CN111684199A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

照明装置包括：激光光源(11)，发出激光光；液晶元件(13)，使来自激光光源(11)的激光光透射并且使激光光折射；以及荧光体单元(14)，接受来自液晶元件(13)的激光光，对激光光进行波长变换而放射照明光，包括第一色的第一荧光体和与第一色不同的第二色的第二荧光体。液晶元件(13)控制激光光的角度，选择第一荧光体以及第二荧光体中的一个。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及照明装置，特别涉及使用了液晶元件的照明装置。
背景技术
近年来，照明的明亮度及颜色所带来的心理效果被广泛知晓，家庭、办公室或者商铺等开始采用能够根据状况变更发光色及明亮度的带有调色及调光功能的照明。具有调色功能的照明装置在绝大多数的情况下通过组合使用不同发光色的发光元件来获得调色的效果。
作为照明而使用的灯从白炽灯泡或荧光灯等向使用设计性及配光性优良、长寿命且低耗电的LED(light-emitting diode)或激光二极管的光源逐渐转移。
作为室内照明，也由于白色LED的性能提高、近年来对环境问题的关心提高的原因，向LED的切换被迅速地推进。关于汽车的灯，LED的采用被推进，特别是在将电用作动力源的电动汽车中，各种灯的消耗电力直接影响可续航距离，较多地采用消耗电力少的LED。
LED若使电流密度变高则会产生发光效率降低的光效下降(droop)现象，因此，为了获得高的光量，需要平面地或立体地排列多个LED。另一方面，激光光源不产生光效下降现象，即使是高输出也能够维持高效率。此外，通过将激光光聚光于荧光体，从而得到高亮度的点光源，能够实现活用照明装置的小型化及点光源的设计。
现状为，LD(激光二极管)的价格与LED相比为高价，作为照明装置，出于抑制成本的角度，也希望所使用的LD是少量的。若是组合大量的LD来获得调色效果，则会导致装置价格增高。
发明内容
发明所要解决的课题
本发明提供能够使用单一波长的激光光产生多个颜色的照明光且能够提高可靠性的照明装置。
用于解决课题的手段
本发明的一方式所涉及的照明装置具备：激光光源，发出激光光；液晶元件，使来自所述激光光源的激光光透射并且使所述激光光折射；以及荧光体单元，接受来自所述液晶元件的激光光，对所述激光光进行波长变换而放射照明光，包括第一色的第一荧光体和与所述第一色不同的第二色的第二荧光体，所述液晶元件控制所述激光光的角度，选择所述第一荧光体以及所述第二荧光体中的一个。
本发明的一方式所涉及的照明装置中，所述液晶元件通过形成折射率的梯度而使所述激光光偏转。
本发明的一方式所涉及的照明装置中，所述液晶元件是出射0级衍射光和±1级衍射光的衍射光栅。所述液晶元件包括设置有第一电极的第一区域及设置有第二电极的第二区域，通过使所述第一区域与所述第二区域的相位差变化而使所述0级衍射光与所述±1级衍射光的强度比率变化。
发明效果
根据本发明，能够提供能够使用单一波长的激光光产生多个颜色的照明光且能够提高可靠性的照明装置。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的照明装置的截面图。
图2是以图1所示的荧光体单元为中心进行说明的截面图。
图3是第一实施方式所涉及的照明装置的框图。
图4是图1所示的光偏转元件的截面图。
图5是图4所示的1个液晶面板的俯视图。
图6是沿着图5的A－A′线的液晶面板的截面图。
图7是其他构成例所涉及的光偏转元件的截面图。
图8是图7所示的1个液晶面板的俯视图。
图9是沿着图8的A－A′线的液晶面板的截面图。
图10是表示光偏转元件的布线构造的示意图。
图11是说明光偏转元件的偏转动作的示意性的截面图。
图12是说明图7所示的光偏转元件的偏转动作的示意性的截面图。
图13是第二实施方式所涉及的照明装置的截面图。
图14是第三实施方式所涉及的照明装置的截面图。
图15是以图14所示的远心光学系统为中心进行说明的截面图。
图16是第四实施方式所涉及的照明装置的截面图。
图17是第五实施方式所涉及的照明装置的截面图。
图18是以图17所示的荧光体单元为中心进行说明的截面图。
图19是第五实施方式所涉及的照明装置的框图。
图20是图17所示的衍射光栅的俯视图。
图21是沿着图20的A－A′线的衍射光栅的截面图。
图22是表示衍射光栅的布线构造的示意图。
图23是说明使用了±1级衍射光的衍射光栅的衍射动作的截面图。
图24是说明使用了0级衍射光及±1级衍射光的衍射光栅的衍射动作的截面图。
图25是第六实施方式所涉及的照明装置的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。但是，附图只是示意性或者概念性的，各附图的尺寸以及比率等未必与现实情况相同。此外，在表示附图彼此间相同的部分的情况下，也有时彼此尺寸的关系或比率不同地进行表示。特别是，以下所示的几个实施方式示例了用于将本发明的技术思想具体化的装置以及方法，而并不是通过构成部件的形状、构造及配置等来确定本发明的技术思想。另外，在以下的说明中，对于具有相同的功能以及构成的要素，赋予相同附图标记，仅在必要时进行重复说明。
[第一实施方式]
关于汽车所使用的前照灯的色温，出于设计性考虑则有高色温更好的趋势，但是若是高色温则人眼会感觉很暗，因此，作为视觉辨认性不良。为了提高视觉辨认性，色温6,000K程度的纯白色适合，另一方面还被认为，在雨天时色温越低则水滴的漫反射越被抑制，获得了优良的视觉辨认性。
此外，如果能够使前照灯的发光色自由地变化，那么能够作为对前方车辆的强力警告信号而使用。通过将这样的前照灯采用在例如警察车辆、急救车、或者消防车等紧急车辆中，能够对前方车辆更有效地通知紧急车辆的位置。
根据上述这点，通过根据状况使前照灯的发光色变化，能够期待提高设计性、安全性以及注意唤起的效果。以往的前照灯所使用的卤素灯或LED等发光元件不具备调色功能，在要表现多个色调的情况下，需要有2个以上发光元件。在本实施方式中，说明通过使用激光光源、液晶光偏转元件、以及多个荧光体而能够由单一激光光源实现调色的照明装置。
[1]照明装置10的构成
[1－1]照明装置10的截面构成
图1是第一实施方式所涉及的照明装置10的截面图。照明装置10具备激光光源11、准直仪12、光偏转元件13、荧光体单元14、反射构件(平面镜)15、反射构件(凹面镜)16以及透射滤光器17。另外，图1中，省略了对激光光源11、准直仪12、光偏转元件13、荧光体单元14、反射构件15、反射构件16以及透射滤光器17进行固定的固定构件的图示，但是它们的模组在图1所示的位置处由多个固定构件(未图示)固定。
激光光源11发出单波长的激光光。激光光源11例如由激光二极管构成。激光光的波长为了以宽范围的可见光发出荧光，优选使用青紫色(360nm程度)至蓝色(460nm程度)区间的波长。在本实施方式中，能够使用波长λ＝450nm程度的GaN(gallium nitride)系半导体激光。激光光源11只要是具有与荧光体对应的波长，则材料及方式没有限制，现状为，优选小型且能够以比较低价实现高输出的GaN系的半导体激光。
准直仪12配置在来自激光光源11的激光光的光轴上。准直仪12由透镜构成，将入射光整形成平行的光线。从准直仪12出射的激光光具有高指向性，是具有相干性(可干扰性)的激光光。另外，激光光源11出射指向性高的激光光的情况下，不需要准直仪12。
光偏转元件13配置在来自激光光源11的激光光的光轴上。光偏转元件13例如被固定于后述的反射构件16。光偏转元件13的入射面配置成相对于来自准直仪12的激光光的行进方向大致垂直。光偏转元件13由具备液晶层的液晶元件构成。光偏转元件13使从准直仪12透射后激光光的透射，并且使该激光光偏转。光偏转元件13通过多个液晶面板层叠而构成。关于光偏转元件13的具体构成，留待后述。
从激光光源11出射的激光光是在某个偏光轴上振动的直线偏光。光偏转元件13的偏光方向(偏光轴)设定成与激光光的偏光方向平行。所谓光偏转元件13的偏光轴是指与液晶分子的长轴(指向矢(director))根据电场而移动的面平行的方向。
荧光体单元14具备彼此色温不同的多个荧光体。荧光体单元14如图1所示那样，例如具备5个荧光体。各荧光体对激光光进行波长变换，放射所希望的颜色的照明光(可见光)。具体地说，荧光体在吸收激光光而成为激励状态之后，在返回原本的基底状态的过程中放射光(荧光)。荧光体单元14例如被固定于反射构件15。
反射构件15设置在荧光体单元14的与激光光源11相反一侧的面上。反射构件15例如具有平面形状，例如由平面镜构成。平面镜15使从荧光体单元14透射后的照明光反射。也可以在平面镜15的与荧光体相反一侧的面上设置用于抑制荧光体的发热的散热板。
反射构件16将由平面镜15反射后的照明光，反射成与来自激光光源11的激光光的行进方向相同的方向。此外，反射构件16将由平面镜15反射后的照明光，作为与来自激光光源11的激光光的光轴大致平行的光线而放射。反射构件16例如由凹面镜构成。所述的荧光体单元14配置在凹面镜16的焦点附近。凹面镜16具备供从光偏转元件13出射的激光光经过的开口部16B。
凹面镜16具有由曲面构成的反射面16A。立体地观察时，凹面镜16具有碗形的反射面16A。凹面镜16例如能够在由树脂等构成的基材的凹面上形成反射光的金属膜(例如铝)而构成。
透射滤光器17在激励光中使用了紫外波长的情况下，具有使由荧光体单元14进行了波长变换后的光透射、而不使紫外线透射的性质。透射滤光器17担负着防止对人体有负面影响、导致构件恶化的紫外光漏出到灯外的作用。在将激光光源的波长直接用作照明光的一部分的情况下，不需要透射滤光器。
另外，如图1所示那样，激励激光的入射方向与作为照明的照射方向不需要一定一致，能够根据照明装置的光学特性、装置尺寸等所要求的式样而设计成适宜的配置。
[1－2]荧光体单元14的构成
接下来，对荧光体单元14的构成进行说明。图2是以图1所示的荧光体单元14为中心进行说明的截面图。图2还示出了从激光光源11出射的激光光向荧光体单元14入射的样子。
荧光体单元14如上述那样，具备荧光色不同的多个荧光体。例如，在图2中示出了荧光体单元14具备放射红色光的荧光体14－R、放射绿色光的荧光体14－G、放射蓝色光的荧光体14－B、放射白炽灯色的荧光体14－L以及放射白色光的荧光体14－W。作为荧光体，能够使用YAG(钇·铝·石榴石)系荧光体、TAG(铽·铝·石榴石)系荧光体、赛隆系荧光体、BOS(硅酸钡)系荧光体、量子点荧光体、钙钛矿荧光体及KSF(K2SiF6：Mn4+)荧光体等。
另外，荧光体的配置以及设置有荧光体的反射构件15的形状不必须是平面，为了控制荧光的强度分布，也可以使其具有弯曲形状或阶梯差形状。弯曲形状及阶梯差形状能够在平面镜上使用透明树脂来形成。
如图2所示那样，从激光光源11出射的激光光由光偏转元件13控制偏转角，向荧光体14－R、14－G、14－B、14－L、14－W中的某个入射。荧光体14－R、14－G、14－B、14－L、14－W分别对激光光进行波长变换，放射所希望的颜色的照明光。
[1－3]照明装置10的模块构成
接下来，对照明装置10的模块构成进行说明。图3是第一实施方式所涉及的照明装置10的框图。照明装置10具备激光光源11、光偏转元件13、驱动电路20、电压产生电路21、控制电路22以及输入部23。
如后述那样，光偏转元件13具备用于控制液晶层的取向的多个电极。驱动电路20与光偏转元件13所具备的多个电极电连接。驱动电路20通过对光偏转元件13施加多个电压，来驱动光偏转元件13。具体地说，驱动电路20控制光偏转元件13中包含的液晶层的取向。
电压产生电路21使用外部电源，产生照明装置10的动作所需的多个电压。由电压产生电路21产生的电压被供给至照明装置10内的各模组、特别是驱动电路20。
输入部23从外部接受输入信号。该输入信号包括用于选择照明光的颜色的选择信号。输入部23将输入信号向控制电路22发送。
控制电路22统一控制照明装置10的动作。控制电路22基于从输入部23发来的输入信号，能够控制驱动电路20以及电压产生电路21。
[1－4]光偏转元件13的构成
接下来，对光偏转元件13的构成进行说明。图4是图1所示的光偏转元件13的截面图。
光偏转元件13是多个液晶面板30层叠而构成的。图4中作为一个例子，示出了7个液晶面板30－1～30－7。液晶面板30－1～30－7例如使用透明的粘合材而层叠。
图5是图4所示的1个液晶面板30的俯视图。图6是沿着图5的A－A′线的液晶面板30的截面图。
液晶面板30是透射式的液晶元件。液晶面板30具备：对置配置的基板31、32；以及夹在基板31、32之间的液晶层33。基板31、32分别由透明基板(例如，玻璃基板，或者塑料基板)构成。例如，基板31配置在激光光源11侧，来自激光光源11的激光光从基板31侧向液晶层33入射。
液晶层33被填充在基板31、32间。具体地说，液晶层33被封入在由基板31、32和密封材34包围的区域内。密封材34例如由紫外线固化树脂、热固化树脂、或者紫外线·热并用型固化树脂等构成，在制造工序中，被涂敷于基板31或者基板32后，通过紫外线照射或者加热等而固化。
构成液晶层33的液晶材料为，与施加于基板31、32间的电压(电场)相应地液晶分子的取向被操作而光学特性变化。本实施方式的液晶面板30例如为均匀模式(均匀取向)。即，作为液晶层33，使用具有正的介电常数各向异性的正型(P型)的向列型液晶，液晶分子在未施加电压(电场)时相对于基板面沿大致水平方向取向。在均匀模式中，未施加电压时液晶分子的长轴(指向矢)大致沿水平方向取向，施加了电压时液晶分子的长轴朝向垂直方向倾斜。液晶分子的倾斜角根据施加的有效电压而变化。液晶层33的初始取向由以夹着液晶层33的方式分别设置于基板31、32的2个取向膜控制。
另外，作为液晶模式，也可以使用利用了负型(N型)的向列型液晶的垂直取向(VA：Vertical Alignment)模式。VA模式中，未施加电场时液晶分子的长轴沿大致垂直方向取向，施加了电场时液晶分子的长轴朝向水平方向倾斜。
在基板31的液晶层33侧，设置有分别沿Y方向延伸的多个电极35以及多个电极36。多个电极35与多个电极36沿着与Y方向正交的X方向交替地配置。多个电极35具有相同的宽度(X方向的长度)。多个电极36具有相同的宽度。图5以及图6中作为一个例子，示出了4个电极35－1～35－4、4个电极36－1～36－4。多个电极35与多个电极36彼此的间隔相同，例如，该间隔是因加工电极时的制造工序产生的最小加工尺寸。
1个电极35与1个电极36的对构成反复单位37。在图5以及图6中，示出了4个反复单位37－1～37－4。将1个反复单位37的宽度(周期宽度)设为W。液晶面板30－1～30－7具有相同的周期宽度W。
在基板31以及电极35、36上，设置有用于控制液晶层33的初始取向的取向膜38。
在基板32的液晶层33侧，设置有1个共用电极39。共用电极39在基板32整面以平面状设置。在基板32以及共用电极39上，设置有控制液晶层33的初始取向的取向膜40。另外，也可以是在基板31配置共用电极39，在基板32配置电极35、36。
电极35、36以及共用电极39分别由透明电极构成，例如使用ITO(铟锡氧化物)。
图4中作为一个例子，示出了4个反复单位37－1～37－4。如上述那样，液晶面板30－1～30－7具有相同的反复单位37的宽度(周期宽度W)。图4中，为了避免附图变得繁杂，抽取了液晶面板30中包含的电极35、36而示出，但实际的截面构造如图5所示那样。图4中，液晶面板30之中，将电极35所占的区域用点阴影表示，电极36所占的区域未被赋予阴影。
在液晶面板30－1～30－7中，相同的列的7个反复单位37中包含的7个电极35按照液晶面板30－1～30－7的顺序变长。液晶面板30－1～30－7中，相同的列的7个反复单位37中包含的7个电极36按照液晶面板30－1～30－7的顺序变短。
换言之，相同的列的7个电极35形成为倒台阶状。7个电极35的增加量是恒定的。相同的列的7个电极35以它们的左端对齐的方式配置。例如，最小的电极35(液晶面板30－1的电极35)的宽度为最小值50μm，最大的电极35(液晶面板30－7的电极35)的宽度为最大值350μm，按照每个液晶面板30分别变大50μm。
相同的列的7个电极36形成为台阶状。7个电极36的减少量是恒定的。相同的列的7个电极36以它们的右端对齐的方式配置。例如，最大的电极36(液晶面板30－1的电极36)的宽度为最大值350μm，最小的电极36(液晶面板30－7的电极36)的宽度为最小值50μm，按照每个液晶面板30分别变小50μm。
另外，液晶面板30－1～30－7的层叠顺序也可以不是图4那样，能够任意地更换。即，只要在光偏转元件13中具备宽度依次变宽的7个电极35、以及宽度依次变窄的7个电极36的液晶面板30－1～30－7的各自即可，电极也可以不以台阶状排列。
作为液晶面板30，也可以采用使用了LCOS(Liquid Crystal on Silicon)方式的透射式液晶元件(透射式LCOS)。通过使用透射式LCOS，能够对电极进行微小加工，能够实现更小型的液晶面板30。在透射式LCOS中，使用硅基板(或者在透明基板上形成的硅层)。硅基板根据与带隙之间的关系，使具有特定波长以上的波长的光(包括红外线)透射，因此，能够将LCOS用作透射式液晶元件。通过使用LCOS，能够实现单元电极更小的液晶元件，因此能够使液晶元件小型化。
[1－5]光偏转元件13的其他构成例
接下来，对光偏转元件13的其他构成例进行说明。图7是其他构成例所涉及的光偏转元件13的截面图。
光偏转元件13是多个液晶面板30层叠而构成的。图7中，作为一个例子，示出了7个液晶面板30－1～30－7。液晶面板30－1～30－7例如使用透明的粘合材而层叠。
图8是图7所示的1个液晶面板30的俯视图。图9是沿图8的A－A′线的液晶面板30的截面图。
在基板31的液晶层33侧，设置有分别沿Y方向延伸的多个电极35以及多个电极36。多个电极35与多个电极36沿着与Y方向正交的X方向交替地配置。多个电极35以及多个电极36分别具有相同的宽度。图8以及图9中，作为一个例子，示出了4个电极35－1～35－4、4个电极36－1～36－4。多个电极35与多个电极36彼此的间隔相同。
图7中，液晶面板30－7中包含的多个电极35以及多个电极36具有电极间距P1。将液晶面板30－7的电极图案称作图案“a”。图7中，为了防止附图变得繁杂而抽取了液晶面板30中包含的电极35、36，但实际的截面构造如图8所示那样。图7中，液晶面板30之中，电极35所占的区域用点阴影表示，电极36所占的区域未被赋予阴影。
2个液晶面板30－5、30－6具有相同的构造。液晶面板30－5中包含的多个电极35以及多个电极36具有电极间距P2。液晶面板30－6也具有电极间距P2。将液晶面板30－5、30－6的电极图案称作图案“b”。图案“b”的电极间距P2是图案“a”的电极间距P1的2倍。
4个液晶面板30－1～30－4具有相同的构造。液晶面板30－1中包含的多个电极35以及多个电极36具有电极间距P3。液晶面板30－2～30－4也具有电极间距P3。将液晶面板30－1～30－4的电极图案称作图案“c”。图案“c”的电极间距P3是图案“b”的电极间距P2的2倍。
在具有最大电极宽度的液晶面板30－1中，1个电极35与1个电极36的对是反复单位37，反复单位37具有周期宽度W。按照每个周期宽度W，折射率的梯度重复。图7中示例了液晶面板30－1具备4个反复单位37－1～37－4的情况。
在光偏转元件13具备7个液晶面板30－1～30－7的构成例的情况下，能够使用图案“a”、“b”、“c”这3种液晶面板构成光偏转元件13。
在层叠的液晶面板30的数量进一步增加了的情况下，与上述同样的电极间距以及电极图案的关系也适用。例如，在光偏转元件13具备15个液晶面板30的构成例的情况下，能够使用分别具有4种电极图案的4种液晶面板构成光偏转元件13。
若将多个液晶面板的关系一般化则为，具有最小图案即图案“a”的电极间距P1的2(n－1)倍的电极间距的液晶面板的张数是2(n－1)。“n”是1起连续的自然数。此外，“n”最低增加至2(自加1)。通过以满足上述关系的方式层叠多个液晶面板，能够在光偏转元件13形成折射率的梯度。
具体地说，图案“b”的电极间距P2是图案“a”的电极间距P1的2倍，因此，图案“b”的液晶面板的数量为2个。图案“c”的电极间距P3是图案“a”的电极间距P1的4倍，因此，图案“c”的液晶面板的数量为4个。如果液晶面板30的层叠数为3个以上，则上述关系成立。在设为液晶面板30－7的电极间距P1＝50μm的情况下，液晶面板30－5、30－6的电极间距P2＝100μm，液晶面板30－1～30－4的电极间距P3＝200μm。
另外，图案“a”、“b”、“c”各自的液晶面板的张数如规定那样即可，层叠顺序也可以不与图7相同。即，也可以不是将相同的图案的液晶面板连续地层叠。
[1－6]光偏转元件13的布线构造
接下来，对光偏转元件13的布线构造进行说明。图10是表示光偏转元件13的布线构造的示意图。
如上述那样，光偏转元件13是多个液晶面板30(例如7个液晶面板30－1～30－7)层叠而构成的。此外，各液晶面板30具备多个电极35(例如4个电极35)、多个电极36(例如4个电极36)。液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极35的尺寸不同，液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极36的尺寸不同。1个电极35和1个电极36构成1个反复单位37。
液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极35与布线41共同连接。液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极36与布线42共同连接。布线41、42还与驱动电路20连接。即，液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极35被施加相同的电压，液晶面板30－1～30－7中包含的多个电极36被施加相同的电压。
虽然省略了图示，但是驱动电路20还与各液晶面板的共用电极39电连接。驱动电路20对共用电极39施加共用电压(例如0V)。
[2]动作
接下来，对如上述那样构成的照明装置10的动作进行说明。
如图1所示那样，根据控制电路22的控制，激光光源11发出具有所希望的波长的激光光。来自激光光源11的激光光从准直仪12透射，准直仪12将激光光整形成平行的光线。
从准直仪12透射后的激光光向光偏转元件13垂直地(以入射角＝0)入射。根据控制电路22的控制，光偏转元件13使激光光以偏转角θ进行偏转。具体地说，如图2所示那样，光偏转元件13选择荧光体单元14中包含的多个荧光体(例如，荧光体14－R、14－G、14－B、14－L、14－W)中的1个荧光体。然后，由光偏转元件13偏转后的激光光，向荧光体单元14中包含的多个荧光体的1个荧光体入射。荧光体单元14放射所希望的颜色的照明光(可见光)。
从荧光体单元14放射的照明光被平面镜15反射。由平面镜15反射后的照明光被凹面镜16反射，并且，作为与激光光源11的光轴大致平行的光线被出射。由凹面镜16反射后的激光光从透射滤光器17透射而被出射到外部。
接下来，更详细地说明光偏转元件13的偏转动作。图11是说明光偏转元件13的偏转动作的示意性的截面图。图11示出了光偏转元件13将激光光向右侧以偏转角θ进行偏转的例子。图11中，电极35(未图示)所占的区域用点阴影表示，电极36(未图示)所占的区域未被施以阴影。
驱动电路20对光偏转元件13中包含的全部的电极35施加电压V1，对全部的电极36以及全部的共用电极39施加电压V2(＜V1，例如V2＝0V)。电压V1与电压V2按每规定时间而极性反转，即，被进行交流驱动。
由此，在电极35所占的区域，液晶层被施加电场，液晶层的折射率变低。另一方面，在电极36所占的区域，液晶层未被施加电场，液晶层的折射率维持高水平。在图11中，没有阴影的区域中，液晶层的折射率相对变高，点阴影的区域中，液晶层的折射率相对变低。
光偏转元件13的各周期宽度W具有朝向右而依次变高的折射率的梯度。在周期宽度W中，最左侧的区域中折射率低的区域最多，最右侧的区域中折射率高的区域最多。折射率低的区域中，光的行进速度快，折射率高的区域中，光的行进速度慢。即，从折射率最低的区域透射后的激光光与从折射率最高的区域透射后的激光光之间，具有规定的相位差。由此，在图11的例子中，光偏转元件13能够使激光光向右侧偏转。在使激光光向左侧偏转的情况下，只要使电极35与电极36的电压关系与图11相反即可。
此外，仅通过除了0V以外使用1种电压，能够使光偏转元件13形成折射率的梯度。即，能够容易进行控制电路22的电压控制。此外，通过使对电极35施加的电压V1的电平变化，能够使折射率的梯度的大小变化。由此，能够控制光偏转元件13的偏转角θ，此外，能够切换激光光的光路。
此外，通过光偏转元件13高速地切换选择多个荧光体，还能够表现中间色调。
图12是说明图7所示的光偏转元件13的偏转动作的示意性的截面图。电极35以及电极36的电压控制与图11的情况相同。图7所示的光偏转元件13也能够实现上述同样的偏转动作。
将偏转角设为θ，将反复单位的周期宽度设为W，将周期宽度W内的相位差(延迟量)设为Re，将液晶层的折射率各向异性设为Δn，将全部的液晶面板的液晶间隙的合计设为d，将电极宽度的变化间距设为p。所谓液晶间隙意思是指液晶面板的2个基板间的距离，或者液晶层的厚度。在本实施方式中，7个液晶面板30－1～30－7的液晶间隙的合计为“d”。以液晶面板的液晶分子均匀取向、激励激光的偏光轴与液晶分子的指向矢平行的方式入射。偏转角θ由以下的式(1)表示，延迟量Re由以下的式(2)表示。
θ＝asin(Re/(W－p))···(1)
Re＝Δn·d···(2)
Asin是指arcsin(反正弦)。
例如设为：波长λ＝450nm时的折射率各向异性Δn＝0.2，各液晶面板30的间隙为7μm，各液晶面板30的延迟量为1,750nm，电极宽度的变化间距p＝50μm，周期宽度W＝400μm，则根据式(1)、(2)，计算出单侧的最大偏转角为2度(°)。
由光偏转元件13产生的偏转角是±2度，因此，在光偏转元件13与荧光体单元14的距离为10cm的情况下，能够在约±0.35cm(整体为0.7cm)的范围选择荧光体单元14的入射区域。若将荧光体单元14中包含的1个荧光体的宽度设为1,000μm，则能够从7个荧光体中选择1个。
另外，通过调整光偏转元件中的液晶间隙、液晶材料以及电极间距等，能够将最大偏转角、响应速度调整成所要求的式样。
[3]第一实施方式的效果
如以上详述那样，在第一实施方式中，照明装置10具备：激光光源11，发出激光光；光偏转元件(液晶元件)13，使来自激光光源11的激光光透射并且使激光光折射；以及荧光体单元14，接受来自光偏转元件13的激光光，对激光光进行波长变换而放射照明光，包含彼此色温不同的多个荧光体。然后，基于控制电路22的控制，光偏转元件13控制激光光的角度，选择多个荧光体中的1个。此外，光偏转元件13通过形成折射率的梯度而使激光光偏转。
因此，根据第一实施方式，能够使用单一波长的激光光来产生多个颜色的照明光。由此，能够减少照明装置10的成本。此外，能够实现能够进行色调控制的激光照明装置。作为激光照明，作为特别期待的用途，列举出汽车的前照灯。通过活用激光照明的特性，能够以低耗电获得照射距离优良的照明效果。
此外，能够不使用高价的电子部件以及光学部件、使用液晶元件来构成照明装置10。由此，能够减少照明装置10的成本。此外，能够减少照明装置10的消耗电力。
此外，由于不使用进行机械动作的部件，因此，能够提高照明装置10的可靠性。此外，能够防止照明装置10的尺寸以及重量增大。
[第二实施方式]
第二实施方式是将激光光源11配置于凹面镜16的反射面侧的构成例。图13是第二实施方式所涉及的照明装置10的截面图。
关于激光光源11、准直仪12、光偏转元件13以及荧光体单元14的配置，与图1相同。光偏转元件13例如被固定于透射滤光器17。透射滤光器17具有供从光偏转元件13出射的激光光经过的开口部17A。
凹面镜16配置在荧光体单元14的与激光光源11相反的一侧。凹面镜16将从荧光体单元14透射后的照明光反射。由凹面镜16反射后的照明光从透射滤光器17透射而被出射到外部。
关于控制激光光源11以及光偏转元件13的电路构成，与第一实施方式相同。
根据第二实施方式，能够获得与第一实施方式相同的效果。此外，在第二实施方式中，不需要第一实施方式所示的平面镜15，能够减少部件点数。
[第三实施方式]
第三实施方式是第一实施方式的变形例。图14是第三实施方式所涉及的照明装置10的截面图。照明装置10除了图1的构成之外还具备远心光学系统50。
远心光学系统50配置在光偏转元件13与凹面镜16之间。远心光学系统50例如固定于凹面镜16。远心光学系统50将入射的光线折射成与激光光源11的光轴平行的光线。具体地说，远心光学系统50由功能不同的多个透镜的组合构成。
图15是以图14所示的远心光学系统50为中心进行说明的截面图。光偏转元件13使激光光偏转。从光偏转元件13出射的激光光通过远心光学系统50，折射成与激光光源11的光轴平行的光线。从远心光学系统50透射后的激光光向荧光体单元14中包含的荧光体14－R、14－G、14－B、14－L、14－W中的1个荧光体大致垂直地入射。
在第三实施方式中，通过使用远心光学系统50，能够将激光光聚光在更窄的区域内。由此，能够缩小荧光体的面积。作为结果，能够减少成本，此外，能够实现活用点光源的特性的设计。
[第四实施方式]
第四实施方式是第二实施方式的变形例。图16是第四实施方式所涉及的照明装置10的截面图。照明装置10除了图13的构成之外还具备远心光学系统50。
远心光学系统50配置在光偏转元件13与透射滤光器17之间。远心光学系统50例如固定于透射滤光器17。远心光学系统50的功能与第三实施方式相同。
第四实施方式中也通过使用远心光学系统50，能够将激光光聚光在更窄的区域内。由此，能够获得与第三实施方式相同的效果。
[第五实施方式]
第五实施方式中，作为使激光光偏转的元件，使用具有液晶层的衍射光栅。并且，使用从衍射光栅出射的多个级数的衍射光，选择多个荧光体之中的1个或者2个以上。
[1]照明装置10的构成
[1－1]照明装置10的截面构成
图17是第五实施方式所涉及的照明装置10的截面图。
照明装置10具备激光光源11、准直仪12、衍射光栅(液晶衍射光栅)51、荧光体单元14、反射构件(平面镜)15、反射构件(凹面镜)16以及透射滤光器17。另外，图17中，省略了对激光光源11、准直仪12、衍射光栅51、荧光体单元14、反射构件15、反射构件16以及透射滤光器17进行固定的固定构件的图示，但是它们的模组在图17所示的位置处由多个固定构件(未图示)进行固定。激光光源11、准直仪12、平面镜15、凹面镜16以及透射滤光器17的构成与第一实施方式相同。
衍射光栅51配置在来自激光光源11的激光光的光轴上。衍射光栅51例如固定于后述的凹面镜16。衍射光栅51的入射面配置成相对于来自准直仪12的激光光的行进方向大致垂直。衍射光栅51由具备液晶层的液晶元件构成。衍射光栅51使从准直仪12透射后的激光光透射，并且使该激光光衍射。关于衍射光栅51的具体构成，留待后述。
从光光源11出射的激光光是在某个偏光轴进行振动的直线偏光。衍射光栅51的偏光方向(偏光轴)设定成与激光光的偏光方向平行。所谓衍射光栅51的偏光轴是指与液晶分子的长轴(指向矢)根据电场而移动的面平行的方向。
荧光体单元14具备彼此色温不同的多个荧光体。荧光体单元14如图17所示那样，例如具备3个荧光体。荧光体单元14例如固定于平面镜15。
激光光的波长为了以宽范围的可见光发出荧光，优选使用蓝色至青紫的区间的波长。在本实施方式中，使用波长λ＝450nm程度的GaN系半导体激光。
[1－2]荧光体单元14的构成
接下来，对荧光体单元14的构成进行说明。图18是以图17所示的荧光体单元14为中心进行说明的截面图。图18还示出了从激光光源11出射的激光光向荧光体单元14入射的样子。
荧光体单元14如上述那样，具备色温不同的多个荧光体。荧光体单元14至少具备低色温的荧光体以及高色温的荧光体。例如，在图18中，荧光体单元14具备放射色温3,000K程度的暖白色的荧光体14－1、放射色温10,000K程度的带蓝的白色的荧光体14－2、14－3。
荧光体14－1配置在能够接受从衍射光栅51出射的0级衍射光的位置。荧光体14－2配置在能够接受从衍射光栅51出射的+1级衍射光的位置。荧光体14－3配置在能够接受从衍射光栅51出射的－1级衍射光的位置。
另外，荧光体的配置以及设置有荧光体的反射构件15的形状不必须是平面，为了控制荧光的强度分布也可以具有弯曲形状或阶梯差形状。弯曲形状或阶梯差形状能够在平面镜上使用透明的树脂而形成。
[1－3]照明装置10的框图
图19是第五实施方式所涉及的照明装置10的框图。照明装置10具备激光光源11、衍射光栅51、驱动电路20、电压产生电路21、控制电路22以及输入部23。
如后述那样，衍射光栅51具备用于控制液晶层的取向的多个电极。驱动电路20与衍射光栅51所具备的多个电极电连接。驱动电路20通过向衍射光栅51施加多个电压，来驱动衍射光栅51。其他构成与第一实施方式相同。
[1－4]衍射光栅51的构成
接下来，对衍射光栅51的构成进行说明。图20是图17所示的衍射光栅51的俯视图。图21是沿着图20的A－A′线的衍射光栅51的截面图。衍射光栅51的构造基本上与第一实施方式所说明过的1个液晶面板30(图5以及图6)相同。
衍射光栅51是透射式的液晶元件。衍射光栅51具备：对置配置的基板31、32；夹在基板31、32间的液晶层33；密封材34；多个电极35；多个电极36；取向膜38、40；以及共用电极39。
在基板31的液晶层33侧，设置有分别沿Y方向延伸的多个电极35以及多个电极36。多个电极35与多个电极36沿着与Y方向正交的X方向交替地配置。多个电极35以及多个电极36分别具有相同的宽度(X方向的长度)。在图20以及图21中，作为一个例子，示出了3个电极35－1～35－3、3个电极36－1～36－3。多个电极35与多个电极36彼此的间隔相同，例如，该间隔是因对电极进行加工时的制造工序而产生的最小加工尺寸。
相邻的1个电极35和1个电极36构成反复单位37。图20中，作为一个例子，示出了3个反复单位37－1～37－3。1个反复单位37具有周期宽度d。其他构成与第一实施方式相同。
[1－5]衍射光栅51的布线构造
接下来，对衍射光栅51的布线构造进行说明。图22是表示衍射光栅51的布线构造的示意图。
多个反复单位37中包含的多个电极35与布线41共同连接。多个反复单位37中包含的多个电极36与布线42共同连接。布线41、42还与驱动电路20连接。即，多个反复单位37中包含的多个电极35被施加相同的电压，多个反复单位37中包含的多个电极36被施加相同的电压。
虽然省略了图示，但是驱动电路20还与衍射光栅51的共用电极39电连接。驱动电路20对共用电极39施加共用电压(例如0V)。
[2]动作
接下来，对如上述那样构成的照明装置10的动作进行说明。
如图17所示那样，根据控制电路22的控制，激光光源11发出具有所希望的波长的激光光。来自激光光源11的激光光从准直仪12透射，准直仪12将激光光整形成平行的光线。
从准直仪12透射后的激光光向衍射光栅51垂直地(以入射角＝0)入射。根据控制电路22的控制，衍射光栅51使激光光衍射。由衍射光栅51衍射后的激光光向荧光体单元14中包含的荧光体14－1～14－3中的至少1个荧光体入射。荧光体单元14放射所希望的颜色的照明光(可见光)。
从荧光体单元14放射的照明光由平面镜15反射。由平面镜15反射后的照明光被凹面镜16反射，并且，作为与激光光源11的光轴大致平行的光线而被出射。由凹面镜16反射后的激光光从透射滤光器17透射而被出射到外部。
接下来，更详细地对衍射光栅51的衍射动作进行说明。入射至衍射光栅51的激光光通过在衍射光栅51内以等间隔形成的折射率的图案，被变换成多个级数的衍射光，生成多个衍射光斑。
在上述的图18中示出了使用了0级衍射光的衍射光栅51的衍射动作。驱动电路20对衍射光栅51中包含的全部的电极35、全部的电极36以及共用电极39，施加电压V2＝0V。该情况下，液晶层33的整个区域都未被施加电场，在液晶层33的整个区域中折射率相同。由此，激光光不产生干扰，衍射光栅51出射0级衍射光。
荧光体14－1配置在衍射光栅51的0级衍射光能够入射的区域(0级光斑)。荧光体14－1对0级衍射光进行波长变换，放射色温3,000K程度的照明光。
图23是说明使用了±1级衍射光的衍射光栅51的衍射动作的截面图。驱动电路20对衍射光栅51中包含的全部的电极35施加电压V1(＞V2)，对全部的电极36以及共用电极39施加电压V2＝0V。电压V1与电压V2按照每规定时间而极性反转，即，被进行交流驱动。
由此，电极35所占的区域中，液晶层被施加电场，液晶层的折射率变低。另一方面，电极36所占的区域中，液晶层未被施加电场，液晶层的折射率维持高水平。以使电压施加区域与无电压施加区域之间的相位差成为λ/2的方式，设定电压V2、V1。该情况下，0级光斑的光强度由于波面相抵消而降低，－1级衍射光以及+1级衍射光的干扰变强，光强度变强。该情况下，衍射光栅51出射±1级衍射光。
荧光体14－2配置在衍射光栅51的+1级衍射光能够入射的区域(+1级光斑)。荧光体14－3配置在衍射光栅51的－1级衍射光能够入射的区域(－1级光斑)。荧光体14－2对+1级衍射光进行波长变换，放射色温10,000K程度的照明光。荧光体14－3对－1级衍射光进行波长变换，放射色温10,000K程度的照明光。
图24是说明使用了0级衍射光以及±1级衍射光的衍射光栅51的衍射动作的截面图。驱动电路20对衍射光栅51中包含的全部的电极35施加电压V3，对全部的电极36以及共用电极39施加电压V2＝0V。电压V3具有“V1＞V3＞V2”的关系。电压V3与电压V2按照每规定时间而极性反转，即被进行交流驱动。
该情况下，电压施加区域与无电压施加区域之间的相位差比λ/2小。由此，衍射光栅51出射0级衍射光以及±1级衍射光的3种衍射光。荧光体14－1放射红色的照明光，荧光体14－2、14－3放射绿色的照明光。由此，照明装置10出射红色与绿色混色的照明光。
通过使电压V3的电平变化，能够使0级衍射光的强度以及±1级衍射光的强度变化。由此，能够使照明光的颜色变化。
设为激光光向衍射光栅51入射的入射角为α、±1级衍射光的衍射角为β、衍射光的级数为m、激光光的波长为λ、由电极35和电极36形成的相位分布的周期宽度为d。衍射角β由以下的式(3)表示。
d(sinα－sinβ)＝m·λ···(3)
在本实施方式中，设为：电极35、电极36的宽度分别为7μm，电极间的间隙为3μm，由电极35以及电极36形成的相位分布的周期宽度d＝200μm。以液晶面板的液晶分子均匀取向、激励激光的偏光轴与液晶分子的指向矢平行的方式入射。设为：波长λ＝450nm时的折射率各向异性Δn＝0.25，液晶面板的间隙为1μm。
此时，相对于衍射光栅垂直地入射了激光光的情况下产生的、0级衍射光的出射角为0度，±1级衍射光的出射角为±1.29度。在0级衍射光所照射的部分(0级光斑)配置低色温3,000K程度的荧光体，在±1级衍射光所照射的部分(±1级光斑)分别配置高色温10,000K程度的荧光体。由此，通过控制衍射光栅的电极35的施加电压，能够使低色温与高色温的强度的比率变化，能够实现与状况对应的色感的照明。
[3]第五实施方式的效果
如以上详述那样，在第五实施方式中，照明装置10具备：激光光源11，发出激光光；衍射光栅(液晶元件)51，使来自激光光源11的激光光透射并且使激光光折射；荧光体单元14，接受来自衍射光栅51的激光光，对激光光进行波长变换而放射照明光，包含彼此色温不同的多个荧光体。基于控制电路22的控制，衍射光栅51控制激光光的角度，选择多个荧光体中的1个。此外，衍射光栅51能够出射0级衍射光和±1级衍射光。并且，衍射光栅51包括设置有电极35的第一区域、以及设置有电极36的第二区域，通过使第一区域与第二区域之间的相位差变化，从而使0级衍射光与±1级衍射光的强度比率变化。
因此，根据第五实施方式，能够使用单一波长的激光光产生多个颜色的照明光。由此，能够减少照明装置10的成本。此外，能够实现可进行色调控制的激光照明装置。
此外，在第五实施方式中，与第一实施方式相比，能够简化液晶元件的构造。其他效果与第一实施方式相同。
另外，在第五实施方式中，使用0级衍射光以及±1级衍射光而产生照明光，但是也可以使用比±1级高的级的衍射光。
此外，也可以在第五实施方式中应用第三实施方式的远心光学系统50。即，也可以在衍射光栅51与凹面镜16之间配置远心光学系统50。由此，能够获得与第三实施方式相同的效果。
[第六实施方式]
第六实施方式是将激光光源11配置在凹面镜16的反射面侧的构成例。图25是第六实施方式所涉及的照明装置10的截面图。
关于激光光源11、准直仪12、衍射光栅51以及荧光体单元14的配置，与图17相同。衍射光栅51例如固定于透射滤光器17。透射滤光器17具有供从衍射光栅51出射的激光光经过的开口部17A。
凹面镜16配置在荧光体单元14的与激光光源11相反的一侧。凹面镜16将从荧光体单元14透射后的照明光反射。由凹面镜16反射后的照明光从透射滤光器17透射而被出射到外部。
关于控制激光光源11以及衍射光栅51的电路构成，与第五实施方式相同。
根据第六实施方式，能够得到与第五实施方式相同的效果。此外，在第六实施方式中，不需要第五实施方式所示的平面镜15，能够减少部件点数。
另外，也可以在第六实施方式中应用第四实施方式的远心光学系统50。即，也可以在衍射光栅51与透射滤光器17之间配置远心光学系统50。由此，能够获得与第四实施方式相同的效果。
本说明书中，所谓“平行”，优选完全平行，但是不必是严格的平行，包含鉴于本发明的效果而能够视为实质平行的情况，此外，也可以包括制造工序中可能产生的误差。此外，所谓“垂直”，不必是严格的垂直，包含鉴于本发明的效果而能够视为实质垂直的情况，此外，也可以包括制造工序中可能产生的误差。
上述各实施方式所说明的照明装置能够应用于车辆的前照灯以外的各种照明设备。例如，能够应用于家庭、办公室或者商铺中使用的照明装置，此外能够应用于带有调色及调光功能的照明装置。
本发明不限于上述实施方式，在不脱离其要旨的范围内，能够对构成要素进行变形而具体化。而且，上述实施方式中包含各个阶段的发明，通过一个实施方式所公开的多个构成要素的适当组合、或者不同实施方式所公开的构成要素的适当组合，能够构成各种发明。例如在从实施方式所公开的全部构成要素中删除掉几个构成要素也能够解决发明所要解决的课题并获得发明的效果的情况下，这些的删除了构成要素后的实施方式也能够作为发明提取出来。

Claims (10)

1.一种照明装置，具备：
激光光源，发出激光光；
液晶元件，使来自所述激光光源的激光光透射并且使所述激光光折射；以及
荧光体单元，接受来自所述液晶元件的激光光，对所述激光光进行波长变换而放射照明光，包括第一色的第一荧光体和与所述第一色不同的第二色的第二荧光体，
所述液晶元件控制所述激光光的角度，选择所述第一荧光体以及所述第二荧光体中的一个。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中，
所述液晶元件通过形成折射率的梯度来使所述激光光偏转。
3.如权利要求1所述的照明装置，其中，
所述液晶元件是出射0级衍射光和±1级衍射光的衍射光栅，并包括设置有第一电极的第一区域及设置有第二电极的第二区域，通过使所述第一区域与所述第二区域的相位差变化而使所述0级衍射光与所述±1级衍射光的强度比率变化。
4.如权利要求3所述的照明装置，其中，
所述第一荧光体配置成接受所述0级衍射光，
所述第二荧光体配置成接受所述±1级衍射光中的一个。
5.如权利要求4所述的照明装置，其中，
所述荧光体单元还具备与所述第一色不同的第三色的第三荧光体，
所述第三荧光体配置成接受所述±1级衍射光中的另一个。
6.如权利要求1至5中任一项所述的照明装置，其中，
还具备：
第一反射构件，设置在所述荧光体单元的与所述液晶元件相反的一侧；以及
第二反射构件，将从所述荧光体单元放射且由所述第一反射构件反射后的照明光，朝所述激光光的行进方向反射。
7.如权利要求6所述的照明装置，其中，
所述第一反射构件是平面镜，
所述第二反射构件是凹面镜。
8.如权利要求1至5中任一项所述的照明装置，其中，
还具备：
第一反射构件，将从所述荧光体单元放射的照明光，朝与所述激光光的行进方向相反的方向反射。
9.如权利要求8所述的照明装置，其中，
所述第一反射构件是凹面镜。
10.如权利要求1至5中任一项所述的照明装置，其中，
还具备：
远心光学系统，设置在所述液晶元件与所述荧光体单元之间，与所述激光光源的光轴平行地使激光光折射。
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