JP2009289976A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子と使用して、色ムラの低減された光源となり得る発光装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から出射される光により、半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を発光する波長変換部材とを含み、波長変換部材の光の出射方向の波長変換部材の投影面積が、半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積よりも小さくなるように、波長変換部材と半導体レーザ素子の寸法を選択して、発光装置を構成する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、発光装置に関し、特に半導体レーザ素子を使用した発光装置に関する。

白熱電球および蛍光灯に替わる光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）および半導体レーザ素子（ＬＤ）を用いた発光装置が提案されている（特許文献１〜４）。特許文献１は、半導体レーザ素子と蛍光体組成物を含み、蛍光体組成物が、半導体レーザ素子からの光を受光し、半導体レーザ素子からの光より長波長の光を発光することができるように構成された発光デバイスを開示している。特許文献２〜４は、ＬＥＤと蛍光体組成物とを組み合わせた、発光装置を開示している。特許文献２は、さらに、半導体レーザ素子と蛍光体組成物とを組み合わせた発光装置を開示している。

半導体レーザ素子と蛍光体とを組み合わせた装置は、特許文献５〜９においても開示されている。特許文献５および６は、蛍光体を、レーザのコヒーレンスを低下させるために使用することを提案している。特許文献７は、カメラに用いるフラッシュ装置のフラッシュ用光源として半導体レーザ装置を用いる、フラッシュ装置を開示し、半導体レーザ装置から放射されるレーザ光を均一に散乱させるレーザ光散乱部材として、蛍光体を塗布した反射板を使用することを提案している。特許文献８は、半導体レーザ素子のような半導体発光素子から照射される光を、蛍光体で吸収させて、レーザ光照射方向とは異なる方向に可視光を出力させる半導体発光装置を開示している。特許文献９は、蛍光体を励起する励起光を放射する発光素子と、前記励起光と異なる波長の蛍光を放射する蛍光体が分散された分散体と、発光素子および蛍光体を保持するリードフレームとを含み、蛍光体より放射される少なくとも一部の光が外部に取り出される発光デバイスを開示している。
特開２００５−２００１０号公報 特表２００２−５３１９５６号公報 特開平１１−８７７８４号公報 特開平７−２８２６０９号公報 特開２００４−１２８２７３号公報 特開２００５−１９１４８３号公報 特開２００５−２０８３３３号公報 特開２００７−５４８３号公報 特開２００６−２１０８８７号公報

半導体レーザ素子から出射される光を用いる発光装置は、特定の色の光を得るために、前述のように、蛍光体組成物を含む部材に光を入射させて、長波長の光が得られるように構成される。しかし、発光装置に用いられる蛍光体組成物を含む部材において、組成物それ自体の質が均一でない場合には、得られる光において、色ムラが生じ、実用に適した発光装置を得られないことがある。そのため、発光装置においては、色ムラの少ないことが要求される。色ムラは、半導体レーザ素子からの光が、蛍光体組成物を含む所定の寸法形状の部材に入射する場合に、部材の端部（即ち、形状を画定する輪郭付近）にて、生じやすい。

これらのことを考慮して、本発明は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を光源とする発光装置であって、色ムラが低減されるように構成された、発光装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために、半導体レーザ素子から出射される光の波長を変換する部材の面積を調節することにより、発光装置の色ムラを低減することができることを見いだし、本発明を案出するに至った。即ち、本発明は第１の要旨において、半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材とを含み、当該波長変換部材の光の出射方向に対して垂直な方向の当該波長変換部材の断面のうち最大の径を有する断面における当該最大の径の値が、当該波長変換部材に照射される当該半導体レーザ素子のビーム径の最大値の１２０％よりも小さい、発光装置を提供する。

発光装置の色ムラは、レーザ素子から発光される光の波長を変換させる波長変換部材の面積が大きくなるほど、当該部材の端部で発生しやすくなることが分かった。そこで、本発明の発光装置においては、波長変換部材の光の出射方向に対して垂直な方向の波長変換部材の断面のうち最大の径を有する断面における当該最大の径の値を、波長変換部材に照射される半導体レーザ素子のビーム径の１２０％を超えないように、波長変換部材を選択することによって、色ムラを有効に低減させている。ここで、ビーム径は、ビーム形状が楕円形であるときは、長径を指す。

前記最大の径の値Ａ（ｍｍ）は、以下の数式を満たすことが好ましい。この数式を満たすように波長変換部材を設計すると、色ムラをより有効に低減させることができる。

（式中、Ａ（ｍｍ）は、波長変換部材の光の出射方向に対して垂直な方向の波長変換部材の断面のうち、最大の径を有する断面における当該最大の径の値であり、Ｄ（ｍｍ）は、半導体レーザ素子と波長変換部材との間の距離であり、Ｒ（°）は、半導体レーザ素子からの出射光の広がり角であり、ここで、「半導体レーザ素子からの出射光の広がり角」とは、ピーク強度の１／ｅ^２における全角である。ただし、（Ｄ−０．３）≦０のときは、（Ｄ−０．３）＝０．００１とする。）

あるいは、本発明は第２の要旨において、半導体レーザ素子と、当該半導体レーザ素子から出射される光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材とを含み、当該波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積よりも小さい、発光装置を提供する。

前述のとおり、発光装置の色ムラは、レーザ素子から発光される光の波長を変換させる波長変換部材の面積が大きくなるほど、当該部材の端部で発生しやすくなることが分かった。そこで、本発明の第２の要旨にかかる発光装置においては、波長変換部材の面積、より正確には、波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積を、半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積よりも小さくすることによって、色ムラを有効に低減させている。

また、同じ光量の光を受ける場合、波長変換部材の面積が小さいほど、波長変換部材より出射される光の輝度は高くなる。よって、本発明の発光装置は、波長変換部材の面積を小さくすることによって、高輝度を確保している。即ち、この構成によれば、波長変換部材の寸法を変更することによって、あるいは半導体レーザ素子および波長変換部材の寸法を調節することによって、高い輝度が得られる。

波長変換部材の光の出射方向の波長変換部材の投影面積は、半導体レーザ素子の光出射面の面積よりも小さいことが好ましい。それにより、色ムラをより有効に低減させることができる。

また、波長変換部材の面積は、当該波長変換部材に照射される半導体レーザ素子のビーム面積よりも大きくすることが好ましい。あるいは、波長変換部材の投影面積は、当該波長変換部材に照射される半導体レーザ素子の近視野像（ＮＦＰ）よりも大きくすることが好ましい。波長変換部材の面積が、当該波長変換部材に照射される半導体レーザ素子のビーム面積または近視野像の面積よりも小さいと、半導体レーザ素子からの光の一部が、波長変換部材に入射しないことがある。

上記第１および第２の要旨に係るいずれの発明においても、半導体レーザ素子と、波長変換部材とが、空間的に分離される場合には、波長変換部材からの光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該波長変換部材に照射される当該半導体レーザ素子のビーム面積よりも大きいことが好ましい。波長変換部材の面積が、当該波長変換部材に照射される半導体レーザ素子のビーム面積よりも小さいと、半導体レーザ素子からの光の一部が、波長変換部材に入射しないことがある。

本発明の発光装置は、複数の半導体レーザ素子を含むものである場合には、
複数の半導体レーザ素子と、
当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材と
を含み、
当該波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該複数の半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積の合計値よりも小さい、
発光装置として提供される。複数の半導体レーザ素子を含む場合には、各半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積を合計した値よりも、波長変換部材の光の出射方向の波長変換部材の投影面積が小さくなるように構成することによって、前述のように色ムラが低減され、かつ輝度の高い発光装置を得ることが可能となる。

半導体レーザ素子と波長変換部材とは空間的に分離されていることが好ましい。波長変換部材が半導体レーザ素子に接していると、半導体レーザ素子が発する熱によって、波長変換部材が変質することがあり、また、波長変換部材の発光効率が低下するため、分光特性が低下する。

波長変換部材は蛍光体を含むものであることが好ましい。蛍光体を用いることにより、半導体レーザ素子からの光を、所望の異なる波長の光に、比較的容易に変換することできる。

本発明の発光装置は、半導体レーザ素子が内部に収容された、開口部を有するケーシングを有し、波長変換部材が半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上に位置するように、ケーシングの開口部を塞ぐように配置されているものであることが好ましい。即ち、本発明の発光装置は、１つのパッケージとして提供されることが好ましい。１つのパッケージである発光装置は、取扱い性が容易であることによる。ケーシングは、２以上の部材から構成されてよい。

本発明の発光装置において、半導体レーザ素子は、３６０ｎｍ〜４８０ｎｍに発光ピーク波長を持つ青色半導体レーザ素子であることが好ましい。青色半導体レーザ素子を用いることにより、白色光源を提供することができる。

本発明の発光装置は、半導体レーザ素子と波長変換部材を組み合わせるとともに、波長変換部材の寸法を半導体レーザ素子の寸法またはレーザ光の寸法との関係で決定して構成され、それにより色ムラが小さく、かつ輝度の高い光源として提供される。また、波長変換部材が、半導体レーザ素子から離れて設けられることにより、発光効率が高く、分光特性が良好となる。さらに、波長変換部材が蛍光体を含むことにより、所望の波長の光をコヒーレンスのない光として得ることができるので、本発明の発光装置は安全な発光装置として提供される。さらにまた、本発明の発光装置は、取扱い性の良い、一つのパッケージとして提供することができる。

［第１の形態］
本発明の発光装置の一形態を図１Ａに示す。図１Ａは、半導体レーザ素子２０と、ステム４０と、積層キャップ６０とを備えているパッケージの形態で提供される発光装置１００の概略を模式的に示す部分断面側面図であり、図面において紙面に垂直な線が半導体レーザ素子２０の厚さ方向と平行である。ステム４０は、ステム本体４１の第１表面４５に突出した略半円柱状の素子載置部４２を有しており、その素子載置部４２に、半導体レーザ素子２０が固定されている。半導体レーザ素子２０と素子載置部４２との間にはサブマウント３０が介在しており、半導体レーザ素子２０の放熱を促進している。また、ステム本体４１の第２表面４６からはリードピン４３が突出しており、外部装置との通電及び発光装置１００の取付けに使用される。

積層キャップ６０は、外側キャップ６３０と内側キャップ６４０とから成る。積層キャップ６０は、レーザ光２６を外部に取り出すための開口部６１を有し、開口部６１は、外側キャップ６３に設けられた開口部６３１と、内側キャップ６４に設けられた開口部６４１とから成る。
図示した形態は、従来用いられているキャン型の半導体レーザ装置に近い構成を有し、ステム４０と積層キャップ６０が、半導体レーザ素子２０を内部に収容するケーシングを構成している。

半導体レーザ素子２０は、端面２１から出射されるレーザ光２６が、図示する方向に出射されるように、配置されている。波長変換部材５０は、このレーザ光２６の光路上に、キャップの開口部６１を塞ぐように配置されている。この波長変換部材５０は、積層キャップ６０の開口部６１を塞ぐように配置されている。ここで、「塞ぐように配置」とは、開口部６１内に配置すること、開口部６１を覆うように積層キャップの外側に配置すること、および開口部６１を覆うように積層キャップの内側に配置すること等を含む。図示した形態においては、半導体レーザ素子２０は１つのみ配置されているが、別の形態においては、複数の半導体レーザ素子を、それが出射するレーザ光の光路上に波長変換部材が位置するように配置してよい。

波長変換部材５０は、外側キャップ６３０の開口部６３１に嵌め込まれている。また、波長変換部材５０は、透光性材料５２に、蛍光体粒子５１を分散させてなる。波長変換部材５０に入射した光は、蛍光体粒子５１を励起し、ならびに／または蛍光体粒子５１で反射されて別の蛍光体粒子５１を励起し、別の波長の光に変換される。よって、半導体レーザ素子２０からの光の波長と、蛍光体粒子５１の組み合わせにより、種々の発色を得ることが可能である。例えば、窒化ガリウム系半導体で形成した青色レーザ素子を用いて白色光源を形成する場合には、蛍光体５１に青色の光を吸収して黄色の光を放出する蛍光体５１を利用して、青色と黄色との混色により白色を得ることができる。また、黄色発光の蛍光体５１の代わりに、赤色発光の蛍光体と緑色発光の蛍光体を一緒に利用すれば、青色、赤色及び緑色の混色により、白色を得ることができる。詳細は後述する。

図示した形態の発光装置においては、波長変換部材５０の光の出射方向、即ち、波長変換部材５０から取り出される光のうち、光度が最も大きくなるのは、図において、矢印Ｌで示される方向となる。そこで、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投影面、即ち、矢印Ｌと平行な方向から矢印Ｌに垂直な面に波長変換部材を投影した面（即ち、矢印Ｌをｚ軸方向としたときに、ｘ−ｙ平面に投射される面）を、図１Ｂに示す。図１Ｂに示すように、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投射面５３は、円形であり、図示した円の面積は、半導体レーザ素子２０の厚さ方向の投影面積（図１Ａにおいて表れている半導体レーザ素子２０の面積）よりも小さい。そのように波長変換部材５０の面積を小さくすることにより、色ムラが低減された光を取り出すことができる。また、取り出す光は、高輝度である。なお、半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積は、厚さ方向、即ち、半導体レーザ素子を構成する層が順に積層される方向と平行な方向から、厚さ方向と垂直な面に投影した半導体レーザ素子２０の面積である。

波長変換部材５０の矢印Ｌ方向の投射面積が小さいほど、色ムラはより低減される。しかし、小すぎると、半導体レーザ素子２０から出射される光の一部が波長変換部材５０に到達しなくなる。そのため、波長変換部材５０と半導体レーザ素子２０との間の距離にもよるが、少なくとも、波長変換部材５０の矢印Ｌ方向の投射面積は、波長変換部材５０に照射される半導体レーザ素子２０のビーム面積および／または近視野像の面積よりも大きいことが好ましい。

波長変換部材５０の矢印Ｌ方向の投影面積の形状は円形に限られず、矩形、三角形または楕円形等であってよい。

以下に、各構成部材について詳述する。
＜半導体レーザ素子２０＞
半導体レーザ素子２０は、基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。発光層は、量子効果が生ずる薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としても良い。

屋外などでの使用を考慮する場合、高輝度な半導体レーザ素子を形成可能な半導体材料として、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましいが、用途によって種々利用することもできる。

窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯやＧａＮ単結晶等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを量産性良く形成させるためにはＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。窒化物系化合物半導体を用いた素子の構成の例は次のとおりである。ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成する。その上に、Ｎ或いはＰ型のＧａＮである第１のコンタクト層、量子効果を有するＩｎＧａＮ薄膜である活性層、Ｐ或いはＮ型のＡｌＧａＮであるクラッド層、Ｐ或いはＮ型のＧａＮである第２のコンタクト層を順に形成した構成とすることができる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。なお、発光効率を向上させる等、所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。

一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低電子線照射やプラズマ照射等によりアニールすることでＰ型化させる必要がある。こうして形成された半導体ウエハーを部分的にエッチングなどさせ、正負の各電極を形成させる。その後半導体ウエハーを所望の大きさに切断することによって半導体レーザ素子２０を形成させることができる。

半導体レーザ素子２０は、３６０ｎｍ〜４８０ｎｍに発光ピーク波長を有するものを使用することが好ましく、４００ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものを使用することがより好ましい。例えば４４５ｎｍ付近に発光ピーク波長を有するものを、好ましく使用することができる。

＜波長変換部材５０＞
（母材５２）
波長変換部材５０の母材には、セラミックス、ガラスおよび樹脂などの透光性材料が利用できる。特に、ガラスは、樹脂に比べて、放熱性、耐光性、耐熱性及び耐候性の点で優れているので、母材に好適である。蛍光体粒子５１がレーザ光を吸収して、熱を有するため、波長変換部材５０より放熱させる必要があることによる。
ガラス母材としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＡｌＮ、ＧａＮなどを含む物質がある。
樹脂母材としては、耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が好ましく、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、およびウレタン樹脂などが挙げられる。
波長変換部材５０の形状は特に問わないが、平凸レンズ状、平板状、円盤形状、断面台形の裁頭円錐形状、球状、たまご状など種々の形状を採用することができる。

（蛍光体粒子５１）
波長変換材料として使用される蛍光体粒子５１は、半導体レーザ素子からのレーザ光を吸収して、異なる波長の光に波長変換するものであればよい。特に、蛍光体粒子５１が、半導体レーザ素子２０からの光を吸収して４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピーク波長を有する光を放出する材料であることが好ましい。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体・サイアロン系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類硫化物蛍光体、アルカリ土類チオガレート蛍光体、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体、ゲルマン酸塩蛍光体、又は、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体、希土類ケイ酸塩蛍光体又はＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これに限定されない。

Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体は、Ｍ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＭＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、ＭＡｌ_１−ＸＢ_ＸＳｉＮ_３：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。０＜Ｘ＜１である。）などがある。また、Ｍ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：ＥｕのほかＭＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、Ｍ_１．８Ｓｉ_５Ｏ_０．２Ｎ_８：Ｅｕ、Ｍ_０．９Ｓｉ_７Ｏ_０．１Ｎ_１０：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などもある。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、ＭＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。

Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活されるサイアロン系蛍光体は、Ｍ_ｐ／２Ｓｉ_{１２−ｐ−ｑ}Ａｌ_ｐ＋ｑＯ_ｑＮ_１６−ｐ：Ｃｅ、Ｍ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。ｑは０〜２．５、ｐは１．５〜３である。）などがある。
Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、Ｍ_５（ＰＯ_４）_３Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。

アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体には、Ｍ_２Ｂ_５Ｏ_９Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｒ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｒ、ＣａＡｌ_２Ｏ_４：Ｒ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｒ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_１２：Ｒ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｒ（Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。

アルカリ土類硫化物蛍光体には、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕなどがある。
Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体には、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体などがある。また、Ｙの一部若しくは全部をＴｂ、Ｌｕ等で置換したＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅなどもある。

その他の蛍光体には、ＺｎＳ：Ｅｕ、Ｚｎ_２ＧｅＯ_４：Ｍｎ、ＭＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。

上述の蛍光体は、所望に応じてＥｕに代えて、又は、Ｅｕに加えてＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選択される１種以上を含有させることもできる。
また、前記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。

これらの蛍光体は、半導体レーザ素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができるほか、これらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を種々組み合わせて使用することにより、種々の発光色を有する発光装置を製造することができる。

例えば、青色に発光するＧａＮ系化合物半導体を用いて、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ若しくは（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光物質に照射し、波長変換を行う。半導体レーザ素子からの光と、蛍光体からの光との混合色により白色に発光する発光装置を提供することができる。

例えば、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ又はＳｒＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光するＣａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ又はＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕと、からなる蛍光体６０を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する発光装置を提供することができる。これは、色の三源色である赤・青・緑を使用しているため、第１の蛍光体及び第２の蛍光体の配合比を変えることのみで、所望の白色光を実現することができる。

あるいは、例えば、色純度の高い緑色に発光する蛍光体と、色純度の高い赤色に発光する蛍光体とを混合して使用し、これに青色に発光する半導体レーザ素子からの光を照射することにより、ＲＧＢの輝線スペクトルを得ることも可能である。あるいはまた、１つのパッケージにおいて、それぞれ青色および赤色に発光する２つの半導体レーザ素子を使用し、これらから出射される光を、色純度の高い、緑色に発色する蛍光体に照射することによっても、ＲＧＢの輝線スペクトルを得ることが可能である。複数の半導体レーザ素子を使用する代わりに、複数のリッジ（即ち、マルチリッジまたはマルチストライプ）構造の半導体レーザ素子を用いてよい。そのような輝線スペクトルを与える発光装置は、例えば、プロジェクタとして有用である。

いずれの蛍光体を用いる場合においても、蛍光体粒子の母材への混合量（濃度）は、半導体レーザ素子からのレーザ光の透過量と、蛍光体粒子からの発光量とのバランスを考慮して、決定される。

＜外側キャップ６３０、内側キャップ６４０＞
外側キャップ６３０は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの熱伝導率の高い金属材料を使用して形成することができる。内側キャップ６４０の材料として、外側キャップ６３０よりも熱伝導率が低い材料が好ましくは選択される。特に、ステムとの溶接が可能なステンレス鋼、コバール、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎなどが好適である。

＜ステム４０＞
ステムは、銅、鉄、ニッケル−鉄合金、銅−タングステン、銅−モリブデン合金、これらを組み合わせたものなどを使用して形成することができる。ステムは略円柱状のものの他、略楕円柱、略円錐台形、略矩形、カップ状などの形状とすることもできる。また、段差や凹みを設け、キャップとの固定を良好にすることができる。

［第２の形態］
次に、本発明の発光装置の別の形態を、部分側面断面図にて、図２に示す。図２において、図１Ａに示す符号と同じ符号を付したものは、同じ部材を表すことに留意されたい。図２に示す発光装置２００は、３つの部材から成るケーシングを有する。ケーシングは、リードピン７１と半導体レーザ素子２０を実装する面７２とを備えた支持体７０、内部にリフレクタ８１が形成された筒状部材８０、および波長変換部材５０を有するキャップ９０から構成されている。半導体レーザ素子２０は、それが発振するレーザ光２６が、リフレクタ８０に向けて出射されるように、レーザ光２６を出射する端面２１が、リフレクタ８１と向かい合うように配置されている。波長変換部材５０は、リフレクタ８１からの光が通過する光路上に配置されている。

この発光装置において、レーザ光２６は、リフレクタ８１により反射されて、波長変換部材５０に入射する。波長変換部材５０は、この形態においても、蛍光体粒子５１が母材５２中に分散されたものである。波長変換部材５０に入射した光は、蛍光体粒子５１を励起し、ならびに／または蛍光体粒子５１で反射されて別の蛍光体粒子５１を励起し、別の波長の光に変換される。波長変換部材５０の光の出射方向は、この形態においても、矢印Ｌで示す方向において最も大きくなる。よって、この形態においても、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投影面積（図示せず）は、半導体レーザ素子の厚さ方向（図示した形態においては矢印Ｌと平行な方向）の投影面積（図示せず）よりも小さく、それにより色ムラが低減され、また、輝度の高い光を得ることを確保している。

半導体レーザ素子２０および波長変換部材５０の好ましい寸法および具体的な寸法は、先に第１の形態に関連して説明したとおりであるから、ここではその詳細を省略する。

この形態において、ケーシングは、支持体、半導体レーザ素子２０を包囲する筒状部材、および波長変換部材５０が組み込まれたキャップからなる。これらの部材について、以下に説明する。

支持体は、第１の形態のステムと同様に、銅、鉄、ニッケル−鉄合金、銅−タングステン、銅−モリブデン合金、これらを組み合わせたものなどを使用して形成される。支持体は略円柱状のものの他、略楕円柱、略円錐台形、略矩形、カップ状などの形状とすることもできる。また、段差や凹みを設け、筒状部材との固定を良好にすることができる。

筒状部材は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの熱伝導率の高い金属材料を使用して形成される。筒状部材は、断面が円の円筒であってよく、あるいは断面が略矩形または略三角形であるものであってよい。この形態においては、リフレクタを形成しやすいように、断面が略矩形である筒状部材を使用することが好ましい。

図示した形態においては、リフレクタ８１は筒状部材８０と一体に形成されている。別の形態において、リフレクタは、ケーシングを構成する材料と同じ材料または異なる材料から成る、独立した部材として形成してよい。光反射面は、緩やかな弯曲、カップ形状、またはテーパ状等任意に形成することができる。光反射面はまた、反射率を向上させるために、反射膜を形成してよい。

キャップは、波長変換部材５０と、それを囲む部分とからなる。波長変換部材５０を囲む部分の材料は、特に限定されず、例えば、透明ガラスのような透光性材料であってよく、あるいは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、またはＭｏなどの熱伝導率の高い金属材料であってよい。キャップの形状および寸法は、キャップを取り付ける筒状部材の形状に応じて適宜選択される。

実施の形態２の発光装置を構成する、その他の部材は、先に第１の形態に関連して説明したとおりであるから、ここではその説明を省略する。

［実施の形態３］
本発明の発光装置のさらに別の形態を、部分側面断面図にて、図３に示す。図３において、図１Ａに示す符号と同じ符号を付したものは、同じ部材を表すことに留意されたい。図３に示す発光装置３００は、３つの部材から成るケーシングを有する。ケーシングは、半導体レーザ素子２０を実装する面７２を備えた支持体７０，内部にリフレクタ８１ａおよび８１ｂが形成された筒状部材８０、および波長変換部材５０を有するキャップから構成されている。半導体レーザ素子２０は、それが発振するレーザ光２６およびレーザ光２６が出射される端面２１と対向する端面２２からのレーザ光（いわゆる、モニタ光）２８が、ケーシングに配置された２つのリフレクタ８１ａおよび８１ｂに向けてそれぞれ出射されるように、端面２１および２２が、リフレクタ８１ａおよび８１ｂとそれぞれ向かい合うように配置されている。波長変換部材５０は、リフレクタ８１ａおよび８１ｂからの光が通過する光路上に配置されている。

リフレクタで反射されたレーザ光２６およびモニタ光２８は、波長変換部材５０に入射する。波長変換部材５０は、この形態においても、蛍光体粒子５１が母材５２中に分散されたものである。波長変換部材５０に入射した光は、蛍光体粒子５１を励起し、ならびに／あるいは蛍光体粒子５１で反射されて別の蛍光体粒子５１を励起し、別の波長の光に変換される。波長変換部材５０から取り出される光の光度は、この形態においても、矢印Ｌで示す方向において最も大きくなる。よって、この形態においても、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投影面積（図示せず）は、半導体レーザ素子の厚さ方向（図示した形態においては矢印Ｌと平行な方向）の投影面積（図示せず）よりも小さく、それにより色ムラが低減され、また、高い輝度も確保される。

この形態の発光装置を構成する部材のうち、支持体、筒状部材、リフレクタ、およびキャップについては、先に実施の形態２に関連して説明したとおりであり、その他の部材は、先に実施の形態１に関連して説明したとおりであるから、ここではその説明を省略する。

［実施の形態４］
本発明の発光装置のさらに別の形態を図４に示す。図４において、図１Ａおよび図２に示す符号と同じ符号を付したものは、同じ部材を表すことに留意されたい。図４に示す発光装置４００は、２つの部材から成るケーシングを有する。ケーシングは、半導体レーザ素子を実装する素子載置部４２を配置する面７２を備えた支持体７０、および支持体７０を覆う筒状のキャップ９０から構成される。半導体レーザ素子２０は、それが発振するレーザ光２６が、キャップ９０の側面に向かって出射されるように、レーザ光２６を出射する端面２１が、キャップ９０の側面と向かい合うように配置されている。波長変換部材５０は、レーザ光２６が通過する光路上にあるように、筒状のキャップ９０の側面に配置されている。よって、この形態によれば、筒状のキャップの側部から光を取り出すことが可能である。

レーザ光２６は、波長変換部材５０に入射する。波長変換部材５０は、この形態においても、蛍光体粒子５１が母材５２中に分散されたものである。波長変換部材５０に入射した光は、蛍光体粒子５１を励起し、ならびに／あるいは蛍光体粒子５１で反射されて別の蛍光体粒子５１を励起し、別の波長の光に変換される。波長変換部材５０から取り出される光の光度は、この形態において、矢印Ｌで示す方向において最も大きくなる。よって、この形態においても、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投影面積（図示せず）は、半導体レーザ素子の厚さ方向（図示した形態においては紙面の上下方向）の投影面積（図示せず）よりも小さく、それにより色ムラが低減され、また、高い輝度が確保される。

［実施の形態５］
あるいはまた、図５に示すように、本発明の発光装置は、ケーシング内に、フォトダイオード６５を有してよい。図５において、図１Ａ、図２および図４に示す符号と同じ符号を付したものは、同じ部材を表すことに留意されたい。フォトダイオード６５は、波長変換された光であって、蛍光体粒子５１により反射および／または散乱した光を検出する。それにより、レーザ光２６が所望のように波長変換されているか、また、波長変換部材５０の脱落がないか（＝フォトダイオードが光を検出しない）等を知ることができる。フォトダイオード６５は、図示するように、支持体７０に配置してよく、あるいはキャップ９０の内壁に配置してよい。必要な場合には、フォトダイオード６５は、支持体７０またはキャップ９０に固定してよい。

以上において図面を参照して説明した発光装置はいずれも、次のように変形してよい。例えば、図１に示す形態において、波長変換部材５０は、光の出射方向（矢印Ｌの方向）に対して垂直な断面のうち、最大の径を有する断面における当該最大の径の値が、波長変換部材に照射される半導体レーザ素子２０のビーム径の１２０％よりも小さくすることを条件として、図示したものよりも大きい寸法を有してよい。他の実施の形態についても、同様に波長変換部材の寸法を変化させてよい。ここで、波長変換部材の寸法を、「光の出射方向に対して垂直な断面のうち、最大の径を有する断面の当該最大の径の値」で規定しているのは、波長変換部材が例えば凸レンズ形状であるとき、あるいは図６に示すように波長変換部材が逆円錐台であるときに、切断する位置によって径が変化することを考慮していることによる。波長変換部材の前記最大の径の値は、より好ましくは、ビーム径の１１０％よりも小さい。

その場合、波長変換部材の前記最大の径をＡ（ｍｍ）とし、半導体レーザ素子と波長変換部材との間の距離をＤ（ｍｍ）とし、半導体レーザ素子からの出射光の広がり角をＲ（°）としたときに、Ａが下記の式を満たすように、Ａを選択する、あるいはＤおよび／またはＲを選択することが好ましい。

Ｄは一般に０．０２〜５．０ｍｍ程度であり、Ｒは一般に１０〜６５ｍｍ程度である。Ｄは、例えば、０．３ｍｍとすることができ、Ｒは、例えば、４２°とすることができ、その場合Ａは、０．０００３８≦Ａ≦０．７２ｍｍを満たす。あるいは、Ｄは、０．５ｍｍとすることができ、Ｒは、例えば、５５°とすることができ、その場合Ａ（ｍｍ）は、０．１２≦Ａ≦１．２ｍｍを満たす。

あるいは、図示した実施の形態のいずれにおいても、波長変換部材は、光の出射方向の波長変換部材の投影面積が、半導体レーザ素子の光出射面の面積より小さくなるように、設計してよい。その場合でも、色ムラを効果的に低減させることができる。なお、上記いずれの変形例においても、波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積は、レーザ素子の近視野像の面積または波長変換部材に照射される半導体レーザ素子のビーム面積よりも大きいことが好ましい。

本発明の発光装置は、プロジェクタ、高輝度が必要な特殊検査器、自動車のヘッドライト、および照明装置などに用いることができる。

図１Ａは、本発明の発光装置の一形態を示す部分断面側面図である。 図１Ｂは、波長変換部材５０の矢印Ｌの方向の投影面を示す模式図である。 図２は、本発明の発光装置の別の形態を示す部分側面断面図である。 図３は、本発明の発光装置の別の形態を示す部分側面断面図である。 図４は、本発明の発光装置の別の形態を示す部分側面断面図である。 図５は、本発明の発光装置の別の形態を示す部分断面側面図である。 図６は、本発明の発光装置の別の形態を示す部分断面側面図である。

符号の説明

１０ 半導体レーザ装置
２０ 半導体レーザ素子
２１、２２ 端面
２６ レーザ光
２８ モニタ光
３０ サブマウント
４０ 台座（ステム）
４１ ステム本体
４２ 素子載置部
４３ リードピン
４４ ステムの表面
５０ 波長変換部材
５１ 蛍光体粒子
５２ 母材
５３ 波長変換部材の矢印Ｌの方向の投射面
６０ 積層キャップ
６１ 積層キャップの開口部
６３０ 第１キャップ
６３１ 第１キャップの開口部
６４０ 第２キャップ
６４１ 第２キャップの開口部
６５ フォトダイオード
７０ 支持体
７１ リードピン
７２ 実装面
８０ 筒状部材
８１、８１ａ、８１ｂ リフレクタ
９０ キャップ
１００、２００、３００、４００ 発光装置

Claims (10)

1. 半導体レーザ素子と、
   当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材と
   を含み、
   当該波長変換部材の光の出射方向に対して垂直な方向の当該波長変換部材の断面のうち最大の径を有する断面における当該最大の径の値が、当該波長変換部材に照射される当該半導体レーザ素子のビーム径の最大値の１２０％よりも小さい、
   発光装置。
2. 前記最大の径の値Ａ（ｍｍ）が、以下の数式を満たす範囲にある、請求項１に記載の発光装置。
   

   

   （式中、Ａ（ｍｍ）は、波長変換部材の光の出射方向に対して垂直な方向の波長変換部材の断面のうち、最大の径を有する断面における当該最大の径の値であり、Ｄ（ｍｍ）は、半導体レーザ素子と波長変換部材との間の距離であり、Ｒ（°）は、半導体レーザ素子からの出射光の広がり角であり、ここで、「半導体レーザ素子からの出射光の広がり角」とは、ピーク強度の１／ｅ^２における全角である。ただし、（Ｄ−０．３）≦０のときは、（Ｄ−０．３）＝０．００１とする。）
3. 半導体レーザ素子と、
   当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材と
   を含み、
   当該波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積よりも小さい、
   発光装置。
4. 前記波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、前記半導体レーザ素子の光出射面の面積よりも小さい、請求項３に記載の発光装置。
5. 前記波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、前記半導体レーザ素子の近視野像の面積よりも大きい、請求項４に記載の発光装置。
6. 前記半導体レーザ素子と、前記波長変換部材とが、空間的に分離されて、当該波長変換部材からの光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該波長変換部材に照射される当該半導体レーザ素子のビーム面積よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 複数の半導体レーザ素子と、
   当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光により、当該半導体レーザ素子が出射する光の波長とは異なる波長の光を放出する波長変換部材と
   を含み、
   当該波長変換部材の光の出射方向の当該波長変換部材の投影面積が、当該複数の半導体レーザ素子の厚さ方向の投影面積の合計値よりも小さい、
   発光装置。
8. 波長変換部材が蛍光体を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記半導体レーザ素子が内部に収容された、開口部を有するケーシングを含み、前記波長変換部材が当該半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上に位置するように、当該ケーシングの開口部を塞ぐように配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置。
10. 前記半導体レーザ素子は、３６０ｎｍ〜４８０ｎｍに発光ピーク波長を有するレーザ光を出射し、前記波長変換部材は当該レーザ光の波長を変換して、４８５ｎｍ〜６５０ｎｍに発光ピーク波長を有する光を放出する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光装置。

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