CN108027118B - 光源装置以及投光装置 - Google Patents
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Abstract
光源装置(1)具备:半导体发光元件(11)(激光元件);光学元件(20),其具有被分割成多个区域的多个透镜区域(21),由多个透镜区域(21)使从半导体发光元件(11)出射的光的强度分布发生变化;和荧光体元件(30),其发出由光学元件(20)而使强度分布发生变化的光,作为激发光(54),荧光体元件(30)配置为该荧光体元件(30)的发光面从以激发光(54)的光轴为法线的面倾斜,多个透镜区域(21)的各个透镜区域具有相互不同的第1焦点,入射到多个透镜区域(21)而在第1焦点聚光的各光在荧光体元件(30)的发光面重叠。
Description
技术领域
本公开涉及光源装置以及投光装置,特别涉及在利用通过将从半导体发光元件出射的光照射到荧光体元件而辐射的光的投射显示装置等显示器领域或车辆用照明、医疗用照明等照明领域中使用的光源装置以及利用该光源装置的投光装置。
背景技术
过去,已知利用通过将从激光元件等半导体发光元件出射的光照射到荧光体元件而从荧光体元件辐射的光的光源装置。在这样的光源装置中,为了改善照射到荧光体元件的光(激发光)的光强度分布,减低由于激发光的发热的影响而荧光体元件的变换效率降低的问题,尝试使照射到荧光体元件的光的光强度分布均匀化(例如专利文献1、2)。
图16是表示专利文献1公开的现有的光源装置100的构成的图。
在图16所示的光源装置100中,从激光光源110的激光元件(激光芯片)111出射的光从光学棒120的入射面入射,一边在光学棒120内多重反射一边传播。由此,从激光元件110出射的光在到达光学棒120的出射面121时光强度分布被平均化,从而成为具有均匀的光强度分布的光。从光学棒120出射的光由于作为发散光而出射,因此在透镜130聚光后照射到发光部140。如此,在光源装置100中,通过使用光学棒120使照射到发光部140的光的光强度分布均匀化。
图17是表示专利文献2公开的现有的光源装置200的构成的图。
在图17所示的光源装置200中,从激光光源210辐射的光被准直透镜220变换成平行光,入射到全息元件230。全息元件230形成得使荧光体240上的激发光的光强度分布均匀。如此,在光源装置200中,由全息元件230将照射到荧光体240的激发光的光强度分布均匀化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:JP特开2013-149449号公报
专利文献2:JP特开2014-2839号公报
发明内容
用于解决课题的手段
在专利文献1公开的光源装置中,为了得到均匀的光强度分布而使用光学棒。但由于光学棒是通过增多多重反射次数来得到均匀的光强度分布,因此需要使光学棒的长度长到某种程度。另外,来自光学棒的出射光由于成为发散光,因此需要一次在透镜聚光后再照射到荧光体,从发光元件到荧光体的距离会变长。如此,若要用光学棒得到均匀的光强度分布,就会有作为光源装置不能小型化的问题。
另外,在专利文献2公开的光源装置中,为了得到均匀的光强度分布而使用全息元件。但由于全息元件是利用光的衍射现象的元件,因此与透镜等相比据说一般效率要低。另外,还有由于激光元件的发光波长的个体差、温度引起的发光波长变化、或入射到全息元件的光的波面状态(例如发散光或会聚光)等而效率显著降低的情况,有不能效率良好地将激发光从激光元件引导到荧光体的问题。并且激光元件中有单模激光元件和多模激光元件,在用作照明用光源的情况下需要1W以上的发光输出,一般使用多模激光元件。但多模激光元件由于在多模方向上几个出射波面重合,因此在使用假定恒定的入射波面而设计的全息元件的情况下,预想得不到足够的效率。如此,若要使用全息元件得到均匀的光强度分布,就会有不能将激光元件的光效率良好地变换成均匀的光强度分布的问题。
本公开为了解决上述的问题点而提出,目的在于,提供能将从半导体发光元件(激光元件)出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光且小型的光源装置。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的,本公开所涉及的光源装置的一个方式具备:激光元件;光学元件,其具有被分割成多个区域的多个透镜区域,由所述多个透镜区域使从所述激光元件出射的光的强度分布发生变化;和荧光体元件,其将由所述光学元件而使强度分布发生变化的光作为激发光而进行发光,所述荧光体元件配置得该荧光体元件的发光面从以所述激发光的光轴为法线的面倾斜,所述多个透镜区域的各个透镜区域具有相互不同的第1焦点,入射到所述多个透镜区域而在所述第1焦点聚光的各光在所述荧光体元件的发光面重叠。
根据该构成,入射到光学元件的激光元件的光通过多个透镜区域而成为各自会聚在第1焦点的多个光,并向荧光体元件传播。这时,多个光由于在荧光体元件的发光面相互重合,入射到多个透镜区域的各个透镜区域的激光元件的光成为重合的光强度分布。即,被平均化而被变换成具有均匀的光强度分布的光。因此,能将从激光元件出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的激发光,且能实现小型的光源装置。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域各自的所述第1焦点存在于所述荧光体元件的发光面的前方或后方。
根据该构成,能容易地设计多个透镜区域,使得入射到多个透镜区域的各光在相互不同第1焦点会聚且在荧光体元件的发光面重叠。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域被分割成第1轴方向和与所述第1轴正交的第2轴方向,所述第1焦点位于由与所述第1轴以及所述第2轴正交的第3轴和所述第1轴构成的平面当中的包含所述激发光的光轴的平面上。
根据该构成,能进一步容易地设计上述的多个透镜区域,能容易地实现在不同的第1焦点的会聚和在荧光体元件的重叠。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域的各个透镜区域还具有相互不同的第2焦点,所述第2焦点位于由所述第2轴和所述第3轴构成的平面当中包含所述激发光的光轴的平面上,从所述激光元件出射而入射到所述光学元件的光当中至少穿过所述多个透镜区域的各个透镜区域中的所述第2焦点的各光在所述荧光体元件的发光面重叠。
根据该构成,入射到光学元件的激光元件的光通过多个透镜区域而各自成为在第2焦点也会聚的多个光,并向荧光体元件传播。这时,也由于多个光在荧光体元件的发光面相互重合,因此入射到多个透镜区域的各个透镜区域的激光元件的光成为重合的光强度分布。即,不仅在由第3轴和第1轴构成的平面,在由第1轴和第2轴构成的平面也被平均化而被变换成具有均匀的光强度分布的光。因此,能将从激光元件出射的光进一步变换成具有均匀的光强度分布的激发光。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域各自的所述第2焦点存在于所述荧光体元件的发光面的前方或后方。
根据该构成,能容易地设计多个透镜区域,使得入射到多个透镜区域的各光在相互不同的第2焦点也会聚,且在荧光体元件的发光面重叠。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域的各个透镜区域的所述第2轴方向的宽度小于所述第1轴方向的宽度,所述荧光体元件以所述第1轴方向为旋转轴方向而倾斜。
根据该构成,即使激发光向荧光体元件带角度地照射,也能容易地使沿着荧光体元件的发光面的(从发光面的法线方向来看)激发光的纵的束径和横的束径相等。因此,能将从激光元件出射的光进一步变换成具有均匀的光强度分布的激发光。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以所述多个透镜区域的各个透镜区域的一部分或全部是长方形或六边形。
根据该构成,由于能使不作为透镜发挥作用的区域极小化,因此能效率更加良好地变换成激发光。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,从所述激光元件出射的光的辐射角在所述第1轴的方向和所述第2轴的方向上不同,从所述激光元件出射的光入射到所述多个透镜区域,使得辐射角窄的辐射角的光与所述第1轴以及所述第2轴当中的所述第2轴对应。
根据该构成,由于能增加对激光元件的入射光的强度分布(入射光分布)发挥作用的透镜区域的数量,因此能变换成具有更均匀的光强度分布的激发光。
另外,在本公开所涉及的光源装置的一个方式中,也可以,所述多个透镜区域的各个透镜区域是菲涅耳透镜。
根据该构成,由于能减薄光学元件的厚度,因此能更进一步缩短从激光元件到荧光体元件的距离。因此,能进一步谋求光源装置的小型化。
另外,本公开所涉及的投光装置的一个方式具备上述任一者所述的光源装置的一个方式。
根据该构成,能实现小型的投光装置。
发明的效果
能将从半导体发光元件(激光元件)出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光,且能实现小型的光源装置。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式1所涉及的光源装置的构成的图。
图2是表示本公开的实施方式1所涉及的光源装置中的光学元件的构成的图。
图3是用于说明本公开的实施方式1所涉及的光源装置中的光学元件的多个透镜区域的功能(透镜区域的长边方向截面的功能)的图。
图4是用于说明本公开的实施方式1所涉及的光源装置中的光源元件的多个透镜区域的功能(透镜区域的短边方向截面的功能)的图。
图5是用于说明通过本公开的实施方式1所涉及的光源装置中的光学元件的光的强度分布的变化的图。
图6是表示本公开的实施方式1的变形例1所涉及的光源装置中的光学元件的构成的图。
图7是表示本公开的实施方式1的变形例2所涉及的光源装置中的光学元件的构成的图。
图8是表示本公开的实施方式1的变形例3所涉及的光源装置中的光学元件的构成的图。
图9是表示本公开的实施方式1的变形例3所涉及的光源装置中的光学元件的其他构成的图。
图10是表示本公开的实施方式2所涉及的光源装置的构成的图。
图11是表示本公开的实施方式3所涉及的光源装置的构成的图。
图12是用于说明本公开的实施方式3所涉及的光源装置中的光学元件的构成以及功能的图。
图13是表示本公开的实施方式3的变形例所涉及的光源装置的构成的图。
图14是用于说明本公开的实施方式3的变形例所涉及的光源装置中的光学元件的构成以及功能的图。
图15是表示本公开的实施方式4所涉及的投光装置的构成的图。
图16是表示现有的光源装置的构成的图。
图17是表示现有的其他光源装置的构成的图。
具体实施方式
以下使用附图来说明本公开的实施方式。另外,以下说明的实施方式都表示本公开的优选的一个具体例。因此,以下的实施方式中示出的数值、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态、和工序(步骤)以及工序的顺序等是一例,而不是限定本公开的主旨。因而关于以下的实施方式中的构成要素当中未记载于表示本公开的最上位概念的独立权利要求中的构成要素,说明为任意的构成要素。
另外,在本说明书以及附图中,第1轴即坐标轴95、第2轴即坐标轴96以及第3轴即坐标轴97表征三维正交坐标系的三轴。同样地,第1轴即坐标轴95’、第2轴即坐标轴96’以及第3轴即坐标轴97’也表征三维正交坐标系的三轴。
(实施方式1)
以下参考附图来说明本公开的实施方式1所涉及的光源装置1。
(构成)
在图1中示出本公开的实施方式1所涉及的光源装置1的构成。如图1所示那样,光源装置1具备半导体发光装置10、光学元件20和荧光体元件30。
半导体发光装置10是封装化的发光装置,具备有光波导路11a的半导体发光元件11和构成封装的金属制的帽(罐)12。
半导体发光元件11配置在帽12内。具体地,半导体发光元件11安装在配置于圆盘状的基体上的支柱。在本实施方式中,半导体发光元件11配置得使光波导路11a的条纹宽度的方向成为坐标轴95的方向。即,半导体发光元件11配置得使光波导路11a的长边方向(条纹方向)成为坐标轴97的方向。
在帽12安装窗口玻璃13,从而使来自半导体发光元件11的出射光51能透过。窗口玻璃13是透过从半导体发光元件11出射的出射光51的透光构件的一例,在本实施方式中是板玻璃。另外,在半导体发光装置10还设置用于从外部对半导体发光元件11提供电力的引脚。
半导体发光元件11例如是由氮化物半导体构成的激光元件(例如GaN系激光元件),辐射在波长380nm到490nm之间有峰值波长的激光光作为出射光51。
另外,在半导体发光装置10的前方,接近于窗口玻璃13配置透镜15。透镜15具有将从半导体发光装置10(半导体发光元件11)辐射的出射光51变换成大致平行光的功能。透镜15例如是准直透镜。
光学元件20配置在半导体发光装置10与荧光体元件30之间。具体地,光学元件20配置在透镜15与荧光体元件30之间。因此,在光学元件20入射来自透镜15的大致平行光。
光学元件20具有光功能部22,其具有使从半导体发光元件11出射的出射光51的强度分布变化的功能。关于光功能部22的细节,之后叙述。
从半导体发光元件11出射的出射光51透过光学元件20而光强度分布变化且成为变化为会聚光的光,作为激发光54入射到荧光体元件30。
荧光体元件30配置得荧光体元件30的发光面从以激发光54的光轴(行进方向)为法线的面倾斜。具体地,荧光体元件30配置得发光面相对于光学元件20的中心光轴倾斜。因此,激发光54带有给定的入射角入射到荧光体元件30。在本实施方式中,荧光体元件30以坐标轴95(第1轴)的方向为旋转轴方向倾斜。具体地,荧光体元件30配置得在以坐标轴95为旋转轴旋转时,荧光体元件30的法线方向98从坐标轴96(第2轴)向与激发光54的行进方向(坐标轴97的方向)相反侧倾斜角度θ。即,荧光体元件30配置得荧光体元件30的发光面从以激发光54的光轴为法线的面以坐标轴95为旋转轴倾斜角度(90°-θ)。角度θ是荧光体元件30的旋转角(倾斜角)。
另外,荧光体元件30将由于光学元件20而强度分布变化的光作为激发光54而进行发光。荧光体元件30具有荧光体作为变换入射的光的波长的波长变换材料。例如荧光体元件30具备含荧光体的荧光体层。作为荧光体层,例如能使用通过将荧光体(荧光体粒子)混合分散在硅酮等透明树脂(粘合剂)中而构成为层状的荧光体层。荧光体将入射的光作为激发光而荧光发光。荧光体例如由铈激活的钇铝石榴石(YAG:Ce3+)系的荧光体材料构成,但并不限于此。
入射到荧光体元件30的光(激发光54)的一部分在荧光体元件30被吸收并在荧光体被波长变换而成为辐射状扩散的荧光93,另一部分在荧光体元件30的表面或内部反射扩散而成为辐射状扩散(散射)的散射光92。然后,由荧光93和散射光92合成的合成光作为辐射光91从荧光体元件30辐射。在该情况下,通过作为荧光体的荧光体材料,使用吸收波长420nm到480nm的光(例如蓝色光)并辐射波长500nm到630nm的荧光的荧光体材料(例如黄色荧光体材料),能使由荧光93和散射光92合成的白色光作为辐射光91而从荧光体元件30辐射。
接下来参考图1,同时使用图2、图3以及图4来详细说明本公开的实施方式1中的光学元件20的光功能部22的构成以及功能。
首先使用图2来说明光学元件20的构成。图2是表示本公开的实施方式1所涉及的光源装置1中的光学元件20的构成的图。图2(a)是光学元件20的俯视图,表示从图1中的激发光54的出射侧进行观察时的光学元件20。图2(b)是图2(a)的IIB-IIB的截面图,图2(c)是图2(a)的IIC-IIC的截面图。另外,图2(a)的IIC-IIC与图1的A-A相同。
如图2的(a)~(c)所示那样,光学元件20具有分割成多个区域的多个透镜区域21(21a、21b、21c、21d、21e、…),作为光功能部22。多个透镜区域21各自是光功能部22中的各个分割区域(单位区域)。在本实施方式中,多个透镜区域21在坐标轴95(第1轴)的方向和坐标轴96(第2轴)的方向上被分割。光学元件20使通过多个透镜区域21(光功能部22)而从半导体发光元件11出射的出射光51的强度分布变化。
多个透镜区域21分别是具有聚光功能的透镜部。即,多个透镜区域21分别具有使入射到光学元件20的光通过各透镜区域21各自会聚的功能。
在本实施方式中,各透镜区域21的俯视观察形状是具有宽度W1和宽度W2的长方形。在各透镜区域21中,宽度W1设定得大于宽度W2(W1>W2)。另外,透镜区域21各自的面积大致相等。另外,在本实施方式中,将透镜区域21的长边方向设为坐标轴95的方向,将透镜区域21的短边方向设为坐标轴96的方向。即,多个透镜区域21各自是坐标轴96(第2轴)的方向的宽度小于坐标轴95(第1轴)的方向的宽度。
另外,在本实施方式中,光学元件20将多个透镜区域21的全部设为长方形,但并不限于此,也可以多个透镜区域21的一部分是长方形,其他一部分是长方形以外的形状。
接下来,使用图3以及图4来说明光学元件20中的多个透镜区域21(光功能部22)的功能。图3是用于说明透镜区域21的长边方向截面的功能的图,表示图2(a)的IIB-IIB截面中的平面当中包含激发光54(入射光51)的光轴的平面上的激发光54的聚光状态。另外,图4是用于说明透镜区域21的短边方向截面的功能的图,表示图2(a)的IIC-IIC截面中的平面当中包含激发光54(入射光51)的光轴的平面上的激发光54的聚光状态。
如图3所示那样,多个透镜区域21的各自具有相互不同的第1焦点(第1焦点位置)。多个透镜区域21各自的第1焦点位于由坐标轴97和坐标轴95构成的平面当中包含激发光54的光轴的平面上。另外,多个透镜区域21各自的第1焦点位于由坐标轴95和坐标轴96构成的无数平面当中距光学元件20距离F的平面上。
具体地,多个透镜区域21当中中央的透镜区域21a在由坐标轴97和坐标轴95构成的平面中,在从光学元件20沿着坐标轴97的方向离开一定的距离(距离F2)的位置具有焦点55a,作为第1焦点。另外,多个透镜区域21当中透镜区域21d(形成于坐标轴95的方向上的透镜区域21a的一方的旁边的透镜区域)在由坐标轴97和坐标轴95构成的平面中,在距光学元件20距离F2的位置具有焦点55d作为第1焦点。另外,多个透镜区域21当中透镜区域21e(形成于坐标轴95的方向上的透镜区域21a的另一方的旁边的透镜区域)在由坐标轴97和坐标轴95构成的平面中,在距光学元件20距离F2的位置具有焦点55e作为第1焦点。
另外,入射到光学元件20的光(图1的入射光51)通过多个透镜区域21的各个透镜区域而会聚,从而强度分布变化,被变换成激发光54并从多个透镜区域21出射。
具体地,如图3所示那样,入射到光学元件20的光当中入射到中央的透镜区域21a的光被该透镜区域21a变换成会聚光(激发光54a),其会聚得在焦点55a聚光。同样地,入射到光学元件20的光当中入射到透镜区域21d的光被透镜区域21d变换成会聚光(激发光54d),其会聚得在焦点55d聚光。另外,入射到光学元件20的光当中入射到透镜区域21e的光被透镜区域21e变换成会聚光(激发光54e),其会聚得在焦点55e聚光。
如此,入射到多个透镜区域21的光被变换成在距光学元件20距离F2的位置分别有不同焦点的多个会聚光,并从光学元件20成为多个激发光而出射。
进而,多个透镜区域21设定各透镜区域21的焦点的位置,使得该多个会聚光(激发光)在距光学元件20距离L2的位置相互重叠。具体地,由透镜区域21a、21d以及21e会聚的各会聚光(激发光54a、54d、54e)在距光学元件20距离L2的位置相互重叠而形成束宽(束径)D1的激发光54。
而且,在距光学元件20距离L2的位置配置荧光体元件30,使得荧光体元件30的主面即发光面(例如荧光体层的主面)位于该位置。因此,对荧光体元件30的发光面进行照射,使从多个透镜区域21出射的多个会聚光以束宽D1重叠。
在本实施方式中构成为,设为F2>L2,多个透镜区域21各自的第1焦点存在于荧光体元件30的发光面的后方侧(里侧)。即,配置荧光体元件30,使得荧光体元件30的发光面位于多个透镜区域21各自的第1焦点与光学元件20之间。另外,也可以构成为,设为F2<L2,多个透镜区域21各自的第1焦点存在于荧光体元件30的发光面的前方侧(近前侧)。该情况也能得到同样的效果。
如此,入射到多个透镜区域21并在第1焦点聚光的各光在荧光体元件30的发光面重叠。具体地,入射到多个透镜区域21a、21d以及21e的各透镜区域并在焦点55a、55d以及55e会聚的各会聚光在荧光体元件30的发光面重叠。
另外,在本实施方式中,关于沿着坐标轴95并排的多个透镜区域21当中透镜区域21a、21d以及21e以外的透镜区域21,也有同样的功能,入射到多个透镜区域21并在第1焦点聚光的各光在荧光体元件30的发光面重叠。即,在本实施方式中,入射到沿着坐标轴95排列的多个透镜区域21并聚光的各光在荧光体元件30的发光面重叠。
如图4所示那样,透镜区域21关于短边方向截面也有与长边方向截面同样的功能。
如图4所示那样,多个透镜区域21的各自进一步具有相互不同的第2焦点(第2焦点位置)。多个透镜区域21各自的第2焦点位于由坐标轴96和坐标轴97构成的平面当中包含激发光54的光轴的平面上。另外,多个透镜区域21各自的第2焦点位于由坐标轴95和坐标轴96构成的无数平面当中距光学元件20距离F’的平面上。
具体地,多个透镜区域21当中中央的透镜区域21a在由坐标轴96和坐标轴97构成的平面中,在从光学元件20沿着坐标轴97的方向离开一定的距离(距离F2’)的位置具有焦点55a’,作为第2焦点。另外,多个透镜区域21当中透镜区域21b(形成于坐标轴96的方向上的透镜区域21a的一方的旁边的透镜区域)在由坐标轴96和坐标轴97构成的平面中,在距光学元件20距离F2’的位置具有焦点55b,作为第2焦点。另外,多个透镜区域21当中透镜区域21c(形成于坐标轴96的方向上的透镜区域21a的另一方的旁边的透镜区域)在由坐标轴96和坐标轴97构成的平面中,在距光学元件20距离F2’的位置具有焦点55c,作为第2焦点。
然后,入射到光学元件20的光当中入射到中央的透镜区域21a的光被该透镜区域21a变换成会聚光(激发光54a’),其会聚得在焦点55a’聚光。同样地,入射到光学元件20的光当中入射到透镜区域21b光被该透镜区域21b变换成会聚光(激发光54b),其会聚得在焦点55b聚光。另外,入射到光学元件20的光当中入射到透镜区域21c的光被该透镜区域21c变换成会聚光(激发光54c),其会聚得在焦点55c聚光。
如此,入射到多个透镜区域21的光在由坐标轴96和坐标轴97构成的平面也被变换成在距光学元件20距离F2’的位置分别有不同焦点的多个会聚光,并从光学元件20成为多个激发光而出射。
另外,多个透镜区域21在由坐标轴96和坐标轴97构成的平面中,也设定各透镜区域21的焦点的位置,使得多个会聚光(激发光)在距光学元件20距离L2的位置相互重叠。具体地,通过透镜区域21a、21b以及21c而会聚的各会聚光(激发光54a’、54b、54c)在距光学元件20距离L2的位置相互重叠而形成束宽(束径)D2的激发光54。
并且在距光学元件20距离L2的位置配置荧光体元件30,使得荧光体元件30的发光面(主面)位于该位置。因此,对荧光体元件30的发光面进行照射,以使从多个透镜区域21出射的多个会聚光以束宽D2重叠。
另外,在本实施方式中,如图4所示那样,配置荧光体元件30,使得在发光面的法线从与坐标轴96一致的状态以坐标轴95为旋转轴而旋转旋转角θ而倾斜为与坐标轴98一致的状态下,通过透镜区域21a、21b以及21c会聚的各会聚光(激发光54a’、54b、54c)形成束宽D2。
由此,在荧光体元件30的发光面(主面),在倾斜荧光体元件30带来的效果下形成束宽D3(D3>D2)的辐射光91(图1)。另外,从得到均匀的强度分布的光的观点出发,荧光体元件30的发光面上的束宽D1以及束宽D3可以形成得与多个透镜区域21的荧光体元件30的产生荧光的发光点的束宽D1以及束宽D2大致相等。在该情况下,通过使多个透镜区域21的分割宽度W2小于分割宽度W1,能使束宽D2小于束宽D1,能使束宽D1和束宽D3大致相等。
另外,在本实施方式中,多个透镜区域21各自的第2焦点构成为,设为F2’>L2,与第1焦点同样,存在于荧光体元件30的发光面的后方侧(里侧)。即,配置荧光体元件30,使得荧光体元件30的发光面位于多个透镜区域21各自的第2焦点与光学元件20之间。另外,也可以构成为,设为F2’<L2,多个透镜区域21各自的第2焦点存在于荧光体元件30的发光面的前方侧(近前侧)。该情况也能得到同样的效果。
另外,在多个透镜区域21的各个透镜区域中,图3所示的到第1焦点的距离F2和图4所示的到第2焦点的距离F2’可以不同(F2≠F2’),也可以相同(F2=F2’)。即,透镜区域21a中的焦点55a和焦点55a’可以不同,也可以相同。
如此,入射到多个透镜区域21并在第2焦点聚光的各光与在第1焦点聚光的光同样,都在荧光体元件30的发光面重叠。具体地,入射到多个透镜区域21a、21b以及21c的各个透镜区域并在焦点55a’、55b以及55c会聚的各会聚光在荧光体元件30的发光面重叠。
另外,在本实施方式中,关于沿着坐标轴96排列的多个透镜区域21当中透镜区域21a、21b以及21c以外的透镜区域21,也有同样的功能,入射到多个透镜区域21并在第2焦点聚光的各光在荧光体元件30的发光面重叠。即,在本实施方式中,入射到沿着坐标轴96排列的多个透镜区域21并聚光的各光在荧光体元件30的发光面重叠。
接下来,使用图5来说明通过光学元件20的透镜区域21(光功能部22)的入射光51的强度分布变化的样子。图5是用于说明通过本公开的实施方式1所涉及的光源装置中的光学元件的光的强度分布的变化的图。
在图5中,说明了在图3所示的平面内入射到多个透镜区域21的入射光51成为激发光54并出射时的强度分布的变化,但在图4所示的平面内也同样。另外,在图5中,为了说明的方便而限定在3个透镜区域(21a、21d、21e)进行说明,但关于图2所示那样的5个透镜区域的情况也是同样的原理。
在图5中,(a)~(c)中的细的虚线表示入射到多个透镜区域21的入射光51的光强度分布(入射光分布)。另外,图5(a)中的粗的虚线表示透镜区域21a引起的激发光54a的光强度分布(激发光分布),图5(b)中的粗的虚线表示透镜区域21d引起的激发光54d的光强度分布(激发光分布),图5(c)中的粗的虚线表示透镜区域21e引起的激发光54e的光强度分布(激发光分布)。
如图5的(a)~(c)所示那样,激发光54a、54d以及54e各自具有将向多个透镜区域21的入射光分布进行分割那样的光强度分布。
而且,在本实施方式中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的激发光54a、54d以及54e各自被设定得以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,如图5(d)所示那样,由于激发光54a、54d以及54e各自的光强度分布(激发光分布)在荧光体元件30的发光面上相互重叠而被平均化,因此作为激发光54整体的光强度分布被均匀化。在该情况下,如图5(d)所示那样,激发光54的光强度分布成为与荧光体元件30的发光面中的束宽D1对应的形状。
另外,如上述那样,在本实施方式中,限定在3个透镜区域21进行了说明但实际上设计成来自大量透镜区域21的激发光重叠,因此光强度分布的平均化的效果更大。即,透镜区域的分割数设得越多,就能得到具有越均匀的光强度分布的激发光54。
以上,根据本实施方式中的光源装置1,能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。因此,能减低由于激发光54引起的发热而荧光体元件30的发光效率降低的情况。另外,由于不使用光学棒等也能形成具有均匀的光强度分布的激发光54,因此能实现小型的光源装置。
(实施方式1的变形例1)
使用图6来说明本公开的实施方式1的变形例1。图6是表示本公开的实施方式1的变形例1所涉及的光源装置中的光学元件20的构成的图。图6(a)是本变形例中的光学元件20的俯视图,图6(b)是图6(a)的VIB-VIB的截面图。另外,在本变形例中,光学元件20以外的构成是与上述实施方式1中的光源装置1相同构成。
如图6的(a)以及(b)所示那样,本变形例中的光学元件20与实施方式1中的光学元件20同样,都具有分割成多个区域的多个透镜区域21(21a、21b、21c、…),作为使从半导体发光元件11出射的出射光51的强度分布变化的光功能部22。在本变形例中,多个透镜区域21也被分割成坐标轴95(第1轴)的方向和坐标轴96(第2轴)的方向。
另一方面,在本变形例和实施方式1中,各透镜区域21的俯视观察形状不同。即,在上述实施方式1中,多个透镜区域21各自的俯视观察形状是长方形,但在本变形例中,多个透镜区域21各自的俯视观察形状是六边形。具体地,本变形例中的各透镜区域21的俯视观察形状是长六边形,坐标轴96的方向的宽度W2设定得小于坐标轴95的方向的宽度W1。
另外,如图6的(b)所示那样,包含坐标轴96以及97的平面中的本变形例的光学元件20的截面形状与图2的(b)所示的实施方式1的光学元件20的截面形状同样。另外,虽未图示,但包含坐标轴95以及97的平面中的本变形例的光学元件20的截面形状与图2的(c)所示的实施方式1的光学元件20的截面形状同样。
关于本变形例中的光学元件20,也具有与实施方式1中的光学元件20相同功能。即,在本变形例中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光被设定得以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本变形例中的光源装置中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。另外,由于不需要使用光学棒等,因此能实现小型的光源装置。
并且在本变形例中,通过将光学元件20中的多个透镜区域21各自的俯视观察形状设为六边形,能使荧光体元件30的发光面上的激发光的束形状更接近于圆形,能减小不作为透镜发挥作用的区域。因此,能由光学元件20将半导体发光元件11的出射光51效率良好地变换成激发光54,关于荧光体元件30的辐射光91的亮度分布,也能更接近于圆形。
(实施方式1的变形例2)
使用图7来说明本公开的实施方式1的变形例2。图7是表示本公开的实施方式1的变形例2所涉及的光源装置中的光学元件20的构成的图。图7(a)是本变形例中的光学元件20的俯视图,图7(b)是图7(a)的VIIB-VIIB的截面图。另外,在本变形例中,光学元件20以外的构成是与上述实施方式1中的光源装置1相同构成。
如图7的(a)以及(b)所示那样,本变形例中的光学元件20与实施方式1中的光学元件20同样,都具有分割成多个区域的多个透镜区域21(21a、21b、21c…),作为使从半导体发光元件11出射的出射光51的强度分布变化的光功能部22。
在本变形例中,与上述实施方式1不同,多个透镜区域21各自成为菲涅耳透镜,关于本变形例中的光学元件20,也有与实施方式1中的光学元件20相同的功能。即,在本变形例中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光被设定得以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本变形例中的光源装置中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。另外,由于不需要使用光学棒等,因此能实现小型的光源装置。
但在本变形例中,多个透镜区域21各自是菲涅耳透镜。由此与上述实施方式1相比,能减薄光功能部22的厚度,还能减薄光学元件20自身的厚度。其结果,由于能缩短从半导体发光元件11到荧光体元件30的距离,因此能使光源装置进一步小型化。
(实施方式1的变形例3)
使用图8来说明本公开的实施方式1的变形例3。图8是表示本公开的实施方式1的变形例3所涉及的光源装置中的光学元件20的构成的图。在本变形例中,光学元件20以外的构成也是与上述实施方式1中的光源装置1相同构成。
本变形例中的光学元件20与实施方式1中的光学元件20同样,都具有分割成多个区域的多个透镜区域21。各透镜区域21的俯视观察形状与实施方式1同样是长方形,但在本变形例中,多个透镜区域21形成得各自的面积不同。
关于本变形例中的光学元件20,也具有与实施方式1中的光学元件20相同功能。即,在本变形例中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光被设定得以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本变形例中的光源装置中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。另外,由于不需要使用光学棒等,因此能实现小型的光源装置。
但在本变形例中,形成得多个透镜区域21各自的面积不同。由此能减小不作为透镜发挥作用的区域,并能设计得使照射到荧光体元件30的激发光54的光强度分布更均匀化。因此,能进一步减低由于激发光引起的发热而荧光体元件30的发光效率降低的情况。
另外,在本变形例中,如图8所示那样,多个透镜区域21的俯视观察形状设为长方形,但也可以如图9所示那样,多个透镜区域21的俯视观察形状是六边形。由此,能更进一步使荧光体元件30的发光面上的激发光54的光斑形状接近于圆形。
(实施方式2)
接下来使用图10来说明本公开的实施方式2所涉及的光源装置1A。图10是表示本公开的实施方式2所涉及的光源装置1A的构成的图。
本实施方式中的光源装置1A与图1所示的实施方式1中的光源装置1的不同点是半导体发光元件11的配置方向(朝向)。在本实施方式中,半导体发光装置10配置在相对于出射光51的光轴旋转90度的位置。
具体地,在上述实施方式1中,半导体发光元件11配置得光波导路11a的条纹宽度的方向成为坐标轴95的方向,但在本实施方式中,半导体发光元件11配置得光波导路11a的条纹宽度的方向成为坐标轴96的方向。即,在本实施方式中,半导体发光元件11配置得光波导路11a的长边方向(条纹方向)成为坐标轴97的方向。另外,在本实施方式中,半导体发光元件11的配置方向(朝向)以外都与上述实施方式1中的光源装置1相同。
在此,从半导体发光元件11出射的出射光的辐射角在坐标轴95的方向和坐标轴96的方向上不同。一般,具有光波导路11a的半导体发光元件11向条纹宽度的方向出射的出射光的辐射角小,向与其正交的方向出射的出射光的辐射角大。例如在图10中,来自半导体发光元件11的出射光51的A-A方向(坐标轴96的方向)的光分布宽度窄,与其正交的方向(坐标轴95的方向)的光分布宽度宽到2倍以上。
本实施方式中的光学元件20的构成与图2所示的上述实施方式1中的光学元件20的构成相同。另外,也可以使用实施方式1的变形例1、变形例2以及变形例3中的光学元件20。即,在图10中,相对于光学元件20的A-A方向即图2中的IIC-IIC方向、图6中的VIB-VIB方向、图7中的VIIB-VIIB方向,各透镜区域21设计得宽度W2小于宽度W1。即,各透镜区域21的坐标轴96的方向的宽度小于坐标轴95的方向的宽度。
因此,在本实施方式中,构成多个透镜区域21,使得入射光分布宽度窄的A-A方向与光学元件20的多个透镜区域21的宽度窄的(W2)对应,另外,入射光分布宽度宽的方向(与A-A正交的方向)与宽度宽的(W1)对应。
由此在本实施方式中,从半导体发光元件11出射的出射光51入射到多个透镜区域21,辐射角窄的出射光与各透镜区域21的宽度窄的一方(坐标轴96)对应。
以上,在本实施方式中的光源装置1A中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光被设定为以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本实施方式中的光源装置1A中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。另外,由于不需要使用光学棒等,因此能实现小型的光源装置。
进而在本实施方式中,从半导体发光元件11出射的出射光51的辐射角窄的出射光51与各透镜区域21的宽度窄的一方对应。
根据该构成,能增加对半导体发光元件11的入射光51的强度分布(入射光分布)发挥作用的有效的透镜区域21的数量。由此,与变换的各透镜区域21对应的激发光的数量增加,在荧光体元件30的发光面上重叠的激发光的数量增加。因此,由于能被更多的激发光平均化,因此能得到具有更均匀的光强度分布的激发光54。
(实施方式3)
接下来使用图11以及图12来说明本公开的实施方式3所涉及的光源装置1B。图11是表示本公开的实施方式3所涉及的光源装置1B的构成的图。图12是用于说明同光源装置1B中的光学元件20的构成以及功能的图。
如图11所示那样,半导体发光元件11配置得光波导路11a的条纹宽度的方向成为坐标轴95’的方向,从半导体发光元件11向坐标轴99的方向出射出射光51。
在本实施方式中,与实施方式1同样,都在光学元件20的入射面形成有相互不同焦点的多个透镜区域21。多个透镜区域21各自的焦点与实施方式1中的各透镜区域21的第1焦点以及第2焦点同样,在正交的2个平面内可以不同,也可以相同。
另外,在本实施方式中,与实施方式1不同,光学元件20配置得光学元件20的法线相对于半导体发光装置10的出射光51的光轴(坐标轴99)以坐标轴95’为旋转轴倾斜角度θ。
向光学元件20的入射光51在多个透镜区域21反射且聚光而成为激发光54,并照射到荧光体元件30。而且,与各透镜区域21对应的各激发光在荧光体元件30的发光面上相互重合,各激发光的光强度分布在荧光体元件30的发光面被平均化。由此,作为在光学元件20生成的激发光54整体,成为均匀的光强度分布。
另外,在本实施方式中,为了提高来自半导体发光元件11的出射光51的反射而在光学元件20的入射面形成反射膜24。反射膜24例如由折射率不同的多个电介质材料构成。例如将SiO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5等材料用溅射装置或蒸镀装置等层叠多层,由此来成膜反射膜24。另外,也可以由光反射率高的金属、例如Ag、Cu、Au、Al或它们的合金等来构成反射膜24。
另外,荧光体元件30配置得发光面(主面)的法线方向与坐标轴99大致一致。可以如实施方式1那样使荧光体元件30倾斜来配置,但由于如本实施方式那样,能通过配置荧光体元件30使辐射光91在与基准面垂直方向上辐射,因此从构成为光源装置的观点出发,本实施方式那样配置荧光体元件30较好。
另外,入射到荧光体元件30的入角51的入射角能用光学元件20的旋转角θ调整。为了从荧光体元件更多取出辐射光91,则旋转角θ是小于45度的角度为好,优选设定在30度到40度之间。
多个透镜区域21与实施方式1同样是被分割成多个的区域,可以是长方形(图2)、六边形(图6)、六边形菲涅耳透镜(图7)、面积不同的长方形(图8)以及面积不同的六边形(图9)的任一者。
另外,多个透镜区域21各自在正交的两个方向上宽度不同,但配置得宽度窄的透镜区域21成为图11所示的A-A方向较好。
通过如此进行配置,由于在多个透镜区域21中,能减小不作为透镜发挥作用的区域,因此能将半导体发光元件11的出射光51效率良好地变换成激发光54。由此能使具有更均匀的光强度分布的激发光54照射到荧光体元件30。
以上,在本实施方式中的光源装置1B中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光也被设定为以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光54整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本实施方式中的光源装置1B中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。
并且在本实施方式中,使从半导体发光元件11出射的光在光学元件20反射来形成激发光54。由此,由于能进一步缩短半导体发光装置10与荧光体元件30的距离,因此能使光源装置进一步小型化。
(实施方式3的变形例)
使用图13以及图14来说明本公开的实施方式3的变形例。图13是表示本公开的实施方式3的变形例所涉及的光源装置1C的构成的图。图14是用于说明同光源装置1C中的光学元件20的构成以及功能的图。
如图13所示那样,在本变形例中的光源装置1C中,在图11所示的实施方式3的光源装置1B中变更了半导体发光装置10的配置方向。
具体地,本变形例中的半导体发光装置10配置在相对于图11的半导体发光装置10的配置方向以出射光51的光轴为中心旋转90度的位置。即,在上述实施方式3中,半导体发光元件11配置得光波导路11a的条纹宽度的方向成为坐标轴95’的方向,但在本变形例中,半导体发光元件11配置得光波导路11a的条纹宽度的方向成为与由坐标轴95’和坐标轴99构成的面正交的方向。
另外,在本变形例中的光学元件20中,具有相互不同的焦点的多个透镜区域21形成在与来自半导体发光装置10的出射光51所入射的入射面相反侧的面(光学元件20中的与入射面对置的面)。
多个透镜区域21各自的焦点55设定在荧光体元件30的前方侧(近前侧)。多个透镜区域21各自的焦点55与实施方式1中的各透镜区域21的第1焦点以及第2焦点同样,在正交的2个平面内可以不同,也可以相同。
另外,关于多个透镜区域21的构成,能全部运用与上述实施方式3说明的相同的部分。在该情况下,配置为透镜区域21的宽度的窄的透镜区域21成为A-A的方向较好。
如图14所示那样,在光学元件20的入射面为了抑制来自半导体发光装置10的出射光51的反射而成膜防反射膜23。另一方面,在形成于与光学元件20的入射面相反侧的面的多个透镜区域21的表面成膜反射膜24。
防反射膜23以及反射膜24例如由折射率不同的多个电介质材料构成。例如将SiO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5等材料用溅射装置或蒸镀装置等层叠多层,由此成膜防反射膜23以及反射膜24。另外,反射膜24也可以由光反射率高的金属、例如Ag、Cu、Au、Al或它们的合金等构成。
通过如此构成光学元件20,来自半导体发光元件11的出射光51效率良好地入射到光学元件20,被多个透镜区域21以及反射膜24效率良好地会聚且反射,从而成为激发光54并向荧光体元件30出射。
在该情况下,在本变形例中,如图13所示那样,向荧光体元件30传播的激发光54在荧光体元件30的近前的位置的焦点55暂且结成焦点,成为发散光并照射到荧光体元件30的发光面。
以上,在本变形例中的光源装置1C中,从多个透镜区域21的各个透镜区域出射的各激发光也被设定为以具有不同焦点的会聚光传播,且在荧光体元件30的发光面重叠。由此,作为从光学元件20出射的激发光整体的光强度分布被均匀化。
因此,在本变形例中的光源装置1C中,也能将从半导体发光元件11出射的光效率良好地变换成具有均匀的光强度分布的光。另外,由于不需要使用光学棒等,因此能实现小型的光源装置。
(实施方式4)
接下来使用图15来说明本公开的实施方式4所涉及的投光装置2。图15是表示本公开的实施方式4所涉及的投光装置2的构成的图。
投光装置2例如是车辆前照灯用的灯具,具备实施方式1中的光源装置1和反射器60。反射器60是改变来自光源装置1的辐射光91的辐射角度来向前方进行投射的反射构件。
在本实施方式中的投光装置2中,由于使用实施方式1中的光源装置1,因此能实现小型的投光装置。
另外,在本实施方式中使用实施方式1中的光源装置1,但并不限于此。例如作为投光装置2的光源,可以使用实施方式1的各变形例、实施方式2或实施方式3中的光源装置。
(其他变形例)
以上基于实施方式以及变形例说明了本公开所涉及的光源装置以及投光装置,但本公开并不限定于上述的实施方式以及变形例。例如对各实施方式以及变形例实施本领域技术人员能想到的各种变形而得到的形态、在不脱离本公开的主旨的范围内任意组合各实施方式以及变形例中的构成要素以及功能实现的形态也包含在本公开中。
产业上的可利用性
本公开能作为具有半导体发光元件和荧光体元件的光源装置以及利用其的投光装置等种种光设备来利用。
标号的说明
1、1A、1B、1C 光源装置
2 投光装置
10 半导体发光装置
11 半导体发光元件(激光元件)
11a 光波导路
12 帽
13 窗口玻璃
15 透镜
20 光学元件
21、21a、21b、21c、21d、21e 透镜区域
22 光功能部
23 防反射膜
24 反射膜
30 荧光体元件
54、54a、54b、54c、54d、54e 激发光
55 焦点
55a、55b、55c 焦点(第1焦点)
55a’、55d、55e 焦点(第2焦点)
60 反射器
91 辐射光
92 散射光
93 荧光
95、95’、96、96’、97、97’、98、99 坐标轴
Claims (9)
1.一种光源装置,具备:
激光元件;
光学元件,其具有被分割成多个区域的分别具有聚光功能的多个透镜区域,由所述多个透镜区域使从所述激光元件出射的光的强度分布发生变化;和
荧光体元件,其将由所述光学元件使强度分布发生变化的光作为激发光而进行发光,
所述荧光体元件配置为该荧光体元件的发光面从以所述激发光的光轴为法线的面倾斜,
所述多个透镜区域的各个透镜区域具有存在于所述荧光体元件的发光面的前方或后方的相互不同的第1焦点,
入射到所述多个透镜区域而在所述第1焦点聚光的各光形成具有给定宽度的光束并且在所述荧光体元件的发光面重叠。
2.根据权利要求1所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域被分割成第1轴方向和与所述第1轴正交的第2轴方向,
所述第1焦点位于由与所述第1轴以及所述第2轴正交的第3轴和所述第1轴构成的平面当中包含所述激发光的光轴的平面上。
3.根据权利要求2所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域的各个透镜区域还具有相互不同的第2焦点,
所述第2焦点位于由所述第2轴和所述第3轴构成的平面当中包含所述激发光的光轴的平面上,
从所述激光元件出射而入射到所述光学元件的光当中的至少穿过所述多个透镜区域的各个透镜区域中的所述第2焦点的各光在所述荧光体元件的发光面重叠。
4.根据权利要求3所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域各自的所述第2焦点存在于所述荧光体元件的发光面的前方或后方。
5.根据权利要求2所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域的各个透镜区域的所述第2轴方向的宽度小于所述第1轴方向的宽度,
所述荧光体元件以所述第1轴方向为旋转轴方向而倾斜。
6.根据权利要求5所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域的各个透镜区域的一部分或全部是长方形或六边形。
7.根据权利要求5或6所述的光源装置,其中,
从所述激光元件出射的光的辐射角在所述第1轴的方向和所述第2轴的方向上不同,
从所述激光元件出射的光入射到所述多个透镜区域,使得辐射角窄的光与所述第1轴以及所述第2轴当中的所述第2轴对应。
8.根据权利要求1所述的光源装置,其中,
所述多个透镜区域的各个透镜区域是菲涅耳透镜。
9.一种投光装置,具备权利要求1~8中任一项所述的光源装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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