CN110160001A - 照明装置以及车辆用灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照明装置以及车辆用灯具。照明装置包括：激光光源(20)，其射出激光(L1)；均化光学元件(30)，其具有光束分割部(40)和光束重叠部(50)，所述光束分割部(40)与激光光源(20)相对配置，在面(P1)内将激光(L1)分割成多个分割激光(L2(k1，h1)等)，并使所述多个分割激光的行进方向相互不同，所述光束重叠部(50)与光束分割部(40)形成为一体，使所述多个分割激光在相互共有的照射区域(RA)重叠；以及荧光体(60)，其与均化光学元件(30)相对配置，被由光束重叠部(50)重叠在照射区域(RA)的所述多个分割激光激励而发出荧光。

Description

照明装置以及车辆用灯具
本申请基于2018年2月13日申请的日本专利申请第2018-023235号而要求优先权，并将其内容引用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及照明装置以及车辆用灯具。
背景技术
近些年来，研究将照明装置用作车辆用灯具，该照明装置将从激光光源射出的激光向荧光体照射而变换为白色光，并向车辆的前方照射白色光。一般情况下，已知若向荧光体照射强度比规定强度高的光，则会发生荧光体的温度猝灭以及亮度饱和。基于这种情况，在前述的照明装置中，在激光光源与荧光体之间使激光的能量强度分布(以下，还有时简称为“强度分布”)在与光轴垂直的方向上变得均匀，整形为所谓的顶帽(Top Hat)型。通过将激光的强度分布整形为顶帽型，从而不会大幅降低激光的利用效率而能够将激光的峰强度抑制在规定的强度以下。
例如，在日本专利第6067629号中，作为可在车辆用灯具中使用的照明装置，公开了如下的照明装置，其具有：发出相干光的激光元件；将从激光元件出射的激光的强度分布变换为顶帽分布的光学棒；将从光学棒射出的激光照射到与出射面处于共轭关系的共轭面的透镜；以及配置于共轭面的荧光体。并且，在日本特开2014-130200号中公开了在投影装置(照明装置)中用于使从激光光源出射的光的强度分布变得均匀(成为所谓的顶帽型)的微透镜阵列。
在日本专利第6067629号所记载的照明装置中，激光入射到棒状透镜等光学棒，激光在光学棒的内壁上反复反射，由此使得光学棒的发射面上的激光的强度分布被整形为顶帽型。但是，每当激光在光学棒的内壁上反射时，都会发生激光的损失和吸收。光学棒的长度越长，则出射面上的激光的强度分布越接近理想的顶帽型，但是被光学棒的内壁吸收的激光会增加而导致效率下降。并且，由于激光从光学棒的出射面以较大的发射角射出，因此激光入射到比光学棒的出射面靠后段的透镜或荧光体的入射效率容易下降。即，在日本专利第6067629号所记载的照明装置中，存在激光的利用效率低的问题。
为了对日本专利第6067629号所记载的照明装置中的激光的利用效率的降低进行抑制，可以考虑增大光学棒或透镜的直径。但是，若增大光学棒或透镜的直径，则照明装置会变得大型化，并且照明装置的重量大幅增加，很难适用于以车辆用灯具为代表的各种装置。即，在日本专利第6067629号所记载的照明装置中，若想抑制激光的利用效率的降低，则会存在照明装置变得大型的问题。
并且，为了对日本专利第6067629号所记载的照明装置中的激光的利用效率的降低进行抑制，需要在从激光光源出射的激光的光轴上将光学棒、透镜以及荧光体分别正确地配置在规定的位置处。而且，需要分别高精度地对光学棒、透镜以及荧光体进行定位以及对准。即，日本专利第6067629号所记载的照明装置存在需要高精度的对准机构、不易通过封装制造来进行制造且花费制造成本的问题。
并且，为了将激光的强度分布整形为顶帽型，还考虑使用日本特开2014-130200号所记载的微透镜阵列。在该情况下，所入射的激光被微透镜阵列分割成多个，并分别从多个微透镜以大致一定的发射角出射。由于从各个微透镜出射的激光为多个，并且局部重叠而投影到投影面，因此投影面上的激光的强度分布变得均匀。
但是，在日本特开2014-130200号所记载的微透镜阵列中，在与光轴垂直的方向上会发生强度从强度分布被整形为顶帽型之后的激光的照射区域的中央向两端逐渐减小的现象(拖尾)。不仅在照射区域内发生所谓的色度不均或色分离，而且强度变得均匀的部分的比例减小，其结果是导致激光的利用效率下降。
发明内容
本发明的方式提供在使从激光光源出射的激光的强度分布变得均匀时，能够提高激光的利用效率且容易实现小型化以及制造成本的降低的照明装置以及包括该照明装置的车辆用灯具。
根据本发明的一个方式，提供一种照明装置，其包括：光源部，其射出激光；均化光学元件，其具有光束分割部和光束重叠部，所述光束分割部与所述光源部相对配置，将从所述光源部出射的所述激光在与光轴垂直的面内分割成多个分割激光，并使所述多个分割激光的行进方向互不相同，所述光束重叠部与所述光束分割部一体形成，使从所述光束分割部出射的所述多个分割激光在相互共有的第1照射区域重叠；以及荧光体，其与所述均化光学元件相对配置，被由所述光束重叠部重叠在所述第1照射区域的所述多个分割激光激励而发出荧光。
在本方式的照明装置中，从光源部扩散并出射的激光的光束被光束分割部在与激光的光轴垂直的面内分割成两端之间的强度差较小的分割激光。这些多个分割激光由光束重叠部而在相互共有的第1照射区域重叠，由此能够抑制拖尾的发生，获得顶帽型强度分布的激光。并且，如前述那样，通过使用单一的均化光学元件，无需高精度的对准机构，能够进行封装制造，并且容易实现照明装置的小型化以及制造成本的降低。
并且，在上述照明装置中，优选所述光束分割部由多个微透镜部构成，各个所述微透镜部是朝向所述光源部凸出的凸透镜。
根据上述结构，从光源部出射的激光分别通过多个微透镜部而分割成从各微透镜部扩散的分割激光。因而，即使在位于重叠区域的荧光体的激励面比微透镜部的开口面大的情况下，也能够抑制拖尾的发生，并且能够抑制均化光学元件与荧光体之间的距离，容易实现照明装置的小型化。
在本说明书中，荧光体的“激励面”包含分割激光以重叠方式所照射的荧光体的所有照射面，按照荧光体的原料或结构等，可以是荧光体的表面，也可以存在于荧光体的内部。
并且，在上述照明装置中，优选从所述光源部出射并到达所述光束分割部时的所述激光的与所述光轴垂直的照射区域呈椭圆形状，所述多个微透镜部配置成在照射区域内以所述椭圆形状的长轴以及短轴中的至少任一轴为中心具有对称性。
根据上述结构，位于相互对称的位置的微透镜部中的一方的微透镜部的投影像的强度分布由另一方的微透镜部的投影像的强度分布补充，提高了在相互共有的照射区域生成的激光的强度分布的均匀性。
并且，在上述照明装置中，优选从所述激光的入射侧观察的所述微透镜部的形状与从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面的形状相似。
根据上述结构，在第1照射区域生成的激光的照射范围与荧光体的激励面的形状大体一致，从激光光源出射的激光能够高效地照射到荧光体。
并且，在上述照明装置中，优选所述光束重叠部由朝向所述荧光体凸出的单一的非球面透镜部构成。
根据上述结构，通过按照从光源部出射的激光相对于光轴的发射角、分割激光的倍率等设计参数来设计非球面透镜部，从而多个分割激光高效地与位于第1照射区域的荧光体的激励面重叠。由此，强度分布在第1照射区域内整形为顶帽型的激光的强度得到进一步提高。
并且，在上述照明装置中，优选从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面呈长方形状，从所述激光的入射侧观察的所述微透镜部呈与所述激励面的长方形状相似的长方形状，从所述光源部出射并到达所述光束分割部时的所述激光的与所述光轴垂直的第2照射区域呈椭圆形状，从所述激光的入射侧观察时，所述第2照射区域的椭圆形状的长轴和所述微透镜部的长边所形成的夹角为45°以上且90°以下。
根据上述结构，照射到第1照射区域外的激光变少，由光束重叠部50而使得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光照射到荧光体60的激励面60s。
并且，在上述照明装置中，也可以构成为，在与所述光轴垂直的方向上设置有多个所述光源部，所述光源部具有激光光源和与该激光光源连结的光纤。
根据上述结构，通过设置有多个光源部，激光按照光源部的数量而实现高亮度化，因此能够向荧光体照射高亮度的激光，并且从荧光体60发出更强的荧光。
并且，在上述照明装置中，优选所述光束分割部由多个微透镜部构成，从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面呈长方形状，从由多个所述光源部出射的所述激光的入射侧观察的所述微透镜部呈与所述激励面的长方形状相似的长方形状，从由多个所述光源部出射的所述激光的入射侧观察时，多个所述光源部的排列方向和所述微透镜部的长边所形成的夹角为45°以上且90°以下。
根据上述结构，与从单一激光的入射侧观察时的第2照射区域的形状为椭圆形的情况同样地，照射到第1照射区域外的激光变少，由光束重叠部50而使得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光照射到荧光体60的激励面60s。
根据本发明的一个方式，提供一种包括上述照明装置的车辆用灯具。
根据本方式的车辆用灯具，由于包括上述照明装置，因此可提高来自激光光源的激光的利用效率，容易实现小型化以及制造成本的降低。
根据本发明的方式，能够提供一种提高激光的利用效率且容易实现小型化以及制造成本的降低的照明装置以及车辆用灯具。
附图说明
图1是示出第1实施方式的车辆用灯具的概略结构的侧视图。
图2是示出第1实施方式的照明装置的概略结构的侧视图。
图3是图2所示的照明装置的激光光源的后视图。
图4是图2所示的照明装置的光束分割部以及荧光体的主视图。
图5是示出多个分割激光在图2所示的照明装置的荧光体的激励面上的照射区域重叠的状态的示意图。
图6是示出照射到荧光体的激光的强度分布的示意图。
图7是第1实施方式的照明装置的荧光体的侧视图。
图8是示出第2实施方式的照明装置的概略结构的侧视图。
图9是图8所示的照明装置的光束分割部的主视图，并且是示意性地示出照射到光束分割部的激光的照射区域以及强度分布的图。
图10A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第1图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图10B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第1图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图10C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第1图，示出了在图10B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图11A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第2图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图11B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第2图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图11C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第2图，示出了在图11B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图12A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第3图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图12B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第3图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图12C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第3图，示出了在图12B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图13A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第4图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图13B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第4图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图13C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第4图，示出了在图13B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图14A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第5图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图14B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第5图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图14C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第5图，示出了在图14B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图15A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第6图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图15B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第6图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图15C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第6图，示出了在图15B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
图16A是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第7图，示出了光束分割部以及照射到光束分割部的激光的照射区域。
图16B是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第7图，示出了第1照射区域内的激光的二维强度分布。
图16C是对实施例的照明装置所生成的激光进行说明的第7图，示出了在图16B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式的照明装置以及车辆用灯具进行说明。以下说明的实施方式仅为一例，可应用本发明的实施方式并不限定于以下的实施方式。另外，在所有附图中，对于具有相同功能的部分使用同一标号，并省略重复说明。
(第1实施方式)
图1是示出本实施方式的车辆用灯具100的概略结构的侧视图。在对车辆用灯具100进行说明所使用的附图中，有时将XYZ坐标系用作三维直角坐标系。以下，在XYZ坐标系中，X轴方向是搭载车辆用灯具的车辆左右方向，Y轴方向是车辆上下方向，Z轴方向是车辆前后方向。
如图1所示，第1实施方式的车辆用灯具100包括：发出所期望的颜色和强度的光的照明装置10；用于将从照明装置10发出的光向Z轴方向的前侧(图1的纸面左侧)照射的反射器115；遮光器117；以及投影透镜119。
本实施方式的照明装置10包括生成白色光的荧光体60。在后文对照明装置10的详细的结构进行叙述。
反射器115相对于荧光体60设置在上方侧，具体地说，与在荧光体60中较强地射出白色光WL的荧光面60f相对。反射器115具有使来自荧光体60的白色光WL向Z轴方向的前侧聚光并反射的反射面115a。
反射面115a包含以投影透镜119的入射侧焦点F2和荧光面60f的中心F1为焦点的椭圆面。该椭圆面呈使来自中心F1的光朝向入射侧焦点F2附近反射的形状。
反射器115具有透射孔116。透射孔16是用于以下用途的孔：例如在荧光体60或照明装置10从规定的位置脱落而来自荧光体60的激励光源(为后述的激光光源20，例如半导体激光器等)的较强的光线不变换成白色光WL而直接出射等情况下，使较强的光线透射而从白色光WL的行进路分离。
遮光器117屏蔽并限制来自荧光体60或反射器115的白色光WL的一部分，并且向Z轴方向的前侧反射。具体地说，遮光器117在比荧光体60靠Z轴方向的前侧的位置沿X轴方向以及Z轴方向延伸。遮光器117包含：位于投影透镜119的入射侧焦点F2的附近的前端缘117a；以及从前端缘117a向Z轴方向的后侧延伸的反射面117c。
前端缘117a对来自荧光体60或反射器115的白色光WL的一部分进行遮光，由前端缘117a的边沿形状形成会车用射束的配光图案中的明暗截止线。反射面117c是从前端缘117a向沿光轴119C的方向(即，Z轴方向)的后侧延伸的面，向Y轴方向的上侧反射来自荧光体60以及反射器115的白色光WL。
投影透镜119设置于反射器115的Z轴方向的前侧，向前侧照射来自荧光体60或反射器115的白色光WL。在本实施方式中，投影透镜119配置成向Z轴方向的前侧照射包含由遮光器117规定的形状的配光图案。投影透镜119具有入射面119a和出射面119b。从荧光体60直接到达或反射到达入射侧焦点F2的附近的光被投影透镜119投影到Z轴方向的前侧。
在投影透镜119中沿Y轴方向的截面形成为将通过入射侧焦点F2而在Y轴方向上以不同的角度入射到入射面119a的光作为平行光线射出。在投影透镜119中沿X轴方向的截面形成为将通过入射侧焦点F2而在X轴方向上以不同的角度入射到入射面119a的光作为平行光线射出。
在具有上述结构的车辆用灯具100中，从荧光体60出射的白色光WL中的入射到反射器115的比透射孔116靠Z轴方向的前侧的反射面115a的白色光WL1通过比入射侧焦点F2靠Y轴方向的上侧的位置，向入射侧焦点F2的Z轴方向的前侧照射，并入射到比投影透镜119的光轴119C靠下侧的位置。
另一方面，在具有上述结构的车辆用灯具100中，从荧光体60出射的白色光WL中的入射到反射器115的比透射孔16靠Z轴方向的后侧的后部反射面116a的白色光WL2被遮光器117的反射面117c反射，到达比投影透镜119的光轴119C靠上侧的位置。因而，根据车辆用灯具100，从投影透镜119出射的白色光WL1、WL2在设定于未图示的车辆的前方25m处的假想屏幕上形成在上端具有规定的明暗截止线形状的配光图案。
另外，图1所示的车辆用灯具100是包括照明装置10的车辆用灯具的一个方式，包括照明装置10的车辆用灯具并不限定于图1所示的车辆用灯具100。作为照明装置10以外的车辆用灯具的结构，能够应用任意的结构。
接着，对第1实施方式的照明装置10A进行说明。作为第1实施方式的车辆用灯具100的照明装置10，使用照明装置10A。图2是示出本实施方式的照明装置10A的概略结构的侧视图。在对照明装置10A进行说明时使用的附图中，有时将xyz坐标系用作三维直角坐标系。以下，在xyz坐标系中，x轴方向是照明装置10A的左右方向，y轴方向是照明装置10A的上下方向，z轴方向是在照明装置10A中沿从激光光源20出射的激光L1的行进路的前后方向。
如图2所示，本实施方式的照明装置10A包括光源部15、均化光学元件30以及荧光体60。
光源部15是能够射出以光轴为中心扩散的激光L1的结构。第1实施方式的光源部15由激光光源20构成。
激光光源20是荧光体60的激励光源，从出射面20e射出以光轴20C为中心扩散的激光L1。激光光源20的种类并无特别限定，但是在与激光光源20的z轴方向垂直的面内(即，包含x轴方向以及y轴方向的面内)的强度分布为高斯型的情况下，后述的均化光学元件30的作用效果可被大幅发挥。发出高斯型强度分布的激光L1的激光光源20例如有端面发光型的半导体激光器、垂直共振器面发光激光器(VCSEL：Vertical CavitySurface EmittingLASER)、光子晶体激光器(PCSEL：Photonic Crystal Surface-Emitting SemiconductorLaser)等。以下，在本实施方式中，将激光光源20设想为端面发光型的半导体激光器来进行说明。
图3示出了激光光源20的出射面20e、出射面20e的射束形状、所谓近场区域内的激光L0的射束形状以及在从出射面20e出射后向z轴方向的前侧传播了规定距离的所谓远场区域内的激光L1的射束形状。如图3所示，激光光源20如公知技术那样具有：由p型半导体等构成的包覆层21；由n型半导体等构成的包覆层22；以及在Y轴方向上被夹在包覆层21与包覆层22之间的活性层23。出射面20e是活性层23的z轴方向的前侧的端面。刚从出射面20e出射后的激光L0的射束形状为长轴与x轴方向平行并且短轴与y轴方向平行的长方形状。另一方面，从出射面20e传播至远场区域的激光L1的射束形状为长轴与y轴方向平行并且短轴与x轴方向平行的椭圆形状。
如图2所示，均化光学元件30具有：在比激光光源20靠z轴方向的后侧的位置与激光光源20相对配置的光束分割部40；以及在比荧光体60靠z轴方向的后侧的位置与荧光体60相对配置的光束重叠部50。光束重叠部50与光束分割部40一体形成。
光束分割部40将从出射面20e(激光光源20)以光轴20C为中心扩散并出射的激光L1在与光轴20C垂直的面P1内分割成多个分割激光L2。在光束分割部40中，激光L1在规定的面P1内被局部切割，在规定的面P1内的任意的方向(例如，x轴方向以及y轴方向)上被分割成两端之间的强度差较小的分割激光L2。激光L1入射到光束分割部40的入射方向以及入射角度根据规定的面P1内的位置而互不相同，因此多个分割激光L2的行进方向互不相同。
图4是从z轴方向的后侧观察光束分割部40以及荧光体60的图。如图4所示，本实施方式的光束分割部40由多个微透镜部M构成，该多个微透镜部M以彼此相邻的方式排列在x轴方向以及y轴方向上。以下，如图4所示，多个微透镜部M的列的序数随着从x轴方向的后侧向前侧(从图4的纸面的左侧向右侧)而增加。并且，多个微透镜部M的行的序数随着从y轴方向的前侧向后侧(从图4的纸面的上侧向下侧)而增加。在图4中，将第k行且第h列的微透镜部M表示为微透镜部M(k，h)。k、h(以及用下标对k、h标注自然数的标记)均为自然数。并且，在图1中，将从微透镜部M(k，h)出射的分割激光L2表示为分割激光L2(k，h)。在本说明书中，在对多个微透镜部M(1，1)……、M(k，h)中共同的内容进行说明时，将微透镜部M(1，1)……、M(k，h)统称为“微透镜部M”。
并且，在对多个分割激光L2(1，1)……、L2(k，h)中共同的内容进行说明时，将分割激光L2(1，1)……、L2(k，h)统称为“分割激光L2”。
在规定的面P1内的激光L1的照射范围(第2照射区域)RB内包含的微透镜部M的数量越多，则激光L1被分割得越细而越平均化。如前述那样，基于激光光源20是端面发光型的半导体激光器，优选多个微透镜部M收纳在激光L1的照射范围RB的长轴S1以及短轴S2的范围内。具体地说，优选至少2个以上的微透镜部M收纳在长轴S1以及短轴S2的各轴的范围内，例如优选在该范围内收纳3个以上且10个以下的微透镜部M。
微透镜部M是朝向激光光源20凸出的凸透镜。从作为凸透镜的微透镜部M出射的分割激光L2从规定的面P1向z轴方向的后侧扩散(参照图2)。由此，微透镜部M对向荧光体60照射的分割激光L2的形状以及强度分布进行整形。即，微透镜部M在规定的面P1内局部切割激光L1，在规定的面P1的任意的方向上减小分割激光L2的两端之间的强度差。与此同时，微透镜部M在x轴方向以及y轴方向上扩展分割激光L2，有效地抑制在由光束重叠部50重叠多个分割激光L2时发生的拖尾。
在从z轴方向的后侧向前侧主视观察(以下，简称为“主视观察”)时，微透镜M的形状被光束重叠部50投影到荧光体60的激励面60s，与照射到包含激励面60s的规定的面P2上并且由多个分割激光L2重叠而成的激光L3的形状相似。即，从激光L1的入射侧观察时的微透镜部M的形状与从分割激光L2的入射侧观察的荧光体60的激励面60s的形状相似。
在照明装置10A中，主视观察时，优选均匀的激光L3照射到荧光体60的整个激励面60s上。即，优选在规定的面P2上的激光L3照射范围与激励面60s大体一致。在本实施方式中，假设激励面60s具有长边与x轴方向平行并且短边与y轴方向平行的长方形状。从激光L3的照射范围与激励面60s的形状大体一致的观点来看，优选在主视观察时多个微透镜部M的形状与激励面60s的形状相似。具体地说，多个微透镜部M的形状是彼此相同、长边Ma与x轴方向平行并且短边Mb与y轴方向平行、并且与激励面60s的形状相似的长方形状。
详细地说，在考虑到激光光源20的物理参数、出射面20e的形状、激光L1的发射角度等的情况下，以满足前述的优选条件的方式来适当设定各个微透镜部M的大小。
优选多个微透镜部M以在激光L1在规定的面P1内的照射范围内具有对称性的方式配置。如前述那样，分别入射到多个微透镜部M的激光L1的强度差比入射前的激光L1整体的强度差小。因此，如图4所示，只要将多个微透镜部M配置成在激光L1在规定的面P1内的照射范围RB内以长轴S1以及短轴S2为中心呈线对称且点对称，则位于相互对称的位置(即，等效的位置)的微透镜部M中的一方的微透镜部M的投影像的强度分布会被另一方的微透镜部M的投影像的强度分布补充，使得激光L3的强度分布的均匀性提高。配置成在激光L1在规定的面P1内的照射范围RB内以长轴S1以及短轴S2为中心呈线对称且点对称的微透镜部M的组合越多，则激光L3的强度分布的均匀性越高，但是只要至少以长轴S1以及短轴S2中的至少一方为中心具有对称性的方式来配置多个微透镜部M，激光L3的强度分布的均匀性即良好，属于优选情况。
如本实施方式那样，包括在规定的面P1上的激光L1的照射区域RB具有长轴S1以及短轴S2的情况在内，在照射区域RB具有各向异性的情况下，优选在主视观察时，长轴S1或基于各向异性而相当于长轴的轴向(即，强度分布最广的轴向)和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角为45°以上且90°以下，更优选为67.5°以上且90°以下，最优选长轴S1或基于各向异性而相当于长轴的轴向与微透镜部M的长边Ma垂直。如前述那样，若长轴S1或基于各向异性而相当于长轴的轴向相对于微透镜部M的长边Ma被适宜地配置，则照射到照射区域RA外的分割激光L2变少，由后述的光束重叠部50使得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光照射到荧光体60的激励面60s。
另外，还可以代替多个微透镜部M，而由在x轴方向以及y轴方向上具有相互不同的倍率的多个畸变透镜部构成光束分割部40。在使用多个畸变透镜部的情况下，即使畸变透镜部的主视观察时的形状是正方形，也能够将多个分割激光L2的投影像整形为与如图4所示那样在主视观察时具有长方形状的激励面60s相似的长方形，并照射到激励面60s。但是，基于抑制与激光光源20、光束重叠部50以及荧光体60之间的对准精度下降的观点，优选光束分割部40由主视观察时具有与激励面60s的形状相似的形状的多个微透镜部M构成。
光束重叠部50将从光束分割部40出射的多个分割激光L2在彼此相同的照射区域(第1照射区域)RA进行重叠。如图2所示，本实施方式的光束重叠部50由朝向荧光体60凸出的单一的非球面透镜部Q构成。通过确定多个微透镜部M的大小、分割激光L2的扩展角度、照射区域RA的大小(即，照射区域RA相对于微透镜部M的大小的倍率)等入射侧参数以及出射参数，从而唯一地确定出非球面透镜Q的z轴方向的前侧的曲面。
如图2所示，由多个微透镜部M分割的分割激光L2一边扩散，一边入射到非球面透镜部Q。分割激光L2通过非球面透镜部Q而先在各个规定的成像点J处成像，并向共同的照射区域RA扩散，在规定的面P2上的照射区域RA重叠。
图5是示出分割激光L2在荧光体60的激励面60s上的照射区域RA重叠的状态的示意图。在图2以及图5中，例示了多个分割激光L2中的分别从微透镜部M(k1，h1)、M(k2，h2)出射的分割激光L2(k1，h1)、L2(k2，h2)，示出了成像点J(k1，h1)、J(k2，h2)、分割激光L2(k1，h1)、L2(k2，h2)重叠的状态以及照射区域RA的强度分布。
如图5例示的那样，由于多个分割激光L2在规定的面P2上的照射区域RA重叠，因此多个分割激光L2的强度分布相加且互补，生成具有顶帽型强度分布的激光L3。如前述那样，由于多个分割激光L2在x轴方向和y轴方向上的强度分布之差较小，因此能够抑制在激光L3中发生拖尾。即，激光L3的强度分布从照射区域RA的外周端急剧上升为规定的强度，上升之后在照射区域RA的中央变得大致均匀。
图6是示出激励面60s上的激光L3的强度分布的图。荧光体60只要被激光L3激励，并且能够朝向z轴方向的前侧发出白色光，则无特别限定。设想本实施方式的荧光体60例如将YAG：Ce等荧光体粉末分散在透明介质中。图7是荧光体60的侧视图。
如前述那样，优选荧光体60的至少激励面60s在主视观察时具有与照射区域RA大致相同的形状。在被照射激光L3的荧光体60的内部产生荧光。此时，激光L3以及荧光的一部分朝向z轴方向的前侧等散射以及传播。若荧光体60相对于照射区域RA而言过大，则激光L3以及荧光的一部分向照射范围RA的外侧扩展，会在白色光中产生亮度不均。另一方面，若荧光体60相对于照射区域RA而言过小，则激光L3的一部分因不照射到荧光体60而以未变换波长的状态通过荧光体60，因此产生白色光中的色度不均，或者无法将白色光的一部分用作照明装置10A和车辆用灯具100的照明光，导致照明装置10A的光利用效率下降。
在如照明装置10A那样要求明亮的白色光的情况下，荧光体60的z轴方向的厚度为约5～50μm。由于这样以非常薄的状态提供，因此如图7所示，优选荧光体60被支承体62支承。在本实施方式中，由于激光L3的强度分布被整形为顶帽型，因此支承体62能够使用将空孔(空气)和折射率互不相同的多种微粒进行混合而成的支承体62作为散射材料，但是也可以不具有散射功能，优选相对于蓝色光(激光)透明。即，通过构成为透明的支承体62，不存在如以往那样在与荧光体60相反的一侧散射的激光，能够将大致所有激光有效地用作荧光体60的激励以及照明光。
并且，优选支承体62由具有散热性且相对于激光L3的波长的折射率较高的材料构成。例如，支承体62的折射率优选为1.5以上且3.5以下。作为这样的材料例如可以举出蓝宝石、AIN(氮化铝)、GaN(氮化镓)、BN(氮化硼)等透明高导热性材料的单相体。通过由具有散热性的材料构成支承体62，能够抑制荧光体60的过度升温以及荧光的效率下降。并且，通过由折射率较高的材料构成支承体62，如图7中虚线箭头所示，相对于支承体62的z轴方向的后侧的表面62a倾斜地入射的分割激光L2的行进方向变更为与表面62a大致垂直的方向而生成激光L3。由此，提高了激光L3入射到荧光体60的入射效率。并且，通过激光L3的行进方向变更为与表面62a大致垂直的方向，荧光体60的内部的激光L3的光路长度大致一定，白色光的色度变得均匀。
而且，从抑制在荧光体60中生成的荧光的损失并高效地向荧光体60的z轴方向的前侧发出荧光的观点来看，也可以在z轴方向上在支承体62的表面62a、支承体62与荧光体60之间以及荧光体60的z轴方向的前侧的荧光面60f设置适当的光学膜。作为适当的光学膜，例如可以举出分色反射镜或防反射膜(AR(防反射)涂层)、电介质多层膜等。
如前述那样，由于本实施方式的荧光体60包含YAG：Ce等荧光体粉末，因此主要被蓝色(峰波长；约440nm～460nm)光激励，发出以黄色(峰波长；约700nm)为中心的荧光。因此，优选在支承体62与荧光体60之间设置透射蓝色光并且反射黄色光的分色反射镜64。通过设置分色反射镜64，能够使从荧光体60向z轴方向的后侧发出的后方散射成分向z轴方向的前侧(即，照明装置10A的照明方向)反射。
从使荧光高效地向荧光体60的Z轴方向的前侧发出的观点来看，优选在支承体62的表面62a以及荧光体60的荧光面60f也设置AR涂层66A、66B作为光学膜。在分色反射镜中，透射率根据激光L3或荧光的入射角度而不同，因此在作为光学膜采用分色反射镜的情况下，优选如分色反射镜64那样在激光L3被支承体62形成为与z轴方向大致平行后所照射的位置处配置分色反射镜。另外，在荧光体60被支承体62支承的情况下，将支承体62视为荧光体60的一部分(罩部件)，光束重叠部50与支承体62或设置于表面62a的光学膜相对配置。
如以上所述，第1实施方式的照明装置10A包括激光光源20、具有光束分割部40和光束重叠部50的均化光学元件30以及荧光体60。
在本实施方式的照明装置10A中，从激光光源20扩散并出射的激光L1被光束分割部40在规定的面P1分割成两端之间的强度差较小的分割激光L2。多个分割激光L2由光束重叠部50而使得在彼此相同的照射区域RA重叠，由此能够抑制如以往那样发生的拖尾，获得顶帽型强度分布的激光L3。根据本实施方式的照明装置10A，从激光光源20出射的激光L1入射到光束分割部40，使用光束分割部40和光束重叠部50形成为一体的均化光学元件30，进而使从均化光学元件30出射的分割激光L2入射到荧光体60。由此，能够抑制从激光光源20至荧光体60之间的光学损失，提高激光L1的利用效率。并且，通过使用单一的均化光学元件30，无需对多个光学元件各自所需的高精度的对准机构，能够实现照明装置10A的小型化以及制造成本的降低。
并且，在本实施方式的照明装置10A中，优选光束分割部40由多个微透镜部M构成，各个微透镜部M是朝向激光光源20凸出的凸透镜。根据这样的照明装置10A，即使在位于照射区域RA的荧光体60的激励面60s比微透镜部M的开口面大的情况下，也能够抑制如以往那样发生的拖尾。并且，能够抑制均化光学元件30与荧光体60之间的距离，容易地实现照明装置10A的小型化。
并且，在本实施方式的照明装置10A中，优选从激光光源20出射的激光L1的在与光轴20C垂直的面内的强度分布是椭圆形状，多个微透镜部M配置成在激光L1的椭圆形状的照射区域RB内以长轴S1以及短轴S2中的至少任一轴为中心具有对称性。根据这样的照明装置10A，通过位于相互对称的位置的微透镜部M中的一方的微透镜部M的投影像的强度分布补充另一方的微透镜部M的投影像的强度分布，能够提高在照射区域RA生成的激光L3的强度分布的均匀性。
并且，在本实施方式的照明装置10A中，优选从激光L1的入射侧观察的微透镜部M的形状与从分割激光L2的入射侧观察的荧光体60的激励面60s的形状相似。根据这样的照明装置10A，在照射区域RA内生成的激光L3的照射范围与荧光体60的激励面60s的形状大体一致，能够将从激光光源20出射的激光L1高效地照射到荧光体60。
并且，在本实施方式的照明装置10A中，优选光束重叠部50由朝向荧光体60凸出的单一的非球面透镜部Q构成。根据这样的照明装置10A，根据激光L1相对于光轴20C的发射角、分割激光L2的倍率等设计参数来设计非球面透镜部Q，能够在荧光体60的激励面60s上高效地重叠多个分割激光L2。由此，能够提高强度分布被整形为顶帽型的激光L3的强度。
并且，在本实施方式的照明装置10A中，主视观察时，规定的面P1上的激光L1的照射区域RB的长轴S1和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角为45°以上且90°以下。由此，照射到照射区域RA外的分割激光L2变少，能够由光束重叠部50使具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光L3照射到荧光体60的激励面60s。
(第2实施方式)
接着，对第2实施方式的照明装置进行说明。图8是第2实施方式的照明装置10B的侧视图。另外，对第2实施方式的照明装置10B的结构以及部件中的与第1实施方式共通的结构以及部件标注相同的标号并省略对其说明。
如图8所示，第2实施方式的照明装置10B包括多个光源部15、均化光学元件30以及荧光体60。第2实施方式的光源部15具有激光光源20和与激光光源20连接的光纤25。
图9是从z轴方向的后侧观察光束分割部40的主视图，是示出照射到光束分割部40的多个激光L1的照射区域RB以及强度分布的示意图。在图8以及图9中，例示了多个激光光源20中的2个激光光源20A、20B以及多个光纤25中的两个光纤25A、25B。在本说明书中，在对包含激光光源20A、20B的多个激光光源20、包含光纤25A、25B的光纤25中的相互共通的内容进行说明时，分别记载为“(多个)激光光源20”、“(多个)光纤25”。
在第2实施方式中，多个激光光源20分别具有与在第1实施方式中说明的激光光源20相同的结构。如图8所示，多个光纤25的入射侧的端部分别与相对应的激光光源20的出射面20e连接。由此，从激光光源20的出射面20e出射的激光L1在光纤25的纤芯(省略图示)内传播，并到达出射侧的端部25b。
如上述那样，在照明装置10B中，使用多个激光光源20，能够利用多个光纤25使从多个激光光源20出射的激光L1接近光束分割部40。这样，若使用多个激光光源20，则即使适度地抑制各个激光光源20的发射输出，也能够通过激光光源20的数量增加来提高照射到光束分割部40的激光L1的光量。由此，减少了对各个激光光源20的负担，防止照明装置10B发生故障，可期待照明装置10B的长寿命化。并且，在将光纤25用作激光L1的导光部件的情况下，能够将发热量比其他光学元件等的构成要素多的激光光源20设置于远离其他构成要素的任意的场所或位置。
多个光纤25的端部25b在包含x轴方向以及y轴方向的面内相互接近配置。相邻的端部25b彼此之间的距离越近，则越能够实现将多个激光光源20视为模拟的1个激励光源时的模拟激励光源的高亮度化。
光纤25具有与公知的光纤相同的结构，包括纤芯以及设置于纤芯的周围并具有比纤芯的折射率低的折射率的包层。纤芯以及包层的与z轴方向垂直的截面是大致正圆。因此，从多个光纤25的出射侧的端部25b出射的激光L1的与z轴方向垂直的照射区域为大致正圆。如图9所示，在规定的面P1内，例如来自2个激光光源20A、20B的激光L1A、L1B照射到光束分割部40的多个微透镜部M。如前述那样，从激光L1A、L1B的入射侧观察的各个照射区域RB1、RB2为大致正圆，但是激光L1A、L1B各自的强度分布为高斯型。光纤25A、25B的端部25B彼此之间的y轴方向的分离距离被设定为小到数μm至数十μm左右。由此，由激光L1A、L1B各自的强度叠加的激光L1C照射到多个微透镜部M。
如本实施方式那样，在规定的面P1上的由多个照射区域RB1、RB2叠加的照射区域具有各向异性的情况下，与第1实施方式同样地，主视观察时，优选相当于长轴的轴向即激光L1的照射分布的排列方向(光源部15的排列方向)DR和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角为45°以上且90°以下，更优选为67.5°以上且90°以下，最优选的是排列方向DR相对于微透镜部M的长边Ma垂直。通过如前述那样相对于微透镜部M的长边Ma来适宜地配置排列方向DR，由光束重叠部50使得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光照射到荧光体60的激励面60s。
如以上所述，第2实施方式的照明装置10B包括多个激光光源20、多个光纤25、具有光束分割部40和光束重叠部50的均化光学元件30以及荧光体60。
在本实施方式的照明装置10B中，从多个激光光源20扩散并出射的激光L1叠加而照射到光束分割部40，此后，与第1实施方式的照明装置10A同样地，被光束分割部40在规定的面P1分割成两端之间的强度差较小的分割激光L2。多个分割激光L2由光束重叠部50使得在彼此相同的照射区域RA重叠，由此能够抑制如以往发生的拖尾，获得顶帽型强度分布的激光L3。因而，根据本实施方式的照明装置10B，能够抑制从多个激光光源20至荧光体60之间的光学损失，提高激光L1的利用效率。并且，通过使用单一的均化光学元件30，无需多个光学元件各自所需的高精度的对准机构，能够实现照明装置10B的小型化以及制造成本的降低。并且，根据本实施方式的照明装置10B，能够增加激光光源20以及光纤25的组合的数量，实现模拟激励光源的高亮度化，既能够利用荧光体60照射高亮度的激光，又能够从荧光体60生成更强的荧光。
并且，在本实施方式的照明装置10B中，主视观察时，规定的面P1上的多个激光L1的排列方向(多个激光光源20的排列方向)DR和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角为45°以上且90°以下。由此，与第1实施方式同样地，能够由光束重叠部50使得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光L3照射到荧光体60的激励面60s。
另外，本发明并非限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够追加各种的变更。
例如，还可以代替多个微透镜部M或畸变透镜部而由多个衍射透镜构成光束分割部40。并且，在第2实施方式的照明装置10B中，也可以代替多个光纤25而使用具有多个纤芯的平面光波回路(PLC)。并且，在照明装置10B中，只要能够使多个激光光源20的出射面20e彼此在y轴方向上充分接近配置，则可以省略光纤25。
以下，对本发明的实施例以及比较例进行说明。
(实施例)
使用图2所示的照明装置10A对规定的面P2上的激光L3(即，重叠的分割激光L2)的强度分布进行了测定。在本实施例中，将从激光光源20的出射面20e出射的激光L1的以光轴20C为中心的发射角在长轴S1侧设为±20°，在短轴S2侧设为±10°。并且，将荧光体60的激励面60s的大小在y轴方向上设为0.4mm，在x轴方向上设为0.8mm，将照射区域RA的激光L3的强度分布的目标形状设为1：2的长方形。并且，将从出射面20e至规定的面P1之间的距离L和均化光学元件30的直径D适当地设定为使得(D/2)/L＝tan20°的相对关系成立。
图10A至图16C是对将规定的面P1内的激光L1的照射区域RB的长轴S1和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角θ变更为0°、22.5°、45°、50°、60°、67.5°、90°时的照射区域RA(参照图2)的激光L3的强度分布进行说明的图。另外，还将夹角θ变更为上述的7个角度以外的角度并调查了照射区域RA的激光L3的强度分布，但是为了便于理解地说明本发明的效果，例示了上述的7个角度的结果。图10A、图11A、图12A、图13A、图14A，图15A、图16A分别示出了光束分割部40以及照射到光束分割部40的激光L1的照射区域，图10B、图11B、图12B、图13B、图14B，图15B、图16B分别示出了照射区域RA的激光L1的二维强度分布，图10C、图11C、图12C、图13C、图14C，图15C、图16C分别示出了在图10B、图11B、图12B、图13B、图14B，图15B、图16B的二维强度分布的y＝0的位置处沿x轴方向观察时的一维强度分布。
如图10A至图16B、图16C所示，可确认到根据照明装置10A，在规定的面P2的照射区域RA内生成了对比度较高的顶帽型激光L3。
如图10A、图10B、图10C以及图11C所示，在夹角θ为0°、22.5°的情况下，在激光L3的强度分布的两端部发生了强度的隆起。在激光L1的照射区域RB的长轴S1和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角θ比较小的情况下，激光L3的强度在x＝-0.4mm至+0.4mm的范围内大致均匀，而当x从x＝-0.4mm变小时以及x从x＝+0.4mm变大时，则会在急剧减小之后略微增大并再次减小。激光L3的强度分布的两端部的隆起有可能影响来自照明装置10A的照明光的渗出。并且，可以认为隆起部分的激光L3很难有效地用作照射装置10A的照明光。
前述的激光L3的强度分布的两端部的隆起随着夹角θ的增大而下降。如图12A、图12B、图12C以及图13C所示，在夹角θ为45°、50°的情况下，在激光L3的强度分布的两端部会产生强度的阶梯部。即，若激光L1的照射区域RB的长轴S1和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角θ为45°以上，则在x从x＝-0.4mm变小时以及x从x＝+0.4mm变大时，激光L3的强度会在急剧减小之后不增加而大致一定，此后再次减小。可以认为激光L3的强度分布的两端部的阶梯部大体上不影响来自照明装置10A的照明光的渗出。并且，照射到照射区域RA外的激光L3变少，属于优选情况。
前述的激光L3的强度分布的两端部的阶梯部随着夹角θ的增大而消失。如图14A、图14B、图14C以及图15C所示，在夹角θ为60°、67.5°的情况下，在x从x＝-0.4mm变小时以及x从x＝+0.4mm变大时，激光L3的强度会在急剧减小之后缓慢地减小。根据这样的激光L3，可以认为来自照明装置10A的照明光的渗出大致消失。并且，照射到照射区域RA外的激光L3变少，属于更为优选的情况。
而且，如图16C所示，若夹角θ为90°，则在激光L3的强度分布的两端部大体上不产生阶梯部，获得了极其良好的顶帽型激光L3。
即，在激光L1的照射区域RB的长轴S1与微透镜部M的长边Ma垂直的情况下，激光L3的强度分布的对称性高，激光L3的照射区域成为大致理想的长方形，容易将激光L3用作照明装置10A的照明光。
由上述的结果确认到，主视观察时，规定的面P1上的激光L1的照射区域RB的长轴S1和微透镜部M的长边Ma所形成的夹角为45°以上且90°以下，从而能够利用光束重叠部50在照射区域RA获得具有更加均匀且拖尾较少的强度分布的激光L3。

Claims (9)

1.一种照明装置，其特征在于，包括：
光源部，其射出激光；
均化光学元件，其具有光束分割部和光束重叠部，所述光束分割部接收来自所述光源部的激光，将从所述光源部出射的所述激光在与光轴垂直的面内分割成多个分割激光，并使所述多个分割激光的行进方向互不相同，所述光束重叠部与所述光束分割部一体形成，使从所述光束分割部出射的所述多个分割激光在共用的第1照射区域重叠；以及
荧光体，其被由所述均化光学元件的光束重叠部在所述第1照射区域重叠的所述多个分割激光激励而发出荧光。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，
所述光束分割部由多个微透镜部构成，
各个所述微透镜部是朝向所述光源部凸出的凸透镜。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，
从所述光源部出射并到达所述光束分割部时的所述激光的与所述光轴垂直的第2照射区域呈椭圆形状，
所述多个微透镜部配置成以所述椭圆形状的长轴以及短轴中的至少任一轴为中心具有对称性。
4.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，
从所述激光的入射侧观察的所述微透镜部的形状与从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面的形状相似。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
所述光束重叠部由朝向所述荧光体凸出的单一的非球面透镜部构成。
6.根据权利要求2至4中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面呈长方形状，
从所述激光的入射侧观察的所述微透镜部呈与所述激励面的长方形状相似的长方形状，
从所述光源部出射并到达所述光束分割部时的所述激光的与所述光轴垂直的第2照射区域呈椭圆形状，
从所述激光的入射侧观察时，所述第2照射区域的椭圆形状的长轴和所述微透镜部的长边所形成的夹角为45°以上且90°以下。
7.根据权利要求1至4中的任意一项所述的照明装置，其特征在于，
在与所述光轴垂直的方向上设置有多个所述光源部，
所述光源部具有激光光源和与该激光光源连结的光纤。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，
所述光束分割部由多个微透镜部构成，
从所述分割激光的入射侧观察的所述荧光体的激励面呈长方形状，
从由多个所述光源部出射的所述激光的入射侧观察的所述微透镜部呈与所述激励面的长方形状相似的长方形状，
从由多个所述光源部出射的所述激光的入射侧观察时，多个所述光源部的排列方向和所述微透镜部的长边所形成的夹角为45°以上且90°以下。
9.一种车辆用灯具，其特征在于，包括权利要求1至8中的任意一项所述的照明装置。
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