JP2017228390A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 色むらを抑えた照明光を出射することができる照明装置を提供する。【解決手段】 照明装置１は、光源１０と、光源１０からの光が照射され、該照射された光の反射により発光を生じる波長変換部３０と、光源１０と波長変換部３０との間に配置され、少なくとも一対の開口５０ａ，５０ｂを波長変換部３０の基準面に垂直な垂直軸に対して対称な位置に有して、光源１０からの光が一対の開口５０ａ，５０ｂを介して波長変換部３０に照射され、波長変換部３０で生じた発光を裏面に設けられたミラーで反射させるリフレクタ５０と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、光源と蛍光体とを組み合せた照明装置に関する。

近年、レーザダイオードから出射されるレーザ光を、蛍光体を含む発光部に照射し、さらに発光部で励起された蛍光をリフレクタで反射させて前方に出射する照明装置が普及し、車両用ヘッドライト等に利用されている。

例えば、特許文献１の発光装置では、レーザ素子から出射したレーザ光（青色光）がパラボラミラーの窓部を通じて、蛍光（黄色光）を発する発光部に照射される。すなわち、レーザ光を用いて蛍光体を励起し、蛍光体から生じる蛍光を照明光の光成分として利用する。

さらに、蛍光体の励起に寄与しなかった青色光の成分も散乱させることによって照明光の光成分として活用し、散乱された青色光と蛍光体の黄色光とを混合することによって、照明装置の白色光を得ている（段落００３１，図１）。

特許第５８４２０４１号公報

しかしながら、特許文献１のように、レーザ光を所定の入射角度で発光部に入射させた場合、発光部の上面で入射角と同じ角度の反射光（青色光）が生じ、スクリーンに投影したとき、色むらとして現れることがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、色むらを抑えた照明光を出射することができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明の照明装置は、光源と、前記光源からの光が照射され、照射された光の反射により発光を生じる発光部と、前記光源と前記発光部との間に配置され、少なくとも一対の開口を該発光部の基準面に垂直な垂直軸に対して対称な位置に有し、該光源からの光が該一対の開口を介して該発光部に照射され、該発光部で生じた発光を裏面に設けられたミラーで反射させるリフレクタと、を備えたことを特徴とする。

本発明の照明装置では、光源からの光（青色光）が発光部に照射されて、反射により発光（黄色光）が生じる。この発光は、リフレクタ裏面のミラーで反射され、照明光を構成する。

光源からの光は、リフレクタに設けられた、発光部の基準面（発光部の発光面）に垂直な垂直軸に対して対称な位置にある一対の開口の一方から入射して、発光部で反射される。ここで、入射角と反射角が一致することから、正反射した光が一対の開口の他方から放出される。このため、光源からの光が特定部分に集中して、色むらが生じるのを防止することができる。

本発明において、前記光源の光軸と前記発光部の垂直軸とが所定方向において所定の傾斜角度で交差し、前記光源の光軸と前記所定方向と直交する方向とが垂直に交差していることが好ましい。

この構成によれば、所定方向（例えば、照明装置を正面から見た場合の水平方向）において、光源の光軸と発光部の垂直軸とが所定の傾斜角度で交差しているので、光源からの光は発光部の基準面に対して斜め方向に入射し、反射される。

また、光源の光軸と所定方向と直交する方向（例えば、照明装置を側面から見た場合の水平方向）とが垂直に交差しているので、基準面で反射された光が確実に一対の開口の他方から放出される。

また、本発明において、前記所定の傾斜角度は、前記発光部の垂直軸に対して６０°〜７５°の間の角度であることが好ましい。

光源の光軸と発光部の垂直軸とのなす傾斜角度を６０°〜７５°の間の角度に設定すると、光源からの光は、発光部に照射されたとき、ビーム径が所定の長短比の楕円形になる。すなわち、横方向に広い光となるから、車両用の照明等に用いる配光を容易に作ることができる。

また、本発明において、前記光源は、少なくとも一対の光源であり、前記一対の光源は、前記一対の開口に対応した位置に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、一対の光源を、それぞれ一対の開口に対応した位置に配置することで、各光源からの光が発光部に照射されると、正反射した光が入射した開口とは異なる、他方の開口から放出される。これにより、各光源からの光が特定部分に集中して、色むらが生じるのを防止することができる。

また、本発明において、前記光源は、青色レーザダイオードであり、前記発光部には、前記青色レーザダイオードの光が照射された場合に黄色の蛍光が発生する蛍光体が含まれ、前記発光は、前記青色レーザダイオードの青色光と前記蛍光の黄色光とであることが好ましい。

この構成によれば、青色レーザダイオードから出射されるレーザ光が発光部の蛍光体を照射して、蛍光が励起される。発光は、青色光であるレーザ光と黄色光である蛍光とであり、これらを組み合わせて白色の照明光が得られる。

また、前記光源は、ＲＧＢレーザダイオードであり、前記発光部には、前記ＲＧＢレーザダイオードの光を拡散する光拡散板が含まれ、前記発光は、前記光拡散板により拡散された光であってもよい。

この構成によれば、光源は赤色、緑色、青色のＲＧＢレーザダイオードであり、３色のレーザ光が光拡散板で拡散される。発光は、光拡散板により拡散された光であり、レーザ光の混色により白色の照明光が得られる。

また、本発明において、前記光源からの光を前記開口に誘導する光ファイバを備えていることが好ましい。

この構成によれば、光ファイバを用いて光源からの光を開口に誘導することで、光の伝搬による損失を低減し、装置を小型化することができる。

本発明の実施形態に係る照明装置の全体構成を示す断面図。 図１の照明装置のＡ−Ａ線の断面図（正面視）。 レーザ光の波長変換部への入射角とビーム径の長短比との関係を示すグラフ。 入射角とビーム径と長短比との関係を示す図。 複数の光源による光のレーザスポットの重なりを説明する図（１）。 複数の光源による光のレーザスポットの重なりを説明する図（２）。 複数の光源による光のレーザスポットの重なりを説明する図（３）。

図１は、本発明の実施形態に係る照明装置１の全体構成を示す断面図である。

照明装置１は、光源１０、コリメートレンズ２０、波長変換部３０、反射性基板４０、リフレクタ５０、集光レンズ６０及びミラー部７０で構成されている。

図１に示されるように、光源１０と波長変換部３０との間にコリメートレンズ２０が配設されている。これにより、光源１０から出射された光がコリメートレンズ２０を通して平行光に変換され、波長変換部３０に照射される。波長変換部３０では、光源１０から入射した光の波長を変換して、黄色光を生じさせる。なお、波長変換部３０は、本発明の「発光部」に相当する。

光源１０は、内面（裏面）が反射鏡となっているリフレクタ５０の外側に配設され、波長変換部３０は、リフレクタ５０の内側に配設されている。リフレクタ５０は、波長変換部３０が配設された位置を概ね焦点位置とする回転楕円体形状である。

波長変換部３０で生じた黄色光と、波長変換部３０の上面での反射光（散乱光）とがリフレクタ５０の内面で反射され、前方（図の右側）に進む。さらに、リフレクタ５０の前側には集光レンズ６０が配設され、これらの光学系により照明光が前方に出射される。なお、リフレクタ５０の内面で反射された光が集光レンズ６０に進むように、リフレクタ５０の先端付近（底面）にミラー部７０が配設されている。

図２は、図１の照明装置１のＡ−Ａ線の断面を正面側（図１の右側）から見た様子を示している。

図２に示されるように、光源１０は、レーザダイオード１０ａ，１０ｂで構成されている。レーザダイオード１０ａ，１０ｂは、ＩｎＧａＮ系やＧａＮ系の半導体から構成され、図示しない電源から所定の電圧を印加することにより、紫外から青紫色（波長４２０〜４９０ｎｍ）のレーザ光を出力する。

また、コリメートレンズ２０は、それぞれレーザダイオード１０ａ，１０ｂに対応したレンズ２０ａ，２０ｂで構成されている。照明装置１では、レーザダイオード１０ａ，１０ｂ（又は、レーザ光の光軸）を、波長変換部３０の基準面（波長変換部３０の発光面）に垂直な垂直軸（図中の破線）に対して角度θだけ傾けた状態で配設している。なお、光源１０、コリメートレンズ２０及び波長変換部３０は、図示しない構造体によって所定の距離を維持するように支持されている。

リフレクタ５０には、レーザダイオード１０ａから出射されたレーザ光が通過する開口５０ａ、レーザダイオード１０ｂから出射されたレーザ光が通過する開口５０ｂが設けられている。

開口５０ａ，５０ｂを通過したレーザ光は、それぞれリフレクタ５０内部の波長変換部３０を照射する。図示するように、レーザダイオード１０ａから出射され、開口５０ａを通過したレーザ光は、入射角θで波長変換部３０に入射し、反射される。また、入射角と反射角は一致することから、正反射した光は、反射角θで開口５０ｂからリフレクタ５０の外側に放出される。

同様に、レーザダイオード１０ｂから出射され、開口５０ｂを通過したレーザ光は、入射角θで波長変換部３０に入射し、反射される。そして、正反射した光は、反射角θで開口５０ａから放出される。

このように、リフレクタ５０には、波長変換部３０中央の垂直軸を対称とした一対の開口５０ａ，５０ｂが設けられ、一対の開口の一方を介して入射して、波長変換部３０で正反射した光は、入射した開口と対称の位置にある開口を介してリフレクタ５０の外側に放出される。これにより、照明装置１は、入射光の正反射成分が１点に集中して、照明光に色むらが生じるのを防止することができる。

波長変換部３０は、レーザダイオード１０ａ，１０ｂから照射されるレーザ光を吸収し、レーザ光と異なる波長の蛍光を発生する蛍光体層３０ａを含む。蛍光体層３０ａは、レーザ光を励起光として吸収し、発光する蛍光体を含む層であり、蛍光体として、例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋（ＹＡＧ）、（Ｓｉ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋、Ｃａ_ｘ（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。

蛍光体層３０ａの下面側に配設された反射性基板４０は、蛍光体層３０ａの支持基板として機能すると共に、蛍光体層３０ａで生じる蛍光や蛍光体層３０ａで吸収されなかったレーザ光をその入射方向に反射する。また、反射性基板４０は、蛍光体層３０ａで発生する熱を外に放散させる機能を持つ。

これら機能を持つ反射性基板４０には、光反射特性がよく熱伝導性の良好な材料が用いられる。具体的には、アルミニウムや銀、銀合金等の金属基板が好適である。波長変換部３０は、反射性基板４０に、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属ろう等で接合されている。

蛍光体層３０ａは、上述した蛍光体の粉末をガラスや樹脂中に分散させたもの、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂等の結合剤を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。ガラスに蛍光塗料を塗布したものであってもよい。

レーザダイオード１０ａ（又はレーザダイオード１０ｂ）の位置に、赤色、緑色、青色で構成されるＲＧＢレーザダイオードを配設してもよい。この場合、各レーザダイオードの光は、ハーフミラーにより１本の光ファイバに導かれる。また、波長変換部３０には、レーザ光を拡散する光拡散板が必要となる。光拡散板では、拡散角度を制御しながら光を円形に成型する。これにより、混色されて白色となった照明光を作ることができる。

次に、図３，図４を参照して、レーザ光の波長変換部３０への入射角θとビーム径の長短比の関係を説明する。

まず、光源１０の光（レーザ光）が真上から波長変換部３０に照射される場合（入射角０°）を考えると、光のエネルギー密度は光軸に近い部分が最も高く、光軸から離れるにつれて徐々にエネルギー密度が低くなる（ガウシアン分布）。このレーザ光が波長変換部３０に照射された場合、ビーム径の長短比（縦軸ａと横軸ｂの比）は１となり、ビームスポットは、ａ：ｂ＝１：１の円になる（図４参照）。

実施形態の照明装置１において、光源１０の光は、斜め方向から波長変換部３０の発光面に入射している（図２参照）。その理由は後述するが、光源１０の光軸と波長変換部３０の垂直軸とは、照明装置１を正面から見た場合の水平方向において所定の傾斜角度（入射角θ）で交差し、光源１０の光軸は、照明装置１を側面から見た場合の水平方向と垂直に交差していることが望ましい（図１参照）。

そして、図３に示されるように、入射角θを大きくしていくと、ビーム径の長短比（ｂ／ａ）は、徐々に大きな値に変化していく。図３によれば、入射角θが６０°のとき、ビーム径の長短比が２であり、ビームスポットは、ａ：ｂ＝１：２の楕円となる（図４参照）。また、入射角θが７０°のときビーム径の長短比が約３．５であって、入射角θが８０°のときビーム径の長短比が約５．８であることが分かる。

照明装置１を車両用灯具として用いる場合、横方向に広い配光が求められる。このため、波長変換部３０の発光面は、縦横比が１：２〜１：４の長方形であることが好ましい。図３によれば、ビーム径の長短比が４となる入射角θは約７５°であるから、入射角θは６０°〜７５°の間の角度に設定とすると、車両用灯具として最適である。

最後に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、複数の光源によるビームスポットの重なりについて説明する。

照明装置１を車両用灯具として用いる場合、映像投射領域の中央にいくほど輝度の高い配光とする必要がある。レンズ等の部材により該中央の輝度を高める手法もあるが、ここでは、波長変換部３０の発光面中央の輝度が高くなるように光源１０を配置することで、配光の形成を容易にする。

まず、図５Ａに示されるように、レーザダイオード１０ａのレーザ光のビームスポット１０ａ’と、レーザダイオード１０ｂのレーザ光のビームスポット１０ｂ’とが大きくずれる配置となっている場合、互いの輝度ピークが離れた位置に現れる。従って、各レーザ光の輝度分布を重ね合わせたとき（グラフの太線）、中央（位置０の付近）の領域の輝度が特に小さくなる。

次に、図５Ｂに示されるように、ビームスポット１０ａ’とビームスポット１０ｂ’とがもう少し重なる配置となっている場合、各レーザ光の輝度分布を重ね合わせたとき、中央の領域の輝度が相対的に大きくなる。

次に、図５Ｃに示されるように、ビームスポット１０ａ’と、ビームスポット１０ｂ’が一致する配置となっている場合、各レーザ光の輝度分布は、完全に重なり合った状態となる。このため、中央の領域の輝度が最大となり、映像投射領域の中央の輝度を高くすることができる。

以上により、レーザダイオード１０ａ，１０ｂから波長変換部３０に入射するレーザ光の入射角θを６０°〜７５°に設定し、さらに、図５Ｃに示すように、各レーザ光のビームスポット１０ａ’，１０ｂ’が同じ位置となるようにレーザダイオード１０ａ，１０ｂを配置することで、横方向に広く、中央部分の輝度が高い配光を作ることができる。

実施形態の照明装置１は、主に車両用前照灯（ヘッドライト）に適用することができる。また、照明装置１を一般照明に適用してもよい。上記の実施形態は一例であり、これ以外にも様々な変形例が考えられる。

実施形態の照明装置１は、光源１０の後段にコリメートレンズ２０が配置されていたが、光源１０とコリメートレンズ２０の間に光ファイバを配設し、光源１０の光をコリメートレンズ２０に導いてもよい。さらに、コリメートレンズ２０と開口５０ａ，５０ｂの間に光ファイバを配設し、光源１０の光を開口５０ａ，５０ｂまで導いてもよい。これにより、装置を小型化したり、光の伝搬による損失を抑えつつ、複数のレーザダイオードからの光をレンズで集光して、高出力の光源とすることができる。

波長変換部３０の蛍光体層３０ａは、レーザ光が入射する表面側の形状を加工すると蛍光が励起され易くなる。蛍光体層３０ａの表面に、レーザ光の光軸から離れるほど、レーザ光の入射角が小さくなるような傾斜面を形成することで、蛍光体層３０ａの表面の各領域で同等の蛍光及び反射光が生じるようになる。これにより、色むらの少ない照明光を得ることができる。なお、このような構造を形成するためには、蛍光体（ＹＡＧ）と透明粒子であるＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を紛体から型内で圧縮形成し、焼成する方法がある。

リフレクタ５０の開口は、光源１０の数と一致させる必要はない。光源１０に対応した一対又は複数対の開口の他に、光を放出するためだけの開口があってもよい。

１…照明装置、１０…光源、１０ａ，１０ｂ…レーザダイオード、２０…コリメートレンズ、２０ａ，２０ｂ…レンズ、３０…波長変換部、３０ａ…蛍光体層、４０…反射性基板、５０…リフレクタ、５０ａ，５０ｂ…開口、６０…集光レンズ、７０…ミラー部。

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源からの光が照射され、照射された光の反射により発光を生じる発光部と、
   前記光源と前記発光部との間に配置され、少なくとも一対の開口を該発光部の基準面に垂直な垂直軸に対して対称な位置に有し、該光源からの光が該一対の開口を介して該発光部に照射され、該発光部で生じた発光を裏面に設けられたミラーで反射させるリフレクタと、を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記光源の光軸と前記発光部の垂直軸とが所定方向において所定の傾斜角度で交差し、
   前記光源の光軸と前記所定方向と直交する方向とが垂直に交差していることを特徴とする照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置において、
   前記所定の傾斜角度は、前記発光部の垂直軸に対して６０°〜７５°の間の角度であることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記光源は、少なくとも一対の光源であり、
   前記一対の光源は、前記一対の開口に対応した位置に配置されていることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記光源は、青色レーザダイオードであり、
   前記発光部には、前記青色レーザダイオードの光が照射された場合に黄色の蛍光が発生する蛍光体が含まれ、
   前記発光は、前記青色レーザダイオードの青色光と前記蛍光の黄色光とであることを特徴とする照明装置。
6. 請求項１〜４の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記光源は、ＲＧＢレーザダイオードであり、
   前記発光部には、前記ＲＧＢレーザダイオードの光を拡散する光拡散板が含まれ、
   前記発光は、前記光拡散板により拡散された光であることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記光源からの光を前記開口に誘導する光ファイバを備えていることを特徴とする照明装置。