(57)【要約】【課題】  発光分布を均一化させ、かつ、光損失を低減させる。【解決手段】  レーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光されて入射したレーザ光を拡散する拡散板と、拡散板において拡散されたレーザ光を所望の波長に変換する波長変換層とを有する波長変換部材と、を備え、拡散板の拡散度合を、レーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低く構成した照明装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射するレーザ光源と、
該レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズと、
該集光レンズにより集光されて入射したレーザ光を拡散する拡散板と、該拡散板において拡散されたレーザ光を所望の波長に変換する波長変換層とを有する波長変換部材と、を備え、
前記拡散板の拡散度合を、レーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低く構成した照明装置。
【請求項２】
前記拡散板が、拡散度合の異なる少なくとも２以上の拡散層を有する請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記拡散板が、２層以上の拡散層のうち、入射するレーザ光の入射中心に高拡散度合の拡散層を配置した請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
前記拡散板の前記レーザ光の入射面全体に、前記高拡散度合の拡散層よりも低拡散度合の拡散層を配置した請求項３記載の照明装置。
【請求項５】
前記高拡散度合の拡散層が、他の拡散層よりも高屈折率である請求項３又は請求項４記載の照明装置。
【請求項６】
前記高拡散度合の拡散層が、入射するレーザ光の入射面に対して傾斜面を有する請求項２乃至請求項５の何れか１項記載の照明装置。
【請求項７】
前記波長変換部材の周囲を覆う反射部材を備えた請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の照明装置を備えた車両用灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオード（ＬＤ）等の素子から照射された光を波長変換部材により変換して所望の波長の光を照射する照明装置及び該照明装置を備えた車両用灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオード（ＬＤ）からの光の一部を、波長変換部材により所望波長の光に変換して照明光として用いる照明装置が知られている。特許文献１には、ＬＤから照射された青色光を、青色光の照射方向に配置された光散乱層（光拡散板ともいう）及び波長変換層からなる波長変換部材に入射させ、ＬＤからの青色光を光散乱層において拡散させた後に波長変換層において白色光に変換して外部に射出する照明装置が開示されている。特許文献１の照明装置のようにＬＤを光源として用いる場合、レーザ光の単色性とコヒーレント性によりレンズで光を集光しやすく、ＬＥＤを光源とする場合に比して集光効率が高く、高輝度の照明装置を実現することができるという利点がある。また、このような照明装置では、発光時にＬＤから熱が生じる他、ＬＤの青色光を波長変換する際に波長変換層から熱が生じ、波長変換効率が減少してしまうため、放熱する必要がある。そこで、ＬＤと波長変換部材とを離れた位置に配置することにより、それぞれが発生する熱を分散させて照明装置の発光特性の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−９６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、照明装置の光源としてＬＤを適用した場合、レーザ光の強度は、ガウス分布を示すので、ビーム中心が最も光出力が強く、中心から離れるほど光出力が弱くなる特性がある。従って、レーザ光を波長変換部材に入射させる場合には、発光面における色むらや、輝度飽和、熱飽和の問題が生じる。このため、光散乱層は、ＬＤから入射した青色光を拡散して波長変換層に均一に入射させることが要求される。
【０００５】
しかしながら、光散乱層の散乱剤の拡散濃度が低い場合には、ＬＤからの青色光を十分に拡散させることができないため、青色光は光密度分布を持った状態で波長変換層に入射され、波長変換層において色むらが発生してしまう。反対に、光散乱層の拡散濃度が高い場合には、青色光は十分に拡散され、波長変換層の発光面における色むらは解消されるものの、光散乱層によって入射側に戻される光（後方散乱）が大きく、光損失となり、照明装置として光量が低下してしまう。このように、色むらと光量とはトレードオフの関係にあり、光散乱層の散乱剤の拡散濃度を適正に維持する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光分布を均一化させ、かつ、光損失を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、レーザ光を照射するレーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズと、該集光レンズにより集光されて入射したレーザ光を拡散する拡散板と、該拡散板において拡散されたレーザ光を所望の波長に変換する波長変換層とを有する波長変換部材と、を備え、前記拡散板の散乱剤の拡散濃度を、レーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低く構成した照明装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発光分布を均一化させ、かつ、光損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の係る照明装置における波長変換部材の拡散板に対する入射する光と拡散度合との関係を示す説明図であり、（Ａ）は拡散濃度が小さい場合、（Ｂ）は拡散濃度が大きい場合を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態の係る照明装置における波長変換部材の拡散板に対する入射する光と拡散度合との関係を示す説明図であり、（Ａ）は、波長変換部材の構成、（Ｂ）は（Ａ）の波長変換部材にレーザ光が入射した場合の強度分布を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態の係る照明装置における波長変換部材における熱の流れを示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の各実施形態の変形例１に係り、（Ａ）は第１の実施形態に係る照明装置を車両用灯具に適用した場合の概略構成を示す断面図であり、（Ｂ）は第２の実施形態に係る照明装置を車両用灯具に適用した場合の概略構成を示す断面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｈ）は、本発明の実施形態の変形例２に係り、照明装置に適用される波長変換部材の他の例を示す参考図断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す図面において、理解の容易及び視認性向上のため、断面図であってもハッチングを適宜省略している。以下の説明において、同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る照明装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る照明装置は、筐体５内に収容されたレーザ光を照射するレーザ光源１１と、レーザ光源からのレーザ光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光されて入射したレーザ光を拡散し所望の波長の光に変換する波長変換部材１３と、波長変換部材の周囲を覆う反射部材１４と、波長変換部材１３及び反射部材１４の下面に配置された支持基板１５とを備えている。
【００１２】
筐体５は、底面にレーザ光源１１を収容し、レーザ光源１１から出射される光の光軸方向に集光レンズ１２を保持し、集光レンズ１２により集光された光を出射するための開口部５Ａを備えている。開口部５Ａの縁部には、後述する支持基板１５に支持された波長変換部材１３及び反射部材１４が配置されている。
【００１３】
レーザ光源１１（以下、単に「ＬＤ」という）は、例えば、レーザダイオードを含み、パッケージ化されたＣＡＮ型の半導体レーザ光源を適用することができる。レーザ光源１１としては、青色域（例えば、発光波長４５０ｎｍ）、近紫外域（例えば、発光波長４０５ｎｍ）又はそれ以外の波長の光を発光するものを適用することができる。ＬＤ１１は、筐体５内に収容されることで、酸化が防止され、酸化に起因するＬＤ１１の劣化が抑制される。
【００１４】
集光レンズ１２は、照明装置の輝度を向上させるため、レーザ光源１１から照射された光を集光して後述する波長変換部材１３に入射させる。支持基板１５は、波長変換部材１３において生じる熱を支持基板１５によって放熱する。そのために支持基板１５は、できるだけ大きいことが望ましい。そこで、ここでは支持基板１５のレーザ光を通過させる開口径をできるだけ小さくし、集光レンズ１２により、波長変換部材１３に対するレーザ光のスポット径を支持基板の開口径を通過できる所望の大きさとすることで、支持基板１５の大きさを確保している。
【００１５】
波長変換部材１３は、集光レンズ１２により集光されて入射したレーザ光を拡散する拡散板３１と、拡散板３１において拡散されたレーザ光を所望の波長に変換する波長変換層３２とを有する。
拡散板３１は、散乱剤もしくは散乱剤として作用する構造を含む部材によって構成される。散乱剤もしくは散乱剤として作用する構造は、レーザ光の波長以上のサイズであることが望ましい。拡散板３１は、散乱剤もしくは散乱剤として作用する構造により、入射したレーザ光を前方散乱すると同時に後方散乱も生じる。また、散乱剤もしくは散乱剤として作用する構造の濃度（拡散濃度）を調整することにより、光の拡散度合又は散乱度合（散乱強度）を調整することができ、散乱剤等の拡散濃度が大きいほど光の散乱度合が大きい。
【００１６】
例えば、散乱剤としては、粒子やフィラー等の添加物、もしくは、気泡を用い、これらをマトリクス材料である、樹脂、ガラス、または、セラミックスに分散させた部材を拡散板３１として用いることができる。粒子やフィラーは、樹脂、ガラス、セラミックスまたは金属製のものを用いることができる。散乱剤として作用する構造としては、結晶粒界を用いることができる。例えば結晶粒界を含むセラミックスを拡散板３１として用いることができる。拡散板３１として用いる部材は、レーザ光を吸収しない特性を有し、レーザ光が照射された際の到達温度であっても、溶融や変形しないものであることが望ましい。具体的には、気泡や粒界を含むアルミナ焼結体や、ＹＡＧ結晶の粒界とＡｌ２Ｏ３結晶の粒界とが混在するＹＡＧ／Ａｌ２Ｏ３多結晶体によって構成された拡散板３１を用いることができる。
【００１７】
ここで、拡散板３１に入射するＬＤ１１からのレーザ光の強度は、ガウス分布を示すので、ビーム中心が最も光強度が強く、中心から離れるほど光強度が弱くなる特性がある。このため、拡散板３１における拡散度合が一様に低い場合には、ＬＤ１１からの光を十分に拡散させることができず、ＬＤ１１からの光は光強度分布を持った状態で波長変換層に入射され、波長変換層において色むらが発生してしまう（図２（Ａ））。反対に、拡散板３１の拡散度合が一様に高い場合には、ＬＤからの光は十分に拡散されて波長変換層の発光面における色むらは解消されるものの、拡散板３１によって入射側に戻される光（後方散乱）が大きく光損失となり、照明装置として光量が低下してしまうだけでなく、ＬＤ１１の動作に影響を与える。
【００１８】
そこで、本実施形態において、拡散板３１は、拡散板３１に入射した光を拡散させる度合いを示す拡散度合を、入射するレーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低く構成している。
【００１９】
入射するレーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低くするために、拡散板３１は、拡散度合の異なる少なくとも２以上の拡散層を有する構成とすることができる。例えば、図３（Ａ）に示すように、拡散度合が比較的低い第１の拡散層３１Ａと拡散度合が比較的高い第２の拡散層３１Ｂとを積層した構成とすることができる。
【００２０】
この場合、２層以上の拡散層３１Ａ，３１Ｂのうち、入射するレーザ光の入射中心の厚さが最も熱く、中心から離れるにつれて薄くなる高拡散濃度の拡散層を、すなわち、拡散度合が比較的高い第２の拡散層３１Ｂがレーザ光の入射中心に位置するように積層している。図３（Ａ）の例では、第２の拡散層３１Ｂは、レーザ光の入射面がレーザ光の入射中心を中心に左右に夫々傾斜した傾斜面を有している。すなわち、第２の拡散層３１Ｂをレーザ光の強度分布に応じた厚さを有する形状とし、第２の拡散層３１Ｂの周囲に第１の拡散層３１Ａを配置することもできる。なお、第１の拡散層３１Ａと第２の拡散層３１Ｂとでは、高拡散度合の高い第２の拡散層３１Ｂが、第１の拡散層３１Ａよりも高屈折率であることが好ましい。
【００２１】
このように拡散板３１を構成することで、図３（Ｂ）に示すように、先ず、拡散板３１にＬＤ１１からの光が、拡散板３１の下面に位置する第１の拡散層３１Ａに入射して、第１の拡散層３１Ａ内を拡散、なわち、等方散乱する。第１の拡散層３１Ａは拡散度合が小さいので、等方散乱の度合いも小さく後方散乱も小さく光損失が小さい（図３（Ａ）、（Ｂ）中、破線Ａ）。このとき、図３（Ｂ）に示すように入射した光の強度は、入射中心が高い状態となる。
【００２２】
続いて、ＬＤ１１からの光の一部は第２の拡散層３１Ｂに到達し（図３中、破線Ｂ）、第２の拡散層３１Ｂの斜面及び第２の拡散層３１Ｂ内において等方散乱される。このとき、先ず光強度が強い中心付近から光散乱が開始される。第２の拡散層３１Ｂ内を全て透過することで波長変換層３２に到達するまでに万遍なく十分にレーザ光が拡散される。また、第２の拡散層３１Ｂの斜面で散乱された光は、その多くが拡散板３１の側面に到達し、波長変換層３２側に反射されるため、入射側に散乱されて戻り光となる量が少なく、波長変換層３２に到達する光量を多くすることができる。拡散板３１の下層に、後述する波長変換層３２において変換された励起光を反射するためのダイクロイックミラーを設けることもできる。
【００２３】
波長変換層３２は、ＬＤ１１から照射され拡散板３１により拡散された光を所望の波長に変換して外部に照射する。波長変換層３２として、蛍光体を適用することができ、例えば、蛍光体粒子をバインダ中に分散させた板状体や、蛍光体結晶、蛍光体ガラス、蛍光体セラミックを用いることができる。波長変換層３２に、ＬＤ１１からの光が青色域（例えば、発光波長４５０ｎｍ）である場合には黄色発光する蛍光体を適用するか、又は、近紫外域（例えば、発光波長４０５ｎｍ）である場合には赤、緑、青の３色を発光する蛍光体を組み合わせて適用することで白色発光する照明装置とすることができる。
【００２４】
なお、黄色発光する蛍光体としては、例えばＣｅドープされたＹＡＧが用いられる。ＬＤ１１からの光をさらに拡散されることを目的として、拡散体としてのアルミナを蛍光体と併せて用いることができる。例えば、アルミナとＣｅドープされたＹＡＧを混合して作製してもよい。波長変換層３２の下層に、波長変換層３２において変換された励起光を反射するためのダイクロイックミラーを設けることもできる。
【００２５】
反射部材１４は、波長変換部材１３の周囲を覆うように設けられ、波長変換層３２の側面から出射する光を遮蔽する。反射部材１４としては、酸化チタン粒子を樹脂中に分散させた白色樹脂を用いることができる。
【００２６】
支持基板１５は、波長変換部材１３を支持すると共に、波長変換部材１３の波長変換層３２においてＬＤ１１からの光を波長変換する際に生じる熱を放熱する放熱部材として機能する。支持基板１５として、熱伝導率の高い金属を用いることができる他、波長変換部材１３と熱膨張係数を合わせるためにセラミックスを適用することができる。支持基板１５と波長変換部材１３との接合には金属接合や樹脂材を用いる。
【００２７】
波長変換層３２は、ＬＤ１１からの光を吸収して波長変換した光を照射する際に、熱を生じる。図４の矢印がこのときの熱の流れを示している。熱により波長変換層３２の波長変換効率が低下してしまうため、放熱機能を有する支持基板１５を配置する必要がある。図４に示すように、波長変換層３２に出生じた熱は、拡散板３１を介して支持基板１５により放熱されるため、支持基板１５の面積を大きくすることが好ましい。一方、支持基板１５には、ＬＤ１１からのレーザ光を拡散板３１に入射させる開口１５Ａを設ける必要があり、この開口径が大きい方が入光ロスを小さくできるという利点がある。このように、開口径と支持基板１５の面積とはトレードオフの関係にあるため、レーザ光を集光レンズ１２により所望のスポット径に絞ることで、入光ロスを低減させ、且つ、支持基板１５の大きさを確保している。
【００２８】
本実施形態に係る照明装置によれば、拡散板３１について、拡散板３１に入射した光を拡散させる度合いを、入射するレーザ光の強度分布に応じてレーザ光の入射中心を高く、レーザ光の入射中心から離れる程低く構成し、かつ、入射面に拡散度合の低い第１の拡散層３１Ａを配置している。これにより、拡散板に入射した光は、まず拡散度合の低い部分で拡散されて等方散乱する。このとき第１の拡散層３１Ａの拡散度合が低いため、等方散乱の度合いも小さく後方散乱も小さく光損失が小さい。続いて、レーザ光は拡散度合の高い部分に到達して、先ず光強度が強い中心付近から光散乱が開始され、拡散板の拡散度合の高い部分を全て透過することで波長変換層に到達するまでに万遍なく散乱され、波長変換層に到達する光量を多くすることができる。従って、発光分布を均一化させながらも光損失を小さくすることができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、ＬＤ１１からのレーザ光を集光レンズ１２で集光させた後、そのまま拡散板３１に入射させている例について説明した。図５に示すように、本実施形態では、ＬＤ１１からのレーザ光を集光レンズ１２で集光させた後、ファイバ２０を介して拡散板３１に入射させる例について説明する。
【００３０】
筐体５は、底面にレーザ光源１１を収容し、レーザ光源１１から出射される光の光軸方向に集光レンズ１２を保持し、集光レンズ１２により集光された光を出射するための開口部５Ａを備えている。開口部５Ａの縁部にはフェルール６を介してファイバ２０の一端が取り付けられている。
ファイバ２０の他端はフェルール６を介して支持部材７に保持され、支持部材７に設けられた波長変換部材１３にＬＤ１１からのレーザ光を導光するようになっている。
【００３１】
本実施形態によれば、ファイバ２０を用いることで、ＬＤ１１からのレーザ光の入光ロスを低減させて光損失を低減させた状態で拡散板３１に導光することができる。なお、ファイバ２０を用いた場合には、拡散板３１に入射する光の強度分布は円錐形状となる。従って、第２の拡散層をこれに合わせた形状とし、第１の拡散層を第２の拡散層の周囲に配置することが好ましい。
【００３２】
（変形例１）
上述した各実施形態における照明装置は、車両用灯具の光源装置として用いることができる。図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、照明装置から照射された光を反射するリフレクタ３と、リフレクタ３により反射された光を集光又は拡散するレンズ４を備えている。
これにより、照明装置から照射された所望波長の光は、リフレクタで反射され、レンズ４を介して所望の形状の光束として外部に照射される。
【００３３】
（変形例２）
上記した各実施形態では、波長変換部材１３の拡散板３１が、拡散度合が比較的高く斜面を有する第２の拡散層と、入射面及び第２の拡散層の周囲に設けられた拡散度合が第２の拡散層よりも低い第１の拡散層とを備える構成について説明した。拡散板３１は、上記した構成に限られず、図７（Ａ）〜（Ｅ）に示すように第２の拡散層３１Ｂの形状を適宜変更し、第１の拡散層３１Ａを第２の拡散層３１Ｂの周囲を覆うように設けた形状とすることができる。また、図７（Ｆ）〜（Ｈ）のように、第１の拡散層３１Ａと第２の拡散層３１Ｂとの間に、拡散度合が第１の拡散層３１Ａよりも高く第２の拡散層３１Ｂよりも低い第３の拡散層３１Ｃを設けることもできる。
【符号の説明】
【００３４】
５・・・筐体、６・・・フェルール、７・・・支持部材、１１・・・レーザ光源、１２・・・集光レンズ、１３・・・波長変換部材、１４・・・反射部材、１５・・・支持基板、３１・・・拡散板、３１Ａ・・・第１の拡散層、３１Ｂ・・・第２の拡散層、３１Ｃ・・・第３の拡散層、３２・・・波長変換層（蛍光体）
【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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