JP2011150857A - 波長変換ユニットとそれを備えた照明装置 - Google Patents
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Abstract
【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
[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。
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。
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≦(d0/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。
[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/e2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/e2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、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。
[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/e2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/e2となる円周の径にほぼ等しい。
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。
[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/e2,1/e3,・・・1/en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)log10eである。
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。
[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。
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。
[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。
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。
Claims (28)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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/en(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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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/e2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。
- 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/e2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。
- 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)log10e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/e2となる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて(2/α)log10e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。
- 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/en(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)log10eである請求項7に記載の波長変換ユニット。
- 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)log10e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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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/en(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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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/e2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。
- 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/e2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。
- 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)log10e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/e2となる場所において、前記中心軸上の厚さに比べて(2/α)log10eだけ薄くなっている請求項20に記載の照明装置。
- 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/en(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)log10eである請求項21に記載の照明装置。
- 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)log10e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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