JP6008218B1 - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光素子及び蛍光素子を冷却する手段を共通にすることができる光源装置を提供する。【解決手段】 光源装置は、励起光を発する発光素子と、蛍光体を有し、発光素子から発する励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子と、発光素子及び蛍光素子を冷却する共通の冷却体と、を備え、冷却体は、発光素子を冷却するために発光素子と接続される第１冷却面と、蛍光素子を冷却するために蛍光素子と接続される第２冷却面と、を備え、第１冷却面と第２冷却面とは、互いに平行となるように配置されると共に、同じ方向を向くように配置される。【選択図】 図３

Description

本発明は、励起光を発する発光素子と、発光素子から発する励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子とを備える光源装置に関する。
従来、光源装置として、励起光を発する発光素子と、発光素子から発する励起光を蛍光に変換して反射する蛍光素子とを備える光源装置が、知られている（例えば、特許文献１）。斯かる光源装置においては、発光素子は、発光する際に、発熱し、また、蛍光素子は、励起光を蛍光に変換する際に、発熱する。そこで、特許文献１に係る光源装置は、発光素子を冷却する手段と、蛍光素子を冷却する手段とを別々に設ける必要がある。
特開２００７−２９４７５４号公報
よって、本発明は、斯かる事情に鑑み、発光素子及び蛍光素子を冷却する手段を共通にすることができる光源装置を提供することを課題とする。
光源装置は、励起光を発する発光素子と、蛍光体を有し、前記発光素子から発する励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子と、前記発光素子及び前記蛍光素子を冷却する共通の冷却体と、を備え、前記冷却体は、前記発光素子を冷却するために前記発光素子と接続される第１冷却面と、前記蛍光素子を冷却するために前記蛍光素子と接続される第２冷却面と、を備え、前記第１冷却面と前記第２冷却面とは、互いに平行となるように配置されると共に、同じ方向を向くように配置される。
光源装置においては、前記第１冷却面と前記第２冷却面とは、同一平面上に配置される、という構成でもよい。
また、光源装置は、前記蛍光素子で反射される反射光が第１面から入射され、該反射光を第２面から出射することで、該反射光を集光する少なくとも一つの集光レンズを備え、前記集光レンズは、前記発光素子から発する励起光が第２面から入射され、該励起光を第１面から前記蛍光素子に向けて出射することで、該励起光を集光する、という構成でもよい。
また、光源装置は、前記集光レンズを保持し、前記集光レンズを冷却するために前記第２冷却面に接続されるレンズ保持体を備え、前記レンズ保持体は、前記集光レンズ及び前記第２冷却面と協働することにより、前記蛍光素子を密閉する、という構成でもよい。
また、光源装置においては、前記第１冷却面における冷却能力は、前記第２冷却面における冷却能力よりも大きい、という構成でもよい。
以上の如く、本発明に係る光源装置は、発光素子及び蛍光素子を冷却する手段を共通にすることができる、という優れた効果を奏する。
一実施形態に係る光源装置の全体斜視図である。 同実施形態に係る光源装置の全体縦断面図である。 同実施形態に係る光源装置の要部縦断面図である。 同実施形態に係る光源装置の要部縦断面図である。 同実施形態に係る光源装置の要部縦断面図であって、光の進行を示す図である。 同実施形態に係る光源装置における縦断面図であって、励起光の進行を示す図である。 同実施形態に係る光源装置における縦断面図であって、反射光の進行を示す図である。 他の実施形態に係る光源装置の全体縦断面図である。
以下、光源装置における一実施形態について、図１〜図７を参酌して説明する。なお、各図（図８も同様）において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致していない。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る光源装置１は、励起光を発する複数の発光素子２と、発光素子２から発する励起光の一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子３と、発光素子２及び蛍光素子３を冷却する共通の冷却体４とを備えている。また、光源装置１は、発光素子２から発する励起光を蛍光素子３に向けて進行させる第１光学系（励起光用光学系）５と、蛍光素子３で反射する反射光を外部に向けて進行させる第２光学系（反射光用光学系）６とを備えている。
そして、光源装置１は、発光素子２、蛍光素子３、第１光学系５、及び第２光学系６を収容する筐体７を備えている。該筐体７は、蛍光素子３で反射する反射光を外部に向けて出射するために、透光性を有する出射口部７ａを備えている。
発光素子２は、半導体レーザとしている。本実施形態においては、発光素子２は、発光部２ａが２行（図２の左右方向）×１２列（図２の紙面に対して垂直方向）を有するアレイタイプとしている。なお、発光素子２は、発光部２ａを一つ有するＣＡＮタイプの半導体レーザでもよく、また、ＬＥＤでもよい。また、本実施形態においては、発光素子２は、青色光（例えば、波長が４３０〜４７０ｎｍの光）を発している。
蛍光素子３は、蛍光体を有する。本実施形態においては、蛍光素子３は、ＹＡＧ系の結晶材料である蛍光体を酸化アルミ等と混晶して形成されたプレート状の多結晶体である。なお、蛍光素子３は、粉状の蛍光体を、シリコーン等のバインダーに混入し、基材に塗布して形成してもよい。
そして、蛍光素子３は、入射された光が第２光学系６に向けて反射するように、冷却体４側の面（図２における下面）の全体に、誘電体多層膜からなる反射膜を備えている。なお、蛍光素子３で反射する反射光は、蛍光素子３で鏡面反射（正反射）する光だけでなく、蛍光素子３で拡散反射（乱反射）する光、及び、蛍光素子３に入射して散乱した後に第２光学系６（具体的には、後述する第１集光レンズ１０）に入射する光も含む。
また、蛍光素子３は、発光素子２から発せられた励起光の一部を、蛍光に変換する。したがって、蛍光素子３で反射する反射光は、蛍光素子３で変換された蛍光と、蛍光素子３で変換されなかった未変換光（励起光のままの光）とを含んでいる。本実施形態においては、蛍光素子３は、発光素子２から発せられた励起光である青色光の一部を、黄緑色の蛍光（例えば、波長が５２５〜５７５ｎｍにピークを持ち、４５０〜８００ｎｍにかけた広い可視域のスペクトルを持った光）に変換する。
蛍光素子３は、発光素子２の間に配置されている。具体的には、蛍光素子３は、複数（本実施形態においては、３つ）並列されている発光素子２の一対の群の間に配置されている。そして、蛍光素子３が反射する反射光の進行方向は、発光素子２が発する励起光の進行方向と略同じ方向（図２における上方向）である。
冷却体４は、薄板状に形成される複数のフィン８ａを有するヒートシンク８と、密閉されたパイプ内に多孔質材などを内張りし、液体を封入したヒートパイプ９とを備えている。そして、ヒートシンク８は、一方側（図２の上方側）が発光素子２及び蛍光素子３に接続されて且つ他方側（図２の下方側）がフィン８ａに接続されるベース体８ｂを備えている。
図３に示すように、ヒートシンク８は、発光素子２を冷却するために発光素子２と接続される一対の第１冷却面８ｃ，８ｃと、蛍光素子３を冷却するために蛍光素子３と接続される第２冷却面８ｄとを備えている。なお、各素子２，３は、各冷却面８ｃ，８ｄに直接に接続されていてもよく、各冷却面８ｃ，８ｄとの間に伝熱体を介在させて、各冷却面８ｃ，８ｄに接続されていてもよい。
第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、互いに平行（完全な平行だけでなく、略平行も含む）となるように配置されていると共に、同じ方向を向くように配置されている。本実施形態においては、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、同一平面上（完全な同一平面上だけでなく、略同一平面上も含む）に配置されている。一対の第１冷却面８ｃ，８ｃは、第２冷却面８ｄを挟むように、第２冷却面８ｄの両側に配置されている。換言すると、第２冷却面８ｄは、一対の第１冷却面８ｃ，８ｃの間に配置されている。
ヒートパイプ９は、第２冷却面８ｄよりも、第１冷却面８ｃの近くに配置されている。これにより、第１冷却面８ｃにおける冷却能力は、第２冷却面８ｄにおける冷却能力よりも大きくなっている。
図４及び図５に示すように、第２光学系６は、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２が入射される第１〜第３集光レンズ１０，１１，１２と、各集光レンズ１０，１１，１２を保持するレンズ保持体１３とを備えている。また、第２光学系６は、第３集光レンズ１２から出射した反射光Ｌ２の少なくとも一部を透過する光学素子１４を備えている。
本実施形態においては、集光レンズ１０，１１，１２は、３つ備えられているが、１つ、２つ、又は４つ以上備えられていてもよい。また、図５は、左半分で、発光素子２から発せられた励起光Ｌ１における蛍光素子３までの進路（１点鎖線）を示しており、右半分で、蛍光素子３で反射された反射光Ｌ２における外部までの進路（２点鎖線）を示している。
各集光レンズ１０，１１，１２は、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２が第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから入射され、該反射光Ｌ２を第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから出射することで、該反射光Ｌ２を集光している。なお、集光は、光を集束することだけでなく、光を平行にすること、及び、入射光の広がりよりも出射光の広がりの方が小さくなることも含む。
レンズ保持体１３は、筒状に形成されており、各集光レンズ１０，１１，１２を内部に配置している。そして、レンズ保持体１３は、各集光レンズ１０，１１，１２を冷却するために、ヒートシンク８の第２冷却面８ｄに接続されている。また、レンズ保持体１３は、第１集光レンズ１０の第１面１０ａ及びヒートシンク８の第２冷却面８ｄと協働することにより、蛍光素子３を密閉している。
なお、レンズ保持体１３は、第２冷却面８ｄに直接に接続されていてもよく、第２冷却面８ｄとの間に伝熱体を介在させて、第２冷却面８ｄに接続されていてもよい。そして、レンズ保持体１３は、熱伝導性を有している。本実施形態においては、レンズ保持体１３は、熱伝導性に優れる材質、例えば、アルミで形成されている。
また、各集光レンズ１０，１１，１２は、例えば、機械的な固定手段により、レンズ保持体１３に保持されてもよい。さらに、各集光レンズ１０，１１，１２は、接着剤により、レンズ保持体１３に保持されてもよい。例えば、レンズ保持体１３がヒートシンク８に冷却されているため、接着剤が加熱されて燃焼することを防止できる。また、例えば、機械的な固定手段に対して、部品点数を減らすことができるため、設計を容易にすることができる。
第１光学系５は、発光素子２から発せられた励起光Ｌ１を平行光にするコリメータレンズ１５と、コリメータレンズ１５を支持するコリメータレンズ支持体１６とを備えている。そして、第１光学系５は、コリメータレンズ１５から出射された励起光Ｌ１を反射する反射ミラー１７と、反射ミラー１７を支持するミラー支持体１８とを備えている。また、第１光学系５は、反射ミラー１７で反射した励起光Ｌ１を透過するプリズムレンズ１９及び拡散板２０を備えている。
ところで、第２光学系６を構成する各集光レンズ１０，１１，１２及び光学素子１４は、第１光学系５も構成している。即ち、第１光学系５と第２光学系６とは、一部の構成を共通化している。具体的には、第１光学系５と第２光学系６とは、各集光レンズ１０，１１，１２及び光学素子１４を共通化している。
光学素子１４は、プリズムレンズ１９及び拡散板２０を透過した励起光Ｌ１を反射する。そして、各集光レンズ１０，１１，１２は、光学素子１４で反射された励起光Ｌ１が第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから入射され、該励起光Ｌ１を第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから蛍光素子３に向けて出射することで、該励起光Ｌ１を集光している。
図６及び図７に示すように、光学素子１４は、透光性を有するベース部１４ａと、拡散板２０を透過した励起光Ｌ１を反射するために、ベース部１４ａの一部に配置される反射部１４ｂとを備えている。本実施形態においては、ベース部１４ａは、光学ガラスで形成されており、反射部１４ｂは、誘電体多層膜で形成されている。
ところで、本実施形態において、発光素子２から発せられる励起光Ｌ１は、Ｓ偏光成分のみからなる直線偏光のレーザ光としている。そして、該励起光Ｌ１の偏光成分は、コリメータレンズ１５、反射ミラー１７、プリズムレンズ１９、及び拡散板２０を経由しても、維持される。
それに対して、反射部１４ｂは、拡散板２０を透過した励起光Ｌ１が入射される位置に、配置されている。そして、反射部１４ｂは、Ｓ偏光成分を反射し且つＰ偏光成分を透過するように、構成されている。これにより、図６に示すように、Ｓ偏光成分のみの直線偏光である励起光Ｌ１は、反射部１４ｂに入射すると、反射部１４ｂで反射され、第３集光レンズ１２の第２面１２ｂに入射する。
一方、蛍光素子３で反射された反射光Ｌ２の偏光成分は、Ｓ偏光成分だけでなく、Ｐ偏光成分も有する。これにより、図７に示すように、反射光Ｌ２が反射部１４ｂに入射した場合には、Ｓ偏光成分の光Ｌ２ａは、反射部１４ｂで反射される一方、Ｐ偏光成分の光Ｌ２ｂは、反射部１４ｂを透過し、さらに、ベース部１４ａも透過する。また、反射光Ｌ２が、反射部１４ｂ，１４ｂの間の位置、即ち、ベース部１４ａに直接に入射した場合には、反射光Ｌ２は、ベース部１４ａを透過する。
そして、光学素子１４を透過した光Ｌ２，Ｌ２ｂは、筐体７の出射口部７ａを透過して、外部に向けて出射される。このとき、出射口部７ａから出射される光は、蛍光素子３で変換された黄緑色光（蛍光）と、蛍光素子３で変換されなかった青色光（未変換光）とが混合されることにより、白色光となる。
以上より、本実施形態に係る光源装置１は、励起光Ｌ１を発する発光素子２と、蛍光体を有し、前記発光素子２から発する励起光Ｌ１の少なくとも一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子３と、前記発光素子２及び前記蛍光素子３を冷却する共通の冷却体４と、を備え、前記冷却体４は、前記発光素子２を冷却するために前記発光素子２と接続される第１冷却面８ｃと、前記蛍光素子３を冷却するために前記蛍光素子３と接続される第２冷却面８ｄと、を備え、前記第１冷却面８ｃと前記第２冷却面８ｄとは、互いに平行となるように配置されると共に、同じ方向を向くように配置される。
斯かる構成によれば、発光素子２を冷却するために発光素子２と接続される第１冷却面８ｃと、蛍光素子３を冷却するために蛍光素子３と接続される第２冷却面８ｄとは、互いに平行となるように配置されている。しかも、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、同じ方向を向くように配置されている。これにより、共通の冷却体４が発光素子２及び蛍光素子３を冷却する構造において、例えば、冷却体４の小型化、即ち、光源装置１の小型化を図ることができる。
また、本実施形態に係る光源装置１においては、前記第１冷却面８ｃと前記第２冷却面８ｄとは、同一平面上に配置される、という構成である。
斯かる構成によれば、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとが同一平面上に配置されているため、例えば、冷却体４の構成を簡素化することができる。これにより、例えば、冷却体４の製造を容易にすることができる。
また、本実施形態に係る光源装置１は、前記蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２が第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから入射され、該反射光Ｌ２を第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから出射することで、該反射光Ｌ２を集光する少なくとも一つ（具体的には、３つ）の集光レンズ１０，１１，１２を備え、前記集光レンズ１０，１１，１２は、前記発光素子２から発する励起光Ｌ１が第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから入射され、該励起光Ｌ１を第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから前記蛍光素子３に向けて出射することで、該励起光Ｌ１を集光する、という構成である。
斯かる構成によれば、集光レンズ１０，１１，１２は、発光素子２から発する励起光Ｌ１が第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから入射され、該励起光Ｌ１を第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから蛍光素子３に向けて出射することで、該励起光Ｌ１を集光している。また、集光レンズ１０，１１，１２は、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２が第１面１０ａ，１１ａ，１２ａから入射され、該反射光Ｌ２を第２面１０ｂ，１１ｂ，１２ｂから出射することで、該反射光Ｌ２を集光している。
これにより、蛍光素子３に向かう励起光Ｌ１を集光する集光レンズ１０，１１，１２と、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２を集光する集光レンズ１０，１１，１２とを共通化することができる。これにより、例えば、集光レンズ１０，１１，１２の小型化、即ち、光源装置１の小型化を図ることができる。
また、本実施形態に係る光源装置１は、前記集光レンズ１０，１１，１２を保持し、前記集光レンズ１０，１１，１２を冷却するために前記第２冷却面８ｄに接続されるレンズ保持体１３を備え、前記レンズ保持体１３は、前記集光レンズ１２及び前記第２冷却面８ｄと協働することにより、前記蛍光素子３を密閉する、という構成である。
斯かる構成によれば、集光レンズ１０，１１，１２を保持するレンズ保持体１３が、第２冷却面８ｄに接続されているため、レンズ保持体１３及び集光レンズ１０，１１，１２を冷却することができる。これにより、集光レンズ１０，１１，１２が熱劣化することを抑制することができる。また、例えば、レンズ保持体１３が熱膨張することを抑制できるため、集光レンズ１０，１１，１２が位置ずれすることを抑制できる。
そして、レンズ保持体１３が、集光レンズ１０及び第２冷却面８ｄと協働することにより、蛍光素子３を密閉しているため、粉塵等が蛍光素子３に付着することを防止できる。これにより、蛍光素子３の蛍光体が蛍光に変換する性能が低下することを防止できる。
また、本実施形態に係る光源装置１においては、前記第１冷却面８ｃにおける冷却能力は、前記第２冷却面８ｄにおける冷却能力よりも大きい、という構成である。
斯かる構成によれば、第１冷却面８ｃにおける冷却能力が、第２冷却面８ｄにおける冷却能力よりも大きいため、蛍光素子３の発熱量よりも大きい発熱量である発光素子２を、適切に冷却することができる。
なお、光源装置は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、光源装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。
上記実施形態に係る光源装置１においては、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、同一平面上に配置されている、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置においては、図８に示すように、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、段違いに配置されている、という構成でもよい。要するに、第１冷却面８ｃと第２冷却面８ｄとは、互いに平行となるように配置されると共に、同じ方向を向くように配置されていればよい。
また、上記実施形態に係る光源装置１においては、蛍光素子３は、発光素子２から発する励起光Ｌ１の一部を蛍光に変換して反射する、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置においては、蛍光素子３は、発光素子２から発する励起光の全部を蛍光に変換して反射する、という構成でもよい。
また、上記実施形態に係る光源装置１においては、発光素子２は、蛍光素子３を挟むように両側に配置されており、第１冷却面８ｃは、第２冷却面８ｄを挟むように両側に配置されている、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。例えば、光源装置においては、発光素子２は、蛍光素子３の片側のみに配置されており、第１冷却面８ｃは、第２冷却面８ｄの片側のみに配置されている、という構成でもよい。
また、上記実施形態に係る光源装置１においては、ヒートパイプ９が第１冷却面８ｃの近くに配置することで、第１冷却面８ｃにおける冷却能力が、第２冷却面８ｄにおける冷却能力よりも大きい、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。
例えば、光源装置においては、第１冷却面８ｃ側に配置されるフィン８ａの表面積が、第２冷却面８ｄ側に配置されるフィン８ａの表面積よりも大きいことで、第１冷却面８ｃにおける冷却能力が、第２冷却面８ｄにおける冷却能力よりも大きい、という構成でもよい。また、例えば、光源装置においては、第１冷却面８ｃにおける冷却能力は、第２冷却面８ｄにおける冷却能力と同じである、という構成でもよい。
また、上記実施形態に係る光源装置１においては、蛍光素子３に向かう励起光Ｌ１を集光する複数の集光レンズ１０，１１，１２と、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２を集光する複数の集光レンズ１０，１１，１２とは、全て共通化されている、という構成である。しかしながら、光源装置は、斯かる構成に限られない。
例えば、光源装置においては、蛍光素子３に向かう励起光Ｌ１を集光する複数の集光レンズと、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２を集光する複数の集光レンズとは、一部のみ共通化されている、という構成でもよい。また、例えば、光源装置においては、蛍光素子３に向かう励起光Ｌ１を集光する集光レンズと、蛍光素子３で反射される反射光Ｌ２を集光する集光レンズとは、全く共通化されておらず、全く別部材である、という構成でもよい。
１…光源装置、２…発光素子、２ａ…発光部、３…蛍光素子、４…冷却体、５…第１光学系（励起光用光学系）、６…第２光学系（反射光用光学系）、７…筐体、７ａ…出射口部、８…ヒートシンク、８ａ…フィン、８ｂ…ベース体、８ｃ…第１冷却面、８ｄ…第２冷却面、９…ヒートパイプ、１０，１１，１２…集光レンズ、１０ａ，１１ａ，１２ａ…第１面、１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ…第２面、１３…レンズ保持体、１４…光学素子、１４ａ…ベース部、１４ｂ…反射部、１５…コリメータレンズ、１６…コリメータレンズ支持体、１７…反射ミラー、１８…ミラー支持体、１９…プリズムレンズ、２０…拡散板

Claims (3)

  1. 励起光を発する発光素子と、
    蛍光体を有し、前記発光素子から発する励起光の少なくとも一部を蛍光に変換して反射する蛍光素子と、
    前記発光素子及び前記蛍光素子を冷却する共通の冷却体と、を備え、
    前記冷却体は、前記発光素子を冷却するために前記発光素子と接続される第１冷却面と、前記蛍光素子を冷却するために前記蛍光素子と接続される第２冷却面と、を備え、
    前記第１冷却面と前記第２冷却面とは、互いに平行となるように配置されると共に、同じ方向を向くように配置される、光源装置であって、
    前記蛍光素子で反射される反射光が第１面から入射され、該反射光を第２面から出射することで、該反射光を集光する少なくとも一つの集光レンズと、
    前記集光レンズを保持し、前記集光レンズを冷却するために前記第２冷却面に接続されるレンズ保持体と、を備え、
    前記集光レンズは、前記発光素子から発する励起光が第２面から入射され、該励起光を第１面から前記蛍光素子に向けて出射することで、該励起光を集光し、
    前記レンズ保持体は、前記集光レンズ及び前記第２冷却面と協働することにより、前記蛍光素子を密閉する光源装置。
  2. 前記第１冷却面と前記第２冷却面とは、同一平面上に配置される請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記第１冷却面における冷却能力は、前記第２冷却面における冷却能力よりも大きい請求項１又は２に記載の光源装置。
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