JP2011129376A - 発光装置、照明装置、車両用ヘッドランプおよびプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヘッドランプ1は、レーザ光を出射する半導体レーザ3と、半導体レーザ3から出射されたレーザ光を受けて発光する発光部7と、発光部7が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡8とを備えている。半導体レーザ3の光出力は、6W以上30W以下であり、反射鏡8の光軸に対して垂直な平面に、発光部7を投影したときの投影像の面積は、100μm2以上3mm2以下である。
【選択図】図1
Description
本発明の実施の一形態について図1〜図2に基づいて説明すれば、以下のとおりである。ここでは、本発明の照明装置として、自動車用の走行用前照灯(ハイビーム)の配光特性基準を満たすヘッドランプ1を例に挙げて説明する。
まず、本実施形態に係るヘッドランプ1の構成について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るヘッドランプ1の概略構成を示す図である。同図に示すように、ヘッドランプ1は、半導体レーザ(励起光源)3、非球面レンズ4、導光部21、発光部7、反射鏡8および透明板9を備えている。半導体レーザ3、導光部21および発光部7によって発光装置の基本構造が形成されている。
半導体レーザ3は、励起光を出射する励起光源として機能するものである。この半導体レーザ3は複数設けられており、複数の半導体レーザ3のそれぞれからレーザ光(励起光)が発振される。
導光部21は、半導体レーザ3が発振したレーザ光を集光して発光部7(発光部7のレーザ光照射面7a)へと導く角錐台状の導光部材であり、非球面レンズ4を介して半導体レーザ3と光学的に結合している。導光部21は、複数の半導体レーザ3が出射したレーザ光を受光する光入射面211(入射端部)と当該光入射面211において受光したレーザ光を発光部7へ出射する光出射面212(出射端部)とを有している。
発光部7は、光出射面212から出射されたレーザ光を受けて発光するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体を含んでいる。この発光部7は、透明板9の内側(光出射面212が位置する側)の面において、反射鏡8の焦点位置またはその近傍に固定されている。発光部7の位置の固定方法は、この方法に限定されず、反射鏡8から延出する棒状または筒状の部材によって発光部7の位置を固定してもよい。発光部7の詳細については後述する。
反射鏡8は、発光部7が出射したインコヒーレント光(以下、単に「光」と称する)を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成するものである。すなわち、反射鏡8は、発光部7からの光を反射することにより、ヘッドランプ1の前方へ進む光線束を形成する。この反射鏡8は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された曲面形状(カップ形状)の部材であり、反射した光の進行方向に開口している。
発光部7は、蛍光体保持物質としてのシリコーン樹脂の内部に蛍光体が分散されているものである。シリコーン樹脂と蛍光体との割合は、10:1程度である。また、発光部7は、蛍光体を押し固めたものであってもよい。蛍光体保持物質は、シリコーン樹脂に限定されず、いわゆる有機無機ハイブリッドガラスや無機ガラスであってもよい。
発光部7は、例えば、3mm×1mm×1mmの直方体である。この場合、半導体レーザ3からのレーザ光を受けるレーザ光照射面7aおよびレーザ光が変換された白色光が出射される発光面7bの面積は、3mm2である。日本国内で法的に規定されている車両用ヘッドランプの配光パターン(配光分布)は、鉛直方向に狭く、水平方向に広いため、発光部7の形状を、水平方向に対して横長(断面略長方形形状)にすることにより、上記配光パターンを実現しやすくなる。
本発明の発明者は、反射鏡8を正面から見たときの反射鏡8の面積である開口面積が発光部7の正面面積の100倍よりも小さくなると、反射鏡8の反射効率が極端に悪化することを実験により見出した。換言すれば、開口面積は、発光部7の正面面積の100倍以上であることが好ましい。これは、開口面積に対し、正面面積が相対的に大きくなることで、反射鏡8によって反射する光線束の一部を発光部7が遮ることによる損失が大きくなることに起因する。
ここで、半導体レーザ3の基本構造について説明する。図2(a)は、半導体レーザ3の回路図を模式的に示したものであり、図2(b)は、半導体レーザ3の基本構造を示す斜視図である。同図に示すように、半導体レーザ3は、カソード電極19、基板18、クラッド層113、活性層111、クラッド層112、アノード電極17がこの順に積層された構成である。
次に、半導体レーザ3から発振されたレーザ光による蛍光体の発光原理について説明する。
以上の構成を備えるヘッドランプ1では、発光部7の正面面積が3mm2の場合、反射鏡8の開口面積が1000mm2であり、放射される光束が約1900lmであり、発光部7の輝度が50cd/mm2となる。それゆえ、ヘッドランプ1は、高輝度かつ高光束でありながら、従来よりも小型のヘッドランプであると言える。
本発明の他の実施形態について図3に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態1と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
以上の構成を備えるヘッドランプ20では、発光部7の正面面積が約2mm2の場合、反射鏡8の開口面積が700mm2であり、放射される光束が約1500lmであり、発光部7の輝度が60cd/mm2となる。それゆえ、ヘッドランプ20は、高輝度かつ高光束でありながら、従来よりも小型のヘッドランプであると言える。
本発明の他の実施形態について図4に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態1〜2と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
以上の構成を備えるヘッドランプ30では、発光部7の正面面積が約3mm2の場合、反射鏡8の開口面積が1260mm2であり、放射される光束が約1350lmであり、発光部7の輝度が36cd/mm2となる。それゆえ、ヘッドランプ30は、高輝度かつ高光束でありながら、従来よりも小型のヘッドランプであると言える。
〔実施の形態4〕
本発明のさらに別の実施形態について図5に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態1〜3と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、本実施形態に係るヘッドランプ(照明装置)40の構成について図5を用いて説明する。図5は、プロジェクタ型のヘッドランプであるヘッドランプ40の構成を示す断面図である。このヘッドランプ40は、プロジェクタ型のヘッドランプである点、並びに、導光部21、導光部22およびライトガイド23の代わりに光ファイバー5を備えた点でヘッドランプ1とは異なる。
半導体レーザアレイ2は、励起光を出射する励起光源として機能し、複数の半導体レーザ(半導体レーザ素子)3を基板上に備えるものである。なお、半導体レーザ3の構成については、ヘッドランプ1が備える半導体レーザ3と同じであるので、ここではその説明を省略する。
光ファイバー5は、半導体レーザ3が発振したレーザ光を発光部7へと導く導光部材であり、複数の光ファイバーの束である。この光ファイバー5は、上記レーザ光を受け取る複数の入射端部5bと、入射端部5bから入射したレーザ光を出射する複数の出射端部5aとを有している。
図6は、出射端部5aと発光部7との位置関係を示す図である。同図に示すように、フェルール6は、光ファイバー5の複数の出射端部5aを発光部7のレーザ光照射面7aに対して所定のパターンで保持する。このフェルール6は、出射端部5aを挿入するための孔が所定のパターンで形成されているものでもよいし、上部と下部とに分離できるものであり、上部および下部の接合面にそれぞれ形成された溝によって出射端部5aを挟み込むものでもよい。フェルール6の材質は、特に限定されず、例えばステンレススチールである。なお、図6では、半導体レーザ3の個数(すなわち光ファイバー5の個数)にあわせて出射端部5aを3つ示しているが、出射端部5aの数は3つに限定されない。
発光部7は、出射端部5aから出射されたレーザ光を受けて発光するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体を含んでいる。また、発光部7は、後述する反射鏡8の第1焦点の近傍に配置され、図5に示すように、透明板9の内側(出射端部5aが位置する側)の面において、出射端部5aと対向する位置に固定されている。
反射鏡8は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された部材であり、発光部7から出射した光を反射することにより、当該光をその焦点に収束させる。ヘッドランプ40がプロジェクタ型のヘッドランプであるため、反射鏡8の基本形状は、反射した光の光軸方向に平行な断面が楕円形状となっている。反射鏡8には、第1焦点と第2焦点とが存在し、第2焦点は、第1焦点よりも反射鏡8の開口部に近い位置に存在している。後述する凸レンズ14は、その焦点が第2焦点の近傍に位置するように配置されており、反射鏡8によって第2焦点に収束された光を前方に投射する。
凸レンズ14は、発光部7から出射された光を集光し、集光した光をヘッドランプ1の前方へ投影する。凸レンズ14の焦点は、反射鏡8の第2焦点の近傍であり、その光軸は、発光部7が有する発光面のほぼ中央を貫いている。この凸レンズ14は、レンズホルダ16によって保持され、反射鏡8に対する相対位置が規定されている。反射鏡の開口部に集光レンズとしての凸レンズ14が設けられている場合には、凸レンズ14を正面から見たときの当該凸レンズ14の面積が上記開口面積となる。換言すれば、開口面積とは、反射鏡の光軸に対して垂直な平面に凸レンズ14を投影したときの投影像の面積である。
透明板9は、反射鏡8の開口部を覆う透明な樹脂板であり、発光部7を保持している。すなわち、発光部7は、反射鏡8の第1焦点近傍に設置されるように透明板9によって保持されている。
以上の構成を備えるヘッドランプ30では、発光部7の正面面積が約1mm2の場合、凸レンズ14の開口面積が300mm2であり、放射される光束が約1260lmであり、発光部7の輝度が100cd/mm2となる。それゆえ、ヘッドランプ40は、高輝度かつ高光束でありながら、従来よりも小型のヘッドランプであると言える。
上述した実施の形態1〜4のヘッドランプ1、20、30および40は、ハイビームの配光特性基準を満たすものとして説明したが、自動車用のすれ違い用前照灯(ロービーム)として用いられてもよい。
本発明をプロジェクタに適用してもよい。その場合には、上述のヘッドランプ40の構成を用いることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
3 半導体レーザ(励起光源)
5 光ファイバー(導光部)
7 発光部
8 反射鏡
20 ヘッドランプ
21 導光部
22 導光部
30 ヘッドランプ
40 ヘッドランプ
211 光入射面(入射端部)
212 光出射面(出射端部)
Claims (7)
- 励起光を出射する励起光源と、
上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
上記発光部が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡とを備え、
上記励起光源の光出力は、6W以上30W以下であり、
上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、発光部を投影したときの投影像の面積は、100μm2以上3mm2以下であることを特徴とする発光装置。 - 上記励起光源を複数備え、
上記複数の励起光源からの励起光を1つの上記発光部に導く少なくとも1つの導光部をさらに備え、
上記複数の励起光源の光出力の合計が6W以上30W以下であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 - 上記導光部は、上記複数の励起光源からの励起光を受光する入射端部と、当該入射端部において受光した励起光を上記発光部に出射する出射端部とを備えることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とする車両用ヘッドランプ。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
- 励起光を出射する励起光源と、
上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
上記発光部が出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡とを備え、
上記励起光源から出射され、上記発光部に照射される励起光の放射束は、3W以上30W以下であり、
上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、発光部を投影したときの投影像の面積は、
100μm2以上3mm2以下であることを特徴とする発光装置。
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