JP2020136672A - 発光装置 - Google Patents

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宏彰 大沼
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Abstract

【課題】簡単な構成で、発光色が可変な高出力の発光装置を実現する。
【解決手段】複数の半導体発光素子を含む半導体光源装置１０と、半導体光源装置１０からの照射光の波長を変換する波長変換部材３０と、半導体光源装置１０からの照射光を集光させる集光レンズ２０と、筒状のホルダ４０と、を備え、半導体光源装置１０、波長変換部材３０、および、集光レンズ２０は、筒状のホルダ４０の内径部に備えられた支持部４２、４３、４４に支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光源を含む発光装置に関する。
従来、半導体発光素子、半導体発光素子の照射方向に配置された波長変換部材、および、半導体発光素子と、波長変換部材との間に配置された、半導体発光素子からの照射光を集光する集光レンズを備えた発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの発光装置では、波長変換部材は、集光レンズを通った半導体発光素子からの照射光により励起されて発光する蛍光体を含有している。そして、これらの発光装置は、半導体発光素子の照射光の波長と、波長変換部材に含有、または積層させる蛍光体の数、および種類を適宜に選択することで、所望の発光色を出射するように構成されている。
特開２０１６−９６９３号公報（２０１６年１月１８日公開）
ところで、簡単な構成で、発光色が可変な高出力の発光装置に対する要望がある。
本発明の一態様は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、出射光のスペクトルが可変な高出力の発光装置を実現することを目的とする。
（１）本発明の一実施形態は、複数の半導体発光素子を含む半導体光源装置と、上記半導体光源装置からの照射光の波長を変換する波長変換部材と、上記半導体光源装置と、上記波長変換部材との間に配置され、上記半導体光源装置からの照射光を集光させる集光レンズと、筒状のホルダと、を備え、上記半導体光源装置、上記波長変換部材、および、上記集光レンズは、上記筒状のホルダの内径部に備えられた支持部に支持されている発光装置。
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、上記波長変換部材は、出射方向から視て複数領域に分けられており、各領域は１又は複数種類の蛍光体を含む発光装置。
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または、上記（２）の構成に加え、上記波長変換部材は、断面視において複数の層が積層されている発光装置。
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）または、上記（３）の構成に加え、上記波長変換部材は、透光性の領域を持つ発光装置。
（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、または、上記（４）の構成に加え、上記波長変換部材は、波長選択的な光反射性の領域を持つ発光装置。
（６）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、または、上記（５）の構成に加え、上記波長変換部材は、波長選択的な光吸収性の領域を持つ発光装置。
（７）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、または、上記（６）の構成に加え、上記半導体光源装置は、複数の上記半導体発光素子の光出力の各々を個別に駆動する発光装置。
（８）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、または、上記（７）の構成に加え、上記半導体光源装置は、熱伝導率が高い部材から形成されたプレートの上に搭載されている発光装置。
（９）また、本発明のある実施形態は、上記（８）の構成に加え、上記ホルダは、熱伝導率が高い部材から形成され、上記プレートに接触している発光装置。
（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（８）または、上記（９）の構成に加え、上記ホルダの出射開口を密閉する透光部材を備えた発光装置。
（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、上記（７）、上記（８）、上記（９）、または、上記（１０）の構成に加え、複数の上記半導体発光素子の少なくとも一つは、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外あるいは青色半導体レーザ素子である発光装置。
（１２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、上記（７）、上記（８）、上記（９）、上記（１０）、または、上記（１１）の構成に加え、複数の上記半導体発光素子は赤外半導体レーザ、または、赤色半導体レーザを含む発光装置。
（１３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）、上記（５）、上記（６）、上記（７）、上記（８）、上記（９）、上記（１０）、上記（１１）、または、上記（１２）の構成に加え、上記波長変換部材は、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、または、赤色蛍光体として、Ｃｅ賦活Ｌｎ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２（ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｇｄ、Ｌｕの少なくとも１つから選択され、ＣｅはＬｎを置換する）、Ｅｕ、Ｃｅ賦活Ｃａ３（ＳｃｘＭｇ１−ｘ）２Ｓｉ３Ｏ１２（ＣｅはＣａを置換する）、Ｅｕ賦活（Ｓｒ１−ｘＣａｘ）ＡｌＳｉＮ３（ＥｕはＳｒおよびＣａを置換する）、Ｃｅ賦活（Ｌａ１−ｘＹｘ）３Ｓｉ６Ｎ１１（ＣｅはＬａおよびＹを置換する）、Ｃｅ賦活Ｃａ−α−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活β−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８（ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｂａの少なくとも１つから選択され、ＥｕはＭを置換する）から選択される少なくとも１種の蛍光体を含む発光装置。
本発明の一態様によれば、簡単な構成で、出射光のスペクトルが可変な高出力の発光装置を実現することができる。
本発明の実施形態１に係る発光装置の構成を示す断面図である。 ホルダの構成を示す断面図である。 実施形態１に係る半導体光源装置の構成を模式的に示す図である。 実施形態１に係る波長変換部材の一例を示す断面図である。 実施形態１に係る波長変換部材の一例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面視図である。 実施形態１に係る波長変換部材の別の例を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る発光装置が備える半導体光源装置の構成を模式的に示す図である。 実施形態２に係る発光装置が備える波長変換部材の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態３、および実施形態４に係る発光装置が備える半導体光源装置の構成を模式的に示す図である。 実施形態３に係る発光装置が備える波長変換部材の別の例を示す断面図である。 （ａ）、および（ｂ）は波長変換部材の変形例を示す図である。
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（発光装置１００の構成）
図１は本発明の実施形態１に係る発光装置１００の構成を示す断面図である。発光装置１００は、例えば、屋内外の照明用、車載用ヘッドランプ、投光器等のピーク出力を必要とする用途に用いることができる高出力の発光装置である。図１に示すように、発光装置１００は、半導体光源装置１０と、集光レンズ２０と、波長変換部材３０と、を含んでいる。半導体光源装置１０、集光レンズ２０、および、波長変換部材３０は、筒状のホルダ４０の内径部４１に配設されている。
半導体光源装置１０は、半導体発光素子、特に半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）を光源として用いた所謂ＴＯ−ＣＡＮパッケージ型の光源装置である。
集光レンズ２０は、半導体光源装置１０からの照射光ＩＢを、集光させる光学部材である。集光レンズ２０には、両凸レンズを好適に用いることができる。集光レンズ２０は、半導体光源装置１０と、波長変換部材３０との間に配置される。
波長変換部材３０は、半導体光源装置１０からの照射光ＩＢの波長を変換する。波長変換部材３０は、集光レンズ２０を通った光が集光する、集光レンズ２０の焦点位置に設けられているのが望ましい。集光レンズ２０を通って、波長変換部材３０において集光した半導体光源装置１０からの照射光ＩＢは、波長変換部材３０を通って波長が変換されてホルダ４０の出射開口４５に向かう。
〔ホルダ４０の構成〕
ホルダ４０は、熱伝導率が高い材質から形成されている。ホルダ４０には、軽量で熱伝導率が高く、加工が容易な材質、例えばアルミニウム、を好適に用いることができる。また、ホルダ４０は、アルミニウムに限らず、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは、８０Ｗ／ｍＫ以上の金属、または非金属の材質から形成してもよい。
ホルダ４０の内径部４１には、半導体光源装置１０、集光レンズ２０、および、波長変換部材３０の設置位置に、支持部４２，４３，４４が設けられている。支持部４２，４３，４４はホルダ４０の内径部４１に突設され、内径部４１に段差状に設けられている。支持部４２，４３，４４は、内径部４１に周方向に沿って、リング状に突設されていてもよいし、部分的に突設されていてもよい。
支持部４２は、集光レンズ２０を支持する段差であり、レンズ支持部４２と称する。集光レンズ２０は、レンズ支持部４２に、接着材を用いて接着されている。集光レンズ２０は、レンズ支持部４２の、ホルダ４０における出射開口に対向する側の段差面に固定されている。なお、図示は省略するが、レンズ支持部４２は、内径部４１から突設された、互いに対向する一対の段差から構成されており、これらの一対の段差間に集光レンズ２０を挟持することにより、集光レンズ２０を内径部４１に支持する構成であってもよい。
支持部４３は、波長変換部材３０を支持する段差であり、波長変換部材支持部４３と称する。波長変換部材３０は、波長変換部材支持部４３に接着材を用いて接着されている。波長変換部材３０は、波長変換部材支持部４３の、ホルダ４０における半導体光源装置１０に対向する側の段差面に固定されている。これにより、波長変換部材３０は、波長変換部材支持部４３から脱落した場合であっても、半導体光源装置１０からの照射光ＩＢの光束中に残る。よって、半導体光源装置１０からのレーザ光が波長変換部材３０を通ることなく直接、出射開口４５から放出されることがなく、安全性を向上することができる。
なお、図示は省略するが、波長変換部材支持部４３は、内径部４１から突設された、互いに対向する一対の段差から構成されており、これらの一対の段差間に波長変換部材３０を挟持することにより、波長変換部材３０を内径部４１に支持する構成であってもよい。
支持部４４は、半導体光源装置１０を支持する段差であり、光源支持部４４と称する。半導体光源装置１０は、光源支持部４４と、ホルダ４０の光源装置側の開口を塞ぐ放熱プレート６０との間に挟持されて支持される。
放熱プレート６０（プレート）は、熱伝導率が高い材質から形成された板状の部材である。放熱プレート６０には、例えば、軽量で熱伝導率が高いアルミニウムを好適に用いることができる。また、放熱プレート６０は、アルミニウムに限らず、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは、８０Ｗ／ｍＫ以上の金属、または非金属の材質から形成してもよい。
半導体光源装置１０は、熱伝導率が高い材質から形成された放熱プレート６０の上に搭載されている。放熱プレート６０は、半導体光源装置１０のヒートシンクとして機能し、半導体光源装置１０からの熱を吸熱する。また、放熱プレート６０は、熱伝導率が高い材質から形成されたホルダ４０に接触している。このように、熱伝導率が高い材質から形成された放熱プレート６０の上に半導体光源装置１０を搭載し、放熱プレート６０と、熱伝導率が高い材質から形成されたホルダ４０とを接触させている。よって、半導体光源装置１０からの熱を放熱プレート６０、および、ホルダ４０から効率よく放熱させることができる。よって、半導体光源装置１０の高出力化を図っても、効率よく熱を放熱させることができ、半導体光源装置１０の性能、および、寿命が熱影響を受けるのを防ぐことができる。なお、ホルダ４０の外周にフィン等の放熱構造を適宜に設けてもよい。
〔発光装置１００の製造手順〕
発光装置１００を組み立てる手順は、例えば、以下の通りとすることができる。
まず、放熱プレート６０に、半導体光源装置１０を搭載する。半導体光源装置１０のステム１２と、放熱プレート６０とを、溶接、または、溶着させてもよい。次に、支持部４２，４３，４４を備えたホルダ４０の、波長変換部材支持部４３に、波長変換部材３０を固定する。続いて、ホルダ４０の、レンズ支持部４２に、集光レンズ２０を固定する。次に、ホルダ４０を、半導体光源装置１０が搭載された放熱プレート６０に搭載し固定する。
このように、発光装置１００は、ホルダ４０の内径部４１に、支持部４２，４３，４４を備え、これらの支持部４２，４３，４４に、集光レンズ２０、波長変換部材３０、および半導体光源装置１０がそれぞれ支持固定されている。これにより、発光装置１００の組み立て時において、集光レンズ２０、波長変換部材３０、および半導体光源装置１０の光軸合わせを容易に行うことができ、製造作業を効率よく行うことができる。
図１に示した発光装置１００は、一例として、集光レンズ２０の焦点距離が、ｆ＝４．８ｍｍである。集光レンズ２０と、波長変換部材３０とは、互いの間隔が、集光レンズ２０の焦点距離となるように配設されている。また、集光レンズ２０と、半導体光源装置１０とは、光源の発光点と、集光レンズ２０の主平面までの距離が５．８ｍｍとなるように配設されている。
また、ホルダ４０の出射開口４５は、透光部材５０により閉塞されている。ホルダ４０の出射開口４５には、内径部４１を、周方向に沿って切り欠いた段差状の透光部材支持部４６が設けられている。透光部材５０は、透光部材支持部４６の段差面に接着材を用いて接着されて固定され、出射開口４５を閉塞する。透光部材５０の固定方法は接着剤のみではなく、適宜変更可能である。また適切な固着方法を選択することで気密性を高めることが出来、波長変換部材３０や集光レンズ２０など本発光装置への外部環境影響を大きく低減することが可能となるため、高温やガス存在かなどの環境下でも安定的に使用することが出来るようになる。接着剤外の固定方法としては、例えば、透光部材外周部を金属蒸着等でメタライズした上でＳｎ−Ａｇ−Ｃｕなどのハンダでの固定、透光部材５０と透光部材支持部４６との間に円形の低融点ガラスを挿入し、３００〜１０００℃の間の適切な温度範囲にて処理することで低融点ガラスが溶解することによる低融点ガラスを介したホルダと波長変換部材とを固定、などがある。
ホルダ４０は、一体型に構成されているのが好ましいが、組み立て作業性を考慮して、分割されている構成であってもよい。
図２に示すように、例えば、ホルダ４０は、波長変換部材支持部４３と、レンズ支持部４２との間の任意の位置を、分割位置Ｘとして、上部ホルダ４０Ａと、下部ホルダ４０Ｂとに、分割されていてもよい。このように、ホルダ４０が、波長変換部材支持部４３と、レンズ支持部４２との間で上部ホルダ４０Ａと、下部ホルダ４０Ｂとに分割されている構成とすることで、波長変換部材３０と、集光レンズ２０とを、それぞれ波長変換部材支持部４３と、レンズ支持部４２とに固定する作業の作業性を向上することができる。
〔半導体光源装置１０の構成〕
図３は、半導体光源装置１０の構成を示す図である。図３に示すように、半導体光源装置１０は、複数の半導体レーザチップ１１（半導体発光素子）を含んでいる。半導体レーザチップ１１は、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外光あるいは青色光を照射する半導体レーザチップである。半導体光源装置１０は、これらの少なくとも２つ以上の半導体レーザチップ１１を含む、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ型のレーザ光源装置である。実施形態１の半導体レーザチップ１１は、青色光を照射する青色半導体レーザチップであり、半導体レーザチップ１１を、青色半導体レーザチップ１１と称する。
半導体光源装置１０は、半導体光源基板であるＬＤプレート１４上に、搭載されたステム１２を備え、ステム１２から延びる複数のワイヤ１３（リード）のそれぞれに青色半導体レーザチップ１１が接続されている。
半導体光源装置１０は、青色半導体レーザチップ１１の周囲を覆う、金属製のキャップ状のキャン１５を備えている。キャン１５の照射開口１７には、青色半導体レーザチップ１１からの照射光を透過する光透光板１６（カバーガラス）が設けられている。また、ステム１２から延びるピン１８は、ＬＤプレート１４を貫通して延びる。青色半導体レーザチップ１１は、ピン１８からワイヤ１３に供給される電源が印加されて発光する。
半導体光源装置１０は、複数の青色半導体レーザチップ１１の光出力の各々が、個別に駆動可能に構成されている。このように、発光装置１００は、半導体光源装置１０が複数の半導体レーザチップを備えているため、高出力化を図ることができる。また、半導体光源装置１０は、ワイヤ１３を介して青色半導体レーザチップ１１に供給する電源の大きさを、青色半導体レーザチップ１１毎に可変にすることで、複数の青色半導体レーザチップ１１の光出力の各々を段階的、または、連続的に個別に変更することができる。
半導体光源装置１０は、ＬＤプレート１４が放熱プレート６０の上に搭載されており、ＬＤプレート１４を介して、放熱プレート６０に青色半導体レーザチップ１１からの熱が伝熱される（図１参照）。放熱プレート６０には、ステム１２から延びるピン１８が貫通する孔が形成されており、当該孔を介して露出するピン１８に外部の電源が接続される。
〔半導体光源装置１０の製造手順〕
半導体光源装置１０を組み立てる手順は、例えば、以下の通りとすることができる。
まず、複数のピン１８が設けられたステム１２を準備する。次に、複数の青色半導体レーザチップ１１のそれぞれをステム１２にダイボンディングにより固定する。続いて、各青色半導体レーザチップ１１に、アノード、および、カソードのピン１８から延びるワイヤ１３をワイヤボンディングにより接続する。次に、キャン１５を、青色半導体レーザチップ１１、および、ワイヤ１３の周囲を覆うように取り付ける。
〔波長変換部材３０の構成〕
図４、および図５は、波長変換部材３０の構成例を示す図であり、図４は、波長変換部材３０の一例の断面図、図５の（ａ）は波長変換部材３０の別の例の断面図、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に示した波長変換部材３０を、半導体光源装置１０からの照射光の照射方向から視た、上面視図である。
図４に示すように、波長変換部材３０は、断面視において複数の層が積層されている。実施形態１において、波長変換部材３０は、厚さ２ｍｍ、直径２８．６ｍｍに形成されている。波長変換部材３０は、例えば、基材であるサファイヤガラスから形成されたガラス層３１と、波長選択層３２と、蛍光体層３５と、反射防止層３３とが、積層されて構成されている。
波長変換部材３０は、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、または、赤色蛍光体として、Ｃｅ賦活Ｌｎ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２（ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｇｄ、Ｌｕの少なくとも１つから選択され、ＣｅはＬｎを置換する）、Ｅｕ、Ｃｅ賦活Ｃａ３（ＳｃｘＭｇ１−ｘ）２Ｓｉ３Ｏ１２（ＣｅはＣａを置換する）、Ｅｕ賦活（Ｓｒ１−ｘＣａｘ）ＡｌＳｉＮ３（ＥｕはＳｒおよびＣａを置換する）、Ｃｅ賦活（Ｌａ１−ｘＹｘ）３Ｓｉ６Ｎ１１（ＣｅはＬａおよびＹを置換する）、Ｃｅ賦活Ｃａ−α−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活β−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８（ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｂａの少なくとも１つから選択され、ＥｕはＭを置換する）から選択される少なくとも１種の蛍光体を含む蛍光体層３５を備えている。
蛍光体層３５は、１又は複数種類の蛍光体を含んで構成され、例えば、黄色蛍光体層３５Ａと、赤色蛍光体層３５Ｂと、が積層されて構成されていてもよい。また、蛍光体層３５は、ガラス層３１で挟まれている。
波長変換部材３０の光出射面には、ガラス層３１に積層された、反射防止層３４が形成されている。反射防止層３４は、蛍光体層３５において励起された励起光の反射を防止する。
波長変換部材３０の光入射面には、ガラス層３１に積層された、波長選択層３２が形成されている。波長選択層３２は、ダイクロイックミラーによって構成され、青色波長領域の光だけを透過させる。
このように、波長変換部材３０は、半導体光源装置１０からの照射光であって、波長選択層３２によって選択された、青色波長領域の光だけを、蛍光体層３５において励起させて出射させることができる。蛍光体層３５は、黄色蛍光体層３５Ａと、赤色蛍光体層３５Ｂと、を含むため、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有するレーザ光により励起され、演色性の高い白色光を発する。
図５の（ａ），（ｂ）に示すように、波長変換部材３０は、出射方向から視て複数領域に分けられている。図５に示した例では、波長変換部材３０は、中心を通る位置で、第１領域３０Ａと、第２領域３０Ｂとに、２分割されている。図に示すように各々の蛍光体の粒径は異なっていても良い。本実施形態においては、第１領域３０Ａは、粒子径が小さい黄色蛍光体を含む膜と、粒子径が大きい黄色蛍光体を含む膜とを備えた蛍光体多層膜構造を有する黄色蛍光体層３５Ａからなる蛍光体層３５を備えている。また、第２領域３０Ｂは、粒子径が小さい赤色蛍光体を含む膜と、粒子径が大きい赤色蛍光体を含む膜とを備えた蛍光体多層膜構造を有する赤色蛍光体層３５Ｂからなる蛍光体層３５を備えている。
第１領域３０Ａ、および、第２領域３０Ｂは、黄色蛍光体層３５Ａ、および、赤色蛍光体層３５Ｂをそれぞれ挟むガラス層３１と、光出射面にガラス層３１に積層されて設けられた反射防止層３３と、光入射面にガラス層３１に積層されて設けられた波長選択層３２と、を備えている。
波長変換部材３０の各領域には、複数の青色半導体レーザチップ１１の少なくとも何れか１つからの照射光が入射するように構成されている。発光装置１００は、半導体光源装置１０が備える複数の青色半導体レーザチップ１１の光出力の各々を個別に駆動することで、波長変換部材３０の各領域によって励起される光の発光を変更することができ、赤みがかった光から、青みがかった光まで、連続的に発光色を変化させることができる。このように、発光装置１００は、複数の青色半導体レーザチップ１１と、それぞれが１又は複数種類の蛍光体を含んでいる複数の領域を備えた波長変換部材３０とを備えているため、簡単な構成で、高出力、且つ、可変色な発光を実現することができる。なお、第１領域３０Ａもしくは第２領域３０Ｂの蛍光体層のいずれか、もしくは両者に複数の蛍光体が含まれていても良く、蛍光体の組合せにより発光効率や演色性を高めることが可能となる。例えば、白色発光をさせたい場合に、青色発光半導体レーザチップと黄色発光を示す蛍光体を用いることで発光効率を高めることが可能であるし、青色発光半導体レーザチップと、黄色発光を示す蛍光体あるいは緑色発光を示す蛍光体と、赤色発光を示す蛍光体を組み合わせて用いることで演色性を高めることが可能となる。
図６の（ａ）、（ｂ）は、波長変換部材３０の変形例の構成を示す図である。図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、波長変換部材１３０は、中心を通る位置で均等に分割されている構成に限られるものではない。
図６の（ａ）に示すように、波長変換部材１３０は、第１領域１３０Ａと、第２領域１３０Ｂと、が異なる直径寸法で形成され、直径寸法の小さい方の第２領域１３０Ｂを半導体光源装置１０に対向させて、出射方向に互いに、中心位置を揃えて、積層されていてもよい。
図６の（ｂ）に示すように、波長変換部材１３０は、第２領域１３０Ｂの外周に、第１領域１３０Ａを設けて、第１領域１３０Ａと、第２領域１３０Ｂとが、波長変換部材１３０の直径分割をするように構成されていてもよい。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。また、発光装置１００の構成は、図１を用いて説明した上記実施形態１の発光装置１００と同様のため、説明を省略する。
図７は、実施形態２に係る発光装置１００が備える半導体光源装置２１０の構成を示す図である。図７に示すように、半導体光源装置２１０は、複数の半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２（半導体発光素子）を含んでいる。半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２は、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外光あるいは青色光を照射する半導体レーザチップであり、青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２と称する。
半導体光源装置２１０は、半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２の光出力の各々を個別に駆動することができる。
図８は、実施形態２に係る発光装置１００が備える波長変換部材２３０の構成を示す図である。図８に示すように、波長変換部材２３０は、出射方向から視て複数領域に分けられている。図８に示した例では、波長変換部材２３０は、中心を通る位置で、第１領域２３０Ａと、第２領域２３０Ｂとに、均等に２分割されている。なお、波長変換部材２３０は、第１領域２３０Ａと、第２領域２３０Ｂとが出射方向に積層されている構成であってもよいし、直径分割されている構成であってもよい（図６参照）。
第１領域２３０Ａは、透光性の領域であり、青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか一方からの照射光が入射する領域である。第１領域２３０Ａは、ガラス層３１に挟まれた、透光性部材から成る光拡散剤含有樹脂層２３５を備えている。青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか一方からの照射光であって、光拡散剤含有樹脂層２３５を色変換されることなく通過して拡散された拡散光は、波長変換部材２３０から出射される。なお、第１領域２３０Ａは、アイセーフの観点からは光散乱機能を有しているのが望ましいが、必ずしも光散乱機能を有している必要はない。
第２領域２３０Ｂは、青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか他方からの照射光が入射する領域であり、ガラス層３１に挟まれた蛍光体層３５を備えている。蛍光体層３５は、粒子径が小さい蛍光体を含む膜と、粒子径が大きい蛍光体を含む膜とを備えた蛍光体多層膜構造を有している。蛍光体層３５は、例えば、青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか他方からの照射光によって励起する黄色蛍光体を含んでいる。蛍光体層３５は、黄色蛍光体に限らず、青色蛍光体、赤色蛍光体、または緑色蛍光体等の青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか他方からの照射光によって励起する１又は複数の種類の蛍光体を含んでいてもよい。青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１、または青色半導体レーザチップ２１１Ｂ２の何れか他方からの照射光は、蛍光体層３５を通過して色変換される。
このように、第２実施形態の発光装置１００は、半導体光源装置２１０が、複数の青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２を含んでいる。また、発光装置１００は、各レーザからの光が入射する、複数の領域を備えた波長変換部材２３０を備えている。また、半導体光源装置２１０は、複数のレーザからの光出力の各々を個別に駆動することができる。これにより、例えば波長変換部材２３０の蛍光体層３５に黄色蛍光体を用いた場合、発光装置１００は、複数の青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２からの照射光の出力を変化させることで、青色光から、白色光まで、連続的に出射光の色を可変とすることができる。このように蛍光体層３５に使用する蛍光体の種類により、複数の青色半導体レーザチップ２１１Ｂ１，２１１Ｂ２からの照射光の出力バランスに伴い、半導体光源装置２１０から出射される光を青色から蛍光体発光の色までを連続的に変えることが可能である。
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。また、発光装置１００の構成は、図１を用いて説明した上記実施形態１の発光装置１００と同様のため、説明を省略する。
図９は、実施形態３に係る発光装置１００が備える半導体光源装置３１０の構成を示す図である。図９に示すように、半導体光源装置３１０は、複数の半導体レーザチップ３１１Ｂ，３１１Ｒ（半導体発光素子）を含んでいる。半導体レーザチップ３１１Ｂは、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外光あるいは青色光を照射する半導体レーザチップであり、青色半導体レーザチップ３１１Ｂと称する。半導体レーザチップ３１１Ｒは、赤外半導体レーザ、または、赤色半導体レーザであり、赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒと称する。
実施形態３においては、半導体光源装置３１０は、少なくとも一つの３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外あるいは青色半導体レーザ素子と、少なくとも一つの６００ｎｍ乃至８００ｎｍ、好ましくは６２０ｎｍ乃至６６０ｎｍに発光ピーク波長を有する赤色／赤外半導体レーザとを含んでいる。半導体光源装置３１０は、複数のこれらのレーザからの光出力の各々を個別に駆動することができる。
青色半導体レーザチップ３１１Ｂからの光は、図８に示した波長変換部材２３０の第２領域２３０Ｂを通過して、色変換される。赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒからの光は、波長変換部材２３０の第１領域２３０Ａを通過して、色変換されることなく出射される。なお、第１領域２３０Ａは、アイセーフの観点からは光散乱機能を有しているのが望ましいが、必ずしも光散乱機能を有している必要はない。
このように、第３実施形態の発光装置１００は、半導体光源装置３１０が、それぞれ発光ピーク波長の異なる複数の半導体レーザチップ３１１Ｂ，３１１Ｒを含んでいる。これにより、発光装置１００は、各半導体レーザチップ３１１Ｂ，３１１Ｒからの照射光の出力を変化させることで、赤みがかった光から、白色光まで、連続的に出射光の色を可変とすることができる。
図１０は、実施形態３に係る発光装置１００が備える波長変換部材３３０の変形例の構成を示す断面図である。図１０に示したように、波長変換部材３３０は、ガラス層３１に挟まれた、蛍光体層３５と、光拡散剤含有樹脂層２３５と、が出射方向に積層された領域を備えている。なお、波長変換部材３３０は、蛍光体層３５として、黄色蛍光体層３５Ａを備えている例を示したが、黄色蛍光体層３５Ａに限らず、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体等を含む蛍光体層であってもよい。
波長変換部材３３０は、波長選択層３２のみが、第１領域３３０Ａと、第２領域３３０Ｂとに分けられている。第１領域３３０Ａは、赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒからの照射光が入射する領域であり、赤外光、または、赤色光の波長領域の光を透過させる。第１領域３３０Ａは、ダイクロイックミラーから構成されている。第２領域３３０Ｂは、青色半導体レーザチップ３１１Ｂからの照射光が入射する領域であり、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外光、または、青色光を透過させる。第１領域３３０Ａ、および、第２領域３３０Ｂは、それぞれ個別のダイクロイックミラーから構成されている。
このように、波長変換部材３３０は、波長選択層３２が、それぞれ異なる波長領域の光を透過させる複数の領域に分けられていてもよい。これにより、波長領域がそれぞれ異なる複数のレーザからの光出力を個別に駆動することで、高出力で、可変色な発光装置を実現することができる。
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態１、３にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。また、発光装置１００の構成は、図１を用いて説明した上記実施形態１の発光装置１００と同様のため、説明を省略する。
実施形態４に係る発光装置１００が備える半導体光源装置３１０は、赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒが８００ｎｍ乃至１６００ｎｍに発光ピーク波長を有する以外は、図９を用いて説明した実施形態３の半導体光源装置３１０と同様である。
実施形態４に係る発光装置１００では、半導体光源装置３１０の青色半導体レーザチップ３１１Ｂからの光は、図８に示した波長変換部材２３０の第２領域２３０Ｂを通過して、色変換される。赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒからの光は、波長変換部材２３０の第１領域２３０Ａを通過して、光拡散剤含有樹脂層２３５により、色変換されることなく拡散されて出射される。
また、赤色／赤外半導体レーザチップ３１１Ｒを発光させることで、８００ｎｍ乃至１６００ｎｍに発光ピーク波長を有する、高出力の測距光を出射することができる。これにより、距離測定に有効な波長であるとともに、蛍光体板で吸収されない波長である測距光を出射することができる。
また、青色半導体レーザチップと赤色／赤外半導体レーザチップの両方を含むため、測距光を出射する構成において、被照射物との位置関係に合わせて光源の駆動を制御することで、赤外光の照射と、別途設けた赤外光のセンサによる受光を行い、光源前方に対処物があるか否かを検知する用途に用いることもできる。そして、照射した赤外光が、遮られた場合には白色光の強度を弱くする、あるいは消灯する等の制御を行ってもよい。あるいは本発明が使用される状況に応じて、照明用途と暗視カメラ用の補助光源用途を切り替えて用いることも可能である。
これにより、実施形態４に係る発光装置１００は、可視光の出射と、測距光の出射との両方を同時に行うことができる。
〔波長変換部材の変形例〕
なお、波長変換部材は、上述した波長変換部材３０，１３０，２３０，３３０の構造に限らず、以下のような構造を有するものであってもよい。
波長変換部材は、蛍光体のみからなる板状の部材であってもよく、例えば、
‐単結晶蛍光体を板状に切り出したもの
‐蛍光体粒子を圧縮成形し、板状の形状としたもの
‐蛍光体粒子と光散乱用の粒子を混ぜ合わせ圧縮形成したもの
‐有機バインダ、または無機バインダを用いて、サファイア、およびガラスなどから形成された透明の基板の上に蛍光体粒子を層状に塗布形成したもの
とすることができる。なお、波長変換部材中の蛍光体層や上記の簡便な構造の波長変換部材においてはその形成方法により空隙を有する可能性があり、光散乱性に影響を与え、空隙の存在量が多いほど光散乱性が強くなる。また、波長変換部材は３０，１３０，２３０，３３０の構造や上記の構造のいくつかを複数組み合わせたものであっても良い。
図１１の（ａ）および（ｂ）は、変形例の波長変換部材４３０，５３０の構成を示す図である。
図１１の（ａ）に示すように、波長変換部材４３０は、上述した蛍光体のみからなる板状の部材４３１のレーザからの光の入射側に、蛍光体光を反射するような特性の、波長選択的な光反射性の領域４３２を形成したものであってもよい。光反射性の領域４３２は、ダイクロイックミラーから構成することができる。
また、図１１の（ｂ）に示すように、波長変換部材５３０は、蛍光体のみからなる板状の部材（蛍光体板）４３１、または、蛍光体のみからなる板状の部材４３１に光反射性の領域４３２を形成した部材（４３１＋４３２）、の何れかの、レーザからの光の射出側に、レーザからの光を反射するような特性のダイクロイックミラー、または波長選択的な光吸収性のカラーフィルタ層５３３を形成したものであってもよい。ダイクロイックミラーの反射率、またはカラーフィルタの透過スペクトル特性は、半導体光源装置から射出される光のスペクトルの所望の特性に合わせて、適宜に設計が変更される。
加えて、上述した波長変換部材３０，１３０，２３０，３３０のように、断面方向で見た時に異なる波長変換部が組み合わされていても良く、それにより複数の半導体レーザチップを用いる場合には半導体レーザチップ毎に異なる波長変換部に入射されることで各々の半導体レーザチップの出力に応じて異なる発光スペクトルを得ることができる。
また、波長変換部材は、蛍光体のみからなる板状の部材の、レーザからの光の入射側、または、レーザからの光の入射側および出射側の両側に、光散乱層を形成したものであってもよい。
また、波長変換部材は、蛍光体のみからなる板状の部材内での面内導波を抑制するために、蛍光体板の両側面に、金属膜、またはダイクロイックミラーなどによって形成された反射膜、または反射層を備えている構成であってもよい。このように、蛍光体板の両側面に反射膜、または反射層を設けることで、波長変換部材の出射面からの光取り出し効率を向上することができる。
１０、２１０ 半導体光源装置
１１、２１１Ｂ１、２１１Ｂ２、３１１Ｂ 青色半導体レーザチップ（半導体発光素子、青色半導体レーザ素子）
２０ 集光レンズ
３０、１３０、２３０、３３０ 波長変換部材
３０Ａ、１３０Ａ、２３０Ａ、３３０Ａ 第１領域
３０Ｂ、１３０Ｂ、２３０Ｂ、３３０Ｂ 第２領域
３５、３５Ａ、３５Ｂ 蛍光体層
４０ ホルダ
４０Ａ 上部ホルダ
４０Ｂ 下部ホルダ
４１ 内径部
４２ レンズ支持部
４３ 波長変換部材支持部
４４ 光源支持部
４５ 出射開口
５０ 透光部材
６０ 放熱プレート（プレート）
１００ 発光装置
２３５ 光拡散剤含有樹脂層（透光性の領域）
３１１Ｒ 赤色／赤外半導体レーザチップ（半導体発光素子）

Claims (13)

  1. 複数の半導体発光素子を含む半導体光源装置と、
    上記半導体光源装置からの照射光の波長を変換する波長変換部材と、
    上記半導体光源装置と、上記波長変換部材との間に配置され、上記半導体光源装置からの照射光を集光させる集光レンズと、
    筒状のホルダと、
    を備え、
    上記半導体光源装置、上記波長変換部材、および、上記集光レンズは、上記筒状のホルダの内径部に備えられた支持部に支持されている
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 上記波長変換部材は、出射方向から視て複数領域に分けられており、各領域は１又は複数種類の蛍光体を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 上記波長変換部材は、断面視において複数の層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  4. 上記波長変換部材は、透光性の領域を持つことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  5. 上記波長変換部材は、波長選択的な光反射性の領域を持つことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  6. 上記波長変換部材は、波長選択的な光吸収性の領域を持つことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  7. 上記半導体光源装置は、複数の上記半導体発光素子の光出力の各々を個別に駆動することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  8. 上記半導体光源装置は、熱伝導率が高い部材から形成されたプレートの上に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  9. 上記ホルダは、熱伝導率が高い部材から形成され、上記プレートに接触していることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
  10. 上記ホルダの出射開口を閉塞する透光部材を備えたことを特徴とする請求項９に記載の発光装置。
  11. 複数の上記半導体発光素子の少なくとも一つは、３６０ｎｍ乃至４８０ｎｍに発光ピーク波長を有する紫外あるいは青色半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  12. 複数の上記半導体発光素子は赤外半導体レーザ、または、赤色半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  13. 上記波長変換部材は、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、または、赤色蛍光体として、Ｃｅ賦活Ｌｎ３（Ａｌ１−ｘＧａｘ）５Ｏ１２（ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｇｄ、Ｌｕの少なくとも１つから選択され、ＣｅはＬｎを置換する）、Ｅｕ、Ｃｅ賦活Ｃａ３（ＳｃｘＭｇ１−ｘ）２Ｓｉ３Ｏ１２（ＣｅはＣａを置換する）、Ｅｕ賦活（Ｓｒ１−ｘＣａｘ）ＡｌＳｉＮ３（ＥｕはＳｒおよびＣａを置換する）、Ｃｅ賦活（Ｌａ１−ｘＹｘ）３Ｓｉ６Ｎ１１（ＣｅはＬａおよびＹを置換する）、Ｃｅ賦活Ｃａ−α−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活β−Ｓｉａｌｏｎ、Ｅｕ賦活Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８（ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｂａの少なくとも１つから選択され、ＥｕはＭを置換する）から選択される少なくとも１種の蛍光体を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
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