(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、
前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、
前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、
を具備し、
前記第１の光学部材は、透明蛍光体であり、
前記第２の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体と、光を透過する透明部材とを含む
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、
前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、
前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、
を具備し、
前記第２の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体を含む
ことを特徴とする光源装置。
【請求項３】
前記保持部材は、前記第１の励起光が入射する入射部と、前記第１の波長変換光を射出する射出部とを有しており、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、ともに前記入射部から入射する前記第１の励起光の光軸上に配置されており、
前記第１の光学部材は前記第２の光学部材よりも前記入射部側に配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記第２の波長変換光の波長は、前記第１の波長変換光の波長よりも短いことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記第２の光学部材の前記光軸方向の厚さは、前記光軸に近いほど厚いことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、円柱形状であり
前記第２の光学部材の直径は、前記第１の光学部材の直径よりも大きく、
前記第２の光学部材の前記光軸方向の厚みは、前記第１の光学部材の前記光軸方向の厚みよりも厚い、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
【請求項７】
前記保持部材は、前記第１の励起光が入射する入射部と、前記第１の波長変換光を射出する射出部とを有しており、
前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材は、前記入射部から入射する前記第１の励起光の光軸に対して垂直な面を分割するように配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項８】
前記第１の励起光の光軸上には、前記第２の光学部材のみが配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記第２の光学部材の前記第１の励起光が入射する面は、この面における前記第１の励起光のビームスポット径よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記第２の波長領域の波長を有する第２の励起光を射出する第２の励起光源をさらに具備し、
前記第２の光学部材は、前記第２の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して前記第２の波長変換光を放射する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記第１の励起光と前記第２の励起光とは、光カプラーにより合波され、
前記保持部材は、合波された前記第１の励起光と前記第２の励起光とが入射する入射部と、前記第１の励起光と前記第２の励起光と前記第１の波長変換光と前記第２の波長変換光とを射出する射出部とを有しており、
前記入射部から入射する前記第１の励起光の光軸と前記第２の励起光の光軸とは一致することを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とは、前記第１の励起光と前記第２の励起光とのうち少なくとも一方を透過して前記射出部より射出し、
前記射出部から射出される第１の励起光又は前記第２の励起光の広がり角と、前記第１の波長変換光の広がり角と、前記第２の波長変換光の広がり角とが等しくなるように調整されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記第１の光学部材は、単結晶又は多結晶蛍光体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項１４】
第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、
前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、
前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、
を具備し、
前記第１の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光の一部をも吸収し波長変換して前記第１の波長変換光を放射し、
前記第２の光学部材は、前記第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体と、光を透過する透明部材とを含む
ことを特徴とする光源装置。
【請求項１５】
第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、
前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、
前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、
前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、
を具備し、
前記第２の光学部材は、拡散粒子と、前記第１の励起光及び前記第１の波長変換光を透過する透明部材とを有しており、
前記拡散粒子は、
前記第１の励起光及び／又は前記第１の波長変換光を反射する反射性拡散粒子、又は、
前記透明部材より高い屈折率を有して前記第１の励起光及び／又は前記第１の波長変換光を透過する透過型拡散粒子
である、
ことを特徴とする光源装置。
【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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、小型固体光源から光を射出し、この光を光変換部材によって変換し、照明光を所望の照射パターンや所望の色に変化させる光源装置が開発されている。例えば特許文献１には、金属基板上に配置されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを封止する封止樹脂と、封止樹脂上に配置された蛍光体とを組み合わせた光源装置が提案されている。この光源装置では、ＬＥＤチップから射出された励起光の一部を、ＬＥＤチップ上に配置された板状の蛍光体で波長変換して蛍光を放射させる。このようにして、特許文献１に係る技術では、蛍光体を透過した励起光と、蛍光体から放射された蛍光とにより、照明光を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−１０５５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば特許文献１のように、蛍光体を透過した励起光と、蛍光体から放射された蛍光とにより照明光を調整する光源装置では、次のような課題がある。すなわち、蛍光体を透過する励起光は、光軸近くの光強度が強く、周縁部の光強度が弱くなる。これに対して、蛍光体から放射される蛍光は、等方的に散乱し、等方的な光強度を有する。そのため、このような光源装置から射出される照明光は、中心部において励起光成分が強く、周縁部において蛍光成分が強い、色むらを有する光となる。
【０００５】
そこで本発明は、均一な配光特性を有する照明光を射出す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】
前記目的を果たすため、本発明の光源装置の一態様は、第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、を具備し、前記第１の光学部材は、透明蛍光体であり、前記第２の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体と、光を透過する透明部材とを含むことを特徴とする。
また、本発明の光源装置の一態様は、第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、を具備し、前記第２の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体を含むことを特徴とする。
また、本発明の光源装置の一態様は、第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、を具備し、前記第１の光学部材は、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の波長を有する光の一部をも吸収し波長変換して前記第１の波長変換光を放射し、前記第２の光学部材は、前記第２の波長領域の波長を有する光を吸収し波長変換して第２の波長変換光を放射する粉末蛍光体と、光を透過する透明部材とを含むことを特徴とする。
また、本発明の光源装置の一態様は、第１の波長領域の波長を有する第１の励起光を射出する第１の励起光源と、前記第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する前記第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材と、前記第１の励起光の光軸上を含む少なくとも前記第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する前記第１の励起光の広がり角を前記第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材と、前記第１の光学部材と前記第２の光学部材とを保持する保持部材と、を具備し、前記第２の光学部材は、拡散粒子と、前記第１の励起光及び前記第１の波長変換光を透過する透明部材とを有しており、前記拡散粒子は、前記第１の励起光及び／又は前記第１の波長変換光を反射する反射性拡散粒子、又は、前記透明部材より高い屈折率を有して前記第１の励起光及び／又は前記第１の波長変換光を透過する透過型拡散粒子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第２の光学部材によって励起光の広がり角が調整されるので、均一な配光特性を有する照明光を射出する光源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光源装置の構成例を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係る波長変換ユニットの構成例の概略を示す図。
【図３】第１の実施形態に係る第１の波長変換部材の吸収／蛍光特性の一例を示す図。
【図４】第１の実施形態に係る第２の波長変換部材の吸収／蛍光特性の一例を示す図。
【図５】第１の実施形態に係る波長変換ユニットにおける第１の励起光に由来する第１の励起光及び第１の蛍光の広がり角について説明するための図。
【図６】第１の実施形態に係る波長変換ユニットにおける第２の励起光に由来する第２の励起光及び第２の蛍光の広がり角について説明するための図。
【図７】第１の実施形態に係る波長変換ユニットから射出される照明光のスペクトル特性の一例を示す図。
【図８】第１の実施形態の第１の変形例に係る波長変換ユニットの構成例の概略を示す図。
【図９】第１の実施形態の第２の変形例に係る波長変換ユニットの構成例の概略を示す図。
【図１０】第２の実施形態に係る波長変換ユニットの構成例の概略を示す図。
【図１１】第２の実施形態に係る波長変換ユニットの構成例の概略を示す図。
【図１２】第３の実施形態に係る波長変換ユニットの構成例と波長変換ユニットから射出される照明光の広がり角について説明するための図。
【図１３】第３の実施形態に係る第３の波長変換部材の吸収／蛍光特性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態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１００の構成の概要を図１に示す。この図に示すように、光源装置１００は、波長変換ユニット１１０と、光カプラー１５０と、第１の励起光源１６２と、第２の励起光源１６４と、制御装置１７０とを有する。
【００１０】
第１の励起光源１６２は、第１の波長領域の波長を有する励起光を発生する光源である。本実施形態では、第１の波長領域の中心波長を４５０ｎｍとし、第１の励起光源１６２は波長４５０ｎｍのレーザ光を射出する青色半導体レーザ（青色ＬＤ）とする。以降、第１の励起光源１６２から射出される励起光を第１の励起光と称する。第２の励起光源１６４は、第２の波長領域の波長を有する励起光を発生する光源である。本実施形態では、第２の波長領域の中心波長を４０５ｎｍとし、第２の励起光源１６４は波長４０５ｎｍのレーザ光を射出する青紫色半導体レーザ（青紫ＬＤ）とする。以降、第２の励起光源１６４から射出される励起光を第２の励起光と称する。
【００１１】
制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と、第２の励起光源１６４とを駆動及び制御する。すなわち、制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と第２の励起光源１６４とをそれぞれ駆動する複数の駆動回路を備えている。制御装置１７０は、これら駆動回路をそれぞれ独立に制御する。制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と第２の励起光源１６４とをそれぞれ連続駆動することもできるし、パルス駆動することもできる。また、制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と第２の励起光源１６４とのうち、一方を点灯し、他方を消灯することもできる。また、制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と第２の励起光源１６４との励起光量比率を調整して、照明光の色を調整すること、すなわちスペクトル調整することができる。
【００１２】
光カプラー１５０は、第１の光ファイバ１５２と、第２の光ファイバ１５４と、第３の光ファイバ１５６とを有する。第１の光ファイバ１５２は、第１の励起光源１６２から射出されたレーザ光である第１の励起光を導光する。第２の光ファイバ１５４は、第２の励起光源１６４から射出されたレーザ光である第２の励起子を導光する。第１の光ファイバ１５２と第２の光ファイバ１５４とは、それらの導光路を１つに結合させる。すなわち、光カプラー１５０は第１の励起光と第２の励起光とを合波する。第３の光ファイバ１５６は、この合波された光を波長変換ユニット１１０に導く。
【００１３】
波長変換ユニット１１０は、光カプラー１５０によって導かれた第１の励起光及び第２の励起光を受光し、それら励起光の一部を、波長が異なる照明光に変換する波長変換ユニットである。波長変換ユニット１１０の構造の概略を図２に示す。この図に示すように、波長変換ユニット１１０は、第１の波長変換部材１１２と、第２の波長変換部材１１４と、光透過部材１２２と、ホルダ１２４とを有する。光透過部材１２２と、第１の波長変換部材１１２と、第２の波長変換部材１１４とは、光カプラー１５０の射出端と共にホルダ１２４に保持されている。
【００１４】
すなわち、ホルダ１２４は、例えば円筒形状をしている。ホルダ１２４は、光カプラー１５０の第３の光ファイバ１５６の射出端を、ホルダ１２４の一端の入射開口１２４−１の部分で保持している。ホルダ１２４は、前記入射開口１２４−１と対向する位置に射出開口１２４−２を有しており、入射開口１２４−１から射出開口１２４−２まで、連続する貫通孔を有している。この貫通孔の内面には図示しない反射部材が形成されている。
【００１５】
ホルダ１２４は、光カプラー１５０の射出端側から当該射出端から射出される励起光の射出方向に順に、光透過部材１２２と、第１の波長変換部材１１２と、第２の波長変換部材１１４とを保持する。その結果、光カプラー１５０の射出端から射出された励起光は、光透過部材１２２、第１の波長変換部材１１２、第２の波長変換部材１１４の順に通過し、ホルダ１２４の射出開口１２４−２から射出される。このように光透過部材１２２と、第１の波長変換部材１１２と、第２の波長変換部材１１４とは、例えばホルダ１２４の貫通孔の直径よりも小さい直径の円柱形状を有している。なお、本実施形態では、ホルダ１２４の形状を円筒形状としたが、これに限らない。例えば、入射開口を頂点とし、射出開口を底面とする円錐形状のような形状をしていてもよい。
【００１６】
光透過部材１２２は、光カプラー１５０の射出端から射出される第１の励起光と第２の励起光と、第１の波長変換部材１１２と第２の波長変換部材１１４とから放射される蛍光とを透過する性質を有している。光透過部材１２２は、例えば透過率が高いガラスやシリコーン樹脂で構成される。波長変換ユニット１１０内において光透過部材１２２は、光カプラー１５０の射出端から第１の波長変換部材１１２までの間隔を所望の間隔とする厚みを備えている。
【００１７】
第１の波長変換部材１１２において、光透過部材１２２側の面を受光面と称し、第２の波長変換部材１１４側の面を射出面と称する。第２の波長変換部材１１４において、第１の波長変換部材１１２側の面を受光面と称し、この受光面と対向する面を射出面と称する。第２の波長変換部材１１４の射出面は、ホルダ１２４の射出開口１２４−２の端面と同一平面となるように構成されている。
【００１８】
本実施形態において、第１の波長変換部材１１２には、例えばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（以下ＹＡＧと称する）で示される組成の蛍光体が用いられている。第１の波長変換部材１１２は、多結晶化されたＹＡＧセラミックスからなる。ＹＡＧセラミックスは、透過する励起光をほとんど拡散させないという性質がある。なお、ＹＡＧセラミックス以外にも、第１の波長変換部材１１２には、ＹＡＧ単結晶や、ＬＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ等のセラミックス蛍光体を用いることもできる。第１の波長変換部材１１２に入射した励起光の一部は、第１の波長変換部材１１２に吸収される。吸収された光は、波長変換されて蛍光として第１の波長変換部材１１２から等方的に放射される。一方、第１の波長変換部材１１２に吸収されなかった励起光は、第１の波長変換部材１１２を透過する。
【００１９】
第２の波長変換部材１１４は、蛍光体１１５と、封止材１１６とを含む。蛍光体１１５は、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ（以下ＳＣＡと称する）を含む粉末蛍光体である。なお、ＳＣＡの代わりに、例えばＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕや、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎを用いることもできる。
【００２０】
蛍光体１１５の平均粒径は、例えば４．５μｍである。この蛍光体１１５は、封止材１１６中に分散されている。ここで、封止材１１６は、例えばシリコーン樹脂といった透明樹脂等である。蛍光体１１５の屈折率は、封止材１１６の屈折率よりも高い。透明な封止材１１６中に、粉末の蛍光体１１５を分散させた構成により、第２の波長変換部材１１４は、拡散部材としても機能する。すなわち、第２の波長変換部材１１４に入射した励起光の一部は、粉末の蛍光体１１５に吸収される。吸収された光は、波長変換されて蛍光として蛍光体１１５から放射される。ここで蛍光は、蛍光体１１５から全方向に等方的に放射される。一方、蛍光体１１５に吸収されなかった励起光は、蛍光体１１５により散乱されて所定の広がり角を有して、第２の波長変換部材１１４から放射される。このとき、第２の波長変換部材１１４に入射した光の広がり角と第２の波長変換部材１１４から射出される光の広がり角との差、すなわち広がり角の増加角度は、蛍光体１１５の粒径、封止材１１６に対する蛍光体１１５の濃度、蛍光体１１５と封止材１１６との屈折率、及び第２の波長変換部材１１４全体の厚さ等により決定される。
【００２１】
なお、蛍光体１１５の粒径は、励起光の波長の１／１０程度から１０００倍程度が望ましい。特に、蛍光体１１５の粒径を、励起光の波長と同程度から１００倍程度とすれば、広がり角を大きくすることができる。封止材１１６に対する蛍光体１１５の濃度は、例えば０．１重量％程度から７０重量％程度までの間で幅広く調整することができる。例えば蛍光体１１５の粒径を波長と同程度から１００倍程度とした場合、封止材１１６に対する蛍光体１１５の濃度を５重量％から５０重量％程度とすると、広がり角を調整しやすい。
【００２２】
また、蛍光体１１５及び封止材１１６の屈折率は、波長変換特性等を優先的に考慮して選択すべきである。蛍光体１１５の屈折率を例えば１．７以上と比較的高くする場合、封止材１１６には、どのような透明樹脂を用いてもよい。また、蛍光体１１５の屈折率を１．７よりも低い比較的低い値とする場合、封止材１１６には、例えば屈折率が１．５以下のものを用いることが望ましい。蛍光体１１５と封止材１１６との屈折率差を０．２程度より大きくすることが、広がり角を大きくしやすいため望ましい。また、励起光の広がり角を所望の角度とするために、励起光を波長変換せずに拡散させるフィラーを所定の濃度だけ封止材１１６に拡散させてもよい。
【００２３】
第１の波長変換部材１１２の吸収／蛍光特性を図３に示す。第２の波長変換部材１１４の吸収／蛍光特性を図４に示す。ここで、図３及び図４において、破線は励起光の吸収特性を示し、実線は蛍光強度特性を示す。図３に示すように、第１の波長変換部材１１２は、第１の励起光源１６２が射出する波長４５０ｎｍの励起光を含む光を吸収し、波長５５０ｎｍ付近にピークを有する黄色の蛍光を放射する。一方図４に示すように、第２の波長変換部材１１４は、第２の励起光源１６４が射出する波長４０５ｎｍの励起光を含む光を吸収し、波長４５０ｎｍ付近にピークを有する青色の蛍光を発する。
【００２４】
本実施形態に係る光源装置１００の動作を説明する。ユーザの指示等に基づいて、制御装置１７０は、第１の励起光源１６２と第２の励起光源１６４との出力のＯＮ／ＯＦＦ及びそれぞれの出力強度を制御する。第１の励起光源１６２は、制御装置１７０の制御の下、第１の励起光を射出する。第２の励起光源１６４は、制御装置１７０の制御の下、第２の励起光を射出する。
【００２５】
第１の励起光源１６２から射出された第１の励起光は、光カプラー１５０の第１の光ファイバ１５２及び第３の光ファイバ１５６を通り、波長変換ユニット１１０に入射する。第２の励起光源１６４から射出された第２の励起光は、光カプラー１５０の第２の光ファイバ１５４及び第３の光ファイバ１５６を通り、波長変換ユニット１１０に入射する。
【００２６】
波長変換ユニット１１０に入射した第１の励起光及び第２の励起光の挙動を説明する。まず、第１の励起光源１６２から射出された第１の励起光が波長変換ユニット１１０に入射した場合を説明する。光透過部材１２２を透過して第１の波長変換部材１１２に入射した波長４５０ｎｍの第１の励起光は、図３にその吸収特性を示すように、第１の波長変換部材１１２においてその一部が吸収される。第１の波長変換部材１１２に吸収された第１の励起光は波長変換され、第１の波長変換部材１１２からは波長５５０ｎｍ付近にピークを有する黄色の蛍光が放射される。以降、この黄色の蛍光を第１の蛍光と称する。第１の蛍光は、第１の波長変換部材１１２から全方向に等方的に放射される。
【００２７】
第１の蛍光の一部は、第１の波長変換部材１１２から第２の波長変換部材１１４に入射する。第２の波長変換部材１１４は、図４にその吸収特性を示すように、波長５５０ｎｍ付近にピークを有する第１の蛍光をほとんど吸収しない。第１の波長変換部材１１２から放射され、第２の波長変換部材１１４の方向以外の方向に放射された第１の蛍光は、ホルダ１２４の内周面で反射を繰り返し、再び第１の波長変換部材１１２に入射する。第１の波長変換部材１１２は、図３に示すように波長５５０ｎｍ付近にピークを有する第１の蛍光をほとんど吸収しない。第１の蛍光は、第１の波長変換部材１１２を透過し、第２の波長変換部材１１４に入射する。
【００２８】
一方、第１の波長変換部材１１２に吸収されない第１の励起光は、第１の波長変換部材１１２を上述のとおりほとんど散乱されずに透過して、第２の波長変換部材１１４に入射する。第２の波長変換部材１１４は、図４にその吸収特性を示すように、波長４５０ｎｍ付近にピークを有する第１の励起光をほとんど吸収しない。
【００２９】
第２の波長変換部材１１４でほとんど吸収されない第１の蛍光と第１の励起光とは、封止材１１６内に分散した蛍光体１１５によって散乱させられる。ホルダ１２４の内周面に当たった第１の蛍光及び第１の励起光は、その内周面で反射される。このようにして、第１の蛍光及び第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４の射出面から様々な方向に射出される。すなわち、第１の蛍光及び第１の励起光は、広い広がり角を有して波長変換ユニット１１０から射出される。言い換えると、第１の蛍光及び第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４で広がり角が増加させられる。
【００３０】
ここで、第１の蛍光は、第１の波長変換部材１１２から様々な方向に放射され、様々な方向から第２の波長変換部材１１４に入射する。したがって、第２の波長変換部材１１４の射出面から射出される第１の蛍光は、広い広がり角を有する。また、第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４で散乱される。したがって、第２の波長変換部材１１４の射出面から射出される第１の励起光は広い広がり角を有する。ここで、図５に示すように、第２の波長変換部材１１４の射出面から射出される第１の励起光の広がり角３１０と、第１の蛍光の広がり角３２０とがほぼ等しくなるように、すなわち、第１の励起光による照射領域３３０と第１の蛍光による照射領域３４０とがほぼ等しくなるように、第２の波長変換部材１１４における蛍光体１１５の粒径や濃度などが調整されている。
【００３１】
なお、第１の波長変換部材１１２に吸収されずに透過した第１の励起光は、その光軸上で強度が最も高く、周辺程強度が低くなる。ここで、第２の波長変換部材１１４の入射面は、少なくとも第１の波長変換部材１１２を透過した第１の励起光が光軸上における強度の１／ｅ倍（ｅはネーピア数）以上の光強度を有する第１の励起光が入射する範囲よりも広い。このように設計することで、第１の波長変換部材１１２を透過した第１の励起光のうち多くが、第１の波長変換部材１１２の射出面から第２の波長変換部材１１４に直接入射することができる。
【００３２】
このように、例えば第１の励起光源１６２は、第１の励起光を射出する第１の励起光源として機能する。例えば第１の波長変換部材１１２は、第１の励起光の少なくとも一部を吸収し波長変換して第１の波長変換光を放射し、透過する第１の励起光の広がり角を第１の増加角度だけ増加させる第１の光学部材として機能する。例えば第２の波長変換部材１１４は、第１の励起光の光軸上を含む少なくとも第１の励起光についてこの第１の励起光の光軸における光強度の１／ｅ倍以上の光強度を有する範囲を含む領域に配置され、透過する第１の励起光の広がり角を第１の増加角度よりも大きい第２の増加角度だけ増加させる第２の光学部材として機能する。例えばホルダ１２４は、第１の光学部材と第２の光学部材とを保持する保持部材として機能する。また、例えば多結晶化されたＹＡＧセラミックス、ＹＡＧ単結晶、又はＬＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ等のセラミックス蛍光体を含む第１の波長変換部材１１２は、単結晶又は多結晶の透明蛍光体である第１の光学部材として機能する。
【００３３】
次に、第２の励起光源１６４から射出された第２の励起光が波長変換ユニット１１０に入射した場合を説明する。光透過部材１２２を透過して第１の波長変換部材１１２に入射した波長４０５ｎｍの第２の励起光は、図３にその吸収特性を示すように、第１の波長変換部材１１２においてほとんど吸収されず、第１の波長変換部材１１２を透過する。ここで、上述のとおり第２の励起光は第１の波長変換部材１１２においてほとんど散乱されない。すなわち、第２の励起光は、その広がり角をほとんど変化させずに第１の波長変換部材１１２を透過する。第１の波長変換部材１１２を透過した第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４に入射する。
【００３４】
第２の波長変換部材１１４に入射した波長４０５ｎｍの第２の励起光は、図４にその吸収特性を示すように、第２の波長変換部材１１４においてその一部が吸収される。第２の波長変換部材１１４に吸収された第２の励起光は波長変換され、第２の波長変換部材１１４からは波長４５０ｎｍ付近にピークを有する青色の蛍光が放射される。以降、この青色の蛍光を第２の蛍光と称する。第２の蛍光は、第２の波長変換部材１１４から全方向に等方的に放射される。
【００３５】
第１の波長変換部材１１２の方向に放射された第２の蛍光は、その一部が第１の波長変換部材１１２に吸収され、上述した第１の蛍光が放射される。この第１の蛍光の光路は、上述の場合と同様である。第１の波長変換部材１１２の方向に放射され、第１の波長変換部材１１２で吸収されずに透過した第２の蛍光は、ホルダ１２４の内周面で反射され、再び第１の波長変換部材１１２に入射し、第１の波長変換部材１１２で吸収され第１の蛍光が放射されるか、又は第１の波長変換部材１１２を透過して第２の波長変換部材１１４に入射する。
【００３６】
第２の波長変換部材１１４から射出開口の方向に放射された第２の蛍光は、封止材１１６内に分散した蛍光体１１５によって拡散させられる。また、第２の波長変換部材１１４で吸収されない第２の励起光も、封止材１１６内に分散した蛍光体１１５によって拡散させられる。
【００３７】
ホルダ１２４の内周面に当たった第２の蛍光及び第２の励起光は、その内周面で反射される。このようにして、第２の蛍光及び第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４の射出面から様々な方向に射出される。すなわち、第２の蛍光及び第２の励起光は、広い広がり角を有して波長変換ユニット１１０から射出される。言い換えると、第１の蛍光及び第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４で広がり角が増加させられる。
【００３８】
ここで、第２の蛍光は、第２の波長変換部材１１４から様々な方向に放射され、広い広がり角を有する。また、第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４で散乱されて広い広がり角を有する。図６に示すように、第２の波長変換部材１１４の射出面から射出される第２の励起光の広がり角３６０と、第２の蛍光の広がり角３７０とがほぼ等しくなるように、すなわち、第２の励起光による照射領域３８０と第２の蛍光による照射領域３９０とがほぼ等しくなるように、第２の波長変換部材１１４における蛍光体１１５の粒径や濃度などが調整されている。さらに、上述の第１の励起光の波長変換ユニット１１０から射出される際の広がり角と、第２の励起光の波長変換ユニット１１０から射出される際の広がり角とがほぼ等しくなるように、第２の波長変換部材１１４における蛍光体１１５の粒径や濃度などが調整されている。
【００３９】
以上のようにして、第１の励起光及び／又は第２の励起光が波長変換ユニット１１０に入射すると、波長変換ユニット１１０の射出開口から、上述のように設定された広がり角を有する第１の励起光、第２の励起光、第１の蛍光及び／又は第２の蛍光が射出される。  なお、第１の励起光と第２の励起光とがともに波長変換ユニット１１０に入射した場合に、波長変換ユニット１１０から射出される光のスペクトルの例を図７に示す。この図に示すように、光源装置１００の照明光スペクトルは、第１の励起光と第２の励起光と第１の蛍光と第２の蛍光との成分が含まれたスペクトルとなる。なお、波長変換ユニット１１０は、第２の波長変換部材１１４を第１の波長変換部材１１２よりも射出開口側に配置することによって、第２の励起光の第１の波長変換部材１１２による吸収を低減し、十分な強度の第２の励起光を射出することができるように構成されている。
【００４０】
本実施形態によれば、第２の波長変換部材１１４による光拡散を第１の波長変換部材１１２による光拡散より大きくすることで、第１の励起光の射出角３１０、第２の励起光の射出角３６０、第１の蛍光の放射角３２０、及び第２の蛍光の放射角３７０を容易に等しく調整することができる。波長変換ユニット１１０から射出される第１の励起光の広がり角３１０、第２の励起光の広がり角３６０、第１の蛍光の広がり角３２０、及び第２の蛍光の広がり角３７０を等しくすることができるので、光源装置１００は、色むらの少ない照明光を射出することができる。
【００４１】
また、第１の波長変換部材１１２による光拡散が大きいと、第１の波長変換部材１１２で拡散された光は、ホルダ１２４の内面に照射され、吸収などによる光の損失が大きくなる。これに対して本実施形態では、第１の波長変換部材１１２には光拡散がほとんどないものを用いている。このため、光源装置１００のエネルギー変換効率は高い。また、本実施形態のように、第２の波長変換部材１１４を用いて光を拡散させることで、広がり角を調整するための光拡散部材を別途設ける必要がなく、光の損失を小さくすることができる。これらのことから、光源装置１００のエネルギー変換効率は高い。
【００４２】
また、本実施形態では、波長変換ユニット１１０内に第２の波長変換部材１１４及び第１の波長変換部材１１２という異なる吸収／蛍光特性を有する蛍光体を配置し、そこに第１の励起光と第２の励起光という２種類の異なる波長を持つ励起光を照射する構成を有している。このような構成を有するため、第１の励起光と第２の励起光との光量比を変化させることで、１つの光源装置により、射出する光の色を調整することができる。
【００４３】
なお、本実施形態のように、第１の波長変換部材１１２及び第２の波長変換部材１１４に用いる蛍光体について、励起光の波長と蛍光の波長との差が小さいものを用いることにより、波長変換によるエネルギー損失を小さくすることができる。その結果、光源装置１００のエネルギー変換効率は高くなる。
【００４４】
なお、第１の波長変換部材１１２及び第２の波長変換部材１１４の第１の励起光及び第２の励起光の光軸に対して垂直な面における大きさは、第１の励起光及び第２の励起光の光軸上の強度の１／ｅ倍以上の強度を有する光が入射する範囲以上の大きさであれば、これら励起光のうち多くが入射することになる。
【００４５】
本実施形態では、第２の波長変換部材１１４を波長変換する蛍光体を含むものとして説明した。これに対して、第１の励起光のみを用いるのであれば、例えばアルミナといった光を分散させる機能のみを有する分散体であってもよい。この場合、第１の励起光と第１の蛍光との広がり角を一致させて色むらのない第１の励起光と第２の励起光と第１の蛍光とを射出する光源装置を構成することができる。
【００４６】
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態の変形例について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。まず第１の変形例について説明する。図８に本変形例に係る波長変換ユニット１１０の構造の概略図を示す。この図に示すように、本変形例に係る波長変換ユニット１１０は、第１の実施形態に係る波長変換ユニット１１０と比較して、第２の波長変換部材１１４の厚さが異なる。本変形例の第２の波長変換部材１１４は、第１の励起光及び第２の励起光の光軸上について厚くなっており、射出面が凸面形状をしている。
【００４７】
光カプラー１５０（第３の光ファイバ１５６）の射出端から射出される第１の励起光及び第２の励起光は、それら励起光の光路軸上が最も強い光強度を有する。第２の波長変換部材１１４の形状が励起光の光軸上において最も厚い形状となっていることで、第１の励起光及び第２の励起光は、十分に拡散させられる。また、この形状により、第２の励起光のうち、波長変換される第２の励起光の割合が高くなる。
【００４８】
なお、図８においては、第２の波長変換部材１１４の射出面がホルダ１２４の射出開口よりも外側に突出しているが、これに限らない。また、図８に示す例では、射出面が凸面形状をしているが、第２の波長変換部材１１４の厚さが、光軸上付近が周縁部よりも厚い形状であれば、その形状は、図８に示す形状に限らない。入射面が凸面形状をしていてもよい。
【００４９】
次に第２の変形例について説明する。図９に本変形例に係る波長変換ユニット１１０の構造の概略図を示す。この図に示すように、本変形例に係る波長変換ユニット１１０は、第１の励起光及び第２の励起光の光軸上に、第２の波長変換部材１１４よりも直径が小さい第１の波長変換部材１１２を備えており、第１の波長変換部材１１２の側面部も覆うように第２の波長変換部材１１４が配置されている。
【００５０】
所定の広がり角で入射された第２の励起光は、光軸に近い中心部分は第１の波長変換部材１１２に入射し、光軸から遠い周縁部は、直接第２の波長変換部材１１４に入射する。第２の波長変換部材１１４に直接照射された第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４により波長変換及び拡散され、一部は第１の波長変換部材１１２に再入射し、一部は第２の波長変換部材１１４を透過して波長変換ユニット１１０の射出開口から射出される。
【００５１】
本変形例のように、励起光の光軸上に配置された第１の波長変換部材１１２の直径を小さくすることにより、第２の励起光によって波長変換された第２の蛍光が、第１の波長変換部材１１２に再入射する割合が小さくなる。その結果、第１の波長変換部材１１２に２次的に吸収される第２の蛍光の割合が低くなり、第２の蛍光の割合を高くすることができる。
【００５２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態に係る波長変換ユニット１１０の構成例の概略を図１０及び図１１に示す。図１０は、波長変換ユニット１１０の横断面を表す概略図であり、図１１は、波長変換ユニット１１０の射出開口側から見た平面を表す概略図である。
【００５３】
図１０及び図１１に示すように、光カプラー１５０（第３の光ファイバ１５６）の射出端から射出される第１の励起光及び第２の励起光の光軸上に、第２の波長変換部材１１４が配置されている。第２の波長変換部材１１４は、円柱形状をしている。ここで、第１の励起光及び第２の励起光の広がり角を図１０に破線で示すように、第２の波長変換部材１１４の直径は、第１の励起光及び第２の励起光が第２の波長変換部材１１４に入射する際のビームスポット径よりも大きい。第２の波長変換部材１１４の外周側面を覆うように、中空の円柱形状をした第１の波長変換部材１１２が配置されている。
【００５４】
光カプラー１５０（第３の光ファイバ１５６）の射出端から射出される第１の励起光及び第２の励起光は、光透過部材１２２を透過し、第２の波長変換部材１１４に入射する。第２の励起光の一部は、第２の波長変換部材１１４によって波長変換され、第２の蛍光が放射される。その他の第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４を散乱させられながら透過する。一方、第２の波長変換部材１１４に入射した第１の励起光は、ほとんど波長変換されずに散乱されて、その一部は波長変換ユニット１１０の射出開口から射出される。また、第２の波長変換部材１１４で散乱されて第１の波長変換部材１１２に入射した第１の励起光は、波長変換されて第１の蛍光が放射される。
【００５５】
第１の励起光及び第２の励起光を拡散する能力が高い第２の波長変換部材１１４を第１の励起光及び第２の励起光の光軸に近い領域に配置し、拡散する能力が低い第１の波長変換部材１１２を外周部に配置することで、第１の励起光及び第２の励起光は、ほとんど第２の波長変換部材１１４に入射する。その結果、第１の励起光及び第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４により拡散される。このため、本実施形態によれば広い広がり角を有する光を射出することができる。
【００５６】
また、第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４で拡散された後に第１の波長変換部材１１２で波長変換される。したがって、波長変換によって生じる熱の発生個所が分散されるため、第１の波長変換部材１１２が局所的に高温になることを防止できる。また、第１の波長変換部材１１２と第２の波長変換部材１１４とが第１の励起光及び第２の励起光の光軸上で接していないため、第２の波長変換部材１１４で発生する波長変換損失熱が第１の波長変換部材１１２に及ぼす影響を低減できる。以上によって、第１の波長変換部材１１２における温度消光が抑えられる。
【００５７】
［第３の実施形態］
第３の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施形態に係る波長変換ユニット１１０の構成例の概略を図１２に示す。この図に示すように、波長変換ユニット１１０のホルダ１２４には、光カプラー１５０の射出端の側から、第１の励起光及び第２の励起光の進行方向に順に、光透過部材１２２、第３の波長変換部材１１９及び第２の波長変換部材１１４が配置されている。
【００５８】
第３の波長変換部材１１９の吸収／蛍光特性の一例を図１３に示す。この図に示すように、第３の波長変換部材１１９は、第１の励起光の波長領域と第２の励起光の波長領域とに対して吸収特性を有しており、波長５５０ｎｍ付近にピークを有する蛍光を放射する。以降、この波長５５０ｎｍ付近にピークを有する蛍光を第３の蛍光と称する。このような第３の波長変換部材１１９の材質としては、例えばオルトシリケート系の蛍光体が挙げられる。また、図１２には図示していないが、第３の波長変換部材１１９は、粉末蛍光体をシリコーン樹脂の封止材の内部に分散させた構造を有する。
【００５９】
本実施形態では、第１の励起光は、第３の波長変換部材１１９に一部吸収され、第３の蛍光が全方向に等方的に放射される。第３の蛍光は、第２の波長変換部材１１４にはほとんど吸収されない。このため、第３の蛍光は、波長変換ユニット１１０の射出開口から、広い射出角を有して、第３の蛍光の照射領域４５０に照射される。
【００６０】
一方で、第３の波長変換部材１１９を透過した第１の励起光は、第２の波長変換部材１１４に吸収されず、第２の波長変換部材１１４で拡散されて、波長変換ユニット１１０の射出開口から、広い広がり角を有して、第１の励起光の照射領域４６０に照射される。
【００６１】
また、第２の励起光は、第３の波長変換部材１１９に一部吸収され、第３の蛍光が全方向に等方的に放射される。第３の蛍光は、上述のように波長変換ユニット１１０の射出開口から、広い広がり角を有して、第３の蛍光の照射領域４８０に照射される。一方で、第３の波長変換部材１１９を透過した第２の励起光は、第２の波長変換部材１１４で波長変換され、第２の蛍光が全方向に等方的に放射される。その結果、第２の蛍光は、波長変換ユニット１１０の射出開口から、広い広がり角を有して、第２の蛍光の照射領域４７０に照射される。  
本実施形態によれば、波長変換ユニット１１０から第１の励起光と、第２の励起光と、第２の蛍光と、第３の蛍光とを、適切に統一された広がり角で射出することができる。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１００…光源装置、１１０…波長変換ユニット、１１２…第１の波長変換部材、１１４…第２の波長変換部材、１１５…蛍光体、１１６…封止材、１１９…第３の波長変換部材、１２２…光透過部材、１２４…ホルダ、１５０…光カプラー、１５２…第１の光ファイバ、１５４…第２の光ファイバ、１５６…第３の光ファイバ、１６２…第１の励起光源、１６４…第２の励起光源、１７０…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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