(57)【要約】【課題】装置全体が小型で、かつ明るさの劣化を抑制した照明装置を得る。【解決手段】光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射される光を集光する集光レンズと、集光レンズが集光した光を多重反射して出射するロッドインテグレータと、ロッドインテグレータから入射する光の一部を励起光として利用して発光する蛍光体と、蛍光体から出射される光の配光を制御する照明レンズと、を有するものである。【選択図】図１
2019186139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射される光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズが集光した光を多重反射して出射するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから入射する光の一部を励起光として利用して発光する蛍光体と、
前記蛍光体から出射される光の配光を制御する照明レンズと、
を有する照明装置。
【請求項２】
前記ロッドインテグレータは、
光軸に対して垂直な面が矩形状の筐体と、
前記筐体の内壁に設けられた反射板と、
前記筐体の前記光の出射面に設けられ、円形の開口部を有する遮光板と、
を有する、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記ロッドインテグレータは、
光軸に対して垂直な面が矩形状の筐体と、
前記筐体内に設けられ、入射する光が全反射で伝播する中実部材と、
前記筐体の前記光の出射面に設けられ、円形の開口部を有する遮光板と、
を有する、請求項１に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源を有する照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を利用する照明装置において、レーザ光を励起光として発光する蛍光部材で構成される蛍光体を備えた照明装置が知られている。レーザ光は光密度分布に鋭いピークを持つ性質の光であり、光密度が高い部分はエネルギー密度が高い。そのため、蛍光体を備えた照明装置では、レーザ光が蛍光体に照射し続けると、蛍光体に含まれる蛍光体粒子などが劣化する。蛍光体粒子が劣化した照明装置では、明るさが十分に得られなくなり、照明装置の寿命が短くなるという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、蛍光体を回転させ、レーザ光が蛍光体の特定の領域のみを照射し続けることを防ぐ照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−３７８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された照明装置は、蛍光体を回転させる回転機構を設ける必要があるため、照明装置が複雑化および大型化してしまう。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、装置全体が小型で、かつ明るさの劣化を抑制した照明装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る照明装置は、光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射される光を集光する集光レンズと、前記集光レンズが集光した光を多重反射して出射するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータから入射する光の一部を励起光として利用して発光する蛍光体と、前記蛍光体から出射される光の配光を制御する照明レンズと、を有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ロッドインテグレータにおいて光が多重反射することで光量が最適に調整され、蛍光体の入射面の集光点における光密度分布が、蛍光体を劣化させる値よりも低くなり、均一な分布になる。そのため、装置全体が小型で、蛍光体劣化による明るさ劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明装置の一構成例を示す側面図である。
【図２】図１に示したロッドインテグレータの入射面側を示す外観斜視図である。
【図３】図１に示したロッドインテグレータの出射面側を示す外観斜視図である。
【図４】図１に示したロッドインテグレータの作用を説明するための側面透視図である。
【図５】図３に示したロッドインテグレータの入射面における光密度分布を示す図である。
【図６】図２に示したロッドインテグレータの出射面における光密度分布を示す図である。
【図７】比較例の照明装置の一構成例を示す図である。
【図８】図７に示した蛍光体の入射面における光密度分布を示す図である。
【図９】図１に示した蛍光体の入射面における光密度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
（照明装置の構成）
本実施の形態１の照明装置の構成を、図面を参照して説明する。参照する図面には、説明の便宜上、方向を特定するためにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸を矢印で示している。図１は、本発明の実施の形態１に係る照明装置の一構成例を示す側面図である。
【００１１】
照明装置１０は、レーザ光源１と、蛍光体２と、集光レンズ３と、照明レンズ４と、ロッドインテグレータ５とを有する。光軸ＯＡＸに沿って、レーザ光源１、集光レンズ３、ロッドインテグレータ５、蛍光体２および照明レンズ４が配置されている。ロッドインテグレータ５は、集光レンズ３と蛍光体２との間に設置されている。
【００１２】
レーザ光源１は半導体レーザ光源である。レーザ光源１は、例えば、青色レーザ光を出射する青色半導体レーザ光源である。集光レンズ３は、レーザ光源１から出射される光をロッドインテグレータ５の入射面に集光する。集光レンズ３は、焦点がロッドインテグレータ５の入射面に位置するように配置されている。
【００１３】
ロッドインテグレータ５は、集光レンズ３から入射する光の光密度分布を均一化して蛍光体２に出射する。蛍光体２は、レーザ光源１から入射する光のうち、一部の光を透過させ、透過しない光を励起光として吸収して発光する。例えば、蛍光体２は、レーザ光源１から入射する光で励起し、黄色蛍光を生成する。蛍光体２は、光の入射面がロッドインテグレータ５の光の出射面に位置するように、ロッドインテグレータ５の光の出射面の直近に配置されている。例えば、蛍光体２の入射面がロッドインテグレータ５の出射面に接触していてもよい。照明レンズ４は、蛍光体２で励起された黄色蛍光と、蛍光体２に吸収されずに蛍光体２を透過した光とを併せて配光を制御する。
【００１４】
図２および図３は、図１に示したロッドインテグレータの一構成例を示す図である。図２は、図１に示したロッドインテグレータの入射面側を示す外観斜視図である。図３は、図１に示したロッドインテグレータの出射面側を示す外観斜視図である。
【００１５】
図２および図３に示すように、ロッドインテグレータ５は、図１に示した光軸ＯＡＸに対して垂直な面の断面が正方形の筐体５１で構成されるパイプ状の素子である。ロッドインテグレータ５の入射面５６の面積が集光レンズ３による集光スポットの面積と同等になるように、筐体５１の断面形状の正方形の各辺の長さが設定されている。そのため、レーザ光源１から出射したレーザ光が１００％に近い割合でロッドインテグレータ５に入射する。
【００１６】
図２に示すように、筐体５１の内壁には、光を反射する４つの反射板５５が設けられている。具体的には、図２に示す筐体５１は直方体なので、筐体５１の内壁に、互いに平行に向かい合う２つの反射板５５の組み合わせが２組設けられている。反射板５５は、例えば、ミラーである。図３に示すように、ロッドインテグレータ５の光の出射面５２に遮光板５４が設けられている。遮光板５４は、断面形状の正方形に内接する円形の開口部５３を有する。図３に示す入射面５６から入射した光は、筐体５１内の反射板５５で多重反射した後、図２に示した出射面５２の開口部５３から出射する。
【００１７】
なお、本実施の形態１では、図２および図３を参照して、ロッドインテグレータ５の筐体５１の断面形状が正方形の場合を説明したが、断面形状は正方形に限らない。筐体５１の断面形状は、正方形および長方形を含む矩形であってもよい。また、筐体５１の断面形状は矩形に限らず、ロッドインテグレータ５は反射面で光が多重反射できる構成であればよい。
【００１８】
（照明装置の作用）
次に、本実施の形態１の照明装置１０の作用を、図１を参照して説明する。レーザ光がレーザ光源１から集光レンズ３に入射すると、集光レンズ３は、入射したレーザ光をロッドインテグレータ５の入射面５６上に集光する。ロッドインテグレータ５に入射した光は、ロッドインテグレータ５の内壁に設けられた反射板５５で多重反射しながら伝播する。
【００１９】
ここで、ロッドインテグレータ５の作用を、図４〜図６を参照して説明する。図４は、図１に示したロッドインテグレータの作用を説明するための側面透視図である。図５は、図３に示したロッドインテグレータの入射面における光密度分布を示す図である。図６は、図２に示したロッドインテグレータの出射面における光密度分布を示す図である。
【００２０】
図２および図３を参照して説明したように、ロッドインテグレータ５は、断面形状が正方形の筐体５１を有し、反射板５５で構成される反射面が内壁に形成されたパイプ状の素子である。そのため、ロッドインテグレータ５に入射した光は、図４に示すように、ロッドインテグレータ５の内壁面で反射を繰り返しながら、ロッドインテグレータ５内を伝播する。ロッドインテグレータ５内を伝播する光は、多重反射による重ね合わせ効果により出射面５２近くで、均一な光密度分布を有する光束となる。均一な光密度分布を有する光束は、出射面５２に設けられた遮光板５４の開口部５３を透過すると、断面形状が円形の光束となって、出射面５２の直近に位置する蛍光体２に入射する。
【００２１】
図５および図６に示す蛍光体劣化閾値Ｄｔｈは、光密度について、蛍光体２を劣化させるか否かの判定基準となる閾値である。入射面５６における光密度分布は、図５に示すように、鋭いピークを持つ放物線で表される。図５に示す光密度分布では、ピーク値が蛍光体劣化閾値Ｄｔｈより大きい値である。一方、出射面５２における光密度分布は、図６に示すように、上部が平坦で円筒状のトップハット状で均一になっている。出射面５２における光密度分布は、最大値が蛍光体劣化閾値Ｄｔｈよりも低い値になっている。
【００２２】
ロッドインテグレータ５は、光密度分布の不均一な光を光密度分布がトップハット状の均一な光束に変換する効果をもたらす。また、遮光板５４の円形の開口部５３は、ロッドインテグレータ５から出射される光束の断面形状を矩形から円形に変換する。出射される光束の断面形状が円形である場合の効果を説明する。光束の断面形状が矩形のまま蛍光体２に光が照射された場合、蛍光体２において、発光の軸対称性が崩れてしまう。この場合、照明レンズ４を出射した後の光束も軸対称性が損なわれ、照明に異方性が生じることになる。これに対して、遮光板５４の円形の開口部５３が光束の断面形状を矩形から円形に変換することで、照明に異方性が生じることを防ぐ。「照明に異方性が生じる」とは、照明で照らされる同一物の光沢が見る方向によって異なることを意味する。
【００２３】
上述した作用により、ロッドインテグレータ５に入射した光は、ロッドインテグレータ５内を伝播することで光密度分布が均一な光束になり、遮光板５４の開口部５３を透過することで断面形状が円形の光束に変換され、蛍光体２に照射される。
【００２４】
図１において、ロッドインテグレータ５から蛍光体２に入射した光のうち、一部の光は励起光として蛍光体２に吸収され、蛍光体２に黄色発光を生じさせる。一方、蛍光体２に入射した光のうち、蛍光体２に吸収されなかった光は、蛍光体２を透過する。蛍光体２を透過する光と蛍光体２で生成された黄色発光とが混合され、蛍光体２から外に出射する。蛍光体２から出射される光は、レーザ光と黄色蛍光とが混合され、白色光となる。蛍光体２を出射した白色光は、照明レンズ４によって配光が制御され、照明光として照明装置１０の外に出射する。
【００２５】
次に、本実施の形態１の照明装置１０を比較例の照明装置と対比して説明する。図７は、比較例の照明装置の一構成例を示す図である。比較例の照明装置１００については、図１に示した構成と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
図７に示すように、比較例の照明装置１００は、図１に示した構成のうち、ロッドインテグレータ５を有していない。照明装置１００の場合、集光レンズ３が、レーザ光源１から出射されるレーザ光を蛍光体２の入射面上に直接、集光する。
【００２７】
図８は、図７に示した蛍光体の入射面における光密度分布を示す図である。図９は、図１に示した蛍光体の入射面における光密度分布を示す図である。比較のために、図８および図９の各図に有効照射エリアＶａｒおよび蛍光体劣化閾値Ｄｔｈを示す。有効照射エリアＶａｒは、光が蛍光体２に照射される領域のうち、蛍光体２内に入射される領域である。
【００２８】
比較例の照明装置１００の場合、蛍光体２の入射面上の集光点は、図８に示すように、有効照射エリアＶａｒに鋭いピークを有する光密度分布を示すものとなる。蛍光体２において、有効照射エリアＶａｒ以外の領域では蛍光体２の劣化は発生しないが、鋭いピークの部分は、光密度が蛍光体劣化閾値Ｄｔｈよりも大きいため、蛍光体２の劣化が発生する。その結果、照明レンズ４から出射される光に明るさの劣化が生じてしまうことになる。
【００２９】
これに対して、本実施の形態１の照明装置１０は、図９に示すように、蛍光体２の入射面の集光点の光密度分布は、有効照射エリアＶａｒ内で均一になり、トップハット状の分布を有するものになる。図９には、参考のために、比較例の場合の蛍光体２の入射面における光密度分布を点線で示す。
【００３０】
ここで、「有効照射エリアＶａｒ内で均一なトップハット状の光密度分布」とは、図９に示すように、光密度分布の中心が蛍光体劣化閾値Ｄｔｈよりも低く、有効照射エリアＶａｒにおいて、中心から周囲まで中心の光密度に近い分布になっていることを意味する。また、蛍光体２の入射面の焦光点における理想的な光密度分布は、図９を参照して説明すると、有効照射エリアＶａｒおよび蛍光体劣化閾値Ｄｔｈで囲まれる円筒に近似した形状で、円筒の高さが蛍光体劣化閾値Ｄｔｈよりも低い光密度分布である。
【００３１】
図９に示すように、照明装置１０の蛍光体２に照射される光の光密度分布は、図８に示すような鋭いピークを持つ光強度分布とは異なり、蛍光体劣化閾値Ｄｔｈより高い部分がない。そのため、本実施の形態１では、蛍光体２の劣化を抑制できる。その結果、照明レンズ４から出射される光に明るさの劣化が生じることを抑制できる。また、本実施の形態１の照明装置１０では、蛍光体２に照射される光の密度分布はトップハット状の均一な分布になっている。そのため、本実施の形態１では、蛍光体２の有効照射エリアＶａｒに効率よく光を照射できる。
【００３２】
上述したように、本実施の形態１の照明装置１０は、レーザ光源１から出射される光を集光する集光レンズ３と、蛍光体２との間に、集光レンズ３が集光した光を多重反射して出射するロッドインテグレータ５を有するものである。
【００３３】
本実施の形態１では、集光レンズ３と蛍光体２との間に設けられたロッドインテグレータ５において光が多重反射することで光量が最適に調整され、蛍光体２の入射面の集光点における光密度分布が、蛍光体劣化閾値Ｄｔｈよりも低く、かつ均一な分布になる。そのため、蛍光体２の劣化を抑制できるだけでなく、光を蛍光体２に効率よく照射することができる。また、本実施の形態１の照明装置１０は、蛍光体２の回転機構が設けられる場合に比べて装置全体を小型化でき、単純な構成で、蛍光体劣化による明るさ劣化を抑制できる。
【００３４】
なお、本実施の形態１では、ロッドインテグレータ５が、筐体５１の内壁にミラーが設けられた中空素子の場合で説明したが、四角柱のガラスロッドなど、全反射で光が内部を伝播する透明中実部材が筐体５１の内部に設けられた素子でもよい。この場合、ガラス内部で光が全反射して伝播するため、反射面での光吸収ロスが生じず、光効率をより高めることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  レーザ光源、２  蛍光体、３  集光レンズ、４  照明レンズ、５  ロッドインテグレータ、１０  照明装置、５１  筐体、５２  出射面、５３  開口部、５４  遮光板、５５  反射板、５６  入射面、１００  照明装置。
【図１】
2019186139.tif 000003
【図２】
2019186139.tif 000004
【図３】
2019186139.tif 000005
【図４】
2019186139.tif 000006
【図５】
2019186139.tif 000007
【図６】
2019186139.tif 000008
【図７】
2019186139.tif 000009
【図８】
2019186139.tif 000010
【図９】
2019186139.tif 000011