(57)【要約】【課題】レーザーダイオード（ＬＤ）を光源とした構造が簡単で、光利用効率の高い照明装置を提供する。【解決手段】半導体光源と、半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有する照明装置を提供する。波長変換面は、他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、光軸をＸ軸とするＸＹ座標において以下の条件（１）を満足する。（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２・・・（１）ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））ただし、θはＸ軸からの角度、αは比例定数、σ２は第２の光束の他方の方向の成分の分散を示す値である。【選択図】図２
2020087746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光源と、
前記半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、
前記光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有し、
前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記第１の輪郭形状の少なくとも一部は、前記半導体光源を原点とし、前記光軸をＸ軸として前記第１の面を示すＸＹ座標において以下の条件を満足する、照明装置。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））
ただし、θは前記Ｘ軸からの角度、αは比例定数、σ２は前記第２の光束の前記他方の方向の成分の分散を示す値である。
【請求項２】
半導体光源と、
前記半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、
前記光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有し、
前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記第１の輪郭形状は、前記半導体光源を原点とし、前記光軸をＸ軸として前記第１の面を示すＸＹ座標において以下の条件を満足する、照明装置。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２）・ｈ（θ））２
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））
ただし、θは前記Ｘ軸からの角度、αは比例定数、σ２は前記第２の光束の前記他方の方向の成分の分散を示す値であり、関数ｈ（θ）は前記波長変換面における前記第２の光束の反射成分の寄与を少なくとも補正する関数である。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１の輪郭形状は前記Ｘ軸の方向が先端となる舟形であり、前記第１の輪郭形状の前記先端の側の形状は以下の条件を満たす、照明装置。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２）・ｈ（θ））２
ただし、関数ｈ（θ）は前記波長変換面における前記第２の光束の反射成分の寄与を少なくとも補正する関数である。
【請求項４】
半導体光源と、
前記半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、
前記光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有し、
前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記光軸の前記半導体光源の側を船尾とし、反対側を船首とする舟形である、照明装置。
【請求項５】
半導体光源と、
前記半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、
前記光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有し、
前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記第１の輪郭形状を、前記半導体光源を原点とする前記光軸からの単位角度で区切った単位発光部分に対する、前記第２の光束および前記第２の光束が他の単位発光部分により反射された光による照射量が略等しい、照明装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記発光ユニットは、前記第１の面に平行な出射面を含む、照明装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記出射面は、前記波長変換面を挟む、第１の出射面および第２の出射面を含む、照明装置。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記発光ユニットは、前記出射面を覆う拡散部材を含む、照明装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記第１の光学素子は、シリンドリカルレンズである、照明装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記光学系は、前記第１の光束の前記他方の成分の放射角を制御する第２の光学素子を含む、照明装置。
【請求項１１】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記第１の光学素子は、前記第１の光束の前記他方の成分の放射角を制御する成分を含む、照明装置。
【請求項１２】
半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分が平行光にコリメートされた第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットであって、
前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記第１の輪郭形状の少なくとも一部は、前記半導体光源を原点とし、前記光軸をＸ軸として前記第１の面を示すＸＹ座標において以下の条件を満足する、発光ユニット。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））
ただし、θは前記Ｘ軸からの角度、αは比例定数、σ２は前記第２の光束の前記他方の方向の成分の分散を示す値である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光源を用いた照明装置および発光ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザーダイオード（ＬＤ）を光源とした発光装置、または照明装置が開発されている。指向性の高いレーザービーム光（以下ビーム光という）を照明用光源として使用する場合、指向性の高いビーム光をそのまま使うのでなく、波長変換部材（蛍光体）に照射し、波長変換された拡散光に変換することで広い範囲を照明できるよう工夫が行われている。
【０００３】
特許文献１には、蛍光体による波長変換光を用いて、効率よく混合光を放出可能な発光装置を提供することが記載されている。この発光装置は、放出光を放出可能な光源と、第１の蛍光体層と、導光路と、を有する。前記第１の蛍光体層は、少なくとも第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を含み、導光方向に延在し、前記放出光を吸収し前記放出光の波長よりも長い波長を有する第１の波長変換光を放出可能とされる。前記導光路は、反射体を有し、前記放出光の入射面と、前記第１の蛍光体層の前記第１の面に接触し、前記反射体の表面に設けられた反射面と、前記第１の蛍光体層とは離間して設けられた出射面と、を含む。また、前記反射面および前記出射面は、前記導光方向に延在する。
【０００４】
特許文献２には、導光板の側方からも光を出射させることができるエッジライト方式の照明器具を提供することが記載されている。照明器具は、前方に光を発する光源と、第１の主面を有し、光源が発する光を第１の主面側に導光する導光板と、第１の主面に対向する本体部と、導光板の側面の少なくとも一部を囲む周縁部とからなり、透光性を有するカバーと、導光板の一部として設けられる反射部とを備え、光源は、導光板の側面に向けて光を発するように、カバーの周縁部と導光板の側面との間に配置され、反射部は、光源が発する光を光源の後方に向けて反射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０９９３６２号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、構造が簡単で、光利用効率の高い照明装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態の一態様は、半導体光源と、半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子を含む光学系と、光学系から出力される第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットとを有する照明装置である。波長変換面は、放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、第１の輪郭形状は、第２の光束の光軸に対して対称であり、第１の輪郭形状の少なくとも一部は、半導体光源を原点とし、光軸をＸ軸として第１の面を示すＸＹ座標において以下の式（１）を満足する。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２・・・（１）
ただし、
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））
であり、θはＸ軸からの角度、αは比例定数、σ２は第２の光束の他方の方向の成分の分散を示す値である。
【０００８】
第１の輪郭形状は、波長変換面における第２の光束の反射成分の寄与を補正した形状を含んでいてもよく、式（２）で表されてもよい。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２）・ｈ（θ））２
・・・（２）
ただし、関数ｈ（θ）は波長変換面における第２の光束の反射成分の寄与を少なくとも補正する関数である。
【０００９】
また、第１の輪郭形状は、第２の光束の光軸に対して対称であり、光軸の半導体光源の側を船尾とし、反対側を船首とする舟形であってもよい。
【００１０】
さらに、第１の輪郭形状は、半導体光源を原点とする光軸からの単位角度で区切った単位発光部分に対する、第２の光束および第２の光束が他の単位発光部分により反射された光による、第１の輪郭形状に対する照射量が略等しい形状であってもよい。
【００１１】
本発明の実施形態の一態様は、半導体光源から出力される第１の光束の放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか一方の成分が平行光にコリメートされた第２の光束により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面を含む発光ユニットであって、前記波長変換面は、前記放射角水平方向または放射角垂直方向のいずれか他方の方向を含む第１の面に沿った第１の輪郭形状に沿って延び、前記第１の輪郭形状は、前記第２の光束の光軸に対して対称であり、前記第１の輪郭形状の少なくとも一部は、前記半導体光源を原点とし、前記光軸をＸ軸として前記第１の面を示すＸＹ座標において以下の条件を満足する、発光ユニット。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））
ただし、θは前記Ｘ軸からの角度、αは比例定数、σ２は前記第２の光束の前記他方の方向の成分の分散を示す値である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態に係る照明装置は、構造が簡単で、光利用効率の高いものを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】照明装置の一例を示す斜視図。
【図２】照明装置を展開して示す図。
【図３】照明装置の平面図。
【図４】照明装置の光軸に垂直な方向の断面図。
【図５】照明装置の光軸に平行な方向の断面図。
【図６】照明装置の光学系を説明する図。
【図７】照明装置の発光ユニットの一例を示す図。
【図８】発光ユニットに入力される光束の強度分布の一例を示す図。
【図９】発光ユニットの波長変換面が設定される輪郭形状を作図する一例を示す図。
【図１０】輪郭形状を示すデータを示す図。
【図１１】輪郭形状を作図した一例を示す図。
【図１２】輪郭形状の計算値を求める式を示す図。
【図１３】計算により求められた輪郭形状を示す図。
【図１４】放射角の異なる光束に対応する輪郭形状を示す図。
【図１５】発光面強度比の測定値を示す図。
【図１６】発光面強度比に基づく補正用の関数を示す図。
【図１７】照明装置の他の例を示す図。
【図１８】照明装置のさらに異なる他の例を示す光軸に垂直な方向の断面図。
【図１９】照明装置のさらに異なる他の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、照明装置の一例を示している。この照明装置１は、全体が細長く、全体が舟形形状であり、船尾側２に配置された光学ユニット１０と、船尾側２と反対側に尖がった船首側（先端側）３を備えた舟形形状の発光ユニット２０と、これらを支持するフレーム９とを含む。
【００１５】
図２に、照明装置１を、光学ユニット１０のカバー１１と、発光ユニット２０の拡散部材２１とを外した状態で示している。図３に、照明装置１を上方から見た図（平面図）を示し、図４に、照明装置１の光軸に対して垂直方向の断面（断面ＩＶ−ＩＶ）を示し、図５に、照明装置１の光軸に対して平行方向の断面（断面Ｖ−Ｖ）を示している。
【００１６】
光学ユニット１０は、ソース光を成形する光学系１９を含む。光学系１９は、ビーム光を出力する半導体光源１２と、半導体光源１２から出力される第１の光束１３の放射角をコリメートして第２の光束１４として発光ユニット２０に供給する第１の光学素子１５とを含む。第１の光学素子１５の一例は、半導体光源１２から出力されるビーム光である第１の光束１３の放射角水平方向θｐの成分を平行光にコリメートするシリンドリカルレンズ１５ａである。
【００１７】
発光ユニット２０は、内面２５ａが第１の輪郭形状（舟形形状の輪郭形状）２２を構成する側壁２５と、内面２５ａに設けられた波長変換面２３と、側壁２５により囲われた出射面２６と、出射面２６を覆う拡散部材２１とを含む。波長変換面２３は、鏡面または拡散性の反射面であって、波長変換用の蛍光体２３ａが塗布またはコーティングなどにより表面に設けられた面である。波長変換面２３が、コリメートされた第２の光束１４により照射されると、蛍光体２３ａにより波長変換された光（蛍光光、例えば黄色の光）３２と、第２の光束１４として供給されたビーム光の一部の反射光（青色の光）３１とを含む、青色から波長変換された混合光（白色光）３３が生成され、出射面２６を覆う拡散部材２１を透過して照明光３５として出力される。本例の発光ユニット２０においては、側壁２５の内面２５ａおよび側壁２５に囲われたフレーム９の内面（底面）２９は鏡面または拡散反射面となっており、波長変換面２３で生成された混合光３３を出射面２６の方向に反射して照明光３５として出力する。
【００１８】
これらの図において、蛍光体２３ａが設けられた波長変換面２３は幅広く設定されているが、波長変換面２３は、側壁２５の内面２５ａの中で、コリメートされたビーム光（第２の光束）１４が照射される範囲でよい。側壁２５の内面２５ａは、垂直壁である必要はなく角度を持たせてもよく、内面２５ａが曲面であってもよい。側壁２５の内面２５ａの波長変換面２３以外、および底面２９を含めた拡散部材２１以外の内面には拡散反射率の高いシートの貼付、または塗装処理を施してもよい。
【００１９】
拡散部材２１の材質は、拡散性を有し透光性のある材料で構成されていてもよい。拡散部材２１の具体的な材料としては、乳半アクリル板、白色ポリエチレン、白色ＡＢＳなどの樹脂、あるいは白色ガラスが挙げられる。拡散部材２１の形状は平面でもよく、曲面、円弧を含む形状でもよい。
【００２０】
波長変換面２３が設けられた側壁２５の内面２５ａは、舟形形状の輪郭形状２２を形成している。第１の輪郭形状（舟形形状の輪郭形状）２２は、半導体光源１２から出力されるビーム光（第１の光束）１３の放射角水平方向θｐおよび放射角垂直方向θｖのいずれか一方の成分が光学系１９によりコリメートされた方向以外の方向、すなわち、本例では、放射角垂直方向θｖの方向を含む第１の面Ｓｖに沿って延び、コリメートされた第２の光束１４の光軸１４ａに対して対称であり、光軸１４ａの半導体光源１２の側を船尾側２とし、反対側を船首側（先端側）３とする形状（舟形、曲線）である。
【００２１】
図６（ａ）に示すように、半導体光源１２から出力されるビーム光（第１の光束）１３の放射強度はガウシアン分布に近似される。ビーム光のＦＦＰ（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）の放射角は、一般的に放射角水平方向θｐおよび放射角垂直方向θｖの相互に直角方向のビーム強度が（１／ｅ２）となる点での角度で表される。一般に、ビーム光（第１の光束）１３の放射角水平方向θｐと、放射角垂直方向θｖとでは、放射角水平方向θｐの方が小さく、放射角θｖの方が大きい。
【００２２】
照明装置１の光学系１９においては、放射角水平方向θｐおよび放射角垂直方向θｖのどちらか一方の放射角をコリメートレンズで平行光に整形して第２の光束１４として出力する。そして、整形された平行な第２の光束１４を、発光ユニット２０の波長変換面２３にライン状に照射することで、拡散した照明光３５として利用できる照明装置１を提供する。例えば、放射角水平方向θｐの放射角をシリンドリカルレンズ１５ａで平行光にコリメートしても放射角垂直方向θｖの放射角（以降においては放射角θ）は変化しない。半導体光源１２から出力されるビーム光（第１の光束）１３の強度分布はガウス関数で近似されるため、以降においては、放射角垂直方向θｖの放射角θに対するビーム光（第２の光束）１４の強度分布を示すガウス関数式を求め、ガウス関数式に基づき等放射強度になる放射長を提供する第１の輪郭形状２２を備えた発光ユニット２０を提供する。
【００２３】
図６（ｂ）および（ｃ）に示すように本例の照明装置１の光学系１９では、放射角の小さい放射角水平方向θｐをシリンドリカルレンズ１５ａで平行光に整形し、蛍光体２３ａを含む波長変換面２３に照射し照明光３５を得ている。蛍光灯のように細長い発光ユニット２０を備えた照明装置１においては、例えば、放射角の大きな放射角垂直方向θｖをコリメートして照射角の小さな第２の光束１４が得られるようにしてもよい。
【００２４】
図６（ｄ）に示すように、光学系１９は、光学素子１５として、ミラー１５ｅまたはプリズムといった他の光学素子を含んでいてもよい。また、図６（ｅ）に示すように、光学系１９は、光学素子１５として、２つまたはそれ以上のシリンドリカルレンズ１５ａおよび１５ｂを含んでいてもよい。例えば、シリンドリカルレンズ１５ａは、放射角水平方向θｐを制御して平行化し、シリンドリカルレンズ１５ｂは、放射角垂直方向θｖを制御して、発光ユニット２０に入力される第２の光束１４の放射角θが適当な角度になるように制御してもよい。また、放射角垂直、放射角水平を同時に変えられるトロイダルレンズ（トーリックレンズ）を用いてもよい。なお、これらの図では、半導体光源１２であるレーザーダイオード（ＬＤ）をキャンタイプ（ＣＡＮタイプ）で表示しているが、これに限定されるものではない。また、半導体光源１２として用いられるレーザーダイオードの数についても１個に限定されるものではない。また、上述したように、以降において、発光ユニット２０に入力される第２の光束１４の平行化されていない方向の放射角、本例においては放射角垂直方向θｖの角度を放射角θと呼ぶ。
【００２５】
図７に、第１の輪郭形状（舟形形状の輪郭形状）２２に沿って配置された波長変換面２３を備えた照明装置１を示している。図７（ａ）は、半導体光源（ＬＤ）１２から得られる光束のビームの強度のガウス分布関数により一義的に決まる形状の一例を示している。この輪郭形状（第１の輪郭形状）２２は、放射角θが異なる半導体光源（ＬＤ）１２の場合は異なってもよい。
【００２６】
図７（ｂ）に、波長変換面２３における反射成分の寄与を補正した輪郭形状２２に沿って配置された波長変換面２３を備えた照明装置１を示している。図７（ａ）に示した輪郭形状２２が、半導体光源（ＬＤ）１２から光学系１９を経て得られた第２の光束１４を等強度で波長変換して照明光３５を照射する形状ではあるが、第２の光束１４が波長変換されるのでなく第２の光束１４の反射分もある。すなわち、波長変換面２３で反射された第２の光束１４の一部が船首側（先端側）３の波長変換面２３に当り発光する。さらに、船首側３に近づくほど、光軸１４ａを挟んだ波長変換面２３同士が近接することから、船首側３ほど輝度が高くなる傾向がある。したがって、図７（ｂ）に示した照明装置１においては、発光ユニット２０の船首側３の高輝度を補正し、より均一な発光輝度で照明光３５を出力できるようにしている。
【００２７】
以下に、半導体光源（ＬＤ）１２からの第１の光束１３をコリメートした第２の光束１４を等強度で波長変換する輪郭形状２２の作成法について説明する。先ず、光学系１９に採用されているシリンドリカルレンズ１５ａによりビーム光放射角の一方、本例では放射角水平方向θｐをコリメートした第２の光束１４のガウス関数式を求める。ガウス関数ｇ（θ）は一般的に以下の式（３）により表される。
ｇ（θ）＝ｅｘｐ（−θ２／（２×σ２））・・・（３）
放射角θは、第２の光束（ビーム光）１４の光軸１４ａをＸ軸としたときのＸ軸からの角度、σ２は第２の光束１４の放射角垂直方向θｖの成分の分散を示す値である。
【００２８】
図８に、本例の光学系１９に採用されたシリンドリカルレンズ１５ａによりコリメートされた第２の光束１４の光出力を示している。半導体光源（ＬＤ）１２の放射角水平方向θｐの放射角（ビーム強度１／ｅ２）は８．４度、放射角垂直方向θｖの放射角（ビーム強度１／ｅ２）は４５度、シリンドリカルレンズ１５ａで整形後の放射角水平方向θｐの放射角（ビーム強度１／ｅ２）は０度、放射角垂直方向θｖの放射角（ビーム強度１／ｅ２）は４５度であり、分散σ２を示す標準偏差σは１１．８であった。放射角垂直方向θｖの放射角（ビーム強度１／ｅ２）を調整したい場合は、図６（ｅ）のようにシリンドリカルレンズ１５ａおよび１５ｂを光軸にクロスさせて配置することで調整できる。
【００２９】
半導体光源（ＬＤ）１２から光学系１９を経て得られる第２の光束１４の放射強度は、放射角θが０度（光軸１４ａ上またはＸ軸上）において最も強く、放射角θが大きくなるにしたがい放射強度が低下する。このため、第２の光束１４の波長変換面２３への照射強度を一定にするためには、放射強度差を、波長変換面２３に対する放射長で補正する方法を採用できる。例えば、図８に示す照射強度より、光軸上の光出力を１とすると、それに対し放射角２０度の強度は０．２４と読み取れる。このため、放射角２０度の放射長（波長変換面２３の長さ）に対し０度（０度の前後）の波長変換面２３の長さが４．２倍であれば、波長変換面２３の単位長さ当りのビーム強度（第２の光束１４による照射強度）が一定となり、単位長さ当りの波長変換された光３２を含む混合光３３の発光強度も一定になる。なお、第２の光束１４の放射強度は放射角０度を中心にプラス側とマイナス側が対称形のため片側のみの輪郭形状を求めればよい。
【００３０】
第２の光束１４の放射角垂直方向θｖの波長変換面２３が設けられる舟形形状（第１の輪郭形状）２２は、放射角垂直方向θｖを含む第１の面Ｓｖに沿った形状（第１の輪郭形状）として表現できる。第１の面Ｓｖの第１の輪郭形状２２は、光軸１４ａをＸ軸とし、半導体光源（ＬＤ）１２を原点としたＸＹ座標により表現でき、本例においては、上述したように舟形形状の第１の輪郭形状２２として得ることができる。
【００３１】
放射角θの方向の波長変換面２３のＸＹ平面において放射角ｄθだけ異なる２点（ｘ１、ｙ１）および（ｘ２、ｙ２）は以下の式（４）で与えられる。
ｙ１＝ｘ１・ｔａｎ（θ＋ｄθ）
ｙ２＝ｘ２・ｔａｎθ            ・・・（４）
したがって、これら２点間の距離が放射角θの放射強度に比例するように波長変換面２３が配置される第１の輪郭形状２２を設定することにより、第２の光束１４の波長変換面２３への照射強度を一定にすることができる。そのためには、２点（ｘ１、ｙ１）および（ｘ２、ｙ２）が以下の条件（１）を満たすものであればよい。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２））２  ・・・（１）
θはＸ軸からの角度、αは比例定数である。
【００３２】
このため、図９に示すように、１つの座標Ｐ１（ｘ１、ｙ１）に対して、条件（１）の式（以降においては式（１））を満たす座標Ｐ２（ｘ２、ｙ２）を求め、それらを補間スプライン線で接続することにより、光軸（Ｘ軸）１４ａからの単位角度で区切った単位発光部分に対する、第２の光束１４より照射量が略等しい第１の輪郭形状２２を得ることができる。第１の輪郭形状２２を作図する１つの方法は、適当な放射角θの単位、例えば２度毎に、式（１）の右辺に相当する放射長Ｇ（式（５））を求め、基準となる位置（放射角（θ＋ｄθ）の位置）Ｐに対して、放射長Ｇを半径として次の放射角θの上の位置を決めることである。
Ｇ＝α・ｇ（θ＋ｄθ／２）  ・・・（５）
【００３３】
図１０に、放射角θが２３度から２度ピッチで半径（放射長）Ｇを求めた結果を示している。また、図１１に、作図により第１の輪郭形状２２を求めた結果を示している。比例定数αは、照明器具として必要な発光面積、発光面輝度をもとに設定される。本例においては比例定数（乗数）αを４５に設定している。この比例定数αは、一度作図をしてみることにより、適宜設定することができる。図１１において、作図を開始する位置Ｐ１は、本例の第２の光束１４の放射角垂直方向θｖの放射角（ビーム強度１／ｅ２）が４５度であり、その第２の光束１４を最大限に利用するために放射角の半角以上の値として放射角θが２４度で、シリンドリカルレンズ１５ａに最も近い位置を選択した。比例定数αおよび第１の輪郭形状２２を求める最初の位置Ｐ１の座標は適宜設定してもよい。また、第１の輪郭形状２２を求める角度分割は２度でなくてもよく、１度あるいはそれ以下であってもよく、２度以上であってもよい。位置Ｐ２〜Ｐ１３は、順番に、図１０に示した半径Ｇと放射角θとの交点として求められる。すなわち、位置Ｐ２は、位置Ｐ１からの半径Ｇが６．７３３２９５の円と放射角θが２２度の線との交点として求められ、位置Ｐ３〜Ｐ１３も同様に求められる。
【００３４】
半導体光源１２から光学系１９を経て出力される第２の光束（ビーム光）１４は、Ｘ軸である光軸１４ａに対して対称なので、単位長さ当りの波長変換された光３２を含む混合光３３の発光強度が一定になる輪郭形状２２は、上記により得られた形状２２をＸ軸に対して対称に展開したものになる。波長変換面２３を第１の輪郭形状２２に沿って配置することにより、波長変換面２３の単位長さ当りの第２の光束１４による照射強度が一定となり、単位長さ当りの波長変換された混合光３３の発光強度が一定の発光ユニット２０が得られる。
【００３５】
第１の輪郭形状２２を、式（１）を解くことによって得ることも可能である。図１２（ａ）に示すように、式（１）をｘ２の２次方程式に変換し、図１２（ｂ）に示すように、予め定められた座標Ｐ１（ｘ１、ｙ１）に対する解として２次方程式を解いて座標Ｐ２（ｘ２、ｙ２）を得ることができる。図１０に、計算値として得られた、各位置ＰのＸ座標およびＹ座標を示している。また、図１３に、計算により得られた各位置Ｐの座標を補間スプライン線で結んだ線を示しており、この線が第１の輪郭形状２２を示し、発光ユニット２０に採用される形状はＸ軸に対して対称に展開したものとなる。いずれの場合も、第１の輪郭形状２２は、第２の光束１４の光軸１４ａに対して対称であり、波長変換面２３は、舟形形状、すなわち、光軸１４ａの半導体光源１２の側を船尾とし、反対側を船首側（先端側）とする舟形の第１の輪郭形状２２に沿って配置されたものとなる。すなわち、第１の輪郭形状２２は、半導体光源１２を原点とし、光軸１４ａをＸ軸とし、Ｙ方向に離れた位置Ｐ１（ｘ１、ｙ１）を始点とし、Ｘ軸のプラス方向に沿っていったんＹ方向にＸ軸から離れるようにＸ軸と反対側に凸状の曲線を描き、その後、Ｘ軸方向に徐々に近づいて船首となる先端をなすようにＸ軸と交差する。
【００３６】
図１４に、発光ユニット２０に入力する第２の光束１４の放射角が異なる場合に、波長変換面２３が設けられる輪郭形状２２を示している。放射角が小さくなると、第１の輪郭形状（舟形形状の輪郭形状）２２はＸ軸となる光軸１４ａの方向に延びた形状となる。したがって、光学系１９において、シリンドリカルレンズ１５ａおよび１５ｂなどにより、発光ユニット２０に入力される第２の光束１４の放射角を制御することにより、発光ユニット２０において照明光３５を出力する発光面形状、例えば、長さ、幅などを制御することができる。
【００３７】
図１５（ａ）に、上記にて、発光ユニット２０に入力される光束１４の分布のみを前提として設計された第１の輪郭形状２２に沿って波長変換面２３が配置された照明装置１の波長変換面２３からの発光面輝度比（第１の輪郭形状２２の中央部分の輝度に対する前後の部分輝度の比、具体的には各図に記載）の変化を、半導体光源１２から光軸１４ａに沿った距離に対して示している。図１５（ｂ）は、上記の発光面輝度比の変化を、光軸１４ａからの角度（放射角）θに変換して示している。上記により得られた第１の輪郭形状２２が半導体光源１２から発光ユニット２０に入力された光束１４を等強度で波長変換するために適した計算上の形状である。しかしながら、第２の光束（ビーム光）１４の一部は波長変換面２３において、波長変換されずに反射され、船首側３の波長変換面２３に当り、波長変換された光３２を含む混合光３３を生成する。また、波長変換面２３は、船首側３ほど相互に近接することから、船首側３ほど輝度が高くなる。図１５（ａ）および（ｂ）により、実際に、これらの影響が表れていることがわかる。発光ユニット２０の全体において、より均一な発光輝度を得るためには、船首側３の高輝度を補正することが望ましい。
【００３８】
図１６（ａ）に、測定により得られた発光面輝度比の変化を放射角θの多項式として近似した結果を示している。発光面輝度比は、船尾側２の低下量に対して、船首側３の増加量が大きい。したがって、図１６（ｂ）に示すように、中間の放射角θが８度より船首側３の発光面輝度比を多項式で近似して補正関数ｈ（θ）として求め、ガウス関数により与えられる第２の光束１４の光強度を補正関数ｈ（θ）で補正した光強度分布に対して、単位面積当りの照射量が一定になるような波長変換面２３の配置を求めた。波長変換面２３が配置される輪郭形状２２は以下の条件（２）を満足する。
（ｘ２−ｘ１）２＋（ｙ２−ｙ１）２＝（α・ｇ（θ＋ｄθ／２）・ｈ（θ））２
・・・（２）
【００３９】
この条件（２）の式（以下においては式（２））に基づいて式（１）と同様に、波長変換面２３を配置する第１の輪郭形状２２を得ることができる。
【００４０】
上述したように、照明装置１は、半導体光源１２と、半導体光源１２から出力される第１の光束１３の放射角水平方向θｐまたは放射角垂直方向θｖのいずれか一方（上記においては放射角水平方向θｐ）の成分を平行光にコリメートする第１の光学素子１５を含む光学系１９と、光学系１９から出力される第２の光束１４により照射され、波長変換された光を出力する波長変換面２３を含む発光ユニット２０とを有する。波長変換面２３は、放射角水平方向θｐまたは放射角垂直方向θｖのいずれか他方の方向（上記においては放射角垂直方向θｖ）を含む第１の面Ｓｖ（ＸＹ平面）に沿った第１の輪郭形状２２に沿って延びている。この第１の輪郭形状２２は舟形形状であり、第２の光束１４の光軸１４ａをＸ軸として、Ｘ軸に対して対称であり、第１の輪郭形状２２は、半導体光源１２を原点とし、第１の面Ｓｖを示すＸＹ座標において式（１）を満足するものであってもよい。
【００４１】
さらに、第１の輪郭形状２２は、波長変換面２３における第２の光束１４の反射成分の寄与を含めて補正する関数ｈ（θ）を考慮した形状であってもよい。すなわち、式（２）を満足するものであってもよい。上記においては、放射角θが適当な値以下において、例えば８度以下において、ガウス関数で与えられる第２の光束１４の強度を補正する関数ｈ（θ）を求めて、放射角θが８度以下の船首側３の第１の輪郭形状２２を補正している。補正する関数ｈ（θ）の範囲は、８度以下に限定されず、全放射角の範囲であってよく、より船首側３の限られた領域のみを補正するものであってもよい。また、輝度の均一性がそれほど要求されない照明装置１、あるいは、発光ユニット２０に入力される第２の光束１４の放射角の範囲が狭く波長変換面２３における反射の影響が少ない場合は、関数ｈ（θ）による補正を省いてもよい。
【００４２】
いずれの場合も、得られる第１の輪郭形状２２は、第２の光束１４の光軸１４ａに対して対称であり、光軸１４ａの半導体光源１２の側を船尾側２とし、反対側を船首側３とする舟形となる。このようにして得られる第１の輪郭形状２２は、半導体光源１２を原点とする光軸１４ａからの単位角度で区切った単位発光部分に対する、第２の光束１４および第２の光束１４が他の単位発光部分により発光された光による照射量が略等しい形状となり、長手方向に、より均一な面発光輝度を備えた照明装置１を提供できる。したがって、波長変換面（蛍光体）２３に照射し、波長変換された光３２を含む混合光３３に変換することで、より広い範囲を照明できる、さらに構造が簡単で、光利用効率の高い照明装置１を提供できる。第１の輪郭形状に沿って設けられた波長変換面を含み、第１の輪郭形状は、半導体光源を原点とする光軸からの単位角度で区切った単位発光部分に対する第２の光束の照射量が略等しくなる。したがって、より均一な面発光輝度を備えた照明装置を提供できる。
【００４３】
図１７に、異なる照明装置の一例を示している。図１７（ａ）に断面で示すように、この照明装置１ａは、上記の照明装置１と同様に、第１の面Ｓｖに平行な出射面２６であって、一方、例えば、ＸＹ平面に垂直なＺ軸プラス方向に向いた出射面２６を含み、側壁２５の内面２５ａがＺ軸プラス方向に光束１４を反射するように傾いている。したがって、内面２５ａに設けられた波長変換面２３において波長変換された光３２を含む白色の混合光３３が出射面２６の方向に効率よく出力される。また、上記の照明装置１では、船首側３ほど高輝度発光面となるが、波長変換面２３を傾けることにより高輝度部の緩和効果が得られる。図１７（ｂ）は、波長変換面２３を傾けた照明装置１ａの一例の全体を示す斜視図であり、図１７（ｃ）に、拡散部材２１を除いた構成を示している。
【００４４】
また、発光強度が増加する船首側３の内面２５ａに勾配を持たせて波長変換面２３を積極的に傾けることにより、発光ユニット２０の船首側３の拡散部材２１の幅を広くすることも可能である。したがって、図１７（ｄ）に示すような全体が方形またはそれに近い発光面を備えた照明装置１を提供できる。すなわち、光強度を補正する関数ｈ（θ）とともに、あるいは別に、波長変換面２３の勾配（第１の面Ｓｖに対する角度）を制御して波長変換された光３２および／または混合光３３の出射または拡散する方向を制御して出射面の面積（拡散部材の面積）を制御することにより、より均一な輝度で照明光３５を出力する照明装置を提供できる。
【００４５】
図１８に、さらに異なる照明装置の一例の断面図を示している。この照明装置１ｂにおいては、出射面２６が、波長変換面２３を挟んだ両側に設けられており、表裏（上下、左右または前後）となる第１の出射面２６ａおよび第２の出射面２６ｂを含む。第１の出射面２６ａは、Ｚ軸プラス方向に照明光３５を出力し、第２の出射面２６ｂは、Ｚ軸マイナス方向に照明光３５を出力する。いずれの照明装置１ａおよび１ｂにおいても、上述した照明装置１と同様に、発光ユニット２０は、出射面２６を覆う拡散部材２１を含む。
【００４６】
図１９に、さらに異なる照明装置の一例を示している。この照明装置１ｃは、２組の照明装置１が半導体光源１２の光軸が第１の面に平行に沿った方向で対向するように組み合わされた構成となっており、両方の拡散部材２１を介して高輝度の照明光３５を出力できる。
【００４７】
これらの照明装置１、１ａ〜１ｃ（以降においては、照明装置１と記載する）を例に説明したように、本発明の照明装置１は、半導体光源１２と、ビーム光放射角の一方の放射角を平行光にコリメートする光学系１９と、コリメートしないビーム光成分の放射角−ビーム強度分布（ガウス分布）に基づき等照射強度に照射する輪郭形状２２を備えた発光ユニット２０とを有し、輪郭形状２２に配置された波長変換面２３に照射して、ビーム光照射により波長変換された光３３を、拡散部材２１を通して照明光３５として取り出すように設定されている。コリメートしたビーム光の照射する波長変換面２３を備えた部材、本例においては内面２５ａの輪郭形状２２は、コリメートしない放射角成分の、放射角−ビーム強度分布曲線（ガウス分布）に基づき算出され、測定により補正される等発光強度となる発光長を備えている。
【００４８】
照明装置１は、コリメートしたビーム光（第２の光束）１４により波長変換された光３３をコリメートした放射角の光軸面（第１の面）Ｓｖの一方に照明光３５として取り出されてもよく、両側に照明光３５として取り出すように設定されてもよい。照明装置の拡散部材２１の典型的な形状は、放射角−ビーム放射強度分布曲線（ガウス分布）に基づき算出されるビーム光等照射強度面の形状２２、すなわち舟形形状と同じまたは類似してもよく、方形などの異なる形状を備えていてもよい。
【００４９】
光学系１９においてコリメートする光学素子１５の典型的なものはシリンドリカルレンズ１５ａであり、放射角水平方向θｐ、放射角垂直方向θｖの一方の放射角をコリメートしてもよく、もう一方の放射角を調整することで、発光ユニット２０の波長変換面２３に照射する光束１４の放射角を広げたり、狭めたりしてもよい。したがって、光学系１９は、放射角水平方向θｐおよび垂直方向θｖのそれぞれを制御する第１および第２の光学素子を含んでいてもよく、放射角水平方向θｐおよび垂直方向θｖの両方を制御するトーリック面などの成分を備えた単一の光学素子を含んでいてもよい。
【００５０】
この照明装置１は、直接、レーザーダイオードなどの半導体光源１２からのビームを光空間伝播により波長変換面２３の蛍光体に照射している。このため、導光体透過、反射による光強度低下を抑制でき、半導体光源１２から得られる光の光利用効率の高い照明装置であり、複雑な構造を必要とせず、製造コストを抑え、均一発光面を形成できる。したがって、シーリングライト、蛍光灯の代替等の一般照明としても適している。
【図１】
2020087746.tif 000003
【図２】
2020087746.tif 000004
【図３】
2020087746.tif 000005
【図４】
2020087746.tif 000006
【図５】
2020087746.tif 000007
【図６】
2020087746.tif 000008
【図７】
2020087746.tif 000009
【図８】
2020087746.tif 000010
【図９】
2020087746.tif 000011
【図１０】
2020087746.tif 000012
【図１１】
2020087746.tif 000013
【図１２】
2020087746.tif 000014
【図１３】
2020087746.tif 000015
【図１４】
2020087746.tif 000016
【図１５】
2020087746.tif 000017
【図１６】
2020087746.tif 000018
【図１７】
2020087746.tif 000019
【図１８】
2020087746.tif 000020
【図１９】
2020087746.tif 000021