JP2011150857A - 波長変換ユニットとそれを備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射混色光の色ムラの発生が低減された波長変換ユニットを提供することである。
【解決手段】蛍光体ユニット１１０は、透明部材１１２と蛍光体１１４とから構成されている。蛍光体１１４は、入射する励起光の一部を透過し、励起光の一部を励起光の波長とは異なる波長の波長変換光に変換して出射する機能を有している。蛍光体１１４は、励起光の強度分布の中心の光が入射する部分が、そのほかの部分よりも厚くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換ユニットを備えた照明装置に関する。

波長変換ユニットを備えた照明装置の一従来例である発光装置を図１１に示す。発光装置は、励起光１を射出する励起光源１０と、励起光源１０から射出される励起光１を吸収し、波長変換して所定の波長域の照明光２を放出する波長変換部材３０と、励起光源１０から射出される励起光１を波長変換部材３０へ導出する光ファイバ２０とを有する。励起光源１０は発光素子１１を備え、発光素子１１から射出される光を射出部１２から光ファイバ２０へと導出する。発光素子１１から射出される光を射出部１２へ効率よく導くため、発光素子１１と射出部１２との間にレンズ１３を設けている。光ファイバ２０の一端は射出部１２と接続されており、他端は外部に光を導出する出力部２１を備える。出力部２１は波長変換部材３０を有しており、波長変換ユニットを構成している。波長変換部材３０として蛍光物質３１を使用する。波長変換部材３０は、励起光源１０から射出される励起光１を吸収し波長変換して所定の波長域の照明光２を放出する。

特開２００５−２０５１９５号公報

従来の照明装置では、波長変換部材に励起光を照射すると、波長変換部材により励起光から変換された波長変換光と、波長変換光に変換されずに波長変換部材を透過した励起光が混合した光が波長変換部材から出射される。光ファイバから出射して波長変換部材に入射する励起光の強度は、中心（光ファイバの中心軸付近の領域）で最も強く、中心から離れ周辺に行くに従って弱くなる分布を持っている。波長変換光の一部は、波長変換部材に吸収された点で波長変換されて四方八方に発光し、波長変換部材内で散乱を繰り返してから出射されるため、ある程度均一化されて出射される。一方、波長変換光に変換されずに透過した励起光は直進性が強いため、透過励起光は中心で強く出射される。その結果、中心と、中心から離れた領域とでは、励起光と波長変換光の強度比が異なり、透過励起光と波長変換光を混色した光の色ムラが発生してしまう。

本発明はこのような実情を考慮してなされたものであり、その目的は出射混色光の色ムラの発生が低減された波長変換ユニットを提供することである。

本発明による波長変換ユニットは、入射する励起光の一部を透過し、前記励起光の一部を前記励起光の波長とは異なる波長の波長変換光に変換して出射する波長変換部材を有し、前記励起光は、中心において最も強く、前記中心から離れるに従って弱くなる強度分布を有し、前記波長変換部材は、前記励起光の強度分布の中心の光が入射する部分が、そのほかの部分よりも厚くなっている。

本発明によれば、出射混色光の色ムラの発生が低減された波長変換ユニットが提供される。

本発明の第１実施形態の蛍光体ユニット１１０の構造を示している。 図１の蛍光体ユニットを備えた照明装置を示している。 ガウス分布に近似される強度分布を示している。 従来構造の蛍光体ユニットを示している。 蛍光体の厚さの取り方を示している。 本発明の第１実施形態の第１変形例の蛍光体ユニットを示している。 本発明の第１実施形態の第２変形例の蛍光体ユニットを示している。 本発明の第１実施形態の第３変形例の蛍光体ユニットを示している。 本発明の第１実施形態の第４変形例の蛍光体ユニットを示している。 本発明の第１実施形態の第５変形例の蛍光体ユニットを示している。 波長変換ユニットを備えた照明装置の一従来例である発光装置を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
［構成］
本発明の第１実施形態の波長変換ユニットである蛍光体ユニット１１０を図１に示す。また、図１の蛍光体ユニットを備えた照明装置を図２に示す。

図２に示すように、照明装置１００は、励起光を出射する励起光源１３０と、励起光を波長変換する波長変換ユニットである蛍光体ユニット１１０と、励起光源１３０から出射される励起光を蛍光体ユニット１１０へ導光する導光部材１２０とを有している。なお、続く説明では、蛍光体ユニット１１０は、波長変換ユニット１１０とも呼ぶ。

励起光源１３０から出射される励起光は、中心において最も強く、中心から離れるに従って弱くなる強度分布を有している。励起光源１３０は、これに限らないが、一例では、青紫〜青色領域の光を発する半導体レーザである。

導光部材１２０は、励起光を導光する機能を有するあらゆる光学部品で構成され得るが、代表的には光ファイバで構成される。このため、続く説明では、導光部材１２０は光ファイバ１２０とも呼ぶ。また光ファイバ１２０は、これに限らないが、一例では、開口数Ｆｎａ＝０．２を有するマルチモードファイバである。

図１に示すように、波長変換ユニット１１０は、透明部材１１２と波長変換部材１１４とから構成されている。波長変換部材１１４は、入射する励起光の一部を透過し、励起光の一部を励起光の波長とは異なる波長の波長変換光に変換して出射する機能を有している。波長変換部材１１４は、このような機能を有するあらゆる光学部品で構成され得るが、代表的には蛍光体で構成される。その場合、波長変換光は蛍光である。このため、以下、波長変換部材１１４は蛍光体１１４とも称する。つまり、別の言い方をすれば、蛍光体ユニット１１０は、透明部材１１２と蛍光体１１４とから構成されている。

透明部材１１２はたとえば円柱形状をしており、円端面の一方に光ファイバ１２０の出射端が接続されている。以下、光ファイバ１２０が接続された透明部材１１２の端部の反対側に位置する端部を出射側端部と称する。透明部材１１２は、蛍光及び励起光に対して十分に高い透過率を有している。透明部材１１２は、励起光の伝搬に影響を与えない程度に十分太ければ、円柱形状でなく四角柱形状などをしていてもよい。

蛍光体１１４は、光ファイバ１２０が接続された端部の反対側に位置する透明部材１１２の出射側端部に設けられている。蛍光体１１４は回転対称形状を有している。より詳しくは、蛍光体１１４は、回転放物面と、その回転軸に垂直な平面とで囲まれた形状をしている。以下、この形状を回転放物面形状と称する。蛍光体１１４は、透明部材１１２の円端面のもう一方（光ファイバ１２０が接続された端とは逆側の端）にその平面が内接し、回転放物面が励起光入射側に存在する形で設置されている。

透明部材１１２と蛍光体１１４は同軸に配置されている。すなわち、透明部材１１２の円柱形状の中心軸と蛍光体１１４の回転放物面形状の中心軸は一致している。さらに、蛍光体ユニット１１０、すなわち透明部材１１２と蛍光体１１４は、光ファイバ１２０の出射端部と同軸に配置されている。すなわち、透明部材１１２の中心軸と蛍光体１１４の中心軸は、光ファイバ１２０の出射端部の中心軸と一致している。以下、これら透明部材１１２と蛍光体１１４と光ファイバ１２０の中心軸は区別することなく単に中心軸と称する。したがって、励起光は、その強度分布の中心が蛍光体１１４の中心軸上を通るように、蛍光体１１４に入射する。蛍光体１１４は、中心軸付近が最も厚く、中心軸からの距離の２乗に比例して薄くなっている。

［動作］
励起光源１３０から出射された励起光は光ファイバ１２０によって導光され蛍光体ユニット１１０に入射する。蛍光体ユニット１１０に入射した励起光は、蛍光体ユニット１１０の透明部材１１２を通って蛍光体１１４に照射される。蛍光体１１４に入射する励起光は、中心において最も強く、中心から離れるに従って弱くなる強度分布を有している。たとえば、励起光は、ガウス分布に近似される強度分布を有している。ガウス分布に近似される強度分布を図３に示す。図３において、横軸は蛍光体１１４の中心軸からの距離ｘであり、中心軸上を０としている。図３に示すように、ガウス分布に近似される強度分布は、中心軸上において最も強く、中心軸から離れるに従って弱くなる分布である。ガウス分布に近似される強度分布は次式（１）で表される。

ここで、ｘは中心軸からの距離、Ｉ_ｉｎ（ｘ）は距離ｘにおける励起光の入射強度、Ｉ_０は中心軸上における励起光の入射強度、ｗはビームスポットの半径である。

励起光の強度分布が、ガウス分布に近似される強度分布であるとき、蛍光体１１４への励起光の照射領域は、ビームスポットに対応する蛍光体１１４の領域であり、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）となる円周上およびその内側に対応する領域である。

蛍光体１１４に入射した励起光の一部は、蛍光体１１４により蛍光へ波長変換される。蛍光は、波長変換が行われる点において四方八方（空間的にあらゆる方向）に発光し、蛍光体１１４の中で散乱を繰り返してから出射されるため、蛍光体１１４の励起光の入射面と反対の面より出射される蛍光の強度分布は、図１のＩ_ｏｕｔ（ｘ）のプロットにおいて点線で示したようにほぼ一様となる。

一方、蛍光体１１４に入射した励起光の別の一部は、蛍光に波長変換されずに、蛍光体１１４を透過しほぼ直進して出射される。この励起光の透過強度は、次式（２）に示すＩ_ｏｕｔ（ｘ）のランベルト・ベール則により、蛍光体１１４の厚さに応じて定まる。

ここで、ｘは中心軸からの距離、Ｉ_ｏｕｔ（ｘ）は距離ｘにおける励起光の透過強度、Ｉ_ｉｎ（ｘ）は距離ｘにおける励起光の入射強度、αは吸収係数、ｄ（ｘ）は距離ｘにおける蛍光体１１４の厚さである。吸収係数αは、励起光が蛍光体１１４に単位厚さ当たりに吸収される割合である。式（２）における吸収係数αの吸収とは、蛍光への波長変換および蛍光体１１４における熱への変換などを指している。

比較例として、従来構造の蛍光体ユニットを図４に示す。この比較例の蛍光体ユニット１１０Ｚは、円柱形状の透明部材１１２Ｚの出射側端部の円端面に、一様の厚さｄ_０を有する円柱形状の蛍光体１１４Ｚが接合された構造をしている。この比較例において、蛍光体１１４Ｚを透過した励起光の強度分布は次式（３）となり、蛍光体１１４Ｚに入射する励起光の強度分布の形状を保ったまま、一定の割合で減衰した分布で現れている。

一方、本実施形態である図１の構成の蛍光体ユニット１１０に図２の強度分布を有する励起光が入射した場合は、中心軸上では蛍光体１１４が図４の場合と同等の厚さなので、中心軸上を透過した励起光の強度は図４の構成の場合と変わらないが、周辺部（中心軸から離れた場所）では中心軸上に比べて蛍光体１１４が薄くなっているので、周辺部を透過した励起光の強度は、図４に示す蛍光体１１４Ｚが一様な厚さを有する上述の比較例に比べて増加する。

中心軸からの距離をｘとすると、回転放物面で囲まれた蛍光体１１４は、中心軸付近が最も厚く、中心軸からの距離の２乗に比例して薄くなっており、距離ｘにおける厚さｄ（ｘ）はｄ（ｘ）＝ｄ_０−ｋｘ^２で表せる。厚さｄ（ｘ）が負となる距離ｘでは、蛍光体１１４は存在しないので、蛍光体１１４の半径は（ｄ_０／ｋ）^１／２となる。言い換えれば、蛍光体１１４の距離ｘにおける厚さｄ（ｘ）は次式で表される。

蛍光体１１４に入射する励起光の強度分布が、先に述べたように式（１）に示すガウス分布に近似される強度分布であるとき、励起光の入射強度に対する励起光の透過強度は、ランベルト・ベール則により式（２）で表されるので、励起光の透過強度分布は、次式（５）に示すＩ_ｏｕｔ（ｘ）で与えられる。

ここで、ｋが次式（６）に示す値をとるとき、次式（７）に示すように、ｘ≦（ｄ_０／ｋ）^１／２の範囲で蛍光体１１４を透過した励起光の強度は一定になる。

また、ここで求められた、蛍光体１１４を透過した励起光強度が一定となる蛍光体１１４の厚さの関数を透過強度均一化厚さ関数とする。透過強度均一化厚さ関数は、式（４）と式（６）とによって定められる。蛍光体１１４の厚さは、透過強度均一化厚さ関数と一致している。その結果、照射領域において蛍光体１１４を透過した励起光の強度分布は一定となる。なお、図１においては（ｄ_０／ｋ）^１／２の値はｗの値よりも大きいが、ｄ_０によって（ｄ_０／ｋ）^１／２の値とｗの値の大小関係は異なる。必要となる励起光の透過光量によっては、透過励起光の光量が均一となる領域がｗの値よりも小さくなる場合もありうる。必要となる透過励起光の光量が均一となる領域の大きさによりｄ_０の値を設定する。

蛍光体１１４の厚さは透過強度均一化厚さ関数と一致しているため、蛍光体１１４は、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっており、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる場所において、中心軸上の厚さに比べて（２／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている。

［作用・効果］
以上に述べた構成により、式（４）に示すように中心軸上で最も厚く、中心軸からの距離の２乗に比例して薄くなるような回転放物面形状を蛍光体１１４が有しているため、蛍光体１１４を透過した励起光の強度はｘ≦（ｄ_０／ｋ）^１／２の範囲で均一となる。先に述べたように蛍光体１１４で波長変換された蛍光はほぼ一様に出射されるので、蛍光体ユニット１１０を出射した励起光と蛍光の強度比は中心軸上および周辺部のいずれにおいても等しくなり、結果として出射混色光の色ムラが低減される。

透過励起光と蛍光を混色した出力光の所望の色から透過励起光と蛍光の比を求め、さらに蛍光体１１４から出力される蛍光の強度から必要な励起光強度を求めて、必要な励起光強度が得られるｄ_０を式（７）を用いて求めることにより、所望の色の出力が得られる。そのときの蛍光の強度は、中心軸からの距離が励起光のビームスポットの半径ｗよりも小さい範囲内において出力される蛍光の強度分布を平均して求めてもよいし、その範囲内における最大値と最小値の中間値としてもよい。

または、蛍光体１１４の半径がビームスポットの半径ｗと一致するように定めてもよい。その場合はｄ_０＝（２／α）ｌｏｇ_１０ｅとなる。

なお、本実施形態では、励起光の入射強度分布をガウス分布に近似して蛍光体１１４の形状を回転放物面形状としたが、励起光の入射強度分布がガウス分布から大きく異なる分布を有する場合は、蛍光体１１４の形状を自由曲面形状として求めてもよい。その場合、式（２）における透過強度Ｉ_ｏｕｔ（ｘ）がＩ_ｏｕｔ（０）と等しく一定である条件から、式（８）のように励起光の入射強度の対数に対して線形に変化する蛍光体１１４の厚さを設定すればよい。

本実施形態では、光ファイバ１２０の出射端部と蛍光体１１４との間隔が、中心軸上における蛍光体１１４の厚さよりも大きい場合の想定のもと、図５の左側に示すように、蛍光体１１４の厚さは中心軸に沿った寸法Ｄ１であるとして蛍光体１１４の形状を求めた。これとは反対に、光ファイバ１２０の出射端部と蛍光体１１４との間隔が、中心軸上における蛍光体１１４の厚さよりも小さい場合、蛍光体１１４に入射する励起光は中心軸に対して角度を持って入射するので、図５の右側に示すように、蛍光体１１４の厚さは蛍光体１１４の各場所における励起光の進行方向に沿った寸法Ｄ２であるとして蛍光体１１４の形状を求めてもよい。光線が蛍光体１１４内を通る距離を反映して厚さが決定されるので、より励起光の透過強度分布を一様にできる。

また、蛍光体１１４の形状は、本実施形態では、励起光が入射する側が凸になっており、透過励起光が出射する側が平坦な形状としたが、入射側が平坦で、出射側を凸とした形状でもよい。また、出射側と入射側が共に対称的で、それぞれを回転放物面とした形状とすることもできる。

＜変形例１＞
［構成と動作］
本発明の第１実施形態の第１変形例の蛍光体ユニットを図６に示す。本変形例の蛍光体ユニット１１０Ａは、透明部材１１２Ａと、透明部材１１２Ａの出射側端部に設けられた蛍光体１１４Ａとで構成されている。蛍光体１１４Ａは、励起光の照射領域すなわちビームスポット内は回転放物面とその中心軸に垂直な平面とで囲まれ、照射領域すなわちビームスポットの外側は平行な２つの平面で囲まれた形状をしている。別の言い方をすれば、蛍光体１１４Ａは円柱に回転放物面形状が重なった形状をしている。すなわち、蛍光体１１４Ａの厚さは、照射領域内では透過強度均一化厚さ関数と一致し、照射領域の外側では一定である。言い換えれば、蛍光体１１４Ａの厚さは、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側では式（４）で表され、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上の外側の領域では一定である。

本変形例では、回転放物面とその周囲の平面の境界は、照射領域の外周すなわち励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上に位置しているが、照射領域すなわち励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周の外側に位置していてもよい。

［作用・効果］
本変形例では、入射励起光のビームスポットに対応する領域内では、励起光の透過強度が一様になるように透過強度均一化厚さ関数により蛍光体１１４の厚さが定まり、ビームスポットに対応する領域の外側では蛍光体１１４Ａの厚さは一定で、すなわち平板部を有する。すなわち、ビームスポットに対応する領域内では、第１実施形態と同様に励起光の透過強度分布が均一化されることで、ビームスポット内での励起光と蛍光の強度比が等しくなり、出射光の色ムラが低減される。

また蛍光体１１４Ａは、ビームスポットに対応する領域の外側の外周部分が平板状であり、蛍光体１１４Ａを透明部材１１２Ａに接合する際に、この平板状の部分でハンドリングすることにより蛍光体１１４Ａの取り扱いが容易である。また、ハンドリングする際に蛍光体１１４Ａの励起光照射領域に欠けなどを生じる可能性が低くなる。

本変形例の構成は、以下に述べる変形例３〜５に記載の形状と組み合わせてもよく、その場合にも同様の効果が得られる。

＜変形例２＞
［構成と動作］
本発明の第１実施形態の第２変形例の蛍光体ユニットを図７に示す。本変形例の蛍光体ユニット１１０Ｂは透明部材１１２Ｂと蛍光体１１４Ｂとで構成されている。蛍光体１１４Ｂは、励起光の照射領域すなわちビームスポット内が回転放物面とその中心軸に垂直な平面とで囲まれた形状で、照射領域すなわちビームスポットの外側には存在していない。別の言い方をすれば、蛍光体１１４Ｂは、第１実施形態の蛍光体１１４の励起光の照射領域の外側部分を切り落とした形状をしている。すなわち、蛍光体１１４Ｂの厚さは、照射領域内では透過強度均一化厚さ関数と一致し、蛍光体１１４Ｂの外径が照射領域の外径にほぼ等しい。言い換えれば、蛍光体１１４Ｂの厚さは、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側では式（４）で表され、蛍光体１１４Ｂの外径が励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周の径にほぼ等しい。

本変形例では、蛍光体１１４Ｂの外径は、照射領域の外周すなわち励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周の径にほぼ等しいが、照射領域すなわち励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周の径よりも大きくてもよい。

［作用・効果］
本変形例では、入射励起光のビームスポットに対応する領域内では、励起光の透過強度が一様になるように透過強度均一化厚さ関数により蛍光体１１４Ｂの厚さが定まり、ビームスポットに対応する領域の外側には蛍光体１１４Ｂが存在しない。すなわち、ビームスポットに対応する領域内では、第１実施形態と同様に励起光の透過強度分布が均一化されることで、ビームスポット内での励起光と蛍光の強度比が等しくなり、出射混色光の色ムラが低減される。

また蛍光体１１４Ｂは、ビームスポットに対応する領域の外側には存在せず、変形例１と比較して、小さく構成され得る。

本変形例の構成は、以下に述べる変形例３〜５に記載の形状と組み合わせてもよく、その場合にも同様の効果が得られる。

＜変形例３＞
［構成］
本発明の第１実施形態の第３変形例の蛍光体ユニットを図８に示す。本変形例の蛍光体ユニット１１０Ｃは透明部材１１２Ｃと蛍光体１１４Ｃとで構成されている。蛍光体１１４Ｃは、径の異なる複数の円柱を径の大きさの順に同軸に重ね合わせた形状をしている。複数の円柱の半径は、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅ，１／ｅ^２，１／ｅ^３，・・・１／ｅ^ｎとなる円周の半径にそれぞれ一致している。励起光の入射強度分布がガウス分布に近似できるとき、円柱の半径はそれぞれ（１／２）^１／２ｗ，ｗ，（３／２）^１／２ｗ，・・・（ｎ／２）^１／２ｗである。また、円柱の厚さはいずれも（１／α）ｌｏｇ_１０ｅである。

図８に示したように、励起光の入射側に径の小さい円柱状蛍光体、そこから順に径の大きい円柱状蛍光体を合計三つ重ね合わせて蛍光体１１４Ｃを形成すると、中心軸からの距離に応じた各場所での厚さは、０≦ｘ＜（１／２）^１／２ｗではｄ（ｘ）＝（３／α）ｌｏｇ_１０ｅ、（１／２）^１／２ｗ≦ｘ＜ｗではｄ（ｘ）＝（２／α）ｌｏｇ_１０ｅ、ｗ≦ｘ＜（３／２）^１／２ｗではｄ（ｘ）＝（１／α）ｌｏｇ_１０ｅ、（３／２）^１／２ｗ≦ｘではｄ（ｘ）＝０である。

ここで、励起光の入射強度がＩ_０／ｅ、Ｉ_０／ｅ^２となるｘ＝（１／２）^１／２ｗ，ｗにおいて、蛍光体１１４の厚さはｄ（（１／２）^１／２ｗ）＝ｄ_０−（１／α）ｌｏｇ_１０ｅ，ｄ（ｗ）＝ｄ_０−（２／α）ｌｏｇ_１０ｅ、（ここでのｄ_０は中心軸における蛍光体１１４Ｃの厚さであり、本実施例の場合は（３／α）ｌｏｇ_１０ｅ）となり、第１実施形態の蛍光体１１４の形状を決めている式（４）と式（６）から定義される回転放物面に対してｘ＝（１／２）^１／２ｗ，ｗを満たす円周上において交差している。また、言い換えれば、中心軸上の蛍光体１１４Ｃの厚さがｄ_０であるので、励起光の入射強度が、中心軸上における入射強度Ｉ_０に対して１／ｅの強度となる場所では、中心軸上の厚さｄ_０に対して（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっており、励起光の入射強度が、中心軸上における入射強度Ｉ_０に対して１／ｅ^２の強度となる場所では、中心軸上の厚さｄ_０に対して（２／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている。励起光の入射強度がＩ_０／ｅ^２およびＩ_０／ｅとなるｘ＝ｗおよび（１／２）^１／２ｗは、それぞれ、ビームスポット外周である半径ｗの円周上およびビームスポットに対して面積が半分となる領域の外周である半径（１／２）^１／２ｗの円周上を示しており、これらの円周上において、中心軸上において蛍光体１１４Ｃを透過した励起光の強度と等しい透過強度が得られる。

［作用・効果］
本変形例では、蛍光体１１４Ｃは、同じ厚さの複数の円柱を重ね合わせて構成され、透過強度均一化厚さ関数により定義される理想的な回転放物面形状に近い形状をしている。このため、第１実施形態と同様に励起光の透過強度分布が均一な状態に近づき、ビームスポット内における透過励起光と蛍光の強度比の変化が減少し、出射混色光の色ムラが低減される。また、蛍光体１１４Ｃは、同じ厚さの円柱を重ね合わせて形作られるので第１実施形態と比較して、作成が容易である。

中心軸上の蛍光体１１４Ｃの厚さｄ_０については、第１実施形態で述べたように出力光の所望の色より求めるとよい。出力光の所望の色より求めたｄ_０と、本変形例における複数の円柱で構成される蛍光体１１４Ｃの中心軸上の厚さが異なる場合、最も径の大きい円柱の厚さを調整して、０≦ｘ＜（１／２）^１／２ｗにおける全体の厚さをｄ（ｘ）＝ｄ_０とすることにより、出力光の色が所望の色に近づけられる。

例えば３つの円柱で構成される本変形例の場合は、半径ｘ＝（３／２）^１／２ｗの円柱の厚さをｄ（ｘ）＝ｄ_０−（２／α）ｌｏｇ_１０ｅにすることで、３つの円柱の厚さの合計値がｄ_０に合致するので、出力光の色が所望の色に近づけられる。

本変形例では、励起光の照射側から径の小さい順に円柱を重ね合わせて蛍光体１１４Ｃを構成したが、それとは逆に、大きい順に円柱を重ねて蛍光体１１４Ｃを構成してもよい。

なお、本変形例の蛍光体１１４Ｃは、円柱を重な合わせた形状としたが、ｘ＝０においてｄ（０）＝ｄ_０、ｘ＝（１／２）^１／２ｗにおいてｄ（（１／２）^１／２ｗ）＝ｄ_０−（１／α）ｌｏｇ_１０ｅ、ｘ＝ｗにおいてｄ（ｗ）＝ｄ_０−（１／α）ｌｏｇ_１０ｅの厚さとなる他の形状としてもよい。例えば、中心軸上に焦点を持つ楕円の式により、蛍光体の厚さが決まる形状でもよい。

＜変形例４＞
［構成・動作］
本発明の第１実施形態の第４変形例の蛍光体ユニットを図９に示す。本変形例の蛍光体ユニット１１０Ｄは透明部材１１２Ｄと蛍光体１１４Ｄとで構成されている。蛍光体１１４Ｄは円錐形状をしている。蛍光体１１４Ｄは、光ファイバ１２０が接続された透明部材１１２Ｄの端とは逆の円端面に、円錐の底面が内接しており、光ファイバ１２０の出射端に向かって凸形状となっている。

透明部材１１２Ｄの円柱形状と蛍光体１１４Ｄの円錐形状の中心軸は、光ファイバ１２０の中心軸と一致している。また、円錐形状の蛍光体１１４Ｄは、中心軸上で最も厚く、厚さｄ_０であり、そこから離れるに従って厚さが減少しており、その減少量は中心軸からの距離に比例している。つまり、蛍光体１１４Ｄは、中心軸上が最も厚く、そこからの距離に比例して薄くなっている。励起光の入射強度分布がガウス分布に近似されるとき、蛍光体１１４Ｄは、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所（ｘ＝（１／２）^１／２ｗ）において、中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている。すなわち、ｄ（（１／２）^１／２ｗ）＝ｄ_０−（１／α）ｌｏｇ_１０ｅとなっている。ｄ_０については、第１実施形態で述べたように出力光の所望の色より求めるとよい。

［作用・効果］
本変形例では、蛍光体１１４Ｄは、透過強度均一化厚さ関数により定義される理想的な回転放物面形状に近似された円錐形状をしている。このため、第１実施形態と同様に励起光の透過強度分布が均一な状態に近づく。先述したように、蛍光の出射強度分布はほぼ一様であるので、ビームスポット内における透過励起光と蛍光の強度比の変化が減少し、出射混色光の色ムラが低減される。また蛍光体１１４Ｄは、第１実施形態と比較して、形状が簡素化されているので、作成が容易である。

＜変形例５＞
［構成・動作］
本発明の第１実施形態の第５変形例の蛍光体ユニットを図１０に示す。本変形例の蛍光体ユニット１１０Ｅは透明部材１１２Ｅと蛍光体１１４Ｅとで構成されている。蛍光体１１４Ｅは円錐台形状をしている。蛍光体１１４Ｅは、透明部材１１２Ｅの光ファイバ１２０が接続された端とは逆の円端面に、円錐台の大径面端が内接しており、光ファイバ１２０の出射端に向き合った側に小径面端が配置されている。

透明部材１１２Ｅの円柱形状と蛍光体１１４Ｅの円錐台形状の中心軸は、光ファイバ１２０の中心軸と一致している。円錐形状の蛍光体１１４Ｅの厚さは、円錐台形状の小径面部分が最も厚く、厚さｄ_０であり、励起光の入射強度がＩ_０／ｅとなる場所と中心軸との距離の半分の値が小径面の半径となっている。小径面の外周より外では、中心軸より離れるに従い直線的に厚さが減少している。すなわち、蛍光体１１４Ｅは、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅとなる第１の円周の半分の径を有する中心軸を中心とする第２の円周の内側の範囲では一定の厚さで最も厚く、第２の円周の外側の範囲では中心軸からの距離に応じて直線的に薄くなっている。励起光の入射強度分布がガウス分布に近似されるとき、励起光の入射強度がＩ_０／ｅとなる円周の半径（１／２）^１／２ｗの半分の値１／２（１／２）^１／２ｗが小径面の半径となり、小径面の外周より外側では、励起光の入射強度がＩ_０／ｅとなる場所（ｘ＝（１／２）^１／２ｗ）において、厚さはｄ（（１／２）^１／２ｗ）＝ｄ_０−（１／α）ｌｏｇ_１０ｅとなっている。蛍光体１１４Ｅは、励起光の入射強度が中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている。蛍光体１１４の最も厚い部分の厚さｄ_０については、第１実施形態で述べたように出力光の所望の色より求めるとよい。

［作用・効果］
本変形例では、蛍光体１１４Ｅは、透過強度均一化厚さ関数により定義される理想的な回転放物面形状に近似された円錐台形状をしている。このため、第１実施形態と同様に励起光の透過強度分布が均一な状態に近づく。先述したように、蛍光の出射強度分布はほぼ一様であるので、ビームスポット内での透過励起光と蛍光の強度比の変化が減少し、出射混色光の色ムラが低減される。また、蛍光体１１４Ｅは、第１実施形態と比較して、形状が簡素化されているので、作成が容易である。また、変形例４に比べて、蛍光体１１４Ｅの構造の複雑さは同程度ながら、図９および図１０を比較してわかるように、励起光の透過強度が均一化される範囲が広い。

以上に説明した実施形態および変形例からわかるように、本発明による蛍光体ユニットの蛍光体は、励起光の強度分布の中心の光が入射する部分が、そのほかの部分よりも厚くなっている。また蛍光体は、励起光の照射領域内において、蛍光体の中心軸上を透過した励起光の強度と、中心軸を中心とする少なくともひとつの円周上の点を通って蛍光体を透過した励起光の強度とがほぼ等しくなる厚さを有している。言い換えれば、蛍光体の厚さは、中心軸および円周上において、透過強度均一化厚さ関数と一致している。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

１００…照明装置、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ，１１０Ｅ…蛍光体ユニット（波長変換ユニット）、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅ…透明部材、１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ，１１４Ｃ，１１４Ｄ，１１４Ｅ…蛍光体（波長変換部材）、１２０…光ファイバ（導光部材）、１３０…励起光源。

Claims (28)

1. 入射する励起光の一部を透過し、前記励起光の一部を前記励起光の波長とは異なる波長の波長変換光に変換して出射する波長変換部材を有し、
   前記励起光は、中心において最も強く、前記中心から離れるに従って弱くなる強度分布を有し、
   前記波長変換部材は、前記励起光の強度分布の中心の光が入射する部分が、そのほかの部分よりも厚くなっている波長変換ユニット。
2. 前記波長変換部材は回転対称形状を有しており、前記励起光は、その強度分布の中心が前記波長変換部材の中心軸上を通るように、前記波長変換部材に入射し、前記波長変換部材は、前記励起光の照射領域内において、前記波長変換部材の中心軸上を透過した励起光の強度と、前記中心軸を中心とする少なくともひとつの円周上の点を通って前記波長変換部材を透過した励起光の強度とがほぼ等しくなる厚さを有している請求項１に記載の波長変換ユニット。
3. 前記波長変換部材へ入射する前記励起光は、ガウス分布に近似される強度分布を有しており、前記波長変換部材の中心軸から所定の距離までの範囲内において前記波長変換部材を透過した励起光の強度分布が一定となるような前記波長変換部材の厚さの関数を透過強度均一化厚さ関数としたときに、前記波長変換部材の厚さは、前記中心軸および前記円周上において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項２に記載の波長変換ユニット。
4. 前記透過強度均一化厚さ関数は次式で表され、
   

   

   ここで、ｘは前記中心軸からの距離、ｄ（ｘ）は距離ｘにおける前記波長変換部材の厚さ、ｄ_０は中心軸上における前記波長変換部材の厚さ、αは前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数、ｗは前記照射領域の半径である請求項３に記載の波長変換ユニット。
5. 前記波長変換部材の厚さは、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が、前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^ｎ（ｎは自然数）となる場所において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項３に記載の波長変換ユニット。
6. 前記波長変換部材の厚さは、前記照射領域内において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項５に記載の波長変換ユニット。
7. 前記波長変換部材は、径の異なる複数の円柱を径の大きさの順に同軸に重ね合わせた形状をしている請求項５に記載の波長変換ユニット。
8. 前記波長変換部材は、前記中心軸上が最も厚く、そこからの距離に比例して薄くなっている請求項３に記載の波長変換ユニット。
9. 前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる第１の円周の半分の径を有する前記中心軸を中心とする第２の円周の内側の範囲では一定の厚さで最も厚く、前記第２の円周の外側の範囲では前記中心軸からの距離に応じて直線的に薄くなっている請求項３に記載の波長変換ユニット。
10. 前記照射領域は、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側に対応する領域であり、前記波長変換部材の厚さは、前記照射領域の外側では一定である請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換ユニット。
11. 前記照射領域は、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側に対応する領域であり、前記波長変換部材の外径は前記照射領域の外径にほぼ等しい請求項１〜４，８，９のいずれかに記載の波長変換ユニット。
12. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっており、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（２／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている請求項６に記載の波長変換ユニット。
13. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記円柱の半径は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^ｎ（ｎはｎ番目の前記円柱）となる円周の半径とそれぞれ一致しており、前記円柱の厚さはいずれも（１／α）ｌｏｇ_１０ｅである請求項７に記載の波長変換ユニット。
14. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている請求項８または９に記載の波長変換ユニット。
15. 励起光を出射する励起光源と、
    前記励起光を受光し、前記励起光の一部を透過し、前記励起光の一部を前記励起光の波長とは異なる波長の波長変換光に変換して出射する波長変換部材を有する波長変換ユニットとを有し、
    前記励起光は、中心において最も強く、前記中心から離れるに従って弱くなる強度分布を有し、
    前記波長変換部材は、前記励起光の強度分布の中心の光が入射する部分が、そのほかの部分よりも厚くなっている照明装置。
16. 前記励起光を前記励起光源から前記波長変換ユニットへ導光する導光部材をさらに有し、前記波長変換部材は回転対称形状を有しており、前記導光部材はその出射端部が前記波長変換部材と同軸に配置されており、前記励起光は、その強度分布の中心が前記波長変換部材の中心軸上を通るように、前記波長変換部材に入射し、前記波長変換部材は、前記励起光の照射領域内において、前記波長変換部材の中心軸上を透過した励起光の強度と、前記中心軸を中心とする少なくともひとつの円周上の点を通って前記波長変換部材を透過した励起光の強度とがほぼ等しくなる厚さを有している請求項１５に記載の照明装置。
17. 前記波長変換部材へ入射する前記励起光は、ガウス分布に近似される強度分布を有しており、前記波長変換部材の中心軸から所定の距離までの範囲内において前記波長変換部材を透過した励起光の強度分布が一定となるような前記波長変換部材の厚さの関数を透過強度均一化厚さ関数としたときに、前記波長変換部材の厚さは、前記中心軸および前記円周上において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項１６に記載の照明装置。
18. 前記透過強度均一化厚さ関数は次式で表され、
    

    

    ここで、ｘは前記中心軸からの距離、ｄ（ｘ）は距離ｘにおける前記波長変換部材の厚さ、ｄ_０は中心軸上における前記波長変換部材の厚さ、αは前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数、ｗは前記照射領域の半径である請求項１７に記載の照明装置。
19. 前記波長変換部材の厚さは、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が、前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^ｎ（ｎは自然数）となる場所において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項１７に記載の照明装置。
20. 前記波長変換部材の厚さは、前記照射領域内において、前記透過強度均一化厚さ関数と一致している請求項１９に記載の照明装置。
21. 前記波長変換部材は、径の異なる複数の円柱を径の大きさの順に同軸に重ね合わせた形状をしている請求項１９に記載の照明装置。
22. 前記波長変換部材は、前記中心軸上が最も厚く、そこからの距離に比例して薄くなっている請求項１７に記載の照明装置。
23. 前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる第１の円周の半分の径を有する前記中心軸を中心とする第２の円周の内側の範囲では一定の厚さで最も厚く、前記第２の円周の外側の範囲では前記中心軸からの距離に応じて直線的に薄くなっている請求項１７に記載の照明装置。
24. 前記照射領域は、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側に対応する領域であり、前記波長変換部材の厚さは、前記照射領域の外側では一定である請求項１５〜２３のいずれかに記載の照明装置。
25. 前記照射領域は、前記波長変換部材への前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる円周上およびその内側に対応する領域であり、前記波長変換部材の外径は前記照射領域の外径にほぼ等しい請求項１５〜１８，２２，２３のいずれかに記載の照明装置。
26. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっており、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^２となる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（２／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている請求項２０に記載の照明装置。
27. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記円柱の半径は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅ^ｎ（ｎはｎ番目の前記円柱）となる円周の半径とそれぞれ一致しており、前記円柱の厚さはいずれも（１／α）ｌｏｇ_１０ｅである請求項２１に記載の照明装置。
28. 前記励起光が前記波長変換部材に単位厚さ当たりに吸収される割合である吸収係数をαとして、前記波長変換部材は、前記励起光の入射強度が前記中心軸上における入射強度の１／ｅとなる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて（１／α）ｌｏｇ_１０ｅだけ薄くなっている請求項２２または２３に記載の照明装置。

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