(57)【要約】      （修正有）【課題】小さい面積の範囲に平行光を照射することができる安価なホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置を提供する。【解決手段】集光レンズ３は、入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面で形成される。集光レンズ３は、半導体レーザ１から出射されたレーザ光を集光して蛍光体４に照射する。蛍光体４は、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長、たとえば可視光の波長に変換したレーザ光を出射する。リフレクタ５は、蛍光体４からのレーザ光を反射して照射光６として照射する。【選択図】図１
2013130835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項２】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項３】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項４】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項５】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項６】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項７】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項８】
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。
【請求項９】
請求項１〜８に記載のホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、
断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含むことを特徴とするホモジナイザ装置。
【請求項１０】
前記導光部材は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載のホモジナイザ装置。
【請求項１１】
請求項１〜８に記載のホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、
照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、
蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含むことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の不均一な光強度分布を均一化するホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源を利用したスポット照明や車載用ヘッドライトなどの照明装置は、通常４００〜４５０ｎｍ近傍の青色レーザから出射された光束を集光して、一旦蛍光体に照射し、蛍光体の波長変換作用で疑似白色を得て、照度および安全性を上げて使用される。蛍光体は、たとえば、希土類以外の発光イオンと置換したイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Yttrium Aluminum Garnet：略称「ＹＡＧ」）蛍光体などが用いられる。
【０００３】
しかし、これらの照明装置に使用される変換効率の高い蛍光体は、一般的に希土類金属がドープされているために高価である。また、これらの蛍光体は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」という）と異なった配光、すなわち集光性質を得るためには、発光部である蛍光体自身の面積を小さくする必要がある。これらの蛍光体は、発光面積をなるべく小さく形成することによって、ほぼ平行な光束で放射が可能な照明装置の実現を可能とすることができる。
【０００４】
ガウシアン強度分布の光束を小面積の蛍光体に照射すると、集光されたホットスポット、つまり強度の一番強い部分で、蛍光体自身が焼損したり、蛍光に関与する電子がすべて励起されて蛍光が飽和する状態になったり、あるいは熱消光を招くなどの悪影響がある。ホットスポットと呼ばれる集光強度の不均一は、ガウシアン強度分布やレーザの高出力化に伴うマルチモード発振が主な要因として挙げられる。
【０００５】
図２７は、従来技術による照明装置９０の一例を示す図である。照明装置９０は、半導体レーザ９１、ハウジング９２、集光レンズ９３、蛍光体９４およびリフレクタ９５を含んで構成される。
【０００６】
半導体レーザ９１は、レーザ光を出射する光源である。ハウジング９２は、半導体レーザ９１、集光レンズ９３およびリフレクタ９５を固定する筐体である。集光レンズ９３は、半導体レーザ９１から出射されたレーザ光の拡散光を集光する。蛍光体９４は、照射されるレーザ光の波長を可視光の波長に変換する。リフレクタ９５は、蛍光体９４からのランバーシアン励起光を平行から弱拡散させて照射するためのパラボラ形状の反射板である。
【０００７】
蛍光体９４は、リフレクタ９５の焦点の位置に配置される。パラボラ形状のリフレクタ９５の開口部の半径をＲ、リフレクタ９５の深さ、つまり光軸方向の長さをＬとすると、パラボラ定数ａは、計算式「ａ＝Ｌ／Ｒ２」によって算出され、パラボラの焦点位置ｆは、計算式「ｆ＝１／（４ａ）」によって算出される。蛍光体９４は、このパラボラの焦点位置ｆに配置される。
【０００８】
ほぼ平行な狭放射角で照射光９６を得るためには、リフレクタ９５の面積は、実質の光源となる蛍光体９４の面積よりも相対的に大きい必要がある。より小型の照明装置９０とするためには、蛍光体９４の面積は、より小さく制限され、概ね１〜９ｍｍ２の面積が採用されることが多い。小面積の蛍光体９４で高輝度の光源を得るためには、半導体レーザ９１は、発光効率に優れ、発光部がμｍオーダーのものが適している。ＬＥＤは、高輝度を得るためには、発光面積を大きくするしか方法がなく、発光面積がｍｍオーダーまで大きくなるので、ほぼ平行な狭放射角で照射光９６を得るためには適さない。
【０００９】
図２８は、集光レンズ９３によって集光される光束９７を説明するための図である。発光部９８は、半導体レーザ９１がレーザ光を出射する部分である。発光部９８から出射されたレーザ光は、集光レンズ９３によって集光され、光束９７で示される光路を通って、集光スポットである集光部９９に集光される。
【００１０】
図２９は、発光部９８および集光部９９におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図２９（ａ）は、発光部９８におけるニアフィールドパターン（Near Field Pattern：以下「ＮＦＰ」という）１０１とＸ−Ｙ平面でのガウシアン強度分布の強度イメージ１０２を示す。ＮＦＡ、つまり近傍フィールドパターンは、発光部９８のビーム出射端の光強度分布のパターンのことである。図２９（ｂ）は、集光部９９におけるフィールドパターン１０３とＸ−Ｙ平面での強度分布の強度イメージ１０４を示す。
【００１１】
集光部９９での集光スポット径は、集光レンズ９３の入射面と出射面との開口（Numerical Aperture：以下「ＮＡ」という）、すなわち有限レンズでいう倍率によってほぼ決まる。光源としてレーザを使用する場合、集光スポット径は、ビーム出射端の形状、すなわち、リッジ幅によっても左右されるが、１００μｍ以下に集光されるのが普通である。回折限界で集光されるスポット径φは、通常、計算式「φ＝１．２２×（λ／ＮＡ）」によって算出される。λは、レーザビームの波長である。
【００１２】
図３０は、発光部９８および集光部９９における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。図３１は、発光部９８および集光部９９におけるフィールドパターンの斜視図である。図３１（ａ）は、発光部９８におけるＮＦＰ１０１の斜視図であり、図３１（ｂ）は、集光部９９におけるフィールドパターン１０３の斜視図である。
【００１３】
集光レンズ９３は、製造コストを考慮して、非球面レンズではなく、両面とも、球面レンズであり、軸外光線になるほど、つまり光軸２０から離れるほど、球面収差が大きく発生する。通常、ガウシアン強度分布は、集光部９９の回折リングの強度が増し、回折限界のスポットまでは絞り込めないものの、その強度分布が発光部９８からそのまま集光部９９に反映される。
【００１４】
蛍光体９４は、照明用途には欠かすことができない波長変換素子である。蛍光体９４は、青から青紫までの波長帯域のレーザ光を白色光に近い波長に強く励起するランバーシアン励起光源として、リフレクタ９５の焦点に設置される。照明用途に使用されるレーザは、非常に高出力のワットクラスの半導体レーザが使用される。レーザから出射されたレーザ光を蛍光体９４に集光すると、蛍光体９４は、数百度を超える温度となり、蛍光体９４の熱焼損や蛍光体９４の効率が下がる熱消光が引き起こされる。
【００１５】
蛍光体９４は、熱焼損や熱消光を避けるために、集光部９９の位置とは異なるデフォーカスした位置に配置される。しかし、デフォーカスした位置に配置しても、ガウシアン強度分布や強度分布の不均一は、蛍光体９４に照射された光にそのまま反映されている。すなわち、集光レンズ９３によって集光されたレーザ光は、ホットスポットのある強度分布で、蛍光体９４に照射され、ホットスポット付近で蛍光体９４の温度が上昇するという課題は残されたままである。したがって、球面レンズである集光レンズ９３は、蛍光体９４の性能をすべて引き出すことが困難であり、レーザ光による蛍光体９４の発光強度を上げて、照明装置９０の輝度を上げることには限界がある。
【００１６】
近年、紫外線、電子線および耐熱性にも強いα−サイアロン蛍光体およびβ−サイアロン蛍光体、あるいはバナジン酸ルビジウムなどを材料にして、生成法を含めてドープイオンとともに、熱消光が少ない蛍光材料が開発され、ＬＥＤ用途に採用されている。しかし、レーザ光のガウシアン強度分布によるホットスポットでの蛍光体の耐久性にはまだ課題が残されている。
【００１７】
その他の分野においても、レーザからの光束を集光して利用するような用途においては、ある空間範囲でパワーが均一であるビームが要求されることがある。ガウスビーム、つまりガウシアン強度分布のレーザビームのように、中央部のみ強度が強いものではなく、ある範囲でパワーが均一であって、その範囲の外側ではパワーがゼロであるようなビームが求められている。そのようなビームは、山高帽の形状に似ている強度分布であることから、トップハット（top hat）型と呼ばれる。ガウスビームを広範囲のトップハット型のビームに整形するための光学系は、ホモジナイザ（Homogenizer）と呼ばれる。
【００１８】
従来、トップハット型の強度分布を得るために、いくつかの提案がされている。たとえば、レーザビームを一定範囲にある複数のビームに分岐する機能をもつ回折型光学素子と、回折型光学素子に続いて設けられる集光レンズとを組み合わせて、集光レンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面を一致させ、回折型光学素子によって分岐された各ビームがデフォーカス面で合体して所望の強度分布を形成するという提案がある。また、回折型光学素子の代わりにマイクロレンズアレーを使用して、トップハット型の強度分布を形成する光学系が提案されている。しかしながら、これらの提案では、小型化および低コスト化には限界がある。
【００１９】
第１の従来技術として、特許文献１に記載される灯具がある。この灯具は、複数の光源ユニットを備える照明装置である。各光源ユニットは、紫外光を発生する光源部と、光源部からの紫外光に応じて白色光を発生する蛍光体と、蛍光体が発生した拡散光を反射して平行光にする反射鏡とを有し、所定の配色パターンの白色光を車両の前方に照射する。光源部は、レーザダイオードと、レーザダイオードが発生した光を蛍光体に集光するレンズとを含む。
【００２０】
第２の従来技術として、特許文献２に記載されるチルト誤差低減非球面ホモジナイザがある。このチルト誤差低減非球面ホモジナイザは、エネルギ分布がガウシアン分布である平行な入射ビームを屈折させて縮小し、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲の照射面に均一エネルギ分布のビームを形成する１枚レンズからなる非球面ホモジナイザである。このチルト誤差低減非球面ホモジナイザは、レンズの僅かな傾きに対しては、照射面でのビームのエネルギ分布の均一性を損なわないようにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００５−１５００４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１３４６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述した提案による、回折型光学素子とマイクロレンズアレーとを組み合わせたホモジナイザ装置は、回折型光学素子やマイクロレンズアレーの他に光学部品を数点組み合わせる必要があり、コストが高くなる。また、このホモジナイザ装置は、組立および調整に要する設備経費、ならびに生産タクトも増加し、より安価なホモジナイザが求められている。今後用途の広がりが期待されるレーザ光源を応用した照明装置においては、蛍光体の耐久性および効率を維持し、蛍光体への悪影響を減らすために、安価なホモジナイザ装置は、非常に重要度を増している。
【００２３】
また、第１の従来技術は、灯具の部材配置に関するものであり、ガウシアン強度分布をトップハット型に変換するものではない。第２の従来技術は、ホモジナイザに関するものではあるが、レンズの僅かな傾きに対して、照射面でのビームのエネルギ分布の均一性が損なわれることがないようにするものであり、蛍光体などの小さい面積の範囲に平行光を照射することはできない。
【００２４】
本発明の目的は、小さい面積の範囲に平行光を照射することができる安価なホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００２６】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００２７】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００２８】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００２９】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００３０】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００３１】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００３２】
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
【００３３】
また本発明は、前記ホモジナイザと、
断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含むことを特徴とするホモジナイザ装置である。
【００３４】
また本発明は、前記導光部材は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さいことを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、前記ホモジナイザと、
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、
照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、
蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含むことを特徴とする照明装置である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【００３７】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【００３８】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【００３９】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い発光素子に対しても、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【００４０】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い発光素子に対しても、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【００４１】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【００４２】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【００４３】
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【００４４】
また本発明によれば、ホモジナイザ装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含む。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体のより小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。
【００４５】
また本発明によれば、前記導光部材は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さい。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体のさらに小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。
【００４６】
また本発明によれば、照明装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含む。したがって、照明装置は、遠方まで概ね平行な光束で照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態である照明装置１０の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態である照明装置１１の構成を示す図である。
【図３】第１の実施例である集光レンズ３を示す図である。
【図４】第１の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。
【図５】第１の実施例での発光部８、平面３ｃおよび蛍光体４における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。
【図６】第１の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。
【図７】集光レンズ３によって集光される光束を説明するための図である。
【図８】第２の実施例である集光レンズ３１を示す図である。
【図９】第２の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。
【図１０】第３の実施例である集光レンズ３２を示す図である。
【図１１】第３の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。
【図１２】集光レンズ３２によって集光される光束をＸ−Ｙ平面で説明するための図である。
【図１３】第３の実施例での発光部８および蛍光体４のＸ−Ｙ平面におけるフィールドパターンを示す図である。
【図１４】集光レンズ３２によって集光される光束をＸ−Ｚ平面で説明するための図である。
【図１５】第３の実施例での発光部８および蛍光体４のＸ−Ｚ平面におけるフィールドパターンを示す図である。
【図１６】第４の実施例である集光プリズム３３を示す図である。
【図１７】集光プリズム３３およびその光束を示す図である。
【図１８】第４の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。
【図１９】球面レンズによる球面収差曲線３１を示す図である。
【図２０】多面体プリズムによる集光点付近の球面収差曲線３２ａを示す図である。
【００４８】
【図２１】集光プリズム３３による光束の最小錯乱円２４付近の拡大図である。
【図２２】本発明の第３の実施形態である照明装置１２の構成を示す図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態である照明装置１３の構成を示す図である。
【図２４】第４の実施形態での発光点および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態である照明装置１４の構成を示す図である。
【図２６】導光部材４２および蛍光体４の拡大図である。
【図２７】従来技術による照明装置９０の一例を示す図である。
【図２８】集光レンズ９３によって集光される光束９７を説明するための図である。
【図２９】発光部９８および集光部９９におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。
【図３０】発光部９８および集光部９９における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。
【図３１】発光部９８および集光部９９におけるフィールドパターンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、本発明の第１の実施形態である照明装置１０の構成を示す図である。照明装置１０は、半導体レーザ１、ハウジング２、集光レンズ３、蛍光体４およびリフレクタ５を含んで構成される。以下、第１の実施形態と異なる実施形態において、対応する部分については、同一の参照符を付して、重複を避けるために説明を省略する。
【００５０】
発光素子である半導体レーザ１は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する光源である。半導体レーザ１には、コヒーレント性および単色性は要求されない。半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、集光レンズ３に到達する。ハウジング２は、半導体レーザ１、集光レンズ３およびリフレクタ５を固定する筐体である。
【００５１】
集光レンズ３は、半導体レーザ１から出射されたレーザ光の拡散光を、光束７として集光して蛍光体４に照射する。集光レンズ３は、第１の実施例であり、ホモジナイザである。以下、第１の実施例と異なる実施例において、対応する部分については、同一の参照符を付して、重複を避けるために説明を省略する。
【００５２】
蛍光体４は、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長、たとえば可視光の波長に変換したレーザ光をランバーシアン励起光として出射する。蛍光体４は、リフレクタ５の焦点の位置に配置される。反射部であるリフレクタ５は、蛍光体４からのランバーシアン励起光を平行から弱拡散させた反射光を照射光６として照射するためのパラボラ形状の反射板である。
【００５３】
図２は、本発明の第２の実施形態である照明装置１１の構成を示す図である。照明装置１１は、半導体レーザ１、ハウジング２ａ、集光レンズ３、蛍光体４ａおよびリフレクタ５ａを含んで構成される。照明装置１１は、図１に示した照明装置１０のリフレクタ５の上側の半分強を用いる構成である。
【００５４】
ハウジング２ａは、半導体レーザ１、集光レンズ３およびリフレクタ５ａを固定する筐体である。リフレクタ５ａは、リフレクタ５の下側の半分弱を除いた構成である。蛍光体４ａは、リフレクタ５ａで反射する方向にのみ、変換後の可視光の波長のレーザ光を出射する。照明装置１１は、図１に示したリフレクタ５の下側の半分弱を除いたリフレクタ５ａを用いる構成であるので、照明装置１０よりも小型化することができる。
【００５５】
図３は、第１の実施例である集光レンズ３を示す図である。集光レンズ３は、入射面が凸状の球面３ａで形成され、出射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３ｃで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３ｂで形成されるように研磨されている。光軸２０は、光束７の中心軸である。
【００５６】
集光レンズ３は、出射面の光軸２０付近が平面３ｃをなすレンズであるので、ガウシアン強度分布のレーザ光の中央部のみが、集光レンズ３の屈折作用を受けることがなく、集光部９に集光されない。図３を参照すると、平面３ｃを透過した光束７は、ごく中心部の中心光束領域２１を除き、光軸２０から離れるに従って、蛍光体４の外周付近に照射されることがわかる。
【００５７】
図４は、第１の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図４（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１および強度分布の強度イメージ１２ａを示す。図４（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３および強度分布の強度イメージ１４を示す。
【００５８】
図４（ａ）に示した強度イメージ１２ａではガウシアン強度分布であった中央部が、図４（ｂ）に示した強度イメージ１４では、高強度でスポット周辺に分散され、Ｙ方向およびＺ方向とも、ピークの無いフラットな強度分布を示している。すなわち、蛍光体４上での強度分布は、ホットスポットのないトップハット型の集光状態である。したがって、集光レンズ３は、蛍光体４への熱負荷を低減することができ、蛍光体４の性能を１００％発揮させることができる。
【００５９】
図５は、第１の実施例での発光部８、平面３ｃおよび蛍光体４における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。図５は、図３０に示した従来技術による強度イメージと対比した図である。強度イメージ１２ｂは、発光部８での強度分布の強度イメージであり、強度イメージ１６は、平面３ｃでの強度分布の強度イメージであり、強度イメージ１４は、蛍光体４での強度分布の強度イメージである。強度イメージ１６は、ガウシアン強度分布の中央部の強度の強い領域の光束が、出射面の中央部に形成された平面３ｃによって、集光レンズ３による集光効果が低減され、蛍光体４の外周側に向かって出射される状態を示している。
【００６０】
図６は、第１の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。図６（ａ）に示したＮＦＰ１１ａは、図４（ａ）に示したＮＦＰ１１の斜視図であり、図６（ｂ）に示したフィールドパターン１３ａは、図４（ｂ）に示したフィールドパターン１３の斜視図である。図４（ｂ）に示したフィールドパターン１３および強度イメージ１４、図５に示した強度イメージ１４、ならびに図６（ｂ）に示したフィールドパターン１３ａのように、蛍光体４上での強度分布は、ホットスポットのないトップハット型の集光状態であり、集光レンズ３は、蛍光体４の熱負荷を低減することができる。
【００６１】
図７は、集光レンズ３によって集光される光束を説明するための図である。半導体レーザ１から出射された光を、光軸２０に近い側から順に光Ｌ１，光Ｌ２，光Ｌ３，光Ｌ４，光Ｌ５，光Ｌ６として、以下、集光レンズ３がトップハット型の強度分布を形成することを説明する。
【００６２】
光Ｌ１は、光軸２０付近の光である。光Ｌ１は、スネルの法則に従って、集光レンズ３の入射面である球面３ａで、やや光軸２０寄りに屈折され、集光レンズ３内部を透過する。光Ｌ１〜Ｌ３は、出射面の中央部が平面３ｃとして加工されているので、集点に向かって屈折されることなく、ほぼ直進する方向に、集光レンズ３から出射する。厳密には、出射面においても、スネルの法則による屈折が生じるが微小であるので、ほぼ直進するとして取り扱ってもよい。
【００６３】
光Ｌ１〜Ｌ３は、平面３ｃを光軸２０から離れて通過するほど、蛍光体４への照射位置が光軸２０から離れる。図７を参照すると、光Ｌ２，Ｌ３の蛍光体４上の位置は、光Ｌ１よりもさらに蛍光体４の中心から外側であることがわかる。すなわち、光軸２０にごく近い光は、蛍光体４の中央付近に照射されるが、光軸２０から離れるに従って、蛍光体４の外側に拡散される。
【００６４】
また、光Ｌ４は、スネルの法則に従って、集光レンズ３の入射面である球面３ａで屈折され、集光レンズ３内部を透過し、出射面の周縁部の球面３ｂでさらに屈折されて、蛍光体４に集光される。ここで、球面レンズの特性として、光軸２０から離れるに従って、球面収差が発生し、外側の光ほど焦点の手前に集光する。ここでいう焦点とは、球面レンズで集光される近軸光線、すなわち近軸結像のことである。図７に示したように、ほぼ焦点の位置に蛍光体４を配置することによって、蛍光体４にフラットな強度分布の光束を照射することが可能になる。
【００６５】
集光レンズ３の平面３ｃは、円形である。平面３ｃの直径をレンズ有効径の１／４〜１／５として、蛍光体４上のスポット、すなわち最小錯乱円が直径１〜２ｍｍ弱になるようにしている。最小錯乱円は、見かけ上、光束が最も絞られるビームウエストとも呼ばれる位置で、光軸２０に直交する仮想平面によって切断された光束の断面形状である。最小錯乱円が直径１〜２ｍｍ弱になるようにしているので、蛍光体４は、ＬＥＤでは達成できない面発光効率を達成することができ、パラボラ形状のリフレクタ５によるスポット集光に最適な光源である。
【００６６】
したがって、集光レンズ３は、ＬＥＤの面光源に比較して、蛍光体４を高効率の小面積の点光源とすることが可能である。さらに、照明装置１０は、蛍光体４から出射され、リフレクタ５で反射された反射光をほぼ平行な照射光６とすることが可能となり、反射光を平行光とするための別部品としての集光レンズを用いなくても、遠方への照射が可能となる。
【００６７】
第１の実施形態では、集光レンズ３の出射面の中央部に平面３ｃを設けているが、入射面の形状と出射面の形状とを入れ換えて、入射面の中央部に平面を設けてもよい。
【００６８】
図８は、第２の実施例である集光レンズ３１を示す図である。図９は、第２の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。図９（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１ｂであり、図９（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｂである。
【００６９】
集光レンズ３１は、第２の実施例であり、ホモジナイザである。集光レンズ３１は、入射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３１ｄで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３１ａで形成され、出射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３ｃで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３ｂで形成される。
【００７０】
このように、集光レンズ３１は、入射面と出射面との両方に平面が形成される。すなわち、集光レンズ３１は、球面レンズの両側に光軸２０に直交する平面が設けられているので、円柱ガラスからレンズを研磨する工法が適用可能であり、また、これらの平面を利用して、半導体レーザ１とのユニット組立性の向上を図ることができる。集光レンズ３１は、中央部の平行な２つの平面での最大の強度分布が、焦点付近で、均等に周辺に分散されるので、最小錯乱円における強度分布の均一領域を拡大することができ、蛍光体４上での強度分布を維持したまま、蛍光体４を設ける位置の範囲を拡大することができる。
【００７１】
図１０は、第３の実施例である集光レンズ３２を示す図である。集光レンズ３２は、通常のリッジ幅、つまり発光部８が縦横同一の大きさのレーザのガウシアン強度分布を補正するためのホモジナイザではなく、リッジ幅の広いハイパワーの横マルチモードのレーザに用いるホモジナイザである。
【００７２】
通常、ワットクラスのハイパワーレーザのθ‖方向、つまり図１０のＹ方向は、放射角度が狭いものの、マルチモードで発振しており、通常のガウシアン強度分布ではない。逆に、θ⊥方向、つまりＺ方向は、放射角度が広く、発振強度はガウシアン分布となっている。レーザの発光点の大きさの目安は、縦横が１μｍ×１０μｍほどであり、通常の１０倍程度の横倍率を持つ。集光レンズ３２からなるホモジナイザによる集光スポットは、発光点の１０倍、すなわち縦横が１０μｍ×１００μｍの長方形状に集光される。デフォーカス位置で蛍光体４に照射する場合も、蛍光体４の面を有効に利用することができず、蛍光体４を理想光源とすることは困難である。
【００７３】
図１１は、第３の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図１１（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１ｃおよび強度分布の強度イメージ１２ｃを示す。図１１（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｃおよび強度分布の強度イメージ１４ｃを示す。
【００７４】
集光レンズ３２は、入射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３１ｄで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３１ａで形成され、出射面の中央部が光軸２０に垂直な側面を有するシリンドリカル形状３２ｃに形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面３２ｂで形成される。シリンドリカル形状は、かまぼこ型の形状である。
【００７５】
図１１に示したシリンドリカル形状３２ｃの側面が直線である方向は、レーザのθ‖方向、つまりＹ方向である。集光レンズ３２は、ワイドリッジ幅のマルチモードレーザのスポットに対して、図１１（ｂ）に示すように、ほぼ四角形で対称なフィールドパターン１３ｃを蛍光体４に形成することができる。
【００７６】
図１２は、集光レンズ３２によって集光される光束をＸ−Ｙ平面で説明するための図である。図１３は、第３の実施例での発光部８および蛍光体４のＸ−Ｙ平面におけるフィールドパターンを示す図である。図１３（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１ｃを示す。図１３（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｃおよび強度分布の強度イメージ１４ｃを示す。
【００７７】
集光レンズ３２は、Ｘ−Ｙ平面においては、シリンドリカル形状による効果はない。Ｙ方向に平坦な中央部のホモジナイザ効果によって、平面３２ｄとシリンドリカル形状の中央平坦部で、蛍光体４でのトップハット型のフィールドパターン１４ｃが形成され、ワイドリッジの短径集光スポットは、ホットスポットを回避することができる。
【００７８】
図１４は、集光レンズ３２によって集光される光束をＸ−Ｚ平面で説明するための図である。図１５は、第３の実施例での発光部８および蛍光体４のＸ−Ｚ平面におけるフィールドパターンを示す図である。図１５（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１ｃを示す。図１５（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｃおよび強度分布の強度イメージ１４ｃを示す。
【００７９】
集光レンズ３２は、Ｘ−Ｚ平面においては、シリンドリカル形状３２ｃの球面レンズ効果によって、ワイドリッジの長径方向の発光スポットが、集光スポットではほぼ四角形に集光される。集光レンズ３２は、出射面の中央部をＺ方向で球形に形成することによって、蛍光体４での集光スポットの形状を長方形から四角形に近くなるよう形成することができる。
【００８０】
第２の実施例では、集光レンズ３２は、入射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３１ｄで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３１ａで形成され、出射面の中央部が光軸２０に垂直な側面を有するシリンドリカル形状３２ｃに形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面３２ｂで形成されているが、入射面の形状と出射面の形状とを入れ換えて、入射面の中央部が光軸２０に垂直な側面を有するシリンドリカル形状３２ｃに形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面３２ｂで形成され、出射面の中央部が光軸２０に垂直な円形の平面３１ｄで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面３１ａで形成されるようにしてもよい。
【００８１】
図１６は、第４の実施例である集光プリズム３３を示す図である。集光プリズム３３は、第４の実施例であり、ホモジナイザである。集光プリズム３３は、半導体レーザ１から出射されたレーザ光の強度分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折させて集光し、蛍光体４にほぼ均一のエネルギ強度分布のビームを形成するための強度変換プリズムである。集光プリズム３３は、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成され、出射面が平面で形成される多角錐プリズムのホモジナイザである。
【００８２】
第４の実施例では、集光プリズム３３は、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成され、出射面が平面で形成される多角錐プリズムであるが、これに限定されるものではない。たとえば、集光プリズム３３は、入射面が平面で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成されてもよい。また、集光プリズム３３は、入射面および出射面とも４角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成されてもよい。集光プリズム３３などの多面体プリズムは、平面研磨で加工することができるので、球面レンズに比較して、安価に製作可能である。
【００８３】
図１７は、集光プリズム３３およびその光束を示す図である。図１８は、第４の実施例での発光部８および蛍光体４におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図１８（ａ）は、発光部８におけるＮＦＰ１１ｄおよび強度分布の強度イメージ１２ｄを示す。図１８（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｃおよび強度分布の強度イメージ１４ｄを示す。
【００８４】
図１９は、球面レンズによる球面収差曲線３１を示す図である。図２０は、多面体プリズムによる集光点付近の球面収差曲線３２ａを示す図である。縦軸は光束半径であり、横軸は光軸２０方向での球面収差量を示す。球面レンズによる球面収差は、光軸２０付近では少なく、光軸２０から遠ざかるにつれ大きくなる。プリズムによる球面収差は、光軸２０付近が最大であり、光軸２０から遠ざかるにつれて小さくなる。図１９に示した球面収差曲線３１での光軸２０から離れた位置での球面収差量を示したのがＷ１であり、図２０に示した球面収差曲線３２ａでの光軸２０付近の球面収差量を示したのがＷ２である。光軸２０付近の球面収差量が多いということは、レーザ光のガウシアン強度分布が強い中心付近の球面収差量が多いということであり、ガウシアン強度分布を分散させ易い。
【００８５】
図２１は、集光プリズム３３による光束の最小錯乱円２４付近の拡大図である。図２１に示した拡大図は、集光プリズム３３が、最小錯乱円２４付近においても、十分レーザ光のガウシアン強度分布を分散させていることを示している。図２１では、ガウシアン強度分布で発光するレーザ光の光束を、集光プリズム３３で収束させることによって、球面レンズと比べて、光軸２０付近の球面収差量が増し、すなわち、近軸光線の焦点位置が近くなり、光軸２０から離れた光束の焦点位置は遠くなることを示す。
【００８６】
球面収差の発生位置が球面レンズでの球面収差とは逆になるプリズムによる球面収差は、光軸２０付近で収差がより多く発生するので、集光プリズム３３は、レーザ光のガウシアン強度分布を、効率的に周辺に分散することが可能となる。蛍光体４をガウス像面２３から遠方に配置することによって、ガウシアン強度分布がハットトップ型に変換される。ガウス像面２３は、収差のある光学系において、収差を無視することができる程度の近軸、つまり光軸２０付近の結像点である。
【００８７】
図２２は、本発明の第３の実施形態である照明装置１２の構成を示す図である。照明装置１２は、レンズを使用せずに、集光プリズム３３の屈折によって、蛍光体４にトップハット型の光束を照射する構成例である。照明装置１２は、半導体レーザ１、ハウジング２、集光プリズム３３、蛍光体４およびリフレクタ５を含んで構成される。
【００８８】
図２３は、本発明の第４の実施形態である照明装置１３の構成を示す図である。図２４は、第４の実施形態での発光点および蛍光体４におけるフィールドパターンの斜視図である。図２４（ａ）は、発光点におけるＮＦＰ１１ｅであり、図２４（ｂ）は、蛍光体４におけるフィールドパターン１３ｅである。
【００８９】
照明装置１３は、半導体レーザ１、ハウジング２、集光レンズ３、導光部材４１、蛍光体４およびリフレクタ５を含んで構成される。集光レンズ３および導光部材４１は、ホモジナイザ装置を構成する。照明装置１３は、集光レンズ３などのレンズからなるホモジナイザによって集光された光束を、導光部材４１を介して、蛍光体４へ照射する。
【００９０】
導光部材４１は、たとえば、断面が多角形もしくは円形の筒状であり、金属製またはプラスチック製の内面全反射型空洞パイプ、または断面が多角形もしくは円形の棒状であり、境界面での全反射を利用したガラス製の内面全反射ロッドによって構成される。内面全反射型空洞パイプは、波長が４００ｎｍ〜４５０ｎｍの光を反射する反射メッキが内面に施されている。導光部材４１は、入射口および出射口の口径は同じである。
【００９１】
図２５は、本発明の第５の実施形態である照明装置１４の構成を示す図である。照明装置１４は、半導体レーザ１、ハウジング２、集光プリズム３３、導光部材４２、蛍光体４およびリフレクタ５を含んで構成される。集光プリズム３３および導光部材４２は、ホモジナイザ装置を構成する。照明装置１４は、集光プリズム３３などの多角錐形状のプリズムからなるプリズムホモジナイザによって集光された光束を、導光部材４２を介して蛍光体４へ照射する。
【００９２】
導光部材４２は、たとえば、断面が多角形もしくは円形の筒状であり、金属製またはプラスチック製の内面全反射空洞パイプ、または、断面が多角形もしくは円形の棒状であり、境界面での全反射を利用したガラス製の内面全反射ロッドによって構成される。内面全反射型空洞パイプは、波長が４００ｎｍ〜４５０ｎｍの光を反射する反射メッキが内面に施されている。導光部材４２は、入射口の口径が出射口の口径よりも大きい。照明装置１４は、出射口の面積を入射口の面積よりも小さい面積とすることによって、製造誤差の許容量拡大と、より小面積の蛍光体４へのビーム照射とを可能としている。
【００９３】
図２３に示した照明装置１３および図２５に示した照明装置１４のいずれも、導光部材４１，４２での内面反射を最大入射角の光線が数回反射を繰り返す長さＬ３とすることによって、ホットスポットがさらに拡散され、均一な強度分布のハットトップ型の光束を蛍光体４に照射することが可能となる。
【００９４】
図２６は、導光部材４１および蛍光体４の拡大図である。図２６に示した導光部材４１では、複雑化するのを避けるために、光軸２０から上側半分の光束のみを示している。図２６に示すように、蛍光体４を板状に形成するのではなく、円錐または多角錐の形状とすることによって、光軸２０方向から見た見かけ上の発光面積を増やすことなく、蛍光体４を小面積とすることができる。円錐または多角錐の形状では、板状の蛍光体４に比べて、ランバーシアン散乱光を効率良くパラボラ反射板であるリフレクタ５に照射することが可能となり、照明装置１３，１４全体の発光効率を高めることができる。
【００９５】
さらに、円錐の形状とすることによって、リフレクタ５で最も効率の高い中心部の反射光を遮る面積が減少し、リフレクタ５で反射された反射光を有効に照射光６とすることが可能となる。円錐の形状の蛍光体４の底面の直径Ｓと高さＨとの比率、つまり「Ｈ／Ｓ」が大きくなるほど遮光量は減少するが、効率と蛍光体４のコストとを考慮して、上述した実施形態では、「Ｈ／Ｓ」として「１」〜「３」の比率を採用している。
【００９６】
上述した実施形態は、レーザ光源を利用した照明装置、たとえばスポット照明や車載用ヘッドライトなどの照明装置に応用することができる。レーザの出射パワープロファイルは、発光点の水平方向および垂直方向とも、通常、ガウシアン強度分布を有している。このガウシアン強度分布は、従来技術による光学部品によって集光した場合は、その強度分布が集光点にそのまま反映され、蛍光体４の耐久性を損なうことがある。
【００９７】
その他の分野においても、レーザの光束を集光して利用するような用途においては、ある空間範囲でパワーが均一であるビームが要求されることがある。ガウスビーム、つまりガウシアン強度分布のレーザビームのように、中央付近のみ強度が強いものではなく、ある範囲でパワーが均一であって、その外側ではパワーがゼロであるようなビーム強度が要求される。
【００９８】
上述した実施形態でのホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、トップハット型の強度分布を得るための光学部品である。このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、半導体レーザ１からの光束を、数平方ｍｍの蛍光体４に中央部の強度を均一にして照射することができる。したがって、このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、蛍光体４の耐久性を保ち、低コストでレーザ光の光束を蛍光体４に集光することができる。さらに、このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、蛍光体４での発光面積の少ない、高輝度かつ高効率の光束を生成することが可能であり、パラボラ形状のミラーであるリフレクタ５によって、遠方まで概ね平行な光束で照射することが可能な照明装置を実現することができる。
【００９９】
このように、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズ３３は、入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【０１００】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズ３からなる。そして、前記集光レンズ３は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【０１０１】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズ３１からなる。そして、前記集光レンズ３１は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【０１０２】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズ３２からなる。そして、前記集光レンズ３２は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い半導体レーザ１に対しても、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【０１０３】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光レンズ３２からなる。そして、前記集光レンズ３２は、入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い半導体レーザ１に対しても、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。
【０１０４】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズム３３からなる。そして、前記集光プリズム３３は、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される。したがって、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【０１０５】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズム３３からなる。そして、前記集光プリズム３３は、入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される。したがって、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【０１０６】
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ０となるように集光する集光プリズム３３からなる。そして、前記集光プリズム３３は、入射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の４角以上の多角錐形状で形成される。したがって、蛍光体４の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。
【０１０７】
さらに、ホモジナイザ装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材４１または導光部材４２とを含む。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体４のより小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。
【０１０８】
さらに、導光部材４２は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さい。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体４のさらに小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。
【０１０９】
さらに、照明装置１０〜１２は、前記ホモジナイザのうちのいずれか１つのホモジナイザと、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ１と、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体４と、蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状のリフレクタ５とを含む。したがって、照明装置１０〜１２は、遠方まで概ね平行な光束で照射することができる
【符号の説明】
【０１１０】
１  半導体レーザ
２  ハウジング
３，３１，３２  集光レンズ
４  蛍光体
５  リフレクタ
６  照射光
７  光束
１０〜１４  照明装置
１１，１３  ＮＦＰ
１２，１４  強度イメージ
２０  光軸
２３  ガウス像面
２４  最小錯乱円
３３  集光プリズム
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2013130835.tif 000020
【図１９】
2013130835.tif 000021
【図２０】
2013130835.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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