(57)【要約】【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から出射される光が照射される波長変換部３０とを備え、波長変換部３０で励起された蛍光と、波長変換部３０の表面側で反射された反射光とを組み合わせて照明光を生成する。波長変換部３０の表面側には、光源１０から出射される光が照射されるときのエネルギー密度が低い箇所ほど、光の入射角が小さくなる傾斜構造が設けられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
基準面を有し、前記光源から出射される光が照射される蛍光体と、を備え、
前記蛍光体で励起された蛍光と、該蛍光体の表面側で反射された反射光とを組み合わせて照明光を生成する照明装置であって、
前記蛍光体の表面側に、前記光源から出射される光が照射されるときのエネルギー密度が低い箇所ほど、該光の入射角が小さくなる傾斜構造が設けられていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１に記載の照明装置において、
前記光源の光軸は、前記蛍光体の基準面に垂直な垂直軸と所定の傾斜角度で交差していることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の照明装置において、
前記傾斜構造は、前記蛍光体の表面側を加工して形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の照明装置において、
前記蛍光体の表面側に設けられて、前記光源から出射される光が透過する透過部材を備え、
前記傾斜構造は、前記透過部材の表面側を加工して形成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の照明装置において、
前記光源を少なくとも２以上備え、
各光源は、該各光源から出射される光が照射されるときのエネルギー密度が所定値以下となる照射範囲が重なるように配置されている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、光源と蛍光体とを組み合せた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
例えば、特許文献１の光源装置では、レーザダイオードのレーザ光が蛍光層に向けて出射されるが、蛍光層の表面側には、三角形の斜面構造が複数形成された光透過層が設けられている。
【０００４】
そして、レーザ光の光透過層への入射角度がブリュースター角θb±１０度となるような斜面構造を形成することで、レーザ光のｐ偏光の反射を低減させ、レーザ光が直接外部に出ていくことを防止している。
【０００５】
これにより、蛍光層で励起された黄色光と、蛍光層の裏面側の反射性基板で反射されたレーザ光（青色光）とを組み合せて、人間の目に害のない白色光を出力することが可能な光源装置を実現している（段落００２５，００３１，００３４，図１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０４１４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の蛍光層へのレーザ照射方法は、光源と蛍光層とがある程度離れて配置され、レーザ光が蛍光層の垂直方向から傾斜させて照射される場合には、蛍光層に照射されるレーザ光のエネルギー密度に差があることから、輝度むらや色むらが生じる原因となっている。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の照明装置は、光源と、基準面を有し、前記光源から出射される光が照射される蛍光体と、を備え、前記蛍光体で励起された蛍光と、該蛍光体の表面側で反射された反射光とを組み合わせて照明光を生成する照明装置であって、前記蛍光体の表面側に、前記光源から出射される光が照射されるときのエネルギー密度が低い箇所ほど、該光の入射角が小さくなる傾斜構造が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、光源から出射される光が蛍光体に照射されて、蛍光（黄色光）が励起される。また、蛍光体の表面側で反射される光（青色光）もあり、蛍光と組み合わされて照明光（白色光）となる。
【００１１】
光源から出射された光は、光軸から離れるほどエネルギー密度が低くなるが、本発明の構成では、蛍光体の表面側に光が照射されるときのエネルギー密度に応じて入射角が変化する傾斜構造が設けられている。特に、エネルギー密度が低い箇所ほど入射角が小さくなる傾斜面を形成することで、蛍光体の各領域で発生する蛍光や反射光の量を均一化することができる。
【００１２】
本発明の照明装置において、前記光源の光軸は、前記蛍光体の基準面に垂直な垂直軸と所定の傾斜角度で交差していることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、光源の光軸は、蛍光体の基準面（蛍光体から傾斜構造を取り除いた平面）と所定の傾斜角度で交差しているので、光源からの光は、蛍光体の基準面に斜めに入射する。これにより、前記傾斜構造によって、光の蛍光体への入射角に変化を持たせることができる。
【００１４】
また、本発明の照明装置において、前記傾斜構造は、前記蛍光体の表面を加工して形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の傾斜構造は、蛍光体自体の表面に形成されているので、少ない部材で照明光が得られる照明装置を作ることができる。
【００１６】
また、本発明の照明装置において、前記蛍光体の表面側に設けられて、前記光源から出射される光が透過する透過部材を備え、前記傾斜構造は、前記透過部材の表面側を加工して形成されてもよい。
【００１７】
この構成によれば、傾斜構造が形成された透過部材（例えば、ガラス材料）を、蛍光体の表面側に設けているので、透過部材の屈折率に応じた透過光及び反射光が生じる。また、透過部材を透過した透過光は、蛍光体に到達して蛍光が励起されるので、透過部材の反射光と組み合わせて照明光を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の照明装置において、前記光源を少なくとも２以上備え、各光源は、出射される光のエネルギー密度が所定値以下となる照射範囲が重なるように配置されていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、各光源から出射される光のエネルギー密度に差が生じるが、エネルギー密度が所定値以下となる照射範囲が重なるように光源を配置することで、輝度の小さい部分を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】図１の照明装置のＡ−Ａ線の断面図（正面視）。
【図３】(ａ)光源から出射される光とエネルギー密度を説明する図（入射角０°）と、(ｂ)光源から出射される光とエネルギー密度を説明する図（入射角４５°）。
【図４Ａ】蛍光体層に形成された傾斜構造を説明する図。
【図４Ｂ】光透過層に形成された傾斜構造を説明する図。
【図５】蛍光体層へ入射したレーザ光の透過及び反射を説明する図。
【図６】蛍光体層（ＹＡＧ）の入射角に対する反射率、透過率の関係を示す図。
【図７】２つの光源から出射される光とエネルギー密度を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図１に示されるように、光源１０と波長変換部３０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。
【００２４】
光源１０は、内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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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の上面から傾斜構造を取り除いた平面）に垂直な垂直軸（図中の破線）に対して角度αだけ傾けた状態で配設している。
【００２９】
レーザダイオード１０ａ，１０ｂは、図示する位置に限定されず、任意の角度で配設することができる。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。
【００３０】
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部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部５０ｂが設けられている。開口部５０ａ，５０ｂを通過したレーザ光は、それぞれリフレクタ５０内部にある波長変換部３０を照射する。
【００３１】
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、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋（ＹＡＧ）、（Ｓｉ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋、Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋等の黄色蛍光体を用いることができる。
【００３２】
詳細は後述するが、波長変換部３０を構成する蛍光体層３０ａは、その表面に斜面構造が形成されている。蛍光体層３０ａの表面側にはレーザ光が照射されるが、斜面構造を構成する傾斜面と入射するレーザ光のなす角度がおおよそ垂直（入射角０°）となるような傾斜面が形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、図３を参照して、光源１０から出射された光を波長変換部３０に照射した場合の光のエネルギー密度について説明する。
【００３７】
図３（ａ）に示されるように、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、エネルギー密度は光軸に近い部分が最も高く（濃い色の円）、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（薄い色の円）。この場合、レーザ光のエネルギー密度は、レーザ光の光軸をピークとしたガウシアン分布となっている。
【００３８】
一方、実施形態の照明装置１では、光源１０の光は、斜め方向から波長変換部３０に入射する（図２参照）。図３（ｂ）は、入射角を４５°とした場合である。光源１０の光軸に近い部分はエネルギー密度が高く、光軸から離れるにつれてエネルギー密度が低くなる点は同じであるが、その分布は楕円状となる。
【００３９】
次に、図４Ａ，図４Ｂを参照して、波長変換部３０の傾斜構造について説明する。
【００４０】
実施形態の照明装置１は、２つのレーザダイオード１０ａ，１０ｂで構成されている（図２参照）。そして、蛍光体層３０ａの表面には、蛍光体層３０ａ中央の垂直軸（図中の破線）を対称とした傾斜面が形成されている。
【００４１】
また、図４Ａ中の矢印は、蛍光体層３０ａに照射されるレーザ光を示している。レーザ光は、蛍光体層３０ａの基準面（１点鎖線）に対して、斜め方向に入射する。なお、レーザ光は平行光であるが遠方まで伝搬すると僅かにビーム径が拡大し、入射角が変化する。
【００４２】
図４Ａに示されるように、レーザダイオード１０ａ，１０ｂとの距離が近い部分（蛍光体層３０ａの端部）では傾斜面の角度を緩く、距離が離れるにつれて傾斜面の角度を大きく加工している。なお、このような構造を形成するためには、ＹＡＧと透明粒子であるＡｌ２Ｏ３（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。
【００４３】
図４Ｂに示されるように、波長変換部３０は、平面状の蛍光体層３０ａ’の表面側に、光透過層３０ｂを設けた構造としてもよい。光透過層３０ｂは、レーザ光が照射される面に形成された斜面構造によってレーザ光の反射や透過を制御すると共に、入射したレーザ光を拡散させて蛍光体層３０ａに到達させる機能を持つ。
【００４４】
すなわち、光透過層３０ｂは、レーザ光を透過しつつ拡散する機能を持つ材料からなることが望ましく、具体的には、ガラスやセラミックス等を用いることができる。なお、この場合のレーザ光の反射率及び透過率は、光透過層３０ｂを構成する材料の屈折率に依存する。
【００４５】
蛍光体層３０ａと光透過層３０ｂとは、シリコーン樹脂のような接着剤で接合されていてもよいし、蛍光体層３０ａを構成するセラミック材料と光透過層３０ｂを構成するセラミック材料とが発光元素の有無を除き共通する場合には、焼成後に両者を一体成形して製造することも可能である。
【００４６】
蛍光体層３０ａ及び光透過層３０ｂの厚みは、照明装置１の規模や用途によって異なる。例えば、波長変換部３０の大きさが２ｍｍ×２ｍｍ程度の場合、蛍光体層３０ａは数１０μｍ〜５００μｍ程度である。光透過層３０ｂの厚みは、蛍光体層３０ａとの接合面から光出射面の斜面構造の最も高い位置までの厚みが、１００μｍ〜１ｍｍ程度である。
【００４７】
次に、図５，図６を参照して、蛍光体層３０ａへ入射するレーザ光の入射角と、その反射及び透過について説明する。なお、図５では、蛍光体層３０ａの表面を平面状に描いている。
【００４８】
まず、図５，図６のＴｐ，Ｔｓは、それぞれ入射光（レーザ光）のエネルギー透過率のｐ偏光、ｓ偏光を示している。ｐ偏光とは、電磁波である光が屈折率の異なる界面に入射したとき、電界の振動方向が入射面と垂直になる偏光であり、ｓ偏光とは、電界の振動方向が入射面と平行になる偏光である。
【００４９】
図６のＴｐ，Ｔｓの曲線は、大気（屈折率ｎ１＝１．０）から蛍光体層３０ａの蛍光体ＹＡＧ（屈折率ｎ２＝１．８２）へ入射したレーザ光が蛍光体層３０ａを透過する割合（透過率）を示しており、プロットした各値はエネルギー透過率を表すフレネルの式から算出される。
【００５０】
次に、図５，図６のＲｐ，Ｒｓは、それぞれ入射光のエネルギー反射率のｐ偏光、ｓ偏光を示している。図６のＲｐ，Ｒｓの曲線は、大気から蛍光体層３０ａ（ＹＡＧ）へ入射したレーザ光が、蛍光体層３０ａの表面で反射する割合（反射率）を示している。
【００５１】
図６によれば、入射角αが０°のとき、Ｒｐ，Ｒｓは共に約１０％であり、入射角αを大きくしていった場合、Ｒｓは緩やかに増加していくことが分かる。一方、入射角αを大きくしていった場合、Ｒｐは緩やかに減少し、６０°付近で一度０％となった後、急激にＲｐが増加していくことが分かる。Ｒｐが０％となるのは、入射角αがブリュースター角に一致するためである。
【００５２】
図５の状態において、スネルの法則の関係式
ｎ１ｓinα＝ｎ２sinβ  ・・・（式１）
に、入射角αがブリュースター角θBのときの関係式
θB＋β＝π／２  ・・・（式２）
と、ｎ１＝１．０，ｎ２＝１．８２を適用すると、
θB＝tan−１(１．８２)  ・・・（式３）
となり、ブリュースター角θBが６１．２°と算出される。
【００５３】
レーザ光の蛍光体層３０ａへの入射角は、一定にする必要はない。詳細は後述するが、蛍光体層３０ａのうち、レーザ光のエネルギー密度が低い部分は入射角が小さくなる傾斜面とし、エネルギー密度が高くなるにつれて入射角が大きくなるようにする。
【００５４】
最後に、図７を参照して、レーザダイオード１０ａ，１０ｂから出射されたレーザ光を蛍光体層３０ａに照射した場合のエネルギー密度について説明する。
【００５５】
特に、レーザダイオード１０ａ，１０ｂを近接させて配置した場合、レーザ光のエネルギー密度の低い領域が重なり合うので、２つのレーザダイオード１０ａ，１０ｂの間の領域についても、配光する際に、ある程度高い輝度を確保することができる。
【００５６】
レーザ光のエネルギー密度は、レーザ光の光軸をピークとしたガウシアン分布となるので、例えば、エネルギー密度がピーク値の５０％以下となる照射領域が互いに重なり合うように、レーザダイオード１０ａ，１０ｂを配置することが好ましい。
【００５７】
また、図７に示されるように、蛍光体層３０ａは、２つのレーザダイオードの中心に対して対称の傾斜構造となっている。そして、蛍光体層３０ａの中心付近では、レーザダイオード１０ａ，１０ｂの双方から傾斜面にレーザ光が入射している。
【００５８】
ここでは、レーザダイオード１０ａ，１０ｂと蛍光体層３０ａの距離が比較的短い場合における、全て平行な入射光となっている。蛍光体層３０ａは、光のエネルギー密度が高い、レーザダイオード１０ａ，１０ｂの光軸に近づくほど傾斜面の角度が緩やかになるので、入射角が大きくなって蛍光体層３０ａの表面で反射される光が多くなる。その結果、入射角が小さい（例えば、入射角０°）場合と比較すると、励起される蛍光が少なくなる。
【００５９】
一方、光軸から離れ、光のエネルギー密度が低くなるほど傾斜面の角度が大きくなるので、入射角が小さくなり、０°に近づく。すなわち、蛍光体層３０ａに入射する光が多くなって、励起される蛍光が多くなる。
【００６０】
換言するならば、エネルギー密度が高い領域ほど励起される蛍光の量が少なく、エネルギー密度が低い領域ほど励起される蛍光の量が多くなる。従って、励起される蛍光の量は蛍光体層３０ａの各領域で均一化され、配光する場合に輝度むらが低減される。
【００６１】
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。
【００６２】
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。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。
【００６３】
また、波長変換部３０の傾斜構造について、傾斜面の表面を粗く加工してもよい。表面を粗化することで表面積が増加し、レーザ光が入射した場合に蛍光及び反射光が効率的に得られる。
【符号の説明】
【００６４】
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，３０ａ’…蛍光体層、３０ｂ…光透過層、４０…反射性基板、５０…リフレクタ、５０ａ，５０ｂ…開口部、６０…集光レンズ、７０…ミラー部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
2017224528.tif 000009
【図７】
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