(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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が照射されることにより該単色光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を透過するとともに波長変換素子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。【選択図】図１
2014017344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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り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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の光源装置。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４７１１１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、偏向後の光の光軸は２倍の２θずれることとなり、この光の光軸のずれがミラーによって偏向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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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り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。
【０００７】
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ので、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。
【０００８】
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ていてもよい。
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。
【０００９】
また、上記発明においては、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。
【００１０】
また、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置されていてもよく、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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】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３】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４】図１の光源装置の変形例を示す全体構成図である。
【図５】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】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７】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８】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ならびに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を示すグラフである。
【図９】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ならびにレ―ザ光および蛍光の波長分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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（以下、単に光軸ともいう。）Ｘ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。
【００１４】
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。
【００１５】
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に沿って透過し、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。
【００１６】
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へ出射するとともに、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り、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て複数のレンズから構成されている方が、より球面収差の発生を抑制することができるため、望ましい。
【００１７】
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り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。
【００１８】
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て複数のレンズから構成されている方が、より球面収差の発生を抑制することができるため、望ましい。
【００１９】
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り、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によって平行光とされてから光軸Ｘに沿って光源装置１の外部へと出力される。
【００２０】
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によって平行光と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ので、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によって平行光とされてから光軸Ｘに沿って光源装置１の外部へと出力される。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。
【００２１】
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り、光路構成を小型にすることができるという利点がある。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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ので、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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とされ、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、発光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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
回転ターレット７は、図７（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り、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。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
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
【図１】
2014017344.tif 000003
【図２】
2014017344.tif 000004
【図３】
2014017344.tif 000005
【図４】
2014017344.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014017344.tif 000008
【図７】
2014017344.tif 000009
【図８】
2014017344.tif 000010
【図９】
2014017344.tif 000011