(57)【要約】【課題】全ての発光波長帯で発光部像の位置と形状を揃えると共に、発する光が分離されて白色光とならず、色模様が付いた光となってしまうことを防止することができる白色の光源装置を提供する。【解決手段】励起ＬＥＤ１からの光は、正パワー光学系２でコリメートされ、一部は、ダイクロイックプリズム３を通過し、平面ミラー６で反射されて再びダイクロイックプリズム３に戻って、その一部が反射され、開口絞り７を通して出力される。ダイクロイックプリズム３で反射された光は、正パワー光学系４で集光され、蛍光体５上に励起ＬＥＤ１の像を結ぶ。これにより、蛍光体５から発生した蛍光は、正パワー光学系４でコリメートされ、ダイクロイックプリズム３を透過し、開口絞り７を通して出力される。よって、開口絞り７からは、直接光と蛍光が混合された白色光が出力される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長帯域を有する光を放出する光源と、
前記光源からの前記光を第１の方向から入射し、前記光を２つに分割して、その一方を励起光として第２の方向に射出すると共に、他方を中間光として第３の方向に射出する第１の機能と、前記第２の方向から入射する、前記第１の波長帯域を含まない第２の波長帯域を有する光を第４の方向に射出する第２の機能と、前記第３の方向から入射する前記第１の波長帯域を有する光を、前記第２の波長帯域を有する光と合成して、前記第４の方向に射出する第３の機能とを有する光分割合成素子と、
前記光分割合成素子から前記第２の方向に射出された前記励起光を受けて蛍光を発し、発生した蛍光を前記励起光と反対向きに放出して、前記光分割合成素子に前記第２の方向から入射させる蛍光体と、
前記光分割合成素子から前記第３の方向に射出された中間光を反射して、再び、光分割合成素子に前記第３の方向から入射させる反射体
とを有することを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記光分割合成素子は、前記光源からの前記光の一部を反射して前記励起光とし、残りを透過して前記中間光とし、前記第２の方向から入射する、前記第２の波長帯域を有する光の大部分を透過して前記第１の波長帯域を有する光の大部分を反射し、前記第３の方向から入射する、前記第１の波長帯域を有する光の一部を透過し残りを反射するダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムであ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】
前記光分割合成素子の前記第２の波長帯域に対する透過率は、前記第１の波長帯域に対する透過率よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記光分割合成素子は、前記光源からの前記光の一部を透過して前記励起光とし、残りを反射して前記中間光とし、前記第２の方向から入射する、前記第２の波長帯域を有する光の大部分を反射して前記第１の波長帯域を有する光の大部分を透過し、前記第３の方向から入射する、前記第１の波長帯域を有する光の一部を透過し残りを反射するダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光分割合成素子の前記第２の波長帯域に対する透過率は、前記第１の波長帯域に対する透過率よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記光源と前記光分割合成素子との間に配置された正のパワーを有する第一正パワー光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記蛍光体と前記光分割合成素子との間に配置された正のパワーを有する第二正パワー光学系をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記光源は、前記光を放射状に放出することを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記光源は、前記光を平行光束として放出することを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記光分割合成素子で合成された光の中央部の光を通過させ、周縁部の光を遮光する開口をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記蛍光体は、蛍光物質膜と、反射体とを有することを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記蛍光物質膜は、前記反射体に密着していることを特徴とする請求項１１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】
従来技術による白色ＬＥＤの一例は、特許第３２５７４５５号公報に示されている。その概略構造は図８に示すように、励起光を発光するＬＥＤ発光部１０１、基板部１０３、および蛍光体１０２からなる。蛍光体１０２は透明媒質中に蛍光物質が混入されており拡散体状になっている。ＬＥＤ発光部１０１からの励起光は、蛍光体１０２内部で拡散作用を受けることによって拡散すると同時に、蛍光体１０２からは蛍光が発する。
【０００３】
ＬＥＤ発光部１０１からの励起光の波長は、青色や紫色など可視域短波長帯域か、あるいは可視域に近接する紫外域にあり、このような励起光とそれより長波長帯域の波長を有する蛍光とが互いに合成されることによって、白色光が作り出される。
【特許文献１】特許第３２５７４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来技術における白色ＬＥＤは、発光部が蛍光体１０２全体となるので、もともとのＬＥＤ発光部よりも大きな面積で光る面光源であり、通常の照明光源用に作られるものである。
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤ発光部１０１からの励起光の一部及び蛍光物質からの蛍光の一部は、蛍光体１０２の内部で互いに合成されることなく、蛍光体１０２の表面上の異なる位置から蛍光体１０２の外方へ放射状に射出する。このため、蛍光体１０２の表面から射出した励起光及び蛍光を遠方で受光したときに、励起光及び蛍光が大きく分離され、白色光とならず、色模様が付いた光となってしまうことがあるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、全ての発光波長帯で発光部像の位置と形状を揃えると共に、発する光が分離されて白色光とならずに色模様が付いた光となってしまうことを防止することができる白色の光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の波長帯域を有する光を放出する光源と、
前記光源からの前記光を第１の方向から入射し、前記光を２つに分割して、その一方を励起光として第２の方向に射出すると共に、他方を中間光として第３の方向に射出する第１の機能と、前記第２の方向から入射する、前記第１の波長帯域を含まない第２の波長帯域を有する光を第４の方向に射出する第２の機能と、前記第３の方向から入射する前記第１の波長帯域を有する光を、前記第２の波長帯域を有する光と合成して、前記第４の方向に射出する第３の機能とを有する光分割合成素子と、
前記光分割合成素子から前記第２の方向に射出された前記励起光を受けて蛍光を発し、発生した蛍光を前記励起光と反対向きに放出して、前記光分割合成素子に前記第２の方向から入射させる蛍光体と、
前記光分割合成素子から前記第３の方向に射出された中間光を反射して、再び、光分割合成素子に前記第３の方向から入射させる反射体
とを有することを特徴とする光源装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、全ての発光波長帯で発光部像の位置と形状を揃えると共に、発する光が分離されて白色光とならずに色模様が付いた光となってしまうことを防止することができる白色の光源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である光源装置の概要を示す図である。
【００１０】
光源である励起ＬＥＤ１を発した光束（第１の波長帯域を有する光）は、第一正パワー光学系２（なお、光学系におけるパワーとは、焦点距離の逆数のことを言う。したがって、正パワーとは符号が正の焦点距離（例えば凸レンズ）のもつパワー（屈折力）、負パワーとは符号が負の焦点距離（例えば凹レンズ）のもつパワーを言う。）で平行光束に変換され、光分割合成素子であるダイクロイックプリズム３の第１の方向（左側）からダイクロイックプリズム３に入射する。そして、一部分が反射され残りが透過する。反射された光は励起光となり、透過した光は中間光となる。すなわち、光源から放出された光をダイクロイックプリズム３によって励起光と中間光とに分割している。
【００１１】
ダイクロイックプリズム３の分光特性の典型例を図２に示す。横軸は波長λであり、縦軸Ｒは反射率であり、縦軸Ｔは透過率である。実線が反射率を示し、破線が透過率を示す。
【００１２】
図２に示すように、ダイクロイックプリズム３は、励起ＬＥＤ１の励起光波長領域Ｅにおいては、励起光の一部を透過し、励起光の一部を反射する。この実施の形態においては、蛍光波長領域Ｆにおいて、ほとんどの成分を透過させるように、ダイクロイックプリズム３の分光特性が設定されている。本実施の形態を効率よく作用させるためには、蛍光波長領域Ｆでは、少なくとも５０％以上の光が透過し、５０％未満の光が反射するようにする必要があり、実用的には、蛍光波長領域Ｆでは、７０％以上の光が透過し、３０％未満の光が反射するようにすることが特に好ましい。なお、図３に示すように励起ＬＥＤ１は発光部１１と電子回路基板１２とからなり、発光部１１の面積は微小である。
【００１３】
ダイクロイックプリズム３によって反射された励起光光束は、図１に示すように、ダイクロイックプリズム３の第２の方向（上側）から出射し、第二正パワー光学系４によって励起ＬＥＤ１の発光部１１の像を形成する。蛍光体５は図４に示すように、蛍光物質膜５１、ミラー５２、ベース５３から構成されている。蛍光物質膜５１は薄い膜状であり、ミラー５２上に塗布されている。ベース５３はミラー５２、蛍光物質膜５１を保持している。蛍光物質膜５１面上に発光部１１像ができるよう蛍光体５を設置する。
【００１４】
蛍光物質膜５１のうち発光部１１の像が形成されている部分が蛍光（第１の波長帯域を含まない第２の波長帯域を有する光）を発する。蛍光のうち一部はその表面から、他の一部はミラー５２で反射され蛍光物質膜５１を通り抜けて外部へ放出される。なお、ミラー５２は必須の構成要素ではない。又、ミラー５２の代わりに、プリズムシート等の反射体を使用することができる。なお、蛍光物質膜５１は、ミラー５２に密着して設けることが、蛍光放射部の点光源化の面から好ましい。
【００１５】
蛍光体５からの蛍光光束は、第二正パワー光学系４によって平行光束にコリメートされ、第２の方向（上側）からダイクロイックプリズム３に入射する。前記蛍光平行光束はダイクロイックプリズム３を透過し、ダイクロイックプリズム３の第４の方向（下側）から放出される。
【００１６】
励起ＬＥＤ１を発した光束のうち、ダイクロイックプリズム３を透過した成分（光源光）については、ダイクロイックプリズム３の第３の方向（右側）から放出され、平面ミラー６で反射され、再び第３の方向からダイクロイックプリズム３に入射する。そして、その一部はダイクロイックプリズム３を透過して光源側に戻るが、残りはダイクロイックプリズム３で反射され、光源光と同じ波長帯域の成分を有する光として、前記蛍光平行光束と混合されて、ダイクロイックプリズム３の第４の方向（下側）から、白色光として放出される。これが出力光となる。
【００１７】
開口絞り７が設けられているので、前記蛍光光束とダイクロイックプリズム３で反射された光は、開口絞り７で同じ光束径となって出力される。すなわち、蛍光と光源光とが光分割合成素子であるダイクロイックプリズム３によって合成され、出力される。
【００１８】
励起ＬＥＤ１の発光成分の分光特性と蛍光の分光特性、および出力光の分光特性の典型例を図６に示す。横軸は波長、縦軸Ｐは光パワーである。破線は励起ＬＥＤ１の発光成分の分光特性、一点鎖線は蛍光の分光特性、実線は出力光の分光特性である。出力光は広い波長範囲に亘って分光成分を有しており、白色光であることが分かる。
【００１９】
励起ＬＥＤ１からの直接発光波長の選択、蛍光物質の選択調合による発光分光特性の調整、ダイクロイックプリズム３の分光特性設計によって出力光が所望の分光特性を持つよう設計する。特に出力光波長範囲を可視域に合わせ、分光特性のバランスを取ることで可視域白色光源となる。
【００２０】
開口絞り７越しに発光源を見た場合、励起ＬＥＤ１の発光部１１像と蛍光物質膜５１上にできる蛍光光源像はほとんど一致し、あたかも同一光源であるように機能する。また励起光束径と蛍光光束径も一致するので、単一な白色光源と等価な光源となる。
【００２１】
従って、遠距離においても、励起ＬＥＤ１が発する光と、蛍光物質膜５１が発する光が分離することが無く、従来技術では有り得た色模様のついた光となることがない。これは第一正パワー光学系２と、第二正パワー光学系４により、励起ＬＥＤ１の発光部１１像と蛍光物質膜５１上にできる蛍光光源像はほとんど一致しするようにし、第一正パワー光学系２、第二正パワー光学系４により、これらから射出する光束を平行光束としているためである。かつ、また、励起ＬＥＤ１の発光部１１像、蛍光物質膜５１上にできる蛍光光源像とも非常に小面積であるので、ＮＡの小さい光ファイバに入射させる場合でも、十分な光量を入射させることができ、分光器用の光源として使用する場合でも、ほぼ点光源として扱うことの可能な光源とすることができる。
【００２２】
なお、ダイクロイックプリズム３で反射されての第４の方向（下側）から放出される光（光源光の波長帯域の成分を持つ）の光束と、前記蛍光平行光束がほぼ一致する場合には、開口絞り７は必ずしも設ける必要はない。
【００２３】
本実施の形態によれば、励起光源と蛍光光源を見かけ上同一形状、かつ同一位置に設定できるのみならず、共通光源の大きさは励起光源であるＬＥＤ発光部の大きさにとどめることができる。その結果、励起ＬＥＤ１の発光部像とほぼ同一の大きさになるので、分光器や単線オプティカルファイバなど、なるべく小さな発光部を必要とする機器との相性の良い、連続スペクトラム白色光源が実現できる。
【００２４】
また、通常の白色ＬＥＤのように発光源ＬＥＤの発光波長と蛍光体の組成調整によって発光スペクトラムを決めるだけでなく、ダイクロイックプリズムの分光特性設計によっても発光スペクトラムバランスを調整する機能も併せ持つという効果もある。
【００２５】
以上の実施の形態においては、光源として励起ＬＥＤ１を用いており、この光源から放出される光は放射状に放出されるので、これを平行光とするために第一正パワー光学系２を用いている。しかし、光源として、レーザのように平行光を放出する光源を用いる場合は、第一正パワー光学系２を用いる必要はなく、単に、光源からの平行光束を、ダイクロイックプリズム３に入射させればよい。
【００２６】
又、図１における第二正パワー光学系４，蛍光体５をダイクロイックプリズム３の右側に置き、平面ミラー６をダイクロイックプリズム３の上側に置くにしてもよい。この場合は、ダイクロイックプリズム３の右側が第２の方向、上側が第３の方向となる。そして、この場合には、ダイクロイックプリズム３の、図４にＦで示す領域（蛍光領域）では、ほとんどの光が反射されるようにダイクロイックプリズム３を設計する。
【００２７】
このようにすると、蛍光体から発せられる蛍光光束は、ダイクロイックプリズム３の右側（第２の方向）からダイクロイックプリズム３に入射し、ダイクロイックプリズム３で反射されて、ダイクロイックプリズム３の下側（第４の方向）から放出される。又、平面ミラー６で反射され、再びダイクロイックプリズム３の上側（第３の方向）からダイクロイックプリズム３に入射する光（第１の波長帯域を有する光）は、その一部はダイクロイックプリズム３で反射されてして光源側に戻るが、残りはダイクロイックプリズム３を透過し、光源光と同じ波長帯域の成分を有する光として、前記蛍光平行光束と混合されて、ダイクロイックプリズム３の下側（第４の方向）から、白色光として放出される。これが出力光となる。このような構成が、図１に示す実施の形態と作用効果的に等価であることは、これ以上の説明を要しないであろう。
【００２８】
図５は、本発明の実施の形態の他の例である光源装置の概要を示す図である。図５に示す実施の形態は、図１に示す実施の形態のダイクロイックプリズム３を、ダイクロイックミラー３’に置き換えたもので、他の部分の構成は図１と全く同じである。
【００２９】
ダイクロイックミラー３’の特性をダイクロイックプリズム３の特性と同一にしておけば、図１で示した光学装置と全く同じ作用効果を得ることができる。作用効果の説明は、図１の説明と重複するので省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の一例である光源装置の概要を示す図である。
【図２】ダイクロイックプリズムの分光特性の典型例を示す図である。
【図３】励起ＬＥＤの詳細を示す図である。
【図４】蛍光体の詳細を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の他のである光源装置の概要を示す図である。
【図６】励起ＬＥＤの発光成分の分光特性と蛍光の分光特性、および出力光の分光特性の典型例を示す図である。
【図７】従来の白色ＬＥＤの構造の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…励起ＬＥＤ、２…第一正パワー光学系、３…第一ダイクロイックプリズム、３’…ダイクロイックミラー、４…第二正パワー光学系、５…蛍光体、６…第一平面ミラー、７…開口絞り、１１…発光部、１２…電子回路基板、５１…蛍光物質膜、５２…ミラー、５３…ベース
【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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