙げたが、波長変換素子５の例はこれに限定されるものではない。
　また、本実施形態においては、光源装置１がコリメート光学系４，５を備えることとしていたが、光源装置の構成はこれに限定されるものではなく、コリメート光学系を備えない構成としてもよい。
１　光源装置
２　光源
３　ダイクロイックミラー
４　第１のコリメート光学系
５　波長変換素子
６　第２のコリメート光学系
Ｌ　レーザ光（単色光）
Ｌ’　蛍光（光）
Ｘ　出力光軸

Claims (5)

  1. 　単色光を出力する光源と、
    　該光源の出力光軸上に配置され、前記単色光が照射されることによって該単色光とは異なる色の光を発生する波長変換素子と、
    　前記光源と前記波長変換素子との間に配置され、前記単色光を透過するとともに前記波長変換素子において発生された光のうち前記光源側に散乱した光を前記波長変換素子の方向に前記出力光軸と平行に折り返すダイクロイックミラーとを備える光源装置。
  2. 　前記ダイクロイックミラーと前記波長変換素子との間に配置され、該波長変換素子から前記光源側に散乱した光を平行光にする第１のコリメート光学系と、
    　前記波長変換素子の後段に配置され、該波長変換素子から前記光源とは反対側に散乱した光を平行光にする第２のコリメート光学系とを備える請求項１に記載の光源装置。
  3. 　前記第１のコリメート光学系が、平面を有するレンズを備え、
    　前記ダイクロイックミラーが、前記平面に一体的に形成されている請求項２に記載の光源装置。
  4. 　複数の前記波長変換素子が、前記出力光軸上の前記単色光の照射領域において、前記出力光軸に沿う方向にまたは交差する方向に配列されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の光源装置。
  5. 　複数組の前記波長変換素子および前記ダイクロイックミラーが、前記出力光軸上に直列に配置されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源装置。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105008791B (zh) 2013-08-06 2017-08-29 奥林巴斯株式会社 光源光学系统、光纤光源、显微镜和汽车用前照灯
JP6493739B2 (ja) * 2015-02-12 2019-04-03 カシオ計算機株式会社 光源装置及び投影装置
US10953797B2 (en) * 2018-04-05 2021-03-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cloaking devices with converging lenses and coherent image guides and vehicles comprising the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005347263A (ja) * 2004-06-04 2005-12-15 Lumileds Lighting Us Llc 照明装置における離間した波長変換
JP2010515096A (ja) * 2006-12-29 2010-05-06 フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー 不要な光をリサイクルするためのカラー選択パネルを含む照明デバイス

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003084168A (ja) * 2001-09-14 2003-03-19 Asahi Glass Co Ltd 多層膜付レンズおよび光ファイバコリメータ
US7543959B2 (en) * 2005-10-11 2009-06-09 Philips Lumiled Lighting Company, Llc Illumination system with optical concentrator and wavelength converting element
US20070236933A1 (en) * 2006-04-06 2007-10-11 Philips Lumileds Lighting Company Llc Angular dependent element positioned for color tuning
JP2008040042A (ja) * 2006-08-04 2008-02-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 光学系及び光学装置
US7902560B2 (en) * 2006-12-15 2011-03-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Tunable white point light source using a wavelength converting element
US8567974B2 (en) * 2008-02-27 2013-10-29 Koninklijke Philips N.V. Illumination device with LED and one or more transmissive windows
JP5659775B2 (ja) * 2010-12-17 2015-01-28 セイコーエプソン株式会社 光源装置及びプロジェクター

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005347263A (ja) * 2004-06-04 2005-12-15 Lumileds Lighting Us Llc 照明装置における離間した波長変換
JP2010515096A (ja) * 2006-12-29 2010-05-06 フィリップス ルミレッズ ライティング カンパニー リミテッド ライアビリティ カンパニー 不要な光をリサイクルするためのカラー選択パネルを含む照明デバイス

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