(57)【要約】【課題】より簡素な構造で、発光素子と導光部との間の光結合効率を高めた光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１００において、発光素子１２は、光取出面１４ａを有する。導光部４０は、光取出面１４ａに対向し発光素子１２が発する光が入射する入射端面５６と、入射端面５６から入射した光が出射される出射端面５８と、を有する。光結合部７０は、光取出面１４ａおよび入射端面５６の双方に接触する液体を含む。液体は、光取出面１４ａおよび入射端面５６との間に作用する表面張力により、当該光取出面１４ａと当該入射端面５６との間の領域に保持される。発光素子１２は、紫外光を発する発光ダイオードであり、光結合部７０は、フッ素系オイルである。放熱部３０は、発光素子１２が発光する際に発する熱を放熱させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光取出面を有する発光素子と、
前記光取出面に対向し前記発光素子が発する光が入射する入射端面と、前記入射端面から入射した光が出射される出射端面と、を有する導光部と、
前記光取出面および前記入射端面の双方に接触する液体を含む光結合部と、
を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記液体は、前記光取出面および前記入射端面との間に作用する表面張力により、当該光取出面と当該入射端面との間の領域に保持されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記液体は、常圧での沸点が１００℃を超える有機化合物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記発光素子は、紫外光を発する発光ダイオードであり、
前記液体は、フッ素系オイルであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光源装置。
【請求項５】
前記発光素子が発光する際に発する熱を放熱させる放熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１から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、光源装置に関し、特に、導光部との光結合構造を有する光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源装置として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの発光素子から出力される光を、光ファイバの一端から入射し、光ファイバにより導光された光を出射させる装置がある。このような光ファイバを利用した光源装置は、光ファイバの出射端の位置を変えるだけで光の照射位置を変えられることから、例えば、スポット照射用の光源として用いられる。
【０００３】
発光素子から出力される光を効率的に光ファイバの出射端へ導くためには、入射端における光結合効率を上げることが重要である。発光素子から出力される光を効率的に光ファイバのコア部へカップリングさせる技術として、発光素子と光ファイバの入射端面の間を所定の屈折率を有する樹脂材料で充填するとともに、光ファイバと発光素子の光軸とが一致するように固定する光結合機構が挙げられる（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８６７７８号公報
【特許文献２】特開２０１１−４８３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ファイバを利用した光源装置の場合、用途に応じて材質や直径などが異なる光ファイバに取り替えて使用することがある。このとき、光源装置に用いる光ファイバが容易に脱着可能であるとともに、より簡素な構造で光ファイバと発光素子との結合効率を高められることが望ましい。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、より簡素な構造で、発光素子と導光部との間の光結合効率を高めた光源装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光源装置は、光取出面を有する発光素子と、光取出面に対向し発光素子が発する光が入射する入射端面と、入射端面から入射した光が出射される出射端面と、を有する導光部と、光取出面および入射端面の双方に接触する液体を含む光結合部と、を備える。
【０００８】
上記態様の光源装置によれば、光取出面および入射端面の双方に接触する液体があることで、その間が空気である場合と比較して光取出面および入射端面における屈折率差を低減させ、発光素子と導光部との間の光結合効率を向上させることができる。したがって、液体による光結合部を設けた簡素な構造により、光結合効率を高めることができる。また、光取出面と入射端面との間が液体により光結合されているため、光ファイバを容易に脱着することもできる。
【０００９】
上記態様の光源装置において、液体は、光取出面および入射端面との間に作用する表面張力により、当該光取出面と当該入射端面との間の領域に保持されてもよい。
【００１０】
上記態様の光源装置において、液体は、常圧での沸点が１００℃を超える有機化合物を含んでもよい。
【００１１】
上記態様の光源装置において、発光素子は、紫外光を発する発光ダイオードであり、液体は、フッ素系オイルであってもよい。
【００１２】
上記態様の光源装置において、発光素子が発光する際に発する熱を放熱させる放熱部をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光源装置によれば、より簡素な構造で、発光素子と導光部との間の光結合効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る光源装置を示す図である。
【図２】図１の光結合部の周辺を示す拡大図である。
【図３】光結合部による光結合効率の向上を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１６】
図１は、実施形態に係る光源装置１００を示す。光源装置１００は、発光素子１２が発する光を光結合部７０を介して光ファイバ５０の入射端面５６から入射させ、反対側の出射端面５８から出射させる。光源装置１００は、光ファイバの出射端の位置を変えるだけで光の照射位置を変えられることができ、スポット照射用の光源として用いることができる。発光素子１２として紫外光を発光するＬＥＤを利用することで、光源装置１００は、紫外光による殺菌処理や、紫外光硬化樹脂の樹脂硬化などの紫外光光源として用いることができる。
【００１７】
光源装置１００は、発光部１０と、放熱部３０と、導光部４０と、光結合部７０と、制御部８０を備える。制御部８０は、発光部１０及び放熱部３０と電気的に接続されており、これらの動作を制御する。
【００１８】
発光部１０は、発光素子１２と、支持基板２２と、保持部材２４を備える。発光素子１２は、支持基板２２に固定され、制御部８０から供給される電力により光を発する。発光素子１２は、中心波長又はピーク波長が約２００ｎｍ〜３６０ｎｍの波長帯域に含まれる紫外光を照射するＬＥＤチップであり、半導体層として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が用いられる。発光素子１２が発する紫外光は、支持基板２２に固定される側とは反対側の光取出面１４ａから出射される。
【００１９】
図２は、光結合部７０の周辺を示す拡大図である。本図に示すように、発光素子１２は、ベース基板１４と、第１半導体層１６と、発光層１７と、第２半導体層１８と、第１電極２０と、第２電極２１を備える。発光素子１２は、支持基板２２側に設けられる第１電極２０及び第２電極２１を介して電流が供給されることにより発光層１７が発光し、発した光はベース基板１４の光取出面１４ａから出射される。
【００２０】
ベース基板１４は、第１半導体層１６、発光層１７及び第２半導体層１８を支持する基板層であり、発光層１７が発光する光が出射される光取出面１４ａを有する。ベース基板１４は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）結晶基板であり、光取出面１４ａと反対側の面に第１半導体層１６、発光層１７、第２半導体層１８が順に成膜される。なお、ベース基板１４と第１半導体層１６の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むバッファ層等が設けられてもよい。
【００２１】
第１半導体層１６、発光層１７及び第２半導体層１８は、ＡｌＧａＮ系の半導体層であり、第１半導体層１６をｎ型半導体、第２半導体層１８をｐ型半導体とし、その間に発光層１７を形成することで量子井戸構造やダブルへテロ構造等が形成される。第１半導体層１６と第２半導体層１８にはそれぞれ電極が接合されており、第１半導体層１６にはカソードとなる第１電極２０、第２半導体層１８にはアノードとなる第２電極２１が接合される。第１電極２０と第２電極２１は、支持基板２２に固定され、支持基板２２を介して制御部８０と電気的に接続される。
【００２２】
図１に戻り、支持基板２２は、矩形の板状部材であり、発光素子１２を支持するとともに、発光素子１２が発光する際に生じる熱を放熱部３０に伝達する。支持基板２２は、例えば、樹脂やセラミックスなどを基材とするプリント基板であり、発光素子１２の第１電極２０及び第２電極２１と制御部８０を接続するための配線部を有する。支持基板２２の表面２２ａには、中心部に発光素子１２が密着して固定され、周辺部に導光部４０を保持する保持部材２４が固定される。また裏面２２ｂには、放熱部３０が密着して固定される。
【００２３】
保持部材２４は、発光素子１２と導光部４０が所定の位置関係を維持した状態で導光部４０を着脱可能に保持する部材である。保持部材２４は、凹部２６を有する略直方体であり、アルミニウムなどの金属や樹脂等で成形される。凹部２６の底部には、保持部材２４を貫通する円筒形状の取付孔２８が設けられており、後述するファイバコネクタ４２が取付孔２８に挿入されることにより導光部４０が保持される。
【００２４】
保持部材２４は、凹部２６が支持基板２２上の発光素子１２を覆うように支持基板２２に固定される。このとき取付孔２８は、取付孔２８に導光部４０を挿入すると、導光部４０の入射端面５６が発光素子１２の光取出面１４ａと対向する位置関係となるように設けられる。これにより保持部材２４は、発光素子１２の光取出面１４ａと導光部４０の入射端面５６が所定の間隔をおいて対向した状態で導光部４０を保持する。このときの光取出面１４ａと入射端面５６の所定の間隔は、例えば０．１〜１ｍｍ程度である。このとき、保持部材２４は、光取出面１４ａと入射端面５６が略平行となる位置関係で保持するが、これらの面が厳密な意味で平行となるように保持する必要はない。
【００２５】
放熱部３０は、ペルチェ素子３２と、ヒートシンク３４と、放熱ファン３６を備える。ペルチェ素子３２は、支持基板２２に密着して固定され、所定の直流電流を流すことで一方の面が吸熱し、他方の面が発熱する。ペルチェ素子３２は、吸熱する面が支持基板２２の裏面２２ｂ側、放熱する面がヒートシンク３４側となるように設けられる。これにより、支持基板２２を介して発光素子１２の放熱をする。ヒートシンク３４は、ペルチェ素子３２の発熱面に密着して固定され、ペルチェ素子３２が発する熱を放熱する。放熱ファン３６は、ヒートシンク３４に当たる空気の流れを発生させ、ヒートシンク３４の放熱を促す。なお、ペルチェ素子３２及び放熱ファン３６は、制御部８０によりその動作が制御される。
【００２６】
導光部４０は、ファイバコネクタ４２と光ファイバ５０を備える。ファイバコネクタ４２は、挿入部４４と、係止部４６と、挿通孔４８を備える。挿入部４４は、取付孔２８の形状に対応した円柱形状の部材であり、導光部４０を発光部１０に取り付ける際に取付孔２８に挿入される。係止部４６は、取付孔２８に挿入部４４を挿入した状態で保持部材２４に係止される。挿通孔４８は、円柱形状の挿入部４４の軸方向にファイバコネクタ４２を貫通して設けられ、光ファイバ５０が挿通される。挿通孔４８は、挿通される光ファイバ５０を入射端面５６が挿通孔４８から所定の長さだけ飛び出した位置で固定する。この固定位置は、ファイバコネクタ４２を取付孔２８に挿入したときに入射端面５６と光取出面１４ａとが所定の間隔となる位置である。
【００２７】
光ファイバ５０は、入射端面５６から入射した光を反対側の出射端面５８から出射する導光部材であり、図２に示すようにコア部５２とクラッド部５４を有する。光ファイバ５０は、ファイバコネクタ４２および保持部材２４により、入射端面５６が光取出面１４ａと所定の間隔で対向する位置で固定される。なお、光ファイバ５０は、発光素子１２が発する紫外光の透過率が高い石英（ＳｉＯ２）を材質とするものが望ましい。
【００２８】
光結合部７０は、光取出面１４ａと入射端面５６の間の領域に設けられる液体であり、光取出面１４ａおよび入射端面５６における屈折率差を緩和するために設けられる。光結合部７０として用いられる液体は、光取出面１４ａおよび入射端面５６との間に作用する表面張力により、光取出面１４ａと入射端面５６との間の領域に保持される。光結合部７０は、入射端面５６に微量の液体を付着させた導光部４０を発光部１０に装着することにより形成することができる。ファイバコネクタ４２を取付孔２８に挿入すると、入射端面５６と光取出面１４ａの間隔が０．１〜１ｍｍ程度となるため、入射端面５６に表面張力で付着した液体が光取出面１４ａにも接触することとなり光結合部７０が形成される。
【００２９】
光結合部７０は、光取出面１４ａを有するベース基板１４と光ファイバ５０のコア部５２の屈折率値に近い値の屈折率を有する液体を用いることが望ましく、接触する発光素子１２が発光時に熱を発生することから、この熱により容易に揮発しない液体であることが望ましい。このような条件を満たす液体として、常圧での沸点が１００℃を超える有機化合物が挙げられ、例えば、屈折率が約１．４〜１．６のシリコンオイルを用いればよい。また、光結合部７０は、発光素子１２から出射される紫外光の減衰を抑えるため、紫外光の透過率が高い液体であることが特に望ましく、屈折率が約１．４〜１．６のフッ素系オイルを用いることが好適である。
【００３０】
図３は、光結合部７０による光結合効率の向上を示す図である。本図のＡは、光結合部７０を設けない場合の実験結果であり、Ｂは、光結合部７０を設けた場合の実験結果を示す。本実験では、中心波長が２６０ｎｍである紫外光を発する発光素子１２を用い、光結合部７０に用いる液体として、シリコン封止材（信越化学製、ＫＥＲ−２６００−Ａ）を用いた。本図の横軸は、発光素子１２に流す電流値を示し、本図の縦軸は、光ファイバ５０の出射端面５８から出射される紫外光を積分球を利用して測定した光強度を示す。
【００３１】
図３に示すように、光結合部７０を設けることにより、出射端面５８から出射される紫外光の光強度が約１．４倍になることがわかった。このことから、液体の光結合部７０を設けることにより、発光素子１２と光ファイバ５０の光結合効率を向上させることができることが示された。光結合部７０は、導光部４０を装着する際に所定の液体を入射端面５６に付着させるだけで形成することができるため、特に特別な構成を追加する必要はなく、簡素な構成で光結合効率を向上させることができる。
【００３２】
また、シリコンオイルやフッ素系オイルなど、沸点が比較的高い液体を用いることにより、連続して光源装置１００を使用する場合においても、液体が揮発して光結合部７０が損なわれる可能性を低減させることができる。発光素子１２の表面温度は、連続使用することにより１００℃程度まで上昇することもあり、光結合部７０に水などの沸点の低い液体を用いた場合には液体が蒸発して光結合部７０が失われ、光結合効率が低下してしまうおそれがあるためである。
【００３３】
また、放熱部３０を設けることで発光時の発光素子１２の温度を下げ、光結合部７０の液体が揮発してしまうことを防ぐことができる。なお、放熱部３０として、ペルチェ素子３２、ヒートシンク３４、放熱ファン３６を組み合わせた構成を示したが、これらのいずれか一つまたは二つを組み合わせた構成を放熱部３０として用いてもよいし、その他、水冷方式による冷却手段を設けてもよい。
【００３４】
また、光取出面１４ａや入射端面５６が鏡面のように平坦でない場合には、それらの表面の凹凸により光が散乱して光結合効率が低下してしまうが、光結合部７０として液体を用いることで、凹凸に液体を入り込ませて凹凸による散乱を防ぐことができる。光結合効率を高めるためとはいえ、光取出面１４ａや入射端面５６を鏡面研磨することは手間がかかることから、鏡面研磨を施す替わりに液体の光結合部７０を用いることで、手軽に光結合効率を向上させることができる。
【００３５】
また、光取出面１４ａと入射端面５６が略平行に対向しない位置関係のとき、光結合部７０がない場合には、発光素子１２から出射される光の一部は入射端面５６に到達せず、光ファイバ５０に効率的に結合されないこととなる。一方、光結合部７０が設けられると光結合部７０と周りの空気層との境界により光が反射することで、発光素子１２から出射された光は光結合部７０の内部に閉じ込められ効率的に入射端面５６に入射させることができる。なお、光取出面１４ａの中心位置と入射端面５６に垂直な中心軸とが交わらず、いわゆる軸ずれとなっている位置関係においても、光結合部７０が設けられることで発光素子１２が発する光が光結合部７０の内部に閉じ込められることにより、発光素子１２と導光部４０の光結合効率を向上させることができる。
【００３６】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００３７】
光源装置１００として、紫外光を発する発光素子１２を用いた場合を示したが、用いる発光素子はこれに限られず、可視光や赤外光を発する発光素子を用いてもよい。この場合、発光素子が発する光の波長に応じて、その波長の透過率が高い液体を適宜選択することが望ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１２…発光素子、１４ａ…光取出面、２２ａ…表面、３０…放熱部、４０…導光部、５６…入射端面、５８…出射端面、７０…光結合部、１００…光源装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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