WO2021181737A1 - 蛍光励起光源装置 - Google Patents

Abstract

蛍光励起光源装置は、レーザー光線が照射されることで蛍光を発する蛍光体と、蛍光体に対向する透光部と、透光部に設けられたマイクロレンズアレイよりなる光強度変換部と、透光部に設けられた第１のレンズと、第１のレンズに対向する第２のレンズとを備える。透光部は、蛍光体の発光面に対向する第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の主面とを有する。光強度変換部は、透光部の第１の主面に設けられたマイクロレンズアレイよりなり、蛍光の光強度分布を均一化するように構成されている。第１のレンズは、透光部の第２の主面に設けられている。第２のレンズは、第１のレンズを基準にして蛍光体の反対側に位置する。第１のレンズと第２のレンズとは、蛍光体から出射された蛍光の拡がり角を変換するように構成されている。この蛍光励起光源装置では光強度変換部を小型化することができる。

Description

蛍光励起光源装置

　本発明は、蛍光体にレーザー光線を照射することで励起した蛍光を出射する蛍光励起光源装置に関する。

　蛍光励起光源装置は、レーザー光源と、レーザー光源から出射されたレーザー光線を蛍光体に集光させる集光光学系と、蛍光体から励起される蛍光の発散角を調整する変換部と、蛍光体から励起される蛍光の光強度分布を均一化する光強度変換部とを有している。変換部はコリメートレンズで構成されており、光強度変換部は、レンズアレイで構成されている。従来、蛍光体とコリメートレンズとレンズアレイは、蛍光の出射方向においてこの順に配置されている。

　上記の蛍光励起光源装置に類似の従来の蛍光励起光源装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１６／１４８２１０号

　蛍光励起光源装置は、レーザー光線が照射されることで蛍光を発する蛍光体と、蛍光体に対向する透光部と、透光部に設けられたマイクロレンズアレイよりなる光強度変換部と、透光部に設けられた第１のレンズと、第１のレンズに対向する第２のレンズとを備える。透光部は、蛍光体の発光面に対向する第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の主面とを有する。光強度変換部は、透光部の第１の主面に設けられたマイクロレンズアレイよりなり、蛍光の光強度分布を均一化するように構成されている。第１のレンズは、透光部の第２の主面に設けられている。第２のレンズは、第１のレンズを基準にして蛍光体の反対側に位置する。第１のレンズと第２のレンズとは、蛍光体から出射された蛍光の拡がり角を変換するように構成されている。

　この蛍光励起光源装置では光強度変換部を小型化することができる。

図１は本開示の一実施形態に係る蛍光励起光源装置の模式図である。 図２は本開示の一実施形態に係る蛍光励起光源装置の蛍光体から射出される蛍光を示す模式図である。 図３は本開示の一実施形態に係る蛍光励起光源装置の強度変換部を構成するマイクロレンズアレイセルを透過する蛍光と投影パターンを示す図である。

　図１は、一実施の形態に係る蛍光励起光源装置１００の構成図である。蛍光励起光源装置１００は、光源１０と蛍光体２０と透光部３０と光強度変換部４０と変換部５０を有している。なお、図１は、光源１０から出射されるレーザー光線の外形１０Ｐと蛍光体２０から放射される蛍光の外形２０Ｐを模式的に示している。

　光源１０は、例えば１個または複数の半導体レーザー（以下ＬＤと称す）素子１１を有する。光源１０から出射されたレーザー光線は、蛍光体２０に照射される。光源１０は、コリメート素子１２と集光素子１３と光強度変換素子１４を備えてもよい。コリメート素子１２は、ＬＤ素子１１から出射されたレーザー光線を平行光に変換するように構成されている。ＬＤ素子１１から出射されたレーザー光線はガウシアン型の光強度分布にしたがって分布する。光強度変換素子１４は、ＬＤ素子１１から出射されたレーザー光線のガウシアン型の光強度分布を均一化するように構成された光強度変換部４０として機能する。集光素子１３は、コリメート素子１２から出力された平行光を蛍光体２０の所望の集光領域２１に集光するように構成された変換部５０として機能する。

　図２は蛍光体２０から射出される蛍光の放射イメージを示す模式図である。蛍光体２０は、光源１０の後段に配置される。光源１０の後段に配置するとは、光源１０におけるレーザー光線が出射される側に配置されることを意味する。蛍光体２０は、レーザー光線が照射されることにより励起された蛍光を発光面２０Ａから発する材料で構成されている。励起された蛍光体２０が発する蛍光は、図２に示すようなランバーシアン放射と呼ばれる発光角度分布を有する。

　透光部３０は、蛍光体２０の後段に配置される。蛍光体２０の後段に配置されるとは、蛍光体２０における蛍光が出射される側に配置されることを意味する。一般に反射型と呼ばれる蛍光励起光源装置１００では、蛍光体２０の蛍光が射出される側に光源１０が配置されているため、透光部３０は、光源１０と蛍光体２０の間に配置されている。透光部３０は、光学ガラスで構成することができる。

　透光部３０は、蛍光体に対向する主面３０Ｂと、主面３０Ｂの反対側の主面３０Ａとを有する。光強度変換部４０は、透光部３０の蛍光体２０に対向する主面３０Ｂに構成されている。光強度変換部４０は、透過する光線の光強度分布を均一化するように構成されている。光強度変換部４０は、マイクロレンズアレイ４１で構成することができる。マイクロレンズアレイ４１は、二次元的に配置された複数のレンズセル４２よりなる構成を有し、透過する光線の光強度分布を均一化するように構成されている。なお、マイクロレンズアレイ４１に入射される光線は、複数のレンズセル４２に亘って入射される。隣り合うレンズセル４２のピッチは、数マイクロメートルから５００マイクロメートル程度であり、レンズセル４２の大きさや曲率を適切に選択することで所望の空間における透過する光線の光強度分布を制御することができる。光強度変換部４０は、透過するレーザー光線および蛍光の両方の光に対して光強度分布を均一化するように構成されている。

　変換部５０は、光強度変換部４０の後段に配置される。光強度変換部４０の後段に配置されるとは、光強度変換部４０の蛍光が透過する側に配置されることを意味する。蛍光励起光源装置１００では、光源１０が蛍光体２０の蛍光が射出される側に配置されているため、変換部５０は、光源１０と光強度変換部４０の間に配置されている。変換部５０は、レンズ５１とレンズ５２により構成することができる。レンズ５１は、透光部３０における光強度変換部４０と反対側の主面３０Ａに形成された凸レンズとすることができる。レンズ５２は、レンズ５１に対向する主面５２Ｂが平面であり、主面５１Ｂの反対側の主面５２Ａが凸レンズとなった平凸の単玉レンズとすることができる。変換部５０は、透過するレーザー光線および蛍光の両方の光に対して作用する。レンズ５１、５２よりなる変換部５０に光源１０から入射されるレーザー光線は、蛍光体２０の所定に位置に集光する集束光に変換される。レンズ５１、５２よりなる変換部５０に蛍光体２０から入射される蛍光は、変換部５０により平行光に変換される。なお、変換部５０のレンズ５１、５２の曲率等を変化させることにより、この蛍光の拡がり角を制御することができる。なお、変換部５０は、蛍光体２０で反射されたレーザー光線の戻り光についても戻り光の放射拡がり角を変換する機能を有している。レンズ５２はレンズ５１を基準にして蛍光体２０の反対側に位置してレンズ５１に対向する。

　ＬＤ素子１１から出射されたレーザー光線は、コリメート素子１２を透過することで平行光に変換される。平行光に変換されたレーザー光線は、変換部５０を透過することにより集束光に変換される。集束光に変換されたレーザー光線は、光強度変換部４０を透過することで光強度分布が均一化される。光強度分布が均一化されたレーザー光線は、所望のビームサイズにて蛍光体２０に照射される。蛍光体２０は、レーザー光線が照射されることで励起された蛍光を発する。発され蛍光は、蛍光体２０から出射されて再び光強度変換部４０に入射される。蛍光は光強度変換部４０を透過することで光強度分布が均一化される。光強度分布が均一化された蛍光は、変換部５０を透過することで平行光に変換される。平行光に変換された蛍光は、蛍光励起光源装置１００から出射される。

　蛍光体２０の発光面２０Ａと透光部３０と光強度変換部４０とレンズ５１、５２とはレーザー光が進む光軸ＡＸ上に並んでいる。マイクロレンズアレイ４１を構成する複数のレンズセル４２の形状は蛍光体２０に照射されるレーザー光線の照射領域の形状に相似する。つまり、レンズセル４２の形状を制御することでレーザー光線が照射される蛍光体２０の領域を制御することができる。なお、レンズセル４２の形状とは、レーザー光線の光軸ＡＸに沿って見た単一のレンズセル４２の外形を意味する。レンズセル４２の光軸ＡＸに沿って見た形状を六角形にすると蛍光体２０における照射領域の光軸ＡＸに沿って見た形状は六角形となり、レンズセル４２の光軸ＡＸに沿って見た形状を四角形とすると蛍光体２０における照射領域の光軸ＡＸに沿って見た形状は四角形となる。但し、レンズセル４２の光軸ＡＸに沿って見た形状が円形の場合には、レンズセル４２を密に配置しても、互いに隣接するレンズセル４２の間にレンズとして機能しない非レンズ部が生じる。非レンズ部は、例えば平坦面である。そして、レーザー光線のうち、非レンズ部を透過する光線つまりレンズセル４２を通過しない光線は、強度分布均一化を阻害する要因となる。従って、レンズセル４２の光軸ＡＸに沿って見た形状は、隙間なく２次元に配置できる多角形状を有することが好ましい。

　蛍光体２０から励起された蛍光は、ランバーシアン放射と呼ばれる発光角度分布を有する発散光となる。透光部３０に設けられた光強度変換部４０を通過する蛍光もまた、マイクロレンズアレイ４１の各セルで切り取られ光の伝搬距離により断面強度分布が変化することになる。図２に蛍光体２０に励起された蛍光の放射イメージを模式的に示す。蛍光体２０におけるレーザー光線の照射領域において各点から蛍光が放射され、光強度変換部４０に入射される。

　以下に、光強度変換部４０に入射された蛍光の光路について考察する。図３は、複数のレンズセル４２のうち特定のレンズセルに入射される蛍光の光路を示す光路図である。蛍光体２０は上述したようにレーザー光線の照射領域の各点において励起された蛍光を発する。ここでは蛍光体２０の発光面２０Ａ上の５つの発光エリア６０Ａ～６０Ｅのそれぞれから放射された蛍光が特定のレンズセル４２Ｙを透過する光路を用いて説明する。発光エリア６０Ａから放射された蛍光は、レンズセル４２Ｙを透過して投影領域６１Ａに投影される。発光エリア６０Ｂから放射された蛍光は、レンズセル４２Ｙを透過して投影領域６１Ｂに投影される。発光エリア６０Ｃから放射された蛍光は、レンズセル４２Ｙを透過して投影領域６１Ｃに投影される。発光エリア６０Ｄから放射された蛍光は、レンズセル４２Ｙを透過して投影領域６１Ｄに投影される。発光エリア６０Ｅから放射された蛍光は、レンズセル４２Ｙを透過して投影領域６１Ｅに投影される。蛍光の集光条件は、蛍光のレンズセルに対する入射角条件によって決定される。また、光強度変換部４０を構成するいずれのレンズセル４２に対しても同様の投影パターンが生成されるが、発光エリアとレンズセル４２の相対位置ずれの分だけ投影領域の位置がシフトすることになる。このような各レンズセルで投影される投影領域の位置のシフトは、変換部５０により投影方向を制御することにより、任意の伝搬距離において重ね合わせて強度均一化された投影パターンを形成することができる。

　また、光学ガラスを用いた透光部３０は、プレス金型を用いたガラスモールド工法で作製することができる。プレス金型には、精密加工された超鋼金型が用いられる。ガラスモールド工法は、金型加工形状の自由度とプリフォーム材形状の自由度が確保される。この結果、大きなサグ量が必要となる変換部５０を構成するレンズ５１，５２や光強度変換部４０を構成する微細な寸法の複数のレンズセル４２よりなるマイクロレンズアレイ４１を転写するプレス金型を実現することができる。特に、プロジェクター用光源や蛍光励起光として使用するレーザー光は、光ディスク装置等に使用するレーザー光に比べて要求されるビーム品質（収差特性や集光性能）レベルが低いため、レンズの形状精度が例えば５～１０ミクロン程度のばらつきが許されるため、金型加工における加工ツールや加工工数を抑えて低コストで金型作製ができるという利点もある。ガラスモールド工法に適した光学ガラスは、例えばオハラ製のＢＳＬ７や住田光学ガラス製のＰＢＫ４０などである。

　なお、本構成において蛍光体２０で励起された蛍光放射光を高い利用効率で取込みながら均一強度分布にするためには、取り込むべき全ての蛍光が光強度変換部４０を透過する必要がある。従ってマイクロレンズアレイ４１の形成領域の外形寸法は大きい方が有効である。一方で、超鋼金型は、レンズ面を転写する成形面の加工に時間がかかる。そして加工量と加工コストは比例する。つまり、金型コストを下げるためには、プレス金型の加工面積を少なくすることが重要となる。従って、マイクロレンズアレイ４１の形成エリアは、必要最小限であることが好ましい。すなわち、上述したように光強度変換部４０を蛍光が拡がっている発散過程に配置することで、マイクロレンズアレイ４１の形成エリアとセルサイズを大幅に小型化することができる。すなわち、蛍光の光強度分布を均一化する光強度変換部４０であるマイクロレンズアレイ４１を構成する複数のレンズセル４２は、蛍光の透過領域をカバーする範囲に配置されていればよく、他に部分はレンズセルが形成されない平坦面とすることができる。これにより金型の加工量を削減することができる。また、透光部３０を光軸ＡＸの方向に沿って見た正面視において、マイクロレンズアレイ４１の外形４１Ｐはレンズ５１の外形５１Ｐより内側に位置することが好ましい。

　レンズセル４２のレンズ曲率を大きくしたり、セルサイズを大きくしたりすると、レンズの飛び出し量であるサグ量Ｓ４２が大きくなる。この場合には、ガラスモールド工法によるレンズ成形プロセスにおいて不都合が生じることがある。特にプリフォーム硝材の光強度変換部４０を形成する面がほぼ平面であった場合、マイクロレンズアレイ４１のレンズセル４２を転写するためのプレス金型のセルの境界（稜線）と硝材との間にできる空間がほぼ閉空間となる。これにより転写部分にガラスが十分に充填されずに空気が溜まる所謂「エアー溜り」と呼ばれる現象が発生しやすい。この現象は、レンズセル４２のサグ量Ｓ４２が大きいほど顕著である。しかし、サグ量Ｓ４２が概ね１５マイクロメートル以下である場合には、温度や圧力等のプロセス条件を適正に選択することによりエアー溜まりをほとんど発生せずにレンズセル４２を成形できるが確認された。従って、高い量産性と歩留りを確保するためには、レンズセル４２のサグ量Ｓ４２が１５マイクロメートル以下であることが好ましい。また、サグ量Ｓ４２を小さくすることにより、金型加工に係る工数や金型作製費用の低減ができるという利点もある。また更には、サグ量Ｓ４２が小さいことによりレンズセルの境界（稜線）における光の透過損失を小さくすることができ、蛍光体２０を励起するためのレーザー光線の利用効率や放射された蛍光の取込み効率（すなわち光利用効率）を高くすることができる。

　前述の従来の蛍光励起光源装置では、蛍光体から励起された蛍光をコリメートレンズで平行光に変換した後にレンズアレイで光強度分布の均一化を行う構成であるため、レンズアレイが平行光のビーム領域をカバーしなければならない。加工が困難な複雑な形状を一般的には有するレンズアレイのサイズが大きくなる。

　本開示の実施の形態における蛍光励起光源装置１００は、透光部３０における蛍光体２０に対向する主面３０Ｂに光強度変換部４０が一体的に構成されている。更に、レンズ５２と、透光部３０の主面３０Ｂの反対側の主面３０Ａを曲面化することで得られたレンズ５１とが変換部５０を構成する。この構成によれば、光強度変換部４０は、蛍光体２０から励起された蛍光が拡がる発散過程に配置される。したがって、光強度変換部４０を構成するマイクロレンズアレイ４１を小型化することができる。また、マイクロレンズアレイ４１の小型化により上述したレンズ成形工程において金型の加工量を削減できる。

　また、マイクロレンズアレイ４１は、３つ以上のレンズセル４２に傾向が通過するように設計されることが望ましい。これにより、所望の位置における出射光の断面光強度分布が１５％以下のバラツキで均一化される。

１００　　蛍光励起光源装置
１０　　光源
２０　　蛍光体
３０　　透光部
４０　　光強度変換部
４１　　マイクロレンズアレイ
５０　　変換部
５１　　レンズ（第１のレンズ）
５２　　レンズ（第２のレンズ）

Claims (3)

1. レーザー光線を出射する光源と、
   前記レーザー光線が照射されることで蛍光を発する発光面を有する蛍光体と、
   前記蛍光体の前記発光面に対向する第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の主面とを有する透光部と、
   前記透光部の前記第１の主面に設けられたマイクロレンズアレイよりなり、前記蛍光の光強度分布を均一化するように構成された光強度変換部と、
   前記透光部の前記第２の主面に設けられた第１のレンズと、
   前記第１のレンズを基準にして前記蛍光体の反対側に位置して前記第１のレンズに対向する第２のレンズと、
   を備え、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、前記蛍光体から出射された前記蛍光の拡がり角を変換するように構成されている、蛍光励起光源装置。
2. 前記蛍光体の前記発光面と前記透光部と前記光強度変換部と前記第１のレンズと前記第２のレンズとは光軸上に並んでおり、
   前記光軸に沿って見て、前記マイクロレンズアレイの外形は、前記第１のレンズの外形より内側に位置している、請求項１に記載の蛍光励起光源装置。
3. 前記マイクロレンズアレイは、サグ量が１５マイクロメートル以下の複数のレンズセルよりなる、請求項１または２に記載の蛍光励起光源装置。

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