JP5684438B1 - 光源光学系、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯 - Google Patents

光源光学系、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯 Download PDF

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Abstract

励起光（Ｌ０）を発する光源（１）と、励起光（Ｌ０）の照射によって該励起光（Ｌ０）とは異なる波長の光を発生する波長変換部（２）と、該波長変換部（２）から互いに異なる方向に放射する３以上の奇数個の光束（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を、これら光束（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）とは異なる方向に放射されるもう１つの光束（Ｌ４）の後方から波長変換部（２）に集束して再入射させることによって、３以上の奇数個の光束（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）をもう１つの光束（Ｌ４）に重ね合わせる光偏向集束部（３，４ａ，４ｂ）とを備える光源光学系（１００）を提供する。

Description

本発明は、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯等の照明用の光源光学系に関するものである。
従来、単色光を発生するＬＥＤや半導体レーザ等の光源と、該光源からの単色光を波長変換する蛍光体等の波長変換機能とを備える光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。波長変換部によって波長変換された光は、波長変換部から全方向に放射するため、光源装置の出力を上げるためには工夫が必要となる。特許文献１では、波長変換部の背後に反射面を配置し、波長変換部から後方に散乱された光を反射面によって波長変換部に集束し、後方に散乱された光を前方に散乱された光に重ね合わせることによって、光源装置の出力の向上を図っている。
特開２０１１−１４２００６号公報
しかしながら、特許文献１の光源装置の場合、単一の光ファイバ等のＥｔｅｎｄｕｅの小さい光学素子には効率的に光を供給することができないという問題がある。Ｅｔｅｎｄｕｅは、π×発光面積×ＮＡ２によって定義される。すなわち、特許文献１の光源装置によって生成された光は、１８０°の発散角を有するため、Ｅｔｅｎｄｕｅが大きく、このような光を、Ｅｔｅｎｄｕｅの小さい光学素子に供給した場合、光の一部しか光学素子に供給することができず、他の部分は無駄になってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、Ｅｔｅｎｄｕｅの小さい光学素子に対しても高効率で光を供給することができる、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯等の照明に好適な、高輝度な光源光学系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。
本発明の第１の態様は、励起光を発する光源と、該光源から前記励起光が照射されることによって該励起光とは異なる波長の光を発生する波長変換部と、該波長変換部で波長変換された光のうち、前記波長変換部から互いに異なる方向に放射する３以上の奇数個の光束を、該３以上の奇数個の光束とは異なる方向に前記波長変換部から放射するもう１つの光束の後方から前記波長変換部に集束して再入射させることによって、前記３以上の奇数個の光束を前記もう１つの光束に重ね合わせる光偏向集束部とを備える光源光学系を提供する。
本発明の第１の態様によれば、光源からの励起光の照射によって波長変換部において波長変換された光のうち、互いに異なる方向に放射する３以上の奇数個の光束を光偏向集束部によりもう１つの光束と重ね合わせることによって、最終的に４以上の偶数個の光束が１つに重なり合って出力される。このときに、前記３以上の奇数個の光束は、波長変換部に集束された後にもう１つの光束と重なるので、共に発散光束であるほぼ同一形状の４以上の偶数個の光束が均一に重なり合う。
このように、ほぼ同一形状の４以上の光束が重なり合うため、光源光学系から生成される光の発散角は少なくとも９０度以下となる。従って、光源光学系から生成される光のＥｔｅｎｄｕｅが小さく、高輝度な光を出力することができるため、Ｅｔｅｎｄｕｅの小さい光学素子に対しても高効率で光を供給することができる。
上記第１の態様においては、前記光偏向集束部は、前記波長変換部が焦点位置になるように配置された凹面ミラーを備えてもよい。
このように光束の偏向および集束の両方の機能を有する凹面ミラーを用いることによって、部品点数を減らすことができる。さらに、この構成においては、波長変換された光の偏向手段および集束手段として凹面ミラーによる反射を利用しているため、色収差が発生しないという利点がある。
上記第１の態様においては、前記光偏向集束部は、前記波長変換部が焦点位置になるように配置された正の屈折力を有する光学系（集束手段）と、該正の屈折力を有する光学系に対し前記波長変換部とは反対側に配置された平面ミラー（偏向手段）を備えてもよい。
このようにすることで、波長変換部から発散光束として放射した３以上の奇数個の光束が正の屈折力を有する光学系によって平行光束に変換された後に平面ミラーによって偏向されるので、平面ミラーの位置合わせ精度を緩和することができる。
上記第１の態様においては、前記光偏向集束部は、前記波長変換部が焦点位置になるように前記波長変換部に対して異なる方向に配置された２つの正の屈折力を有する光学系と、該２つの正の屈折力を有する光学系に対し、前記波長変換部とは反対側に配置され、前記２つの正の屈折力を有する光学系のうちの一方を透過した光束を導光して他方へ入射させる導光素子を備えてもよい。
このようにすることで、２つの光束の経路を導光素子の形状に応じて任意に変更することができ、全系の小型化を図ることができる。
上記第１の態様においては、前記光源から出射される前記励起光の光路を、前記３以上の奇数個の光束および前記もう１つの光束のうちいずれかの光路に合成するダイクロイックミラーを備えてもよい。
このように、波長変換された光の光路と励起光の光路とを共通化することによって、全系の小型化を図ることができる。
上記第１の態様においては、少なくとも２つ以上の波長変換部を備えていてもよい。
上記第１の態様においては、前記光源、前記波長変換部、前記光偏向集束部を有する少なくとも２つの光回路と、該少なくとも２つの光回路の間で前記光束をリレーする光リレー部とを備えてもよい。
このようにすることで、重ね合わせる光束の数を増やし、さらに高輝度な光を出力することができる。
上記第１の態様においては、略平坦な形状を有し光を導光する導波路と、該導波路の内部に設けられた前記波長変換部とを備え、前記光偏向集束部が、前記導波路の側面に設けられ、前記波長変換部からの前記光束を前記波長変換部に集束させるように反射させる反射部であってもよい。
このようにすることで、波長変換部から導波路の平坦な方向に概略沿う方向に放射状に放射された光束が、導波路の側面に位置する反射部によって波長変換部に再入射させられる。この場合に、導波路と反射部とを一体的な構造とすることで、従来の半導体製造方法を用いてこれらの形状を一括で製造することができ、各部材同士のアライメントを不要にすることができる。
上記第１の態様においては、少なくとも２つの前記波長変換部が互いに異なる位置に設けられ、前記少なくとも２つの波長変換部の間で前記光束をリレーする少なくとも１つの光リレー部を前記導波路の側面に備えていてもよい。
このようにすることで、重ね合わせる光束の数を増加し、さらに高輝度な光を出力することができる。
上記第１の態様においては、前記もう１つの光束の光軸上に設けられ、前記互いに重ね合わされた光束を集束して出力する出力光集束部を備えていてもよい。
このようにすることで、導波路の側面から出力される光の断面強度分布を円形に整形することができる。
上記第１の態様においては、前記導波路に設けられ、前記光源からの前記励起光を波長変換部へ集束して照射する励起光集束部を備えていてもよい。
このようにすることで、波長変換された光の光量を維持したまま発光点サイズを小さくすることができ、高輝度な光を出力できる。また、励起光を波長変換部へ照射するための励起光集束部の形状を、導波路および光偏向集束部の形状と合わせて一括で作製することができ、各部材同士のアライメントを不要にすることができる。
上記第１の態様においては、前記光偏向集束部が、前記波長変換部からの放射時の発光点サイズに対し等倍になるように前記各光束を集束してもよい。
このようにすることで、波長変換部から互いに異なる方向に放射する光束を均一に重ね合わせて出力することができるため、後段の光学素子へ効率良く光を入力することができる。
上記第１の態様においては、前記波長変換部が、前記波長変換された光に対して６０％以上の透過率を有しているとより効果的である。
このようにすることで、波長変換された光が波長変換部を通過する際の光量の損失を十分に低減することができる。
上記第１の態様においては、前記光源が、レーザ光源であってもよい。
レーザ光は、輝度が高く、集光して波長変換材料に照射することで輝点サイズを小さくすることができる。したがって、励起光としてレーザ光を発するレーサ光源を用いることによって、より高輝度な光源光学系を実現することができる。
上記第１の態様においては、前記光源からの前記励起光を前記波長変換部へ集束して照射する励起光集束部を備えていてもよい。
このようにすることで、波長変換された光の発光点サイズを小さくして輝度を高めることができる。
上記第１の態様においては、前記波長変換部の少なくとも一部が、球状の容器の中心部に保持されていてもよい。あるいは、上記第１の態様においては、前記波長変換部の少なくとも一部は、少なくとも一部が球形状である容器に保持されていてもよい。
上記第１の態様においては、前記波長変換部の材料が、前記励起光の波長よりも長波長の光を発する蛍光体または量子ドットを含んでいてもよい。
このようにすることで、気体中の放電によって発光するランプ光源と違って、発光点の周りに光を遮る部材を設ける必要が無いので、波長変換部によって波長変換された光を高効率で容器の外側に取り出せると共に、光学系の設計自由度を向上することができる。また、ランプ光源とは違って、波長変換部の材料を分散させるための液体やポリマの種類を選択可能であるため、波長変換部の材料と容器の材料との屈折率差を小さくすることができ、発光点と再入射時の集束点との位置ずれを低減することができる。さらに、量子ドットであれば、発光波長の制御が容易であるので、用途にあった光源光学系を設計可能である。
上記第１の態様においては、前記波長変換部の材料が、前記励起光の波長よりも長波長の光を発する金属錯体であってもよい。
本発明の第２の態様は、励起光を発する光源と、該光源から前記励起光が照射されることによって該励起光とは異なる波長の光を発生する波長変換部と、該波長変換部で波長変換された光のうち、前記波長変換部から互いに異なる方向に放射する３以上の光束を、該３以上の光束とは異なる方向に前記波長変換部から放射するもう１つの光束の後方から前記波長変換部に集束して再入射させることによって、前記３以上の光束を前記もう１つの光束に重ね合わせ、それによって、少なくとも４つの光束のそれぞれが互いに他の少なくとも３つの光束と重なり合った１つの光束を形成する光偏向集束部とを備える光源光学系である。
本発明の第３の態様は、上記いずれかに記載の光源光学系を備えるファイバ光源である。
本発明の第４の態様は、上記いずれかに記載の光源光学系を備える顕微鏡である。
本発明の第５の態様は、上記いずれかに記載の光源光学系を備える自動車用前照灯である。
本発明の第３から第５の態様によれば、高輝度な光を出力できるので、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯等の照明系に好適に適用することができる。
本発明によれば、高輝度な光を出力することができるため、Ｅｔｅｎｄｕｅの小さい光学素子に対して高効率で光を供給することができるという効果を奏する。
第１の実施形態に係る光源光学系の全体構成図である。 図１の光源光学系の変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図１の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 第２の実施形態に係る光源光学系の全体構成図である。 第３の実施形態に係る光源光学系の全体構成図である。 図１４の光源光学系の変形例を示す全体構成図である。 第４の実施形態に係る光源光学系の全体構成図である。 図１６の光源光学系の変形例を示す全体構成図である。 図１６の光源光学系のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 球面ミラーの変形例を示す構成図である。 波長変換部を保持する容器の変形例を示す斜視図である。 図２０Ａの容器の上面図(上段)および側面図（下段）である。 波長変換部を保持する容器のもう１つの変形例を示す上面図(上段)および側面図（下段）である。 波長変換部を保持する容器のもう１つの変形例を示す側面図上面図である。 図２２Ａの容器の上面図である。 第５の実施形態に係る光源光学系の構成を示す平面図である。 図２３Ａの光源光学系のＡ−Ａ’断面図である。 図２３Ａの光源光学系の変形例を示す構成図である。 図２３Ａの光源光学系から出力される光の断面強度分布を説明する、導波路の出力部の平面図である。 図２５Ａの導波路の出力部の縦断面図である。 図２３Ａの光源光学系から出力される光の断面強度分布を示す図である。 図２４の光源光学系から出力される光の断面強度分布を示す図である。 図２３Ａの光源光学系のもう１つの変形例を示す構成図である。 図２３Ａの光源光学系のもう１つの変形例を示す構成図である。 波長変換部の変形例を示す、図２３Ｂの光源光学系の部分的な構成を示す断面図である。 波長変換部のもう１つの変形例を示す、図２３Ｂの光源光学系の部分的な構成を示す断面図である。 波長変換部のもう１つの変形例を示す、図２３Ｂの光源光学系の部分的な構成を示す断面図である。 第６の実施形態に係る光源光学系の構成を示す平面図である。 図３１の光源光学系の変形例を示す構成図である。 図３１の光源光学系のもう１つの変形例を示す構成図である。 図３１の光源光学系のもう１つの変形例を示す構成図である。 第７の実施形態に係る光源光学系の構成を示す平面図である。 重ね合わされる光束の数が偶数である理由を説明する図である。 一対の放物面ミラーと球面ミラーとの組み合わせを用いて４個の光束を重ね合わせる光学系を示す図である。 一対の放物面ミラーと球面ミラーとの組み合わせを用いて６個の光束を重ね合わせる光学系を示す図である。 一対の放物面ミラーと球面ミラーとの組み合わせを用いて８個の光束を重ね合わせる光学系を示す図である。
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る光源光学系１００について図１から図１２を参照して説明する。
本実施形態に係る光源光学系１００は、図１に示されるように、光源１と、該光源１から出射された励起光Ｌ０の照射により該励起光Ｌ０とは異なる波長の光を生成する波長変換部２と、該波長変換部２で波長変換された光のうち、互いに異なる方向に放射する４つの光束Ｌ１〜Ｌ４を互いに重ね合わせる３つの凹面ミラー（光偏向集束部）３，４ａ，４ｂとを備えている。
ここで、図１の各光束Ｌ１〜Ｌ４は、波長変換部２で波長変換されて全方向へ放射される光のうちの一部であり、光源光学系１００の有効ＮＡのみを表したものである。Ｅｔｅｎｄｕｅは光源１から照射面まで保存される量であるため、光源光学系１００の有効ＮＡは光源光学系１００側の発光点サイズと、後段の光学素子のＥｔｅｎｄｕｅによって決まる。
例えば、後段の光学素子に光ファイバを用いた場合を考える。光源光学系１００の発光面積および有効ＮＡをそれぞれＳＬ、ＮＡＬとし、光ファイバのコア面積およびＮＡをそれぞれＳＦ、ＮＡＦとすると、下式（１）が成り立ち、この式から光源光学系１００の有効ＮＡが求まる。
（１） π×ＳＬ×ＮＡＬ ２＝π×ＳＦ×ＮＡＦ ２
この有効ＮＡＬは、後段の光ファイバへ入力可能な最大角度を表わしており、図１の各光束Ｌ１〜Ｌ４の発散角は有効ＮＡの一例を示している。また、図２以降の各光束の発散角も同様に、有効ＮＡの一例を示すものとする。
光源１は、指向性の高い単色のビーム光を励起光Ｌ０として出射するレーザダイオード（ＬＤ）やＬＥＤ等の半導体光源、ガスレーザや固体レーザ等である。光源１は、波長変換部２に対して任意の方向から励起光Ｌ０を照射する。波長変換部２で波長変換された光の発光点サイズを小さくして輝度を高めるために、図２に示すように、励起光Ｌ０を集束して波長変換部２に照射する励起光集束部（例えば、集光レンズ）１５を、光源１と波長変換部２との間にさらに備えていてもよい。このようにすることで、式（１）のＳＬが小さくなるため、後段の光学素子に入力できる光の有効ＮＡＬを大きくすることができ、より高効率で光を入力することができる。また、レーザ光は、輝度および指向性が高く、また、集束径を小さくすることができる、したがって、レーザ光源を用いた場合には、波長変換された光の発光点をより小さくし、その発光点の輝度を最も効果的に高められるため、光源としてレーザ光源は理想的である。
波長変換部２の材料は、例えば、励起光Ｌ０によって励起される蛍光体、金属錯体または量子ドット等である。蛍光体または量子ドットは、励起光Ｌ０を照射されることによって、励起光Ｌ０の波長よりも長い波長の蛍光を発生する。あるいは、波長変換部２は、励起光Ｌ０を照射されることによって放電し、白色光を発生するキセノンガスであってもよい。
なお、キセノンガスを用いたキセノン光源などのランプ光源は、放電のための電極を必要とする。これに対し、蛍光体や量子ドットは、発光点の周囲に光を遮る部材を必要とせず、高効率で光を取り出せると共に、光学系の設計自由度も高くなるため、波長変換部２の材料として好適である。また、量子ドットは、粒子径およびその材料や構造次第で吸収波長や発光波長の調整が行えるため、用途に適した光源光学系１００の設計が可能である。
波長変換部２の材料は、球状の容器の中心部に保持されている。波長変換された光は、容器内を中心部から半径方向外方へ進み、容器の外表面全体から放射される。ここで、波長変換された光は、容器の外表面において屈折することなく、容器の内部から外部へ出射する。すなわち、波長変換された光が容器の外表面において全反射することがないので、波長変換部２において波長変換された光は、高効率で容器の外部へ出射される。さらに、波長変換された光が、容器の外部へ出射する際、および、容器の内部へ入射する際の球面収差が抑制されるため、波長変換された光の集光効率が向上し、結果として波長変換された光の利用効率が向上する。
容器は、波長変換された光に対して十分に高い透過率を有する材料からなる。また、波長変換部２の材料も、波長変換された光に対して十分に高い透過率を有する。これにより、波長変換された光は、十分に高効率で容器の外部へ出射されるとともに、後述するように、波長変換された光が凹面ミラー３，４ａ，４ｂによって波長変換部２へ再入射する際、波長変換された光は十分に高効率で波長変換部２を通過する。その結果、最終的に出力される光の光量を増加させることができる。
３つの凹面ミラー３，４ａ，４ｂは、波長変換部２を通り互いに交差するＸ軸およびＹ軸上に配置され、第１の光路Ｐ１および第２の光路Ｐ２を形成する。以下、参照する図面において、波長変換部２の中心を各軸の原点、右方向をＸ軸の正方向、上方向をＹ軸の正方向と定義する。
第１の光路Ｐ１は、波長変換部２からＹ軸の負方向に放射する光束Ｌ１を１８０°偏向し、Ｙ軸に沿って負側から波長変換部２へ再入射させる光路である。第２の光路Ｐ２は、波長変換部２からＹ軸の正方向およびＸ軸の負方向に放射する光束Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ偏向し、Ｘ軸に沿って負側から、および、Ｙ軸に沿って正側から波長変換部２へ再入射させる光路である。
このような第１の光路Ｐ１および第２の光路Ｐ２によれば、波長変換部２から、Ｙ軸の正および負方向ならびにＸ軸の負方向に放射した３つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、いずれも、Ｘ軸に沿って負側から波長変換部２へ再入射し、波長変換部２からＸ軸の正方向に放射した光束Ｌ４と重なり合う。これにより、最終的に４つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が重なり合って、Ｘ軸の正方向へ出力される。
具体的には、３つの凹面ミラー３，４ａ，４ｂは、１つの球面ミラー３と、２つの軸外し放物面ミラー４ａ，４ｂである。以下、軸外し放物面ミラー４ａ，４ｂを、単に放物面ミラー４ａ，４ｂとも言う。
第１の光路Ｐ１は、球面ミラー３によって形成されている。球面ミラー３は、曲率中心が波長変換部２の中心と一致するようにＹ軸上に配置され、波長変換部２からＹ軸に沿って球面ミラー３に入射した光束Ｌ１は、球面ミラー３によって反射されて波長変換部２に集束される。
第２の光路Ｐ２は、所定の軸に沿って入射した平行光束を焦点位置に集束する２つの放物面ミラー４ａ，４ｂによって形成されている。２つの放物面ミラー４ａ，４ｂは、各々の焦点が波長変換部２の中心に一致するように、かつ、平行光束部における軸が互いに重なり合うように、Ｘ軸上の負側およびＹ軸上の正側に配置されている。これにより、波長変換部２から２つの放物面ミラー４ａ，４ｂのうち一方に入射した光束Ｌ２，Ｌ３は、平行光束に変換されて他方へ反射され、他方によって波長変換部２に集束される。
ここで、３つのミラー３，４ａ，４ｂは、互いにほぼ同一の発散角を有する各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を受光し、各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を、発散角と同一の集束角で波長変換部２に集束するように、反射面の形状が設計されている。これにより、波長変換部２に再入射した各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ほぼ同一の発散角を有する発散光束として波長変換部２から出射され、もう１つの光束Ｌ４と重なり合う。なお、光源光学系１００からの出力光を受光する光学素子のＥｔｅｎｄｕｅによって、光源光学系１００に求められるＥｔｅｎｄｕｅが決まる。従って、３つのミラー３，４ａ，４ｂの配置の精度や、面形状の精度は、適宜設定することも可能である。
次に、このように構成された本実施形態に係る光源光学系１００の作用について説明する。
本実施形態に係る光源光学系１００によれば、光源１から出射された励起光Ｌ０が波長変換部２に照射されることによって、該波長変換部２において波長変換された光が全方向に放射する。この波長変換された光のうち、互いに異なる方向に放射する３つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、ミラー３，４ａ，４ｂが形成する第１の光路Ｐ１および第２の光路Ｐ２を経て、波長変換部２に再入射し、波長変換部２から放射したもう１つの光束Ｌ４と重なり合う。これにより、光源光学系１００は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って互いに異なる方向へ放射する４つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が互いに重なり合うように出力される。
このように、本実施形態によれば、波長変換部２において波長変換された光のうち、４方向に放射する光束を重ね合わせて出力するので、高輝度な光を出力することができるという利点がある。
また、例えば特開２０１１−１４２００６号公報において符号６ａで示されている反射面のように、波長変換部２から後方散乱された１８０°の発散角を有する光束を、前方散乱された光束と重ね合わせて出力する構成においては、Ｅｔｅｎｄｕｅが大きくなる。このような光を、入射面の面積および入射角度が小さい光ファイバのような、小さいなＥｔｅｎｄｕｅを有する光学素子に入力する場合、前方（本実施形態における光束Ｌ４に相当）と後方（本実施形態における光束Ｌ３に相当）の２光束しか入力できず、波長変換された光のうちの大部分が無駄になってしまう。
これに対し、本実施形態においては、互いに独立した４つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を重ね合わせて出力するため、Ｅｔｅｎｄｕｅを個々の光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のＥｔｅｎｄｕｅと同等としたまま光量を増やすことができる。つまり、特開２０１１−１４２００６号公報において、無駄となっていた部分の光の一部を利用することができる。したがって、Ｅｔｅｎｄｕｅが小さい光学素子に対しても、高効率で光を供給することができるという利点がある。
また、本実施形態によれば、ミラー３，４ａ，４ｂによって各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が波長変換部２に集束する際のスポット径が波長変換部２からの放射時に対して１倍となり、各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が均一に重なり合って出力されるため、後段の光学素子に対して効率良く光を入力することができる。
また、本実施形態によれば、波長変換された光を偏向および集束するためにミラー３，４ａ，４ｂの反射を利用しているため、色収差の発生を抑制し、色収差を考慮した設計を不要にすることができるという利点がある。
また、波長変換部２の材料として蛍光体や量子ドットを用いる場合には、波長変換部２に光を遮る部材が設けられることが無く、波長変換された光を高効率で外部に取り出すことができるとともに設計の自由度も向上する。波長変換部２は、波長変換された光に対して十分高い透過率を有するため、上述したように、波長変換された光を波長変換部２に再度入射させ、出力光の輝度を高めることができ、さらに再入射した光による波長変換部２の劣化を抑制することもできる。
これに対し、例えば、キセノンランプなどのランプ光源では、放電のための電極が必要となり光学系の設計自由度が低い。また、本実施形態のように発光した光を発光点に再入射させると、電極の磨耗による寿命低化を引き起こす恐れがあるため、発光した光を再入射させて高輝度化を図ることは難しい。
本実施形態によれば、高輝度な光を生成することができるので、ファイバ光源、顕微鏡および自動車用前照灯等の照明に好適に利用することができる。
なお、本実施形態においては、光偏向集束部として、偏向および集束の機能を兼ねる凹面ミラー３，４ａ，４ｂを用いることとしたが、これに代えて、図３から図１２に示すように、互いに別体の他の光学部材を用いてもよい。
図３は、偏向機能を有する平面ミラー５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、集束機能を有する凸レンズ（正の屈折力を有する光学系）６ａ，６ｂ，６ｃとを用いた変形例を示している。
１個の平面ミラー５ａは、第１の光路Ｐ１を形成し、光束Ｌ１を１８０°偏向する。３個の平面ミラー５ｂ，５ｃ，５ｄは、第２の光路Ｐ２を形成し、光束Ｌ２，Ｌ３の光軸が互いに重なるように光束Ｌ２，Ｌ３を偏向する。
凸レンズ６ａ，６ｂ，６ｃは、波長変換部２と平面ミラー５ａ，５ｂ，５ｄとの間に、焦点が波長変換部２の中心位置と一致するように配置され、波長変換部２から放射した光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を各々平行光束に変換して平面ミラー５ａ，５ｂ，５ｄに出射すると共に、平面ミラー５ａ，５ｂ，５ｄから入射された光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を波長変換部２に集束する。
このように各光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を平行光束に変換した後に、平面ミラー５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを用いて偏向することによって、各光学素子の位置合わせ精度を緩和することができる。
また、光束Ｌ２，Ｌ３を偏向する手段として３つの平面ミラー５ｂ，５ｃ，５ｄを用いる構成を示したが、２つの平面ミラー５ｂ，５ｄのみを用いて光束Ｌ２，Ｌ３の光軸を重ね合わせるように配置してもよいし、４つ以上の平面ミラーを用いてもよい。
図４は、図１における放物面ミラー４ａ，４ｂに代えて、偏向機能を果たす光ファイバ（導光素子）７と、集束機能を果たすレンズ対８ａ，８ｂとを用いた変形例を示している。
各レンズ対８ａ，８ｂは、例えば凸面を向かい合わせて配置された２つの凸レンズから構成され、両側に２つの焦点を有する。各レンズ対８ａ，８ｂは、一方の焦点が波長変換部２の中心位置と一致するように配置されている。光ファイバ７の２つの端面は、各レンズ対８ａ，８ｂの他方の焦点に配置され、光ファイバ７は、２つのレンズ対８ａ，８ｂのうち、一方から出射された光束を導光して他方へ入射させる。
このように光ファイバ７を用いることによって、Ｘ軸とＹ軸との間で光束を偏向する経路を任意に変更することができるので、全系の小型化を図ることができる。
なお、図３の変形例においては、平面ミラー５ａに代えて、再帰反射素子（例えば、コーナーキューブ）を用いてもよい。このようにすることで、再帰反射素子の位置合わせ精度をさらに緩和することができる。
また、図４の変形例においては、球面ミラー３に代えて、図３の平面ミラー５ａと凸レンズ６ａとの組み合わせ、または、再帰反射素子と凸レンズ６ａとの組み合わせを用いてもよい。
図５の構成は図３の構成の変形例であり、励起光Ｌ０を透過すると共に波長変換された光を反射する光学特性を有し、光源１からの励起光Ｌ０を４つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のうちいずれかに重ね合わせるダイクロイックミラー９が設けられている。符号６ｄは、光源１から発散光束として出射される励起光Ｌ０を平行光束に変換する凸レンズである。
図５に示される構成においては、図３においてＸ軸の負側に配置された平面ミラー５ｄが、ダイクロイックミラー９に変更され、光源１からの励起光Ｌ０が、Ｘ軸に沿ってダイクロイックミラー９に入射する。
このように、励起光Ｌ０の光路と光束Ｌ３の光路とを共通化することによって、全系の小型化を図ることができるという利点がある。
また、光源１およびダイクロイックミラー９の配置を図６から図８のように変形してもよい。
図６は、図３の平面ミラー５ａをダイクロイックミラー９に変更した変形例を示している。図７は、図３の平面ミラー５ｂをダイクロイックミラー９に変更した変形例を示している。図８に示されるように、Ｘ軸の正側にダイクロイックミラー９を配置し、ダイクロイックミラー９によって出力光をＸ軸に対して側方へ偏向してもよい。
波長変換部２に入射した励起光Ｌ０の全てが波長変換部２によって波長変換されるわけではなく、一部の励起光Ｌ０は、波長変換されることなく波長変換部２を通過する。
そこで、図６から図８のようにダイクロイックミラー９の位置を変更することによって、光源１から出射された励起光Ｌ０は、２回以上波長変換部２を通過する。具体的には、図６および図７の構成では２回、図８の構成では４回、励起光Ｌ０が波長変換部２を通過する。これにより、波長変換されずに波長変換部２を通過した励起光Ｌ０が、再び波長変換部２に入射することによって、励起光Ｌ０が波長変換される割合を増やし、その結果、さらに高輝度な光を出力することができる。
図９に、励起光Ｌ０を反射すると共に波長変換された光を透過する光学特性を有するダイクロイックミラー９’を用いた構成例を示す。
図９に示される構成においては、ダイクロイックミラー９’は、波長変換部２と、Ｘ軸の負側に配置された平面ミラー５ｄとの間に配置されている。ダイクロイックミラー９’は、Ｘ軸に対して傾斜して配置され、平行光束として入射された光源１からの励起光Ｌ０を、Ｘ軸と重なり合うように偏向する。
このように励起光Ｌ０の光路と光束Ｌ３の光路とを共通化することによって、全系の小型化を図ることができる。
また、光源１およびダイクロイックミラー９’の配置を図１０から図１２のように変形してもよい。
図１０は、波長変換部２と平面ミラー５ａとの間にダイクロイックミラー９’を配置した変形例を示している。図１１は、波長変換部２と平面ミラー５ｂとの間にダイクロイックミラー９’を配置した変形例を示している。図１２に示されるように、Ｘ軸の正側にダイクロイックミラー９’を配置してもよい。この場合、波長変換部２とダイクロイックミラー９’との間に、励起光Ｌ０を波長変換部２に集束させる凸レンズ６ｅが追加される。
このようにすることで、図１０および図１１の構成では２回、図１２の構成では４回、励起光Ｌ０が波長変換部２を通過する。これにより、励起光Ｌ０の利用効率を高めて波長変換される割合を増やすことで、さらに高輝度な光を出力することができる。
また、図５、図７から図１２の構成においては、平面ミラー５ａに代えて、再帰反射素子（例えば、コーナーキューブ）を用いてもよい。また、平面ミラー５ａと凸レンズ６ａとの組み合わせに代えて、前述した球面ミラー３を用いてもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光源光学系２００について図１３を参照して説明する。
第１の実施形態では、波長変換部２から同一平面内の互いに異なる４方向に放射する光束Ｌ１〜Ｌ４を重ね合わせる構成について説明したが、本実施形態に係る光源光学系２００は、波長変換部２から同一平面内の異なる３つ以上の軸上を互いに反対方向へ放射する、計６以上の偶数個の光束を重ね合わせて出力する構成となっている。
光源光学系２００の構成の一例を図１３に示す。光源光学系２００は、光偏向集束部として、焦点位置が波長変換部２の中心位置と一致するように配置された２組の１対の放物面ミラー４ａ，４ｂ；４ａ’，４ｂ’と、曲率中心位置が波長変換部２の中心位置と一致するように配置された球面ミラー３とを備えている。このような光源光学系２００によれば、波長変換部２から互いに異なる方向に放射する光束Ｌ１〜Ｌ５を光束Ｌ６に重ね合わせて出力することができ、第１の実施形態に比べてさらに高輝度な光を出力することが可能である。
なお、放物面ミラーの組を増やし、異なる８方向、１０方向、１２方向、…に放射される光束が重なり合うように構成してもよい。この場合には、重ね合わせる光束の数を増やす程、各光束のＮＡが小さくなり、Ｅｔｅｎｄｕｅの小さな光が出力される。例えば、異なる４方向に放射する光束を重ね合わせる場合、最大でＮＡが約０．７１の光を出力することができる。光源光学系２００の後段に配置される光学系の有効ＮＡが０．７１よりも小さい場合には、本実施形態のように、出力される光の有効ＮＡを小さくし、重ね合わせる光束の数を増やせばよい。
また、本実施形態においては、光偏向集束部として、放物面ミラー４ａ，４ｂ，４ａ’，４ｂ’と球面ミラー３とを用いることとしたが、これに代えて、第１の実施形態と同様に、凸レンズと平面ミラーとの組み合わせや、凸レンズとファイバと球面ミラーとの組み合わせを用いてもよく、球面ミラーの代わりに再起反射素子（例えば、コーナーキューブ）を用いてもよい。また、凸レンズと平面ミラー、ダイクロイックミラー９，９’を用いて励起光L０の光路と波長変換部２によって波長変換された光の光路とを共通化してもよい。
なお、以下に説明する第３から第７の実施形態においても、ＸＹ平面内の光束に関して、異なる４方向以上の偶数であれば、重ね合わせる光束の数は任意に選択可能であるが、簡単のため、異なる４方向のみの光束を重ね合わせる構成を主として説明する。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光源光学系３００について図１４および図１５を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、第１の実施形態および第２の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
第２の実施形態では、波長変換部２から、同一平面内を互いに異なる方向へ放射する光束を重ね合わせる構成について説明したが、本実施形態に係る光源光学系３００は、これを空間に拡張した例である。すなわち、波長変換部２からＸＹ平面外軸上を互いに反対方向に放射する光束を、ＸＹ平面内の光束と重ね合わせ、合計で６方向、８方向、またはそれ以上の偶数方向へ放射する光束を重ね合わせる構成となっている。
光源光学系３００の構成の一例を図１４に示す。図１４は上述した図３における、波長変換部２からＸＹ平面内を互いに異なる方向へ放射する４つの光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に加え、２つの光束Ｌ５，Ｌ６を含む、計６つの光束を１つに重ね合わせて出力する構成である。ここで、２つの光束Ｌ５，Ｌ６は、ＸＹ平面上にないもう１つのＸ’軸上を互いに異なる方向に波長変換部２から放射する。また、第２の実施形態の最後に説明したとおり、ＸＹ平面内の光束数は４以上の偶数であれば任意に選択できるが、ここでは簡単のためＸＹ平面内の光束については４方向のみを考える。
図１４の構成では図３の構成に対し、光偏向集束部として２つの凸レンズ６ｅ，６ｆおよび２つの平面ミラー５ｅ，５ｆが追加されている。
Ｘ’軸上の光束Ｌ５は、凸レンズ６ｅによって平行光に変換された後、平面ミラー５ｅによって１８０°偏向され、凸レンズ６ｅによって再び波長変換部２へ集束して入射し、前記Ｘ’軸上のもう１つの光束Ｌ６と重なり合う。光束Ｌ５，Ｌ６は、平面ミラー５ｆ，５ａによってＸＹ平面内の光束と重なり合うように偏向される。結果として６つの光束Ｌ１〜Ｌ６が重なり合って出力される。同一平面以外の方向へ放射される光束も利用できるため、出力光の光量をさらに増加することが可能である。
図１５に、図１４の構成にさらに、ＸＹ平面外のＸ’軸とは異なるＹ’軸上を互いに反対方向へ波長変換部２から放射された２つの光束Ｌ７，Ｌ８を加え、合計８光束を重ね合わせて出力する例を示す。
図１５の構成では、ＸＹ平面とＸ’Ｙ’平面の２つの平面上の合計８つの光束を重ね合わせて出力する。ＸＹ平面の光偏向集束部の構成は図３と同様、凸レンズと平面ミラーとからなる。Ｘ’Ｙ’平面の光偏向集束部の構成も凸レンズと平面ミラーとからなるが、ＸＹ平面の出力部に相当する部分に凸レンズ６ｇおよび平面ミラー５ｇが追加されている。ＸＹ平面内の平面ミラー５ａとＸ’Ｙ’平面内の平面ミラー５ｇは、それぞれの平面ミラーが反射する光束が互いに重なり合うように傾けて配置してある。これにより、ＸＹ平面およびＸ’Ｙ’平面上に互いに異なる方向に波長変換部２から放射した合計８つの光束Ｌ１〜Ｌ８を重ね合わせて出力することができ、さらに高輝度な光を出力することができる。
図１５の構成に、新たに、ＸＹ平面およびＸ’Ｙ’平面上にないＸ”軸上を互いに反対方向に放射する２つの光束を追加することもできる。この場合には、図３の構成を図１４の構成に拡張した場合と同様の方法でＸ”軸を追加することができる。すなわち、Ｘ”軸上に平面ミラー、凸レンズ、波長変換部２、凸レンズ、平面ミラーの順になるように各部材を配置し、１つの平面ミラーはＸ”軸上の光束を反対方向に折り返すように配置する。Ｘ”軸上のもうひとつの平面ミラーとＸ’Ｙ’平面上の平面ミラー５ｅを、それぞれが反射する光束が互いに重なり合うような角度で配置する。このようにすることで、合計１０光束を１つに重ね合わせることができ、さらに高輝度な光を出力することができる。
上記のように、重ね合わせる光束は、偶数であれば何光束でも増やすことができる。また、第２の実施形態と違い、各光束の軸は必ずしも同一平面上にある必要はないので、理論上は波長変換部２から全方向に放射される光を全て重ね合わせて、１つのＥｔｅｎｄｕｅの小さい光として出力することも可能である。
また、本実施形態においては、光偏向集束部として、凸レンズと平面ミラーとを用いることとしたが、これに代えて、第１の実施形態と同様に、放物面ミラーと球面ミラーとの組み合わせや、凸レンズとファイバと球面ミラーとの組み合わせを用いてもよく、球面ミラーの代わりに再起反射素子（例えば、コーナーキューブ）を用いてもよい。また、凸レンズと平面ミラー、ダイクロイックミラー９，９’を用いて励起光L０の光路と波長変換部２によって波長変換された光の光路とを共通化してもよい。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る光源光学系４００について図１６から図１８を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、第１から第３の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１から第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光源光学系４００は、図１６に示されるように、第１の実施形態において説明した、光源１、波長変換部２、および凹面ミラー３，４ａ．４ｂによって構成される光回路を２組備え、これら２組の光回路の間で光束Ｌ１〜３，Ｌ１’〜Ｌ４’をリレーする光リレー部を備えたものである。すなわち、光源光学系４００は、各波長変換部２，２’から異なる４方向に放射した光束（合計８光束）をすべて重ね合わせて出力する構成となっている。本実施形態においてもまた、第２の実施形態および第３の実施形態で説明したように、偶数光束であれば何光束でも重ね合わせることができるが、簡単のために、各波長変換部２，２’から異なる４方向に放射する光束を重ね合わせる構成を主として説明する。
光源光学系４００の構成の一例を図１６に示す。一方の光回路は、第１の実施形態の光源光学系１００から球面ミラー３を省略した構成を有している。他方の光回路は、一方の光回路のＹ軸と、他方の光回路のＸ’軸とが、同一線上に重なるように配置されている。参照する図面において、他方の光回路を示す符号には、「’」を付している。
光リレー部は、凸面を向かい合わせて配置された一対の凸レンズ１０ａ，１０ｂからなり、各凸レンズ１０ａ，１０ｂの焦点が各波長変換部２，２’の中心に位置するように配置されている。
このように構成された本実施形態に係る光源光学系４００によれば、２つの波長変換部２，２’から放射された、互いに独立な８つの光束Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１’〜Ｌ４’が互いに重なり合って出力される。これにより、Ｅｔｅｎｄｕｅを小さくしたまま、出力光量を高めることができるという利点がある。また、互いに異なる色の光を生成する波長変換部２，２’を用いた場合には、様々な色の光を出力することができるという利点がある。本実施形態のその他の効果は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
なお、本実施形態においては、光偏向集束部として、凹面ミラー３’，４ａ，４ｂ，４ａ’，４ｂ’を用いることとしたが、これに代えて、図１７に示されるように、平面ミラー５ｂ〜５ｄ，５ｂ’〜５ｄ’，９および凸レンズ６ｂ，６ｃ，６ｂ’，６ｃ’，６ｅを用いてもよい。
また、第１の実施形態において説明したように、光源１からの励起光Ｌ０の光路を、光束Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１’〜Ｌ４’の光路に合成するダイクロイックミラー９，９’をさらに備えてもよい。
また、図１７に示されるように、単一の光源１から出射された励起光Ｌ０を半分に分割し、２つの波長変換部２，２’に励起光Ｌ０を分配するハーフミラー１１を備えてもよい。このようにすることで、光源１が１つで済むので、全系の小型化を図ることができる。
図１８に、光源光学系４００のもう一つの構成例を示す。一方の光回路は、第１の実施形態の光源光学系１００における球面ミラー３を有している。他方の光回路は、第１の実施形態の光源光学系１００における放物面ミラー４ａ’，４ｂ’を有している。
光リレー部１０は、２つの楕円ミラー１２ａ，１２ｂからなり、２つの波長変換部２，２’が楕円ミラー１２ａ，１２ｂの焦点位置と一致するように配置されている。
このように構成された図１８に示した本実施形態に係る光源光学系４００によれば、２つの波長変換部２，２’から放射した、互いに独立な８つの光束Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１’〜Ｌ４’が互いに重なり合って出力され、Ｅｔｅｎｄｕｅを小さくしたまま、出力光量を高めることができる。さらに、光偏向集束部および光リレー部はすべてミラーで構成されているため、互いに異なる色の光を生成する波長変換部２，２’を用いた場合でも、各光学素子による色収差が発生しないという利点がある。本実施形態のその他の効果は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
また、上記の光源光学系４００の実施形態では、２組の光回路間での光束の重ね合わせについて説明したが、光回路を３つ、４つと増やしてもよい。光回路を増すことで、Ｅｔｅｎｄｕｅを大きくせずに出力を更に増加させることができる。
また、上述した第１から第４の実施形態においては、球面ミラー３に代えて、図１９に示されるように、波長変換部２の容器２ａの外表面に、該外表面に沿って設けられた反射部１３を備えていてもよい。反射部１３は、例えば、金属膜または誘電体多層膜からなる。反射部１３は、球面の一部の形状を有し、波長変換部２の容器２ａの外表面から半径方向外方に進む光線を、容器２ａの中心へ向かって折り返すことによって、球面ミラー３と同じ機能を果たす。
このようにして、光偏向集束部の一部を、波長変換部２を保持するための容器２ａと一体に形成することによって、全系の小型化を図ることができる。
また、上述した第１から第４の実施形態においては、波長変換部２を保持する容器２ａとして、完全球状の容器について説明したが、容器２ａの形状は適宜変更可能である。容器２ａの形状は、波長変換部２から出射する波長変換された光のうち有効な光束が通過する部分が球形状であればよい。容器２ａの形状を一部変更することで、容器２ａを保持する機構や波長変換部２の材料を封入するための機構などの設計自由度を向上することができる。例えば、第１の実施形態においては、容器２ａは、少なくとも光束Ｌ１〜Ｌ４が通過する部分が球形状であればよいので、図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２１に示すように、球面形状と平坦形状とを組み合わせた形状であってもよい。図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２１に示す容器２ａは、その平坦部分を利用して固定することが可能である。
または、図２２Ａおよび図２２Ｂに示されるように、容器２ａの形状が、半球状であってもよい。この場合には、容器２ａの平坦面に、波長変換された光を反射する反射部１４を設けることが好ましい。反射部１４は、例えば、金属膜または誘電体多層膜からなる。容器２ａの平坦面から出射された光束（図２２Ａにおいて、破線のハッチングで示される部分）は、反射部１４によって反射されることによって、球面から出射される光束（図２２Ａ）において、実線のハッチングで示される部分）と重なり合う。これにより、平坦面から出射される光束も利用することができ、球状の容器を用いたときと同様の効果が得られる。
波長変換部２の材料の形状も球形が望ましいが、波長変換部２の少なくとも一部が容器２ａの中心に位置していれば適宜変更可能である。例えば図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２１に示すように、円筒状または角柱状であってもよい。この場合、波長変換部２と容器２ａとの界面での屈折の影響を抑えるために、波長変換部２と容器２ａとの屈折率差は小さい方が望ましい。容器２ａの材料は、ガラスまたはポリマである。波長変換部２の材料が蛍光体や量子ドットである場合には、波長変換部２の材料は、有機溶剤などの液体やポリマなどに分散して用いられる。このため、波長変換部２の材料と容器２ａの材料として、屈折率が互いに近いものを選択することが可能である。しかし、キセノンランプのような放電ランプでは、放電ガスと容器２ａの材料との屈折率を一致させることは困難であり、また、放電ガスを封入する容器を球形状にすることも困難である。
また、波長変換部２の屈折率が容器２ａの屈折率よりも大きい場合には、波長変換された光の一部が全反射によって波長変換部２内に閉じこめられてしまい、取り出し効率が低化する。例えば波長変換部２が球形の場合、波長変換部２と容器２ａとの間の屈折率の差が０．１２以上であると、波長変換された光のうちの１０％が全反射によって波長変換部２内に閉じこめられることになる。一方、波長変換部２の屈折率が容器２ａの屈折率よりも小さい場合には、波長変換部２と容器２ａとの間の界面での全反射が起きないため、全ての光を容器２ａの外へ取り出すことができる。以上より、波長変換部２の屈折率ｎ１と容器２ａの屈折率ｎ２とは、以下の関係を満たすことが望ましい。
ｎ１-ｎ２＜０．１２
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る光源光学系５００について、図２３Ａから図２９を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、第１から第４の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光源光学系５００は、第１の実施形態における図１の構成を基本とし、ＸＹ平面上を互いに異なる方向に波長変換部２から放射する４つの光束を重ね合わせて出力する構成であり、内部に波長変換部２を有する導波路２０と、該導波路２０の側面に設けられた光偏向集束部とを備えている。
光源光学系５００の構成の一例を図２３Ａに、図２３ＡのＡ−Ａ’断面図を図２３Ｂに示す。導波路２０は、基板２４上に形成されたクラッド２１，２２とコア２３との積層構造からなり、全体として平坦な形状を有するスラブ導波路である。具体的には、導波路２０は、基板２４側から順に、第１のクラッド２１と、コア２３と、第２のクラッド２２とを備えている。波長変換部２は、コア２３の一部分に存在する。コア２３は、クラッド２１，２２よりも高い屈折率を有する部材から形成されている。したがって、波長変換部２において波長変換された光は、コア２３とクラッド２１，２２との界面において全反射されることによってコア２３の内部を平坦方向に導光する。基板２４は、薄い構造の導波路２０を支持するためのものであり、省略してもよい。
コア２３およびクラッド２１，２２の部材は、例えば、ガラスまたはポリマである。クラッド層を形成せず、空気層をクラッド２１，２２として用いてもよい。波長変換部２とコア２３との界面での波長変換された光の屈折を防ぐため、波長変換部２とコア２３との屈折率の差は、より小さいことが好ましい。また、励起光Ｌ０および波長変換された光は、波長変換部２の内部も導光するため、波長変換部２は、クラッド２１，２２よりも高い屈折率を有する必要がある。
光偏向集束部は、導波路２０の少なくとも一部の側面に設けられた反射部２５，２６ａ，２６ｂからなる。反射部２５，２６ａ，２６ｂは、図２３Ｂに示されるように、導波路２０の側面に沿って該導波路２０の平坦方向に略垂直に直立する壁状であり、ＸＹ平面において波長変換部２側に凹の湾曲形状を有している。反射部２５は、ＸＹ平面において円弧形状を有し、上述した球面ミラー３と同様に、円の中心が波長変換部２の中心位置と一致するように配置されている。反射部２６ａ，２６ｂは、ＸＹ平面において放物線形状を有し、上述した放物面ミラー４ａ，４ｂと同様に、各々の焦点が波長変換部２の中心位置と一致するように配置されている。なお、図２３Ａにおいて、第２のクラッド２２の図示は省略されている。
このように構成された本実施形態に係る光源光学系５００の作用について説明する。
励起光Ｌ０の照射によって波長変換部２において波長変換された光のＺ方向（コア２３の厚さ方向）の成分は、図２３Ｂに示されるように、コア２３とクラッド２１，２２との界面における全反射によってコア２３内部に閉じ込められるため、各光束Ｌ１〜Ｌ４のＺ方向成分の角度は保存される。一方、波長変換された光のＸ方向およびＹ方向の成分は、導波路２０の側面の反射部２５，２６ａ，２６ｂによって、波長変換部２に向かって折り返されるとともに該波長変換部２に集束され、異なる４方向に放射する光束Ｌ１〜Ｌ４が互いに重なり合って出力部２３ａから外部に出力される。
この場合に、本実施形態によれば、光偏向集束部としての反射部２５，２６ａ，２６ｂが、導波路２０の平坦方向に対して略垂直な壁状であり、Ｚ方向（コア２３の厚さ方向）に曲率を有さない。したがって、一般的な導波路２０の製造方法である、ドライエッチングやフォトリソグラフィなどの半導体プロセスを用いて、導波路２０と光偏向集束部の形状を一括で、かつ高精度に製造することができる。従って、その後に例えば蒸着やスパッタにより反射部２５，２６ａ，２６ｂを形成すればよいため、別々に作成された光学素子同士の位置合わせ作業が不要である。これにより、より信頼性の高い製品を製造することができるという利点がある。さらに、本実施形態によれば、第１から第４の実施形態のようにミラー等の光学部材を用いた構成に比べて、光学系全体を小型にすることができるという利点がある。また、導波路２０の作製プロセスにおいて、ドライエッチング等により光偏向集束部の形状がＺ方向（コア２３の厚さ方向）に対して角度を有してもよく、また、曲率を有してもよい。このような場合、反射部２５，２６ａ，２６ｂで反射した後の光線の角度が大きくなり、全反射条件を満たさなくなることが考えられる。このように、導光効率を低化させないためには、光偏向集束部のＺ方向に対する角度や曲率が、全反射条件を満たす範囲であればよい。
なお、本実施形態においては、互いに重なり合った４つの光束Ｌ１〜Ｌ４を、波長変換部２からの発散光としてそのまま出力することとしたが、これに代えて、図２４に示されるように、導波路２０の側面に、波長変換部２からの重なり合った４つの光束Ｌ１〜Ｌ４を、導波路２０の出力部２３ａに集束する反射部（出力光集束部）２７がさらに設けられていてもよい。この反射部２７は、ＸＹ平面において楕円孤形状を有し、波長変換部２および出力部２３ａに２つの焦点が位置するように配置される。
図２３Ａおよび図２３Ｂの構成においては、図２５Ａおよび図２５Ｂに示されるように、コア２３の寸法が、Ｚ方向には制限されているのに対し、Ｙ方向には広がっている。このため、出力部２３ａから出力された光の断面強度分布は、図２６に示されるように、楕円形状となる。これに対し、反射部２７を設け、出力部２３ａに集束して出力することによって、出力部２３ａから出力された光の断面強度分布を、図２７に示されるように、Ｙ方向の寸法とＺ方向の寸法とが揃った円形の断面強度分布を有する光を出力することができ、出力された光の取り扱いを容易にすることができる。図２６および図２７は、光学シミュレーションによって得られた画像である。
なお、出力光集束部は、楕円孤形状の反射部２７に代えて、一方の焦点が波長変換部２に、他方の焦点が出力部２３ａに位置するように配置された放物線形状の一対の反射部を用いてもよい。
また、図２８に示されるように、導波路２０の側面に設けられ、励起光Ｌ０を集束して波長変換部２に照射するための励起光集束部を備えてもよい。この励起光集束部は、例えば、波長変換部２の位置に焦点が配置された楕円孤形状の反射部２８からなる。このようにすることで、励起光Ｌ０を波長変換部２に集束して照射させるための励起光集束部の形状も、光偏向集束部の形状および導波路２０と一括で製造することができ、励起光を照射するための光学素子の位置合わせが不要となるため、更に装置化に適した構成となる。なお、反射部２８は、ＸＹ平面において放物線形状を有する２つの反射部であってもよい。
また、本実施形態においては、導波路２０に光源１としてレーザダイオード（ＬＤ）を実装してもよい。このようにすることで、光源１が導波路２０に一体的に組み込まれた構造とすることができる。さらに、出力部２３ａに光ファイバを接続することで、励起光を発する光源１から光ファイバまでの全てを一体としたファイバ光源を製造することも可能である。
また、本実施形態においては、図２９に示されるように、励起光Ｌ０と出力された光とを波長によって分離するための波長分離素子３０をさらに備えることによって、導波路２０への入射光路と導波路２０からの出射光路とを共通化してもよい。符号３１は、光ファイバである。このようにすることで、全系の小型化を図ることができる。なお、第１から第４の実施形態においても、光源光学系から出射された光を、光学系を介して集束した後、光ファイバに接続する場合には、波長分離素子３０を用いて、波長変換された光の光路と励起光の光路を共通化してもよい。
また、本実施形態においては、波長変換部２の厚みは、コア２３の厚み以下であれば任意の寸法を採用してよい。コア２３の厚みと波長変換部２の厚みとが互いに等しい場合、励起光Ｌ０の全てが波長変換部２を通過することになり、励起光Ｌ０の吸収率が最大となる。したがって、波長変換部２の厚みとコア２３の厚みは、互いに等しいことが望ましい。図３０Ａから図３０Ｃに示すように、波長変換部２の厚みがコア２３の厚みよりも小さくなると、励起光Ｌ０の吸収率が下がるが、波長変換部２の材料を封入するための溝構造を加工しやすいという利点がある。一方、波長変換部２を封入するための溝構造をエッチングやフォトリソグラフィで形成する場合、コア２３の厚みが大きくなる程、加工が困難になる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る光源光学系６００について図３１から図３４を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、第１から第５の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る光源光学系６００は、第４の実施形態における図１８の構成を基本とし、導波路２０と、光偏向集束部と、光リレー部とを備え、コア２３の少なくとも２箇所に波長変換部２，２’を備えている。
光源光学系６００の構成の一例を図３１に示す。光偏向集束部は、例えば、波長変換部２の位置を中心とした円弧形状の反射部２５と、焦点位置が波長変換部２’の中心位置と一致するように配置された一対の放物線形状の反射部２６ａ，２６ｂとからなる。
光リレー部は、例えば、焦点位置が２つ波長変換部２，２’の位置と一致するように配置された楕円孤形状の反射部２９からなり、２つの波長変換部２，２’の間で光束Ｌ１〜Ｌ３，Ｌ１’〜Ｌ４’をリレーするようになっている。
このように構成された本実施形態に係る光源光学系６００によれば、少なくとも２箇所に配置された波長変換部２，２’から互いに異なる方向へ放射する少なくとも８つの光束Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１’〜Ｌ４’を、Ｅｔｅｎｄｕｅを大きくすることなく１つに重ね合わせることができ、さらに高輝度な光を出力することができる。また、第５の実施形態と同様に、波長変換部２，２’を保持する導波路２０と、光偏向集束部２５，２６ａ，２６ｂの形状および光リレー部２９の形状とを一括で製造することができるため、各光学素子同士の位置合わせが不要となる。また、互いに異なる波長の光を発生する波長変換部２，２’を用いることで、様々な色の光を出力することができる。
なお、本実施形態においては、図３２に示されるように、出力部２３ａから出力された光の断面強度分布が円形になるように、第５の実施形態において説明した出力光集束部としての反射部２７をさらに備えていてもよい。
さらに、図３２の光路構成を図３３のように変形してもよい。すなわち、励起光Ｌ０を波長変換部２に集束して照射させるための励起光集束部として反射部２８を、導波路２０の側面にさらに備えていてもよい。これにより、励起光集束部の形状も、導波路２０およびその他の構成と一括で製造することができる。なお、図３３においては、図が煩雑になることを防ぐために、一部の符号の記載を省略している。
図３３の光路構成では、励起光Ｌ０が、反射部２８によって集束されて波長変換部２’に入射する。このときに、波長変換部２’において波長変換されずに該波長変換部２’を透過した成分が、反射部３０によってもう１つの波長変換部２へ集束されて入射する。さらに、このもう１つの波長変換部２を透過した成分は、反射部３２によって反射され、再び波長変換部２に入射し、さらにその一部は再び波長変換部２’に入射する。ここで、反射部３２は、反射部２５と同様に、ＸＹ平面において円弧形状を有し、円の中心が波長変換部２の中心位置と一致するように配置されている。このように、励起光Ｌ０が各波長変換部２，２’を２回ずつ通過するように光路設計することによって、励起光Ｌ０の利用効率を向上することができる。この構成は、波長変換部２の励起光Ｌ０に対する透過率が高い場合に有効である。
また、本実施形態においては、図３４に示されるように、２つの光源を用いて、それぞれの波長変換部２，２’を別々に励起してもよい。このような構成は、波長変換部２の励起光Ｌ０，Ｌ０’に対する吸収率が高い場合や、励起光Ｌ０，Ｌ０’の波長が異なる波長変換部２，２’を用いる場合などに有効である。
なお、図３１から図３４には、２つの波長変換部２，２’を備える例を示したが、波長変換部２を３つ、４つと増やし、その分、光リレー部２９も増やすことで、出力光量を更に高めることができる。
（第７の実施形態）
次に本発明の第７の実施形態に係る光源光学系７００について図３５を参照して説明する。
なお、本実施形態においては、第１から第６の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本発明の第７の実施形態に係る光源光学系７００は、第５の実施形態における構成を基本とし、重ね合わせる光束数を６つ、８つ、またはそれ以上に増やした場合の例である。
光源光学系７００の構成の一例を図３５に示す。図３５の構成は、波長変換部２から互いに異なる方向に放射した合計８つの光束Ｌ１〜Ｌ８を１つに重ね合わせて出力する例である。光偏向集束部は、波長変換部２の位置を中心とする円弧形状の反射部２５と、波長変換部２の位置に焦点が配置された３組の１対の放物線形状の反射部２６ａ，２６ｂ；２６ａ’，２６ｂ’；２６ａ”，２６ｂ”とから構成される。さらに、第５の実施形態において説明した、出力光集束部としての反射部２７と、励起光集束部としての反射部２８とを備えている。
このような構成にすることで、波長変換部２から互いに異なる方向に放射する合計８つの光束Ｌ１〜Ｌ８を重ね合わせ、Ｅｔｅｎｄｕｅを大きくすることなく光量を増加して出力することができる。これにより、第６の実施形態で説明した２つの波長変換部２を用いた場合と同等の光量を出力することができると同時に、単一の波長変換部２のみで足りるので光学系全体を小型にすることができる。
なお、上述した第１から第７の実施形態において、波長変換部２，２’の中心部で波長変換された光が、波長変換部２の外部へ高効率で出射するとともに、波長変換部２，２’へ再入射された波長変換された光が、高効率で波長変換部２を通過するためには、波長変換部２，２’の波長変換された光に対する透過率が十分高くなければならない。以下に、波長変換部２，２’の波長変換された光に対する具体的な透過率について説明する。
光偏向集束部を構成する光学素子が最も少ない、図１に示す光源光学系１００の構成を用いて、波長変換部２の波長変換された光に対する透過率の下限値を算出する。球面ミラー３および放物面ミラー４ａ，４ｂが、反射率の高い銀コート面を反射面として有し、その反射率が９８％であると仮定する。また、波長変換部２の波長変換された光に対する透過率が６０％であると仮定する。
光束Ｌ１は、球面ミラー３および放物面ミラー４ａ，４ｂでそれぞれ１回ずつ反射され、波長変換部２を２度通過する。光束Ｌ１が波長変換部２から出射した時点での光量を１とすると、光束Ｌ１のＸ軸正方向へ出力される際の光量は０．３４となる。同様にして光束Ｌ２〜Ｌ４が、Ｘ軸正方向へ出力される際の光量を算出し、Ｌ１〜Ｌ４の光量の合計を計算した結果を表１に示す。波長変換部２の波長変換された光に対する透過率が６０％以上であれば、単一の光束のみを出力した場合に比べて、２倍以上の光量を得ることができる。つまり、特開２０１１−１４２００６号公報のような、前方と後方とに散乱する光束を重ね合わせる構成よりも多くの光量を出力できる。以上より、波長変換部２の波長変換された光に対する透過率は６０％以上であることが望ましい。
Figure 0005684438
また、第１から第７の実施形態においては、１つの波長変換部２から放射して互いに重なり合う光束の数が偶数である理由は、以下の通りである。
各実施形態の光路構成においては、波長変換部２から、該波長変換部２を通る軸に沿って両方向に放射した２つ光束を重ね合わせており、前記軸の数を増減することによって最終的に重ね合わせる光束の数を調整している。したがって、最終的に重ね合わさせる光束の数は、必ず２の倍数となる。仮に、重ね合わせる光束の数を奇数とした場合、図３６に示されるように、波長変換部２に再入射した後に出力光として利用されない光束（図中、丸で囲んだ成分）が存在することになる。
さらに、互いに重ね合わせる光束の数が任意の偶数であってよい理由は、一対の放物面ミラー４ａ，４ｂと１つの球面ミラー３との組み合わせを用いることによって、２つの光束をリレーして他の偶数個の光束に重ね合わせることができるからである。すなわち、図３７Ａから図３７Ｃに示されるように、一対の放物面ミラー４ａ’，４ｂ’；４ａ”，４ｂ”の組数を１つ増すことによって、さらに２の光束をリレーして重ね合わせることができる。図３７Ｃは４つの光束、図３７Ｂは６つの光束、図３７Ｃは８つの光束を重ね合わせる構成を示している。
上記で説明した偶数個の光束を重ね合わせる考え方は、各光束が同一平面上にあっても同一平面上になくても適用できる。すなわち、各光学素子における光量の損失や各光学素子を配置するスペースなどを考慮しなければ、波長変換部２から全方向に放射される光束すべてを、Ｅｔｅｎｄｕｅを大きくすることなく１つに重ね合わせて出力することが可能である。
また、上記の説明の中で、レンズと記載されているものは、接合レンズや、複数のレンズ等からなる光学系に置き換えてもよい。
また、上記の各実施形態において、いずれかのミラーを並列配置したミラーに置き換えてもよい。その場合でも互いに異なる方向に放射する３以上の奇数個の光束が他の1つの光束に重ね合わさることになることに変わりはない。その結果として、互いに重ね合わさる光束の数は４以上の偶数となることにも変わりはない。
１，１’ 光源
２，２’ 波長変換部
２ａ 容器
３ 球面ミラー（凹面ミラー、光偏向集束部）
４ａ，４ｂ 軸外し放物面ミラー（凹面ミラー、光偏向集束部）
５ａ〜５ｄ 平面ミラー（光偏向集束部、偏向手段）
５ｅ 平面ミラー（合成手段）
６ａ〜６ｃ 凸レンズ（正の屈折力を有する光学系、光偏向集束部、集束手段）
６ｄ，６ｅ 凸レンズ
７ 光ファイバ（光偏向集束部、偏向手段）
８ａ，８ｂ レンズ対（光偏向集束部、集束手段）
９，９’ ダイクロイックミラー
１０ａ，１０ｂ 凸レンズ（光リレー部）
１２ａ，１２ｂ 楕円ミラー（光リレー部）
１３，１４ 反射部
１５ 励起光集束部
２０ 導波路
２１，２２ クラッド
２３ コア
２４ 基板
２５，２６ａ，２６ｂ 反射部（光偏向集束部）
２７ 反射部（出力光集束部）
２８，３２ 反射部（励起光集束部）
２９ 反射部（光リレー部）
３０ 波長分離素子
３１ 光ファイバ
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 光源光学系
Ｐ１，Ｐ２ 光偏向集束部によって形成される光路

Claims (23)

  1. 励起光を発する光源と、
    該光源から前記励起光が照射されることによって該励起光とは異なる波長の光を発生する波長変換部と、
    該波長変換部で波長変換された光のうち、前記波長変換部から互いに異なる方向に放射する３以上の奇数個の光束を、該３以上の奇数個の光束とは異なる方向に前記波長変換部から放射するもう１つの光束の後方から前記波長変換部に集束して再入射させることによって、前記３以上の奇数個の光束を前記もう１つの光束に重ね合わせる光偏向集束部とを備える光源光学系。
  2. 前記光偏向集束部は、前記波長変換部が焦点位置になるように配置された凹面ミラーを備える請求項１に記載の光源光学系。
  3. 前記光偏向集束部は、
    前記波長変換部が焦点位置になるように配置された正の屈折力を有する光学系と、
    該正の屈折力を有する光学系に対し前記波長変換部とは反対側に配置された平面ミラーとを備える請求項１または請求項２に記載の光源光学系。
  4. 前記光偏向集束部は、
    前記波長変換部が焦点位置になるように前記波長変換部に対して異なる方向に配置された２つの正の屈折力を有する光学系と、
    該２つの正の屈折力を有する光学系に対し、前記波長変換部とは反対側に配置され、前記２つの正の屈折力を有する光学系のうちの一方を透過した光束を導光して他方へ入射させる導光素子とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の光源光学系。
  5. 前記光源から出射される前記励起光の光路を、前記３以上の奇数個の光束および前記もう１つの光束のうちいずれかの光路に合成するダイクロイックミラーを備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の光源光学系。
  6. 少なくとも２つ以上の波長変換部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の光源光学系。
  7. 前記光源、前記波長変換部、前記光偏向集束部を有する少なくとも２つの光回路と、
    該少なくとも２つの光回路の間で前記光束をリレーする光リレー部とを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の光源光学系。
  8. 略平坦な形状を有し光を導光する導波路と、
    該導波路の内部に設けられた前記波長変換部とを備え、
    前記光偏向集束部が、前記導波路の側面に設けられ、前記波長変換部からの前記光束を前記波長変換部に集束させるように反射させる反射部である請求項１に記載の光源光学系。
  9. 少なくとも２つの前記波長変換部が、互いに異なる位置に設けられ、
    前記少なくとも２つの波長変換部の間で前記光束をリレーする少なくとも１つの光リレー部を前記導波路の側面に備える請求項８に記載の光源光学系。
  10. 前記もう１つの光束の光軸上に設けられ、前記互いに重ね合わされた光束を集束して出力する前記光偏向集束部によって重ね合わされた光束を再び集束して出力させる出力光集束部を備える請求項８または請求項９に記載の光源光学系。
  11. 前記導波路に設けられ、前記光源からの前記励起光を波長変換部へ集束して照射する励起光集束部を備える請求項８から請求項１０のいずれかに記載の光源光学系。
  12. 前記光偏向集束部が、前記各光束を、前記波長変換部からの放射時の発光点サイズに対し等倍になるように前記各光束を集束させる請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光源光学系。
  13. 前記波長変換部が、前記波長変換された光に対して６０％以上の透過率を有する請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光源光学系。
  14. 前記光源が、レーザ光源である請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光源光学系。
  15. 前記光源からの前記励起光を前記波長変換部へ集束して照射する励起光集束部を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の光源光学系。
  16. 前記波長変換部の少なくとも一部が、球状の容器の中心部に保持されている請求項１から請求項７ならびに請求項１２から請求項１５のいずれかに記載の光源光学系。
  17. 前記波長変換部の少なくとも一部は、少なくとも一部が球形状である容器に保持されている請求項１から請求項７ならびに請求項１２から請求項１５のいずれかに記載の光源光学系。
  18. 前記波長変換部の材料が、前記励起光の波長よりも長波長の光を発する蛍光体または量子ドットを含む請求項１から請求項１７のいずれかに記載の光源光学系。
  19. 前記波長変換部の材料が、前記励起光の波長よりも長波長の光を発する金属錯体である請求項１から請求項１７のいずれかに記載の光源光学系。
  20. 励起光を発する光源と、
    該光源から前記励起光が照射されることによって該励起光とは異なる波長の光を発生する波長変換部と、
    該波長変換部で波長変換された光のうち、前記波長変換部から互いに異なる方向に放射する３以上の光束を、該３以上の光束とは異なる方向に前記波長変換部から放射するもう１つの光束の後方から前記波長変換部に集束して再入射させることによって、前記３以上の光束を前記もう１つの光束に重ね合わせ、それによって、少なくとも４つの光束のそれぞれが互いに他の少なくとも３つの光束と重なり合った１つの光束を形成する光偏向集束部とを備える光源光学系。
  21. 請求項１から請求項２０のいずれかに記載の光源光学系を備えるファイバ光源。
  22. 請求項１から請求項２０のいずれかに記載の光源光学系を備える顕微鏡。
  23. 請求項１から請求項２０のいずれかに記載の光源光学系を備える自動車用前照灯。
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