以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第1の実施形態の光源装置は、固体光源と、該固体光源により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する蛍光体層を備えた少なくとも1つの蛍光体領域を有する反射型蛍光回転体とを備え、前記反射型蛍光回転体は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源側に所定の曲率を有する曲面の形状であって、前記反射面の接面の法線と回転軸とのなす角度が回転軸からの距離に応じて異なっており、かつ、前記反射型蛍光回転体と前記固体光源との位置関係を可変にする可変手段が設けられていることを特徴としている。
なお、上記蛍光体領域とは、蛍光体層を有する領域であって、後述のように、蛍光体層に対応させて、調整層などが設けられる場合には、蛍光体層とともに、これらをも含めたものを指すものとする。以下では、便宜上、蛍光体層とこれに対応する蛍光体領域には、同じ符号を付している。
図4は、本発明の第1の実施形態の光源装置の第1の構成例を示す図(概略正面図)である。図4を参照すると、この光源装置10は、紫外光を出射する固体光源5と、回転軸Xの周りに回転可能な(モーター4によって回転する)蛍光回転体1とを備えている。図5は、図4の光源装置10に用いられる蛍光回転体1の一例を示す図(平面図)である。図5の例では、蛍光回転体1は、基板上に、紫外光を照射すると赤色、緑色、青色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層2a,2b,2cが3つの分割された領域(3等分された領域)として配置されている。
また、図4の光源装置10では、蛍光回転体1が反射型のものとして構成され、固体光源5から矢印B1の方向に出射された紫外光(励起光)によって励起された各蛍光体層2a,2b,2cからの発光のうち、蛍光回転体1で反射されて矢印B2の方向(入射励起光が蛍光回転体1のある反射面に入射するとき、この反射面の接面Tの法線nに対する入射励起光の入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(=θ1)であって、この反射面の接面Tの法線nに対して入射励起光の入射方向B1とは反対の方向)に出射する光を照明光として利用できるようになっている。以下、この形式の蛍光回転体を、反射型蛍光回転体という。ここで、蛍光体層2a,2b,2cからの出射光を考えると、入射励起光に対して反射する光とともに、蛍光体層2a,2b,2cで多重反射され蛍光回転体1を透過する発光や、蛍光体層2a,2b,2cを励起せず励起光のまま蛍光回転体1を透過する光も存在している。もし、蛍光回転体1の蛍光体層2a,2b,2cを配置する基板が透明であるとすると、これらの光は蛍光回転体1の裏側に抜ける透過光となり、照明光として利用できない光となってしまう。
反射型蛍光回転体1を用いる場合に、蛍光体層2a,2b,2cからの上記透過光を照明光として利用するため、蛍光回転体1の蛍光体層2a,2b,2cを配置する基板には、光を反射する反射面が設けられているのが好ましい。すなわち、蛍光回転体1の基板自体を金属製とするか、あるいは、例えば透明な基板上に金属膜を配置したりするのが良い。これにより、効率の高い光源装置を実現できる。
なお、蛍光体領域の蛍光体層での励起光から蛍光への変換効率は、蛍光体層を形成する蛍光体材料により異なるが、50%から99%程度である。従って、本発明では、この変換効率を考慮に入れた蛍光回転体1を設計する必要がある。具体的には、変換効率が高い蛍光体層が配置された蛍光体領域の透過率もしくは反射率を調整する設計手法が考えられる。蛍光体領域2a,2b,2cの透過率もしくは反射率を調整する方法としては、蛍光体層2a,2b,2cに重ねて所定の透過率を有する調整層をさらに設ける方法などが考えられる。ここで、調整層としては、それぞれの蛍光体の蛍光波長付近に吸収波長を有する顔料を薄膜として配置するなどの方法が利用できる。
ところで、図4の光源装置10では、反射型蛍光回転体1は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源5側に所定の曲率を有する曲面の形状(図4の例では、凸曲面の形状)であって、前記反射面の接面Tの法線nと回転軸Xとのなす角度が回転軸Xからの距離に応じて異なっているので、反射型蛍光回転体1と固体光源5との位置関係を可変手段6によって変化させることにより、ズームレンズ等の複雑な光学系などを必要とせずに、簡単に主照射方向などの配光を変化させることができる。
反射型蛍光回転体1と固体光源5との位置関係を可変にする(変化させる)可変手段6としては、固体光源5が固定されている場合、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させる(図4に移動方向Nで示す方向に移動させる)移動手段を利用することができる。ここで、移動手段としては、図6に示すように、モーター7の回転を直線運動に変えるラックアンドピニオン機構8を用いた一般的なものが使用可能である。
図4、図5の構成では、モーター4によって蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、固体光源5からの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向B2、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができる。
より具体的に、図4の例では、反射型蛍光回転体1は、反射面の断面形状が、固体光源5側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、図4、図6において反射型蛍光回転体1を右方向に移動させると、固体光源5からの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図7(a)に示すように小さくなり、出射光の方向B2を回転軸Xに向かう方向とすることができる。すなわち照明光(白色光)の配光方向を固体光源5から離れた方向にすることができる。これに対し、図4、図6において反射型蛍光回転体1を左方向に移動させると、固体光源5からの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図7(b)に示すように大きくなり、出射光の方向B2を回転軸Xから離れる方向とすることができる。すなわち照明光(白色光)の配光方向を固体光源5に近づく方向にすることができる。
図8は、図4の光源装置10に用いられる蛍光回転体1の他の例を示す図(平面図)である。図8の例では、反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、前記複数の蛍光体領域に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように前記複数の蛍光体領域が配置されている。
より具体的には、前記反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、前記複数の蛍光体領域に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように、前記反射型蛍光回転体は、前記複数の蛍光体領域を区分する境界線の少なくとも1本が曲線状になっている。
すなわち、図8の例では、蛍光回転体1は、基板上に紫外光を照射すると赤色、緑色、青色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層2a,2b,2cが3つの分割された領域として配置されており、赤色と緑色の蛍光体層2a,2bの領域を区分する境界線3a、緑色と青色の蛍光体層2b,2cの領域を区分する境界線3bは、蛍光回転体1の回転軸X(回転中心)を通って半径方向に延びる直線となっているが、赤色と青色の蛍光体層2a,2cの領域を区分する境界線3cは、曲線状になっている(紫外光の入射によって赤色の蛍光を発する蛍光体領域2aと青色の蛍光を発する蛍光体領域2cとを区分する境界線が曲線状になっている)。すなわち、複数の蛍光体領域2a,2b,2cのうち、最も短波長の蛍光を発する蛍光体領域2cと最も長波長の蛍光を発する蛍光体領域2aとを区分する境界線が曲線状になっている。これにより、蛍光回転体1の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体1上に円弧を描くとき、複数の蛍光体領域2a,2b,2cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように構成されている。
図4、図8の構成では、モーター4によって蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、固体光源5からの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向B2、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができるとともに、赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cが曲線状となっている図8の蛍光回転体1を用いていることから、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、照明色をも変化させることができる。
このように、図4、図8の構成では、モーター4によって円錐形状の反射型蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得て、さらに白色光の配光および色を変化させたい場合、蛍光回転体1の赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cが曲線状となっていることから、反射型蛍光回転体1と固体光源5との位置関係を可変手段6によって可変にすることにより(変化させることにより)、下記のような原理で、緑色蛍光体層2bの励起時間を固定し、青色蛍光体層2cと赤色蛍光体層2aの励起時間を変化させて、青味と赤味をコントロールすることができ、基準となる白色に対して、青味を増すように照明色を変化させたり、赤味を増すように照明色を変化させることが可能となる。このことは、市販の蛍光灯を考えた場合、白色を中心に赤味を増した電球色や青味を増した昼光色を容易に得られることを意味している。
すなわち、図8に示す蛍光回転体1を用いた図4、図6に示す光源装置10で照明色を変化させられる原理は、次の通りである。固体光源5の光軸上を図8に示すA点が横切るように蛍光回転体1を配置した場合、蛍光回転体1をモーター4で回転させると、蛍光回転体1の回転軸Xを中心として持つA点を通る円弧上の部分の蛍光体層2a,2b,2cが固体光源5によりそれぞれの発光色で発光する。A点を通る円弧上での赤、緑、青の各蛍光体層2a,2b,2cに対する円弧の長さはほぼ等しくなり、この時に照明光が基準となる白色になるように、例えば、各蛍光体層2a,2b,2cに重ねて調整層を設けたり、各蛍光体層2a,2b,2cの膜厚などを調整しておく。この基準となる白色に対して青味を持たせるためには、青色蛍光体層2cの励起時間を延ばし赤色蛍光体層2aの励起時間を短くすれば良いが、図8に示す蛍光回転体1では、A点より外側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源5により励起すれば良いことになる。この状態を実現するために、蛍光回転体1およびモーター4を、図4、図6上で左方向に位置移動させれば良い。これにより、青味を持たせた照明色に変化させることができる。逆に、基準となる白色に対して赤味を持たせるためには、図4、図6上で蛍光回転体1およびモーター4を右方向に移動させれば良い。この場合には、A点より内側に位置する蛍光回転体1の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源5により励起することになり、赤色蛍光体層2aの励起時間を延ばし青色蛍光体層2cの励起時間を短くすることができ、赤味を持たせた照明色に変化させることができる。以上のように、蛍光回転体1およびモーター4をモーター7とラックアンドピニオン機構8により連続的に動かせば、照明色を青味を持った白色から、赤味を持った白色まで連続的に変化させることができる。
なお、図4の例では、反射型蛍光回転体1の反射面の断面形状が、固体光源5側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、青味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体1を左方向に移動させると、配光方向が固体光源5に近づくものとなり、また、赤味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体1を右方向に移動させると、配光方向が回転軸Xに向かう方向(固体光源5から離れた方向)となる。これとは反対に、青味を持たせた照明色を得るときに配光方向が固体光源5から離れたものとなり、赤味を持たせた照明色を得るときに配光方向が固体光源5に近づくものとするためには、蛍光回転体1の赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cを図8に示すものと半径方向の線に対して線対称のものにするか、後述のように、反射型蛍光回転体1の反射面の断面形状を、固体光源5側に所定の曲率を有する凹曲面の形状とすればよい。
図9は、本発明の第1の実施形態の光源装置の第2の構成例を示す図(概略正面図)である。なお、図9において、図4と同様の箇所には同じ符号を付している。図9を参照すると、この光源装置40は、可視光(例えば、青色光)を出射する固体光源45と、回転軸Xの周りに回転可能な(モーター4によって回転する)円錐形状の蛍光回転体41とを備えている。図10は、図9の光源装置40に用いられる蛍光回転体41の一例を示す図(平面図)である。図10の例では、蛍光回転体41は、基板上に、可視光(例えば、青色光)を照射すると赤色、緑色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層42a,42bが2つの分割された蛍光体領域として配置され、蛍光体層が設けられていない領域42cが非蛍光体領域として配置されている。ここで、領域42a,42b,42cは、3等分された領域として構成されている。
なお、ここで、非蛍光体領域とは、蛍光体層を有しない領域を指すものとする。
図9の光源装置40では、蛍光回転体41が反射型のものとして構成され、固体光源45から矢印B1の方向に出射された可視光(例えば、青色光)によって励起された領域42a,42b,42cからの光のうち、蛍光回転体41で反射されて矢印B2の方向(入射励起光が蛍光回転体41のある反射面に入射するとき、この反射面の接面Tの法線nに対する入射励起光の入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(=θ1)であって、この反射面の接面Tの法線nに対して入射励起光の入射方向B1とは反対の方向)に出射する光(赤色光、緑色光)、および、非蛍光体領域42cで矢印B2の方向に反射される光(青色光)を照明光として利用できるようになっている。以下、この形式の蛍光回転体を、反射型蛍光回転体と称す。ここで、蛍光体層42a,42bからの出射光を考えると、入射励起光に対して反射する光とともに蛍光体層42a,42bで多重反射され蛍光回転体41を透過する発光や、蛍光体層42a,42bを励起せず励起光のまま蛍光回転体41を透過する光も存在している。もし、蛍光回転体41の蛍光体層42a,42bを配置する基板が透明であるとすると、これらの光は蛍光回転体41の裏側に抜ける透過光となり、照明光として利用できない光となってしまう。
反射型蛍光回転体41を用いる場合に、蛍光体層42a,42bからの上記透過光を照明光として利用するため、蛍光回転体41の蛍光体層42a,42bを配置する基板自体を金属製とすることができる。あるいは、蛍光回転体41の蛍光体層42a,42bを配置する基板上に反射面を設けることができる。具体的には、透明な基板上に金属膜を配置することができる。これにより、効率の高い光源装置を実現できる。
なお、蛍光体領域の蛍光体層での励起光から蛍光への変換効率は、蛍光体層を形成する蛍光体材料により異なるが、50%から99%程度である。従って、本発明では、この変換効率を考慮に入れた蛍光回転体41を設計する必要がある。具体的には、非蛍光体領域42c(変換効率が100%)や変換効率が高い蛍光体層が配置された蛍光体領域の透過率もしくは反射率を調整したり、あるいは、非蛍光体領域42cに散乱性を持たせて透過率もしくは反射率を調整する設計手法が考えられる。透過率もしくは反射率を調整する方法としては、非蛍光体領域42cでは、非蛍光体領域42c上に所定の透過率を有する調整層を設け、また、蛍光体領域42a,42bでは、蛍光体層42a,42bに重ねて所定の透過率を有する調整層をさらに設ける方法などが考えられる。ここで、非蛍光体領域42c上に設けられる調整層としては、青色光を一部吸収する顔料を薄膜として配置するなどの方法が利用できる。また、蛍光体層42a,42bに重ねて設けられる調整層としては、それぞれの蛍光体の蛍光波長付近に吸収波長を有する顔料を薄膜として配置するなどの方法が利用できる。また、非蛍光体領域42cに散乱性を持たせるためには、蛍光回転体41の基板表面に微細な凹凸を付けたり、散乱材を混入した散乱層を蛍光回転体41の基板上に配置する方法などが考えられる。
ところで、図9の光源装置40では、反射型蛍光回転体41は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源45側に所定の曲率を有する曲面の形状(図9の例では、凸曲面の形状)であって、前記反射面の接面Tの法線nと回転軸Xとのなす角度が回転軸Xからの距離に応じて異なっているので、反射型蛍光回転体41と固体光源45との位置関係を可変手段6によって変化させることにより、ズームレンズ等の複雑な光学系などを必要とせずに、簡単に主照射方向などの配光を変化させることができる。
反射型蛍光回転体41と固体光源45との位置関係を可変にする(変化させる)可変手段6としては、固体光源45が固定されている場合、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させる(図9に移動方向Nで示す方向に移動させる)移動手段を利用することができる。ここで、移動手段としては、図11に示すように、モーター7の回転を直線運動に変えるラックアンドピニオン機構8を用いた一般的なものが使用可能である。
図9、図10の構成では、モーター4によって蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、固体光源45からの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向B2(入射励起光が蛍光回転体41のある反射面に入射するとき、この反射面の接面Tの法線nに対する入射励起光の入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(=θ1)であって、この反射面の接面Tの法線nに対して入射励起光の入射方向B1とは反対の方向)、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができる。
より具体的に、図9の例では、反射型蛍光回転体41は、反射面の断面形状が、固体光源45側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、図9、図11において反射型蛍光回転体41を右方向に移動させると、固体光源45からの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図12(a)に示すように小さくなり、出射光の方向B2を回転軸Xに向かう方向とすることができる。すなわち照明光(白色光)の配光方向を固体光源45から離れた方向にすることができる。これに対し、図9、図11において反射型蛍光回転体41を左方向に移動させると、固体光源45からの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図12(b)に示すように大きくなり、出射光の方向B2を回転軸Xから離れる方向とすることができる。すなわち照明光(白色光)の配光方向を固体光源45に近づく方向にすることができる。
図13は、図9の光源装置40に用いられる蛍光回転体41の他の例を示す図(平面図)である。図13の例では、反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、各領域(少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域)に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように前記各領域が配置されている。
より具体的には、前記反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、各領域(少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域)に対応する円弧上の長さの比率が半径に依存して変化するように、少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域を区分する境界線の少なくとも1本が曲線状になっている。なお、このことは、例えば、1種類の蛍光体領域と非蛍光体領域との2つの領域で形成された蛍光回転体を用いるときは、2つの領域を区分する2つの境界線の片方のみ、または両方を曲線状にすることを意味する。
すなわち、図13の例では、基板上に、可視光(例えば、青色光)を照射すると赤色、緑色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層42a,42bが2つの分割された蛍光体領域として配置され、蛍光体層が設けられていない領域42cが非蛍光体領域として配置されており、赤色と緑色の蛍光体層42a,42bの領域を区分する境界線43a、緑色の蛍光体層42bの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43bは、蛍光回転体41の回転軸X(回転中心)を通って半径方向に延びる直線となっているが、赤色の蛍光体層42aの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cは、曲線状になっている(可視光(例えば、青色光)の入射によって赤色の蛍光を発する蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている)。すなわち、2つの蛍光体領域42a,42bのうち最も長波長の蛍光を発する赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている。これにより、蛍光回転体41の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体41上に円弧を描くとき、各領域42a,42b,42cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように構成されている。
図9、図13の構成では、モーター4によって蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、固体光源45からの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向B2、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができるとともに、赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている図13の蛍光回転体41を用いていることから、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xと例えば直交する方向に移動させることにより、照明色をも変化させることができる。
このように、図9、図13の構成では、モーター4によって反射型蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得て、さらに白色光の色を変化させたい場合、蛍光回転体41の蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cが曲線状となっていることから、下記のような原理で、反射型蛍光回転体41と固体光源45との位置関係を可変手段6によって可変にすることにより(蛍光回転体41およびモーター4を、図9、図11上で左方向あるいは右方向に位置移動させることにより)、緑色蛍光体層42bの励起時間を固定して、非蛍光体領域42cの照明時間と赤色蛍光体層42aの励起時間を変化させて、青味と赤味をコントロールすることができ、基準となる白色に対して、青味を増すように照明色を変化させたり、赤味を増すように照明色を変化させることが可能となる。このことは、市販の蛍光灯を考えた場合、白色を中心に赤味を増した電球色や青味を増した昼光色を容易に得られることを意味している。
すなわち、図13に示す蛍光回転体41を用いた図9、図11に示す光源装置40で照明色を変化させられる原理は、次の通りである。固体光源45の光軸上を図13に示すA点が横切るように蛍光回転体41を配置した場合、蛍光回転体41をモーター4で回転させると、蛍光回転体41の回転軸Xを中心として持つA点を通る円弧上の部分の蛍光体層42a,42bが固体光源45によりそれぞれの発光色で発光するとともに、非蛍光体領域42cの同じ円弧状に対応する部分で固体光源45の青色光が照射される。A点を通る円弧上での赤、緑の各蛍光体層42a,42bに対する円弧の長さ、さらには非蛍光体領域42cに対する円弧の長さは、前記した蛍光回転体の設計手法に従い、この時に照明光が基準となる白色になるように、例えば、各蛍光体層42a,42bに重ねて調整層を設けたり、各蛍光体層42a,42bの膜厚などとともに調整されている。この基準となる白色に対して青味を持たせるためには、非蛍光体領域42cでの青色光の照射時間を延ばし赤色蛍光体層42aの励起時間を短くすれば良いが、図13に示す蛍光回転体41では、A点より外側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源45により励起および照射すれば良いことになる。この状態を実現するために、蛍光回転体41およびモーター4を、図9、図11上で左方向に位置移動させれば良い。これにより、青味を持たせた照明色に変化させることができる。逆に、赤味を持たせるためには、図9、図11上で蛍光回転体41およびモーター4を右方向に移動させれば良い。この場合には、A点より内側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源45により励起および照射することになり、赤色蛍光体層42aの励起時間を延ばし非蛍光体領域42cでの青色光の照射時間を短くすることができ、赤味を持たせた照明色に変化させることができる。以上のように、蛍光回転体41およびモーター4をモーター7とラックアンドピニオン機構8により連続的に動かせば、照明色を青味を持った白色から、赤味を持った白色まで連続的に変化させることができる。
なお、図9の例では、反射型蛍光回転体41の反射面の断面形状が、固体光源45側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、青味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体41を左方向に移動させると、配光方向が固体光源45に近づくものとなり、また、赤味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体41を右方向に移動させると、配光方向が回転軸Xに向かう方向(固体光源45から離れた方向)となる。これとは反対に、青味を持たせた照明色を得るときに配光方向が固体光源45から離れたものとなり、赤味を持たせた照明色を得るときに配光方向が固体光源45に近づくものとするためには、蛍光回転体41の赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cを図13に示すものと半径方向の線に対して線対称のものにするか、後述のように、反射型蛍光回転体41の反射面の断面形状を、固体光源45側に所定の曲率を有する凹曲面の形状とすればよい。
本発明の第1の実施形態の光源装置の上述した各例では、蛍光回転体1を回転軸Xと例えば直交する方向に移動させる移動手段として、図6、図11のようなモーター7とラックアンドピニオン機構8を用いたが、移動手段としては、モーター7とラックアンドピニオン機構8に限らず、蛍光回転体1、41を回転軸Xと例えば直交する方向に移動させるものであれば、任意の機構を用いることができる。例えば、図14に示すように、移動手段としては、モーター37と、モーター37に取り付けられた回転アーム38とを備え、回転アーム38上のモーター37とは反対側に、蛍光回転体1、41と蛍光回転体回転用のモーター4を搭載した構成にすることもできる。図14の構成では、回転アーム38の矢印Rの方向への動きに従って蛍光回転体1、41を回転軸Xと直交する方向に移動させている(なお、図6、図11の構成では、蛍光回転体1、41を直線移動させるのに対して、図14の構成では、蛍光回転体1、41が円弧上を動く点で、相違している)。
なお、上述した本発明の第1の実施形態の光源装置では、1つの固体光源5または45が用いられるが、この場合には、1つの固体光源5または45からの光は、同時には1つの領域しか照射しないので、蛍光回転体の回転に伴って、発光色が時間的に変化し、いわゆるカラーブレイク現象が生じてしまう。
カラーブレイク現象は本来白色として観察されるはずの赤緑青の順次発光の個々の色が瞬間的に視認されてしまう現象をいい、明るい室内で普通に観察する限りはカラーブレイク現象は生じることはないが、暗い部屋で観察する場合や光源もしくは照明場所から急に目をそむけた時などにカラーブレイク現象が生じてしまう。
蛍光回転体の回転速度を早くして順次発光の繰返し周期を短くすれば、ある程度はカラーブレイク現象が起き難くなるが、回転数上昇によるモーター音の増大など別の要因で人を不愉快にさせてしまう。
モーター音の増大などを生じさせるほど蛍光回転体の回転速度を早くすることなく、カラーブレイク現象を防止するには、複数の固体光源を用いて、できる限り同時に、蛍光回転体の複数の領域を照射するのが良い。また、複数の固体光源を用いて蛍光回転体の複数の場所を照射する場合には、大光量の照明光を得ることができる。
本発明の第2の実施形態の光源装置は、複数の固体光源と、該複数の固体光源により励起され該複数の固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する蛍光体層を備えた少なくとも1つの蛍光体領域を有する反射型蛍光回転体とを備え、該反射型蛍光回転体は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源側に所定の曲率を有する曲面の形状であって、前記反射面の接面の法線と回転軸とのなす角度が回転軸からの距離に応じて異なっており、かつ、前記反射型蛍光回転体と前記複数の固体光源との位置関係を可変にする可変手段が設けられていることを特徴としている。
なお、上記蛍光体領域とは、蛍光体層を有する領域であって、後述のように、蛍光体層に対応させて、調整層などが設けられる場合には、蛍光体層とともに、これらをも含めたものを指すものとする。以下では、便宜上、蛍光体層とこれに対応する蛍光体領域には、同じ符号を付している。
図15は、本発明の第2の実施形態の光源装置の第1の構成例を示す図(概略正面図)である。なお、図15において、図4と同様の箇所には同じ符号を付している。図15を参照すると、この光源装置20は、紫外光を出射する3つの固体光源5a,5b,5cと、回転軸Xの周りに回転可能な(モーター4によって回転する)蛍光回転体1とを備えている。図16は、図15の光源装置20に用いられる蛍光回転体1の一例を示す図(平面図)である(なお、図16には、固体光源5a,5b,5cの位置も図示されている)。図16の例においても、図5と同様に、蛍光回転体1は、基板上に、紫外光を照射すると赤色、緑色、青色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層2a,2b,2cが3つの分割された領域として配置されている。そして、図16に示されているように、図15の光源装置20では、3つの固体光源5a,5b,5cは、3つの固体光源5a,5b,5cから矢印A1の方向(図15の例では、蛍光回転体1の回転軸Xと垂直な方向)に出射された紫外光が、蛍光回転体1の同じ角度間隔(120°の角度間隔)を隔てた3つの位置を同時に照射するように配置されている。
なお、図15の光源装置20においても、蛍光回転体1は反射型のものであり(反射型蛍光回転体であり)、反射型蛍光回転体1の基本的な構成は前述したものと同じであるので、説明を省略する。
ところで、図15の光源装置20では、反射型蛍光回転体1は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源5a,5b,5c側に所定の曲率を有する曲面の形状(図15の例では、凸曲面の形状)であって、前記反射面の接面Tの法線nと回転軸Xとのなす角度が回転軸Xからの距離に応じて異なっているので、反射型蛍光回転体1と固体光源5a,5b,5cとの位置関係を可変手段6によって変化させることにより、ズームレンズ等の複雑な光学系などを必要とせずに、簡単に主照射方向などの配光を変化させることができる。
反射型蛍光回転体1と固体光源5a,5b,5cとの位置関係を可変にする(変化させる)可変手段6としては、固体光源5a,5b,5cが固定されている場合、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xの方向に移動させる(図15に移動方向Mで示す方向(回転軸Xと同じ方向)に移動させる)移動手段を利用することができる。ここで、移動手段としては、図17に示すように、モーター7の回転を直線運動に変えるラックアンドピニオン機構8を用いた一般的なものが使用可能である。
図15、図16の構成では、モーター4によって蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xの方向に移動させることにより、固体光源5a,5b,5cからの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向A2(入射励起光が蛍光回転体1のある反射面に入射するとき、この反射面の接面Tの法線nに対する入射励起光の入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(=θ1)であって、この反射面の接面Tの法線nに対して入射励起光の入射方向A1とは反対の方向)、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができる。
より具体的に、図15の例では、反射型蛍光回転体1は、反射面の断面形状が、固体光源5側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、図15、図17において反射型蛍光回転体1を下方向に移動させると、固体光源5a,5b,5cからの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図18(a)に示すように小さくなり、出射光の方向A2を回転軸Xに向かう方向に収束(集光)させることができる。すなわち照明光(白色光)の配光を収束(集光)させるように変えることができる。これに対し、図15、図17において反射型蛍光回転体1を上方向に移動させると、固体光源5a,5b,5cからの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図18(b)に示すように大きくなり、出射光の方向A2を回転軸Xから離れる方向に拡散させることができる。すなわち照明光(白色光)の配光を拡散のように変えることができる。
さらに、図15、図16の構成では、3つの固体光源5a,5b,5cを用いて蛍光回転体1の複数の場所を照射することにより、大光量の照明光を得ることができる。さらに、図15、図16の構成では、モーター4によって蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、紫外光を出射する3つの固体光源5a,5b,5cが、同時に、それぞれ異なる蛍光体層2a,2b,2cを照射するように配置されているので、複数の光源で蛍光回転体の複数の場所を照射して大光量を得るときに、モーター音の増大などを生じさせるほど蛍光回転体の回転速度を早くすることなく、カラーブレイク現象を防止することができる。
例えば図16に示した赤緑青の3つの蛍光体領域を有する蛍光回転体を3つの固体光源で照射する場合、ある1つの光源だけに注目した場合は、時間順次で赤緑青の発光を繰り返しカラーブレイクを生じることになるが、別の光源では同時に必ず別の色を励起するようにすれば、複数の光源によって励起された異なった発光色の混色を観察することになり、カラーブレイクは生じ難い。特に図16に示した光源位置のように、3等分された蛍光回転体を同じく3等分された同じ個数の光源で励起する場合は、ある瞬間では必ず赤緑青の3色の蛍光色が発光していることになり、常にこの関係が保持されることになるので、カラーブレイクが生じ難い光源装置を実現できる。
図19は、図15の光源装置20に用いられる蛍光回転体1の他の例を示す図(平面図)である(なお、図19には、固体光源5a,5b,5cの位置も図示されている)。図19の例では、反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、前記複数の蛍光体領域に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように前記複数の蛍光体領域が配置されている。
より具体的には、前記反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、前記複数の蛍光体領域に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように、前記反射型蛍光回転体は、前記複数の蛍光体領域を区分する境界線の少なくとも1本が曲線状になっている。
すなわち、図19の例では、蛍光回転体1は、図8の例と同様に、基板上に紫外光を照射すると赤色、緑色、青色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層2a,2b,2cが3つの分割された領域として配置されており、赤色と緑色の蛍光体層2a,2bの領域を区分する境界線3a、緑色と青色の蛍光体層2b,2cの領域を区分する境界線3bは、蛍光回転体1の回転軸X(回転中心)を通って半径方向に延びる直線となっているが、赤色と青色の蛍光体層2a,2cの領域を区分する境界線3cは、曲線状になっている(紫外光の入射によって赤色の蛍光を発する蛍光体領域2aと青色の蛍光を発する蛍光体領域2cとを区分する境界線が曲線状になっている)。すなわち、複数の蛍光体領域2a,2b,2cのうち、最も短波長の蛍光を発する蛍光体領域2cと最も長波長の蛍光を発する蛍光体領域2aとを区分する境界線が曲線状になっている。これにより、蛍光回転体1の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体1上に円弧を描くとき、複数の蛍光体領域2a,2b,2cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように構成されている。
図15、図19の構成では、モーター4によって蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xの方向に移動させることにより、固体光源5a,5b,5cからの入射励起光が入射する蛍光回転体1の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向A2、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができるとともに、赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cが曲線状となっている図19の蛍光回転体1を用いていることから、反射型蛍光回転体1を該反射型蛍光回転体1の回転軸Xの方向に移動させることにより、照明色をも変化させることができる。
このように、図15、図19の構成では、モーター4によって円錐形状の反射型蛍光回転体1を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得て、さらに白色光の配光および色を変化させたい場合、蛍光回転体1の赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cが曲線状となっていることから、反射型蛍光回転体1と固体光源5a,5b,5cとの位置関係を可変手段6によって可変にすることにより(変化させることにより)、下記のような原理で、緑色蛍光体層2bの励起時間を固定し、青色蛍光体層2cと赤色蛍光体層2aの励起時間を変化させて、青味と赤味をコントロールすることができ、基準となる白色に対して、青味を増すように照明色を変化させたり、赤味を増すように照明色を変化させることが可能となる。このことは、市販の蛍光灯を考えた場合、白色を中心に赤味を増した電球色や青味を増した昼光色を容易に得られることを意味している。
すなわち、図19に示す蛍光回転体1を用いた図15、図17に示す光源装置20で照明色を変化させられる原理は、次の通りである。固体光源5a,5b,5cの光軸上を図19に示すA点が横切るように蛍光回転体1を配置した場合、蛍光回転体1をモーター4で回転させると、蛍光回転体1の回転軸Xを中心として持つA点を通る円弧上の部分の蛍光体層2a,2b,2cが固体光源5a,5b,5cによりそれぞれの発光色で発光する。A点を通る円弧上での赤、緑、青の各蛍光体層2a,2b,2cに対する円弧の長さはほぼ等しくなり、この時に照明光が基準となる白色になるように、例えば、各蛍光体層2a,2b,2cに重ねて調整層を設けたり、各蛍光体層2a,2b,2cの膜厚などを調整しておく。この基準となる白色に対して青味を持たせるためには、青色蛍光体層2cの励起時間を延ばし赤色蛍光体層2aの励起時間を短くすれば良いが、図19に示す蛍光回転体1では、A点より外側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源5a,5b,5cにより励起すれば良いことになる。この状態を実現するために、蛍光回転体1およびモーター4を、図15、図17上で上方向に位置移動させれば良い。これにより、青味を持たせた照明色に変化させることができる。逆に、基準となる白色に対して赤味を持たせるためには、図15、図17上で蛍光回転体1およびモーター4を下方向に移動させれば良い。この場合には、A点より内側に位置する蛍光回転体1の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源5a,5b,5cにより励起することになり、赤色蛍光体層2aの励起時間を延ばし青色蛍光体層2cの励起時間を短くすることができ、赤味を持たせた照明色に変化させることができる。以上のように、蛍光回転体1およびモーター4をモーター7とラックアンドピニオン機構8により連続的に動かせば、照明色を青味を持った白色から、赤味を持った白色まで連続的に変化させることができる。
なお、図15の例では、反射型蛍光回転体1の反射面の断面形状が、固体光源5a,5b,5c側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、青味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体1を上方向に移動させると、配光は拡散光となり、また、赤味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体1を下方向に移動させると、配光は集光となる。これとは反対に、青味を持たせた照明色を得るときに配光が集光となり、赤味を持たせた照明色を得るときに配光が拡散光となるようにするためには、蛍光回転体1の赤色蛍光体層2aの領域と青色蛍光体層2cの領域とを区分する境界線3cを図19に示すものと半径方向の線に対して線対称のものにするか、後述のように、反射型蛍光回転体1の反射面の断面形状を、固体光源5a,5b,5c側に所定の曲率を有する凹曲面の形状とすればよい。
図20は、本発明の第2の実施形態の光源装置の第2の構成例を示す図(概略正面図)である。なお、図20において、図9と同様の箇所には同じ符号を付している。図20を参照すると、この光源装置50は、可視光(例えば、青色光)を出射する3つの固体光源45a,45b,45cと、回転軸Xの周りに回転可能な(モーター4によって回転する)蛍光回転体41とを備えている。図21は、図20の光源装置50に用いられる蛍光回転体41の一例を示す図(平面図)である(なお、図21には、固体光源45a,45b,45cの位置も図示されている)。図21の例においても、蛍光回転体41は、図10と同様に、基板上に、可視光(例えば、青色光)を照射すると赤色、緑色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層42a,42bが2つの分割された蛍光体領域として配置され、蛍光体層が設けられていない領域42cが非蛍光体領域として配置されている。そして、図21に示されているように、図20の光源装置50では、3つの固体光源45a,45b,45cは、3つの固体光源45a,45b,45cから矢印A1の方向(図20の例では、蛍光回転体41の回転軸Xと垂直な方向)に出射された可視光(例えば、青色光)が、蛍光回転体41の同じ角度間隔(120°の角度間隔)を隔てた3つの位置を同時に照射するように配置されている。
なお、図20の光源装置50においても、蛍光回転体41は反射型のものであり(反射型蛍光回転体であり)、反射型蛍光回転体41の基本的な構成は前述したものと同じであるので、説明を省略する。
ところで、図20の光源装置50では、反射型蛍光回転体41は、反射面の断面形状が、回転軸を中心として対称の形状のものとなっており、固体光源45a,45b,45c側に所定の曲率を有する曲面の形状(図20の例では、凸曲面の形状)であって、前記反射面の接面Tの法線nと回転軸Xとのなす角度が回転軸Xからの距離に応じて異なっているので、反射型蛍光回転体41と固体光源45a,45b,45cとの位置関係を可変手段6によって変化させることにより、ズームレンズ等の複雑な光学系などを必要とせずに、簡単に主照射方向などの配光を変化させることができる。
反射型蛍光回転体41と固体光源45a,45b,45cとの位置関係を可変にする(変化させる)可変手段6としては、固体光源45a,45b,45cが固定されている場合、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xの方向に移動させる(図20に移動方向Mで示す方向(回転軸Xと同じ方向)に移動させる)移動手段を利用することができる。ここで、移動手段としては、図22に示すように、モーター7の回転を直線運動に変えるラックアンドピニオン機構8を用いた一般的なものが使用可能である。
図20、図21の構成では、モーター4によって蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xの方向に移動させることにより、固体光源45a,45b,45cからの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向A2(入射励起光が蛍光回転体41のある反射面に入射するとき、この反射面の接面Tの法線nに対する入射励起光の入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(=θ1)であって、この反射面の接面Tの法線nに対して入射励起光の入射方向A1とは反対の方向)、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができる。
より具体的に、図20の例では、反射型蛍光回転体41は、反射面の断面形状が、固体光源45a,45b,45c側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、図20、図22において反射型蛍光回転体41を下方向に移動させると、固体光源45a,45b,45cからの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図23(a)に示すように小さくなり、出射光の方向A2を回転軸Xに向かう方向に収束(集光)させることができる。すなわち照明光(白色光)の配光を収束(集光)させるように変えることができる。これに対し、図20、図22において反射型蛍光回転体41を上方向に移動させると、固体光源45a,45b,45cからの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度は、図23(b)に示すように大きくなり、出射光の方向A2を回転軸Xから離れる方向に拡散させることができる。すなわち照明光(白色光)の配光を拡散のように変えることができる。
さらに、図20、図21の構成では、3つの固体光源45a,45b,45cを用いて蛍光回転体41の複数の場所を照射することにより、大光量の照明光を得ることができる。さらに、図20、図21の構成では、モーター4によって蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、可視光(例えば、青色光)を出射する3つの固体光源45a,45b,45cが、同時に、それぞれ異なる領域42a,42b,42cを照射するように配置されているので、複数の光源で蛍光回転体の複数の場所を照射して大光量を得るときに、モーター音の増大などを生じさせるほど蛍光回転体の回転速度を早くすることなく、カラーブレイク現象を防止することができる。
例えば図21に示した赤緑青の3つの蛍光体領域を有する蛍光回転体を3つの固体光源で照射する場合、ある1つの光源だけに注目した場合は、時間順次で赤緑青の発光を繰り返しカラーブレイクを生じることになるが、別の光源では同時に必ず別の色を励起するようにすれば、複数の光源によって励起された異なった発光色の混色を観察することになり、カラーブレイクは生じ難い。特に図21に示した光源位置のように、3等分された蛍光回転体を同じく3等分された同じ個数の光源で励起する場合は、ある瞬間では必ず赤緑青の3色の蛍光色が発光していることになり、常にこの関係が保持されることになるので、全くカラーブレイクを感じさせない光源装置を実現できる。
図24は、図20の光源装置50に用いられる蛍光回転体41の他の例を示す図(平面図)である。図24の例では、反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、各領域(少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域)に対応する前記円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように前記各領域が配置されている。
より具体的には、前記円錐形状の反射型蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内においてある半径で前記反射型蛍光回転体上に円弧を描くとき、各領域(少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域)に対応する円弧上の長さの比率が半径に依存して変化するように、少なくとも1つの蛍光体領域、および、非蛍光体領域の各領域を区分する境界線の少なくとも1本が曲線状になっている。なお、このことは、例えば、1種類の蛍光体領域と非蛍光体領域との2つの領域で形成された蛍光回転体を用いるときは、2つの領域を区分する2つの境界線の片方のみ、または両方を曲線状にすることを意味する。
すなわち、図24の例では、基板上に、可視光(例えば、青色光)を照射すると赤色、緑色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層42a,42bが2つの分割された蛍光体領域として配置され、蛍光体層が設けられていない領域42cが非蛍光体領域として配置されており、赤色と緑色の蛍光体層42a,42bの領域を区分する境界線43a、緑色の蛍光体層42bの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43bは、蛍光回転体41の回転軸X(回転中心)を通って半径方向に延びる直線となっているが、赤色の蛍光体層42aの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cは、曲線状になっている(可視光(例えば、青色光)の入射によって赤色の蛍光を発する蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている)。すなわち、2つの蛍光体領域42a,42bのうち最も長波長の蛍光を発する赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている。これにより、蛍光回転体41の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体41上に円弧を描くとき、各領域42a,42b,42cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように構成されている。
図20、図24の構成では、モーター4によって蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得るとき、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xの方向に移動させることにより、固体光源45a,45b,45cからの入射励起光が入射する蛍光回転体41の反射面の接面Tの法線nの回転軸Xとのなす角度を変えることができ、これにより、出射光の方向A2、すなわち照明光(白色光)の配光を変えることができるとともに、赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線が曲線状になっている図20の蛍光回転体41を用いていることから、反射型蛍光回転体41を該反射型蛍光回転体41の回転軸Xの方向に移動させることにより、照明色をも変化させることができる。
このように、図20、図24の構成では、モーター4によって反射型蛍光回転体41を回転させることで、赤緑青の3色の混色により白色光を得て、さらに白色光の色を変化させたい場合、蛍光回転体41の蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cが曲線状となっていることから、下記のような原理で、反射型蛍光回転体41と固体光源45a,45b,45cとの位置関係を可変手段6によって可変にすることにより(蛍光回転体41およびモーター4を、図20、図22上で下方向あるいは上方向に位置移動させることにより)、緑色蛍光体層42bの励起時間を固定して、非蛍光体領域42cの照明時間と赤色蛍光体層42aの励起時間を変化させて、青味と赤味をコントロールすることができ、基準となる白色に対して、青味を増すように照明色を変化させたり、赤味を増すように照明色を変化させることが可能となる。このことは、市販の蛍光灯を考えた場合、白色を中心に赤味を増した電球色や青味を増した昼光色を容易に得られることを意味している。
すなわち、図24に示す蛍光回転体41を用いた図20、図22に示す光源装置50で照明色を変化させられる原理は、次の通りである。固体光源45a,45b,45cの光軸上を図24に示すA点が横切るように蛍光回転体41を配置した場合、蛍光回転体41をモーター4で回転させると、蛍光回転体41の回転軸Xを中心として持つA点を通る円弧上の部分の蛍光体層42a,42bが固体光源45a,45b,45cによりそれぞれの発光色で発光するとともに、非蛍光体領域42cの同じ円弧状に対応する部分で固体光源45a,45b,45cの青色光が照射される。A点を通る円弧上での赤、緑の各蛍光体層42a,42bに対する円弧の長さ、さらには非蛍光体領域42cに対する円弧の長さは、前記した蛍光回転体の設計手法に従い、この時に照明光が基準となる白色になるように、例えば、各蛍光体層42a,42bに重ねて調整層を設けたり、各蛍光体層42a,42bの膜厚などとともに調整されている。この基準となる白色に対して青味を持たせるためには、非蛍光体領域42cでの青色光の照射時間を延ばし赤色蛍光体層42aの励起時間を短くすれば良いが、図24に示す蛍光回転体41では、A点より外側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源45a,45b,45cにより励起および照射すれば良いことになる。この状態を実現するために、蛍光回転体41およびモーター4を、図20、図22上で上方向に位置移動させれば良い。これにより、青味を持たせた照明色に変化させることができる。逆に、赤味を持たせるためには、図20、図22上で蛍光回転体41およびモーター4を下方向に移動させれば良い。この場合には、A点より内側に位置する蛍光回転体の回転軸Xを中心とする円弧上を固体光源45a,45b,45cにより励起および照射することになり、赤色蛍光体層42aの励起時間を延ばし非蛍光体領域42cでの青色光の照射時間を短くすることができ、赤味を持たせた照明色に変化させることができる。以上のように、蛍光回転体41およびモーター4をモーター7とラックアンドピニオン機構8により連続的に動かせば、照明色を青味を持った白色から、赤味を持った白色まで連続的に変化させることができる。
なお、図20の例では、反射型蛍光回転体41の反射面の断面形状が、固体光源45a,45b,45c側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっていることから、青味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体41を上方向に移動させると、全体の配光は拡散光となり、また、赤味を持たせた照明色を得るために反射型蛍光回転体41を下方向に移動させると、全体の配光は集光となる。これとは反対に、青味を持たせた照明色を得るときに全体の配光が集光となり、赤味を持たせた照明色を得るときに全体の配光が拡散光となるようにするためには、蛍光回転体41の赤色蛍光体領域42aと非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cを図24に示すものと半径方向の線に対して線対称のものにするか、後述のように、反射型蛍光回転体41の反射面の断面形状を、固体光源45a,45b,45c側に所定の曲率を有する凹曲面の形状とすればよい。
以下、本発明の第1の実施形態の第1の構成例の光源装置10、第2の実施形態の第1の構成例の光源装置20をより詳細に説明する。
本発明の第1の実施形態の第1の構成例の光源装置10、第2の実施形態の第1の構成例の光源装置20において、固体光源5、あるいは、5a,5b,5cとしては、いずれも同じ構成のものを用いることができる。すなわち、固体光源5、あるいは、5a,5b,5cには、例えば、InGaN系の材料を用いた発光波長が約380nmの近紫外光を発光する発光ダイオードを用いることができる。なお、固体光源5、あるいは、5a,5b,5cとしては、発光ダイオードに限らず、紫外光を放出する光源であれば良く、半導体レーザー等を用いることもできる。
ここで、図15乃至図17、図19の構成では、固体光源5a,5b,5cは、反射型蛍光回転体1の回転軸Xを中心とする所定の円弧上で同じピッチ(等間隔)に配置されている。このような配置を採用することにより、できる限り同時に、反射型蛍光回転体1の全ての色が発光している状態を作り出すことができる。
また、蛍光回転体1には、赤、緑、青の発光色に対応する蛍光体層2a,2b,2cが、図5、図8、図16、図19に示すように、各色が塗り分けられたものを使用できる。なお、変換効率が各色の蛍光体間で異なる場合は、前述した設計手法に従い蛍光回転体を作製することになる。複数の区画に対する塗り分けを含めて蛍光体の配置は、例えば、最終的な所定形状のままでの電着法等を利用した一般的なものが使用可能である。また、反射型蛍光回転体の基板としてはアルミなどの金属基板が使用可能である。基板に石英ガラス基板のような透明体を使用することも可能であるが、その場合は反射面としてアルミなどの金属膜を蒸着などの方法で形成する必要がある。アルミなどの金属基板を使用する場合は反射面は不要である。
また、蛍光体層2a,2b,2cには、波長が約380nmないし約400nmの紫外光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体層2aには、CaAlSiN3:Eu2+、Ca2Si5N8:Eu2+、La2O2S:Eu3+、KSiF6:Mn4+、 KTiF6:Mn4+等を用いることができ、緑色蛍光体層2bには、(Si,Al)6(O,N)8:Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+等を用いることができ、青色蛍光体層2cには、(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6Cl2:Eu2+、BaMgAl10O17:Eu2+、LaAl(Si,Al)6(N,O)10:Ce3+等を用いることができる。
なお、図8、図19の例では、赤色と青色の蛍光体層2a,2cの領域を区分する境界線3cだけが曲線状になっているが、本発明では、蛍光回転体1の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体1上に円弧を描くとき、複数の蛍光体領域2a,2b,2cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように、前記蛍光回転体1は、前記複数の蛍光体領域2a,2b,2cを区分する境界線3a,3b,3cの少なくとも1本が曲線状になっていればよく、図8、図19の例のように赤色と青色の蛍光体層2a,2cの領域を区分する境界線3cだけが曲線状になっている場合に限らず、蛍光回転体1の回転軸Xを中心としてある半径で円弧を描くとき、複数の蛍光体領域2a,2b,2cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するという条件を満たす限り、赤色と緑色の蛍光体層2a,2bの領域を区分する境界線3aや、緑色と青色の蛍光体層2b,2cの領域を区分する境界線3bをも曲線状にすることも可能である。また、図5、図8、図16、図19の例では、蛍光回転体1には、赤緑青の3つの蛍光体領域2a,2b,2cが設けられている場合を示したが、例えば赤緑青の蛍光体領域がそれぞれ2つずつ赤緑青の順に繰り返し設けられている場合(6つの蛍光体領域が設けられている場合)なども、本発明の範囲に含まれる。
また、図4乃至図8の例では、1つの固体光源5が設けられている構成となっているが、本発明は、この構成に限定されず、例えば図25に示すように(なお、図25は図4に対応した図となっている)、複数の固体光源(例えば2つの固体光源5、5)の光軸を揃えて蛍光回転体の1点を照射するような場合も、本発明の範囲に含まれる。そして、この場合は、大光量の照明光を得ることができる。
また、図15乃至図19の例では、3つの固体光源5a,5b,5cが設けられている構成となっているが、本発明は、この構成に限定されず、種々の変形が可能である。例えば図26に示すように(なお、図26は図16に対応した図となっている)、蛍光回転体1上の3つの蛍光体層2a,2b,2cに対し、固体光源の個数が2であり、2つの固体光源5a,5bが、できる限り同時に、3つの蛍光体層2a,2b,2cのうちの2つの蛍光体層を照射するような場合も、本発明の範囲に含まれる。なお、この場合は、図16に示す場合に比べれば劣るが、カラーブレイク現象を低減できる。
また、本発明の第1の実施形態の第2の構成例の光源装置40、第2の実施形態の第2の構成例の光源装置50をより詳細に説明する。
本発明の第1の実施形態の第2の構成例の光源装置40、第2の実施形態の第2の構成例の光源装置50において、固体光源45、あるいは、45a,45b,45cとしては、いずれも同じ構成のものを用いることができる。すなわち、固体光源45、あるいは、45a,45b,45cには、例えば、GaN系の材料を用いた発光波長が約460nmの青色光を発光する発光ダイオードを用いることができる。なお、固体光源45、あるいは、45a,45b,45cとしては、発光ダイオードに限らず、青色光を放出する光源であれば良く、半導体レーザー等を用いることもできる。
ここで、図20乃至図24の構成では、固体光源45a,45b,45cは、反射型蛍光回転体41の回転軸Xを中心とする所定の円弧上で同じピッチ(等間隔)に配置されている。このような配置を採用することにより、できる限り同時に、反射型蛍光回転体41の全ての色が発光している状態を作り出すことができる。
また、蛍光回転体41には、青色の励起光により赤色および緑色に発光する2つの蛍光体領域(蛍光体層42a,42b)と非蛍光体領域42cとの各領域42a,42b,42cが、図10、図13、図21、図24に示すように配置されたものを使用できる。なお、変換効率が各色の蛍光体間で異なる場合は、前述した設計手法に従い蛍光体領域を設計することになる。また、非蛍光体領域には、前述した調整層が、青色光を一部吸収して青色光の透過率を調整する顔料により設けられている。非蛍光体領域に配置される調整層や蛍光体領域の塗り分けなどは、最終的な所定形状のままで電着法等を利用した一般的なものが使用可能である。また、反射型蛍光回転体の基板としてはアルミなどの金属基板が使用可能である。なお、基板には石英ガラス基板のような透明体を使用することも可能であるが、その場合は反射面としてアルミなどの金属膜を蒸着などの方法で形成する必要がある。基板にアルミなどの金属基板を使用する場合は反射面は不要である。
また、蛍光体層42a,42bとしては、波長が約440nmないし約470nmの青色光により励起されるものとして、例えば、赤色蛍光体層42aには、CaAlSiN3:Eu2+、Ca2Si5N8:Eu2+、KSiF6:Mn4+、KTiF6:Mn4+等を用いることができ、緑色蛍光体層42bには、Y3(Ga,Al)5O12:Ce3+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、CaSc2O4:Eu2+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、Ba3Si6O12N2:Eu2+、(Si,Al)6(O,N)8:Eu2+等を用いることができる。
また、本発明の第1の実施形態の第2の構成例の光源装置40、第2の実施形態の第2の構成例の光源装置50では、蛍光回転体として、図10、図13や図21、図24に示すものを用いたが、反射型蛍光回転体としては、例えば1つの蛍光体領域と1つの非蛍光体領域との2つの領域で形成された反射型蛍光回転体を用い、固体光源として可視光(例えば、青色光)を出射する1つ、あるいは、2つの固体光源を用いる構成も可能である。
図27は、このような光源装置において2つの固体光源が用いられる場合の構成例を示す図である。なお、図27において、図20と同様の箇所には同じ符号を付している。図27を参照すると、この光源装置88は、可視光(例えば、青色光)を出射する2つの固体光源45a,45bと、回転軸Xの周りに回転可能な(モーター4によって回転する)蛍光回転体72とを備えている。図28は、図27の光源装置88に用いられる反射型蛍光回転体72の一例を示す図(平面図)である(なお、図28には、固体光源45a,45bの位置も図示されている)。図28の例では、蛍光回転体72は、基板上に、可視光(例えば、青色光)を照射すると黄色の蛍光をそれぞれ発光する蛍光体層74が1つの蛍光体領域として配置され、蛍光体層が設けられていない領域75が1つの非蛍光体領域として配置されている(すなわち、青色の励起光により黄色に発光する蛍光体層を有する黄色蛍光体領域74と非蛍光体領域75とが配置されている)。
図27、図28の構成においても、図20乃至図22において説明したと同じ原理で、照明光の配光を変化させることができる。すなわち、モーター4によって反射型蛍光回転体72を回転させることで、青黄の2色の混色により白色光を得て、さらに白色光の配光を変化させたい場合、反射型蛍光回転体72と固体光源45a,45bとの位置関係を可変手段6によって可変にすることにより(蛍光回転体72およびモーター4を、図27上で上方向あるいは下方向に位置移動させることにより)、白色光の配光を変化させることが可能となる。
さらに、例えば図27の構成例において、反射型蛍光回転体72に図29に示すものを用いることもできる。図29の反射型蛍光回転体72において、各領域74、75は、各領域74、75を区分する境界線76a,76bが曲線状で塗り分けられたものである。図29では、2つの境界線76a,76bが曲線状になっているが、2つの境界線76a,76bのうちの片方の境界線のみが曲線状になっているものでもよい。
反射型蛍光回転体72が図29の構成になっている場合、白色光の配光を変化させることができるとともに、照明色をも変化させることができる。すなわち、モーター4によって反射型蛍光回転体72を回転させることで、青黄の2色の混色により白色光を得て、さらに白色光の配光および色を変化させたい場合、蛍光回転体72の蛍光体領域74と非蛍光体領域75とを区分する境界線76a,76bが曲線状となっていることから、反射型蛍光回転体72と固体光源45a,45bとの位置関係を可変手段6によって可変にすることにより、配光を変化させることができるとともに、基準となる白色に対して、青味を増すように照明色を変化させたり、黄味を増すように照明色を変化させることが可能となる。
より詳細に、図27、図28、図29の光源装置88において、固体光源45a,45bには、例えば、GaN系の材料を用いた発光波長が約460nmの青色光を発光する発光ダイオードを用いることができる。なお、固体光源45a,45bとしては、発光ダイオードに限らず、青色光を放出する光源であれば良く、半導体レーザー等を用いることもできる。
また、黄色蛍光体層74としては、波長が約440nmないし約470nmの青色光により励起されるものとして、例えば、Y3Al5O12:Ce3+ (YAG)、(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+、Cax(Si,Al)12(O,N)16:Eu2+等の黄色蛍光体を用いることができる。
また、図28、図29の蛍光回転体の作製において、前記した蛍光体領域での励起光から蛍光への変換効率を考慮に入れた蛍光回転体の設計手法のうちの、蛍光回転体の回転軸を中心として回転軸と垂直な平面内である半径で描いた円弧上の各領域74、75に対応する円弧上の長さを調整する手法に従い、非蛍光体領域75に対応する円弧上の長さを短くするなど各領域74、75の大きさが調整されている。塗り分けは最終的な所定形状のままで電着法等を利用した一般的なものが使用可能である。また、反射型蛍光回転体の基板としてはアルミなどの金属基板が使用可能である。基板には石英ガラスのような透明体を使用することも可能であるが、その場合は反射面としてアルミなどの金属を蒸着などの方法で形成する必要がある。アルミなどの金属基板を使用する場合は反射面の新たな形成は不要である。
また、図13、図24の例では、赤色の蛍光体層42aの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cだけが曲線状になっているが、本発明では、蛍光回転体41の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体41上に円弧を描くとき、各領域42a,42b,42cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するように、前記蛍光回転体41は、各領域42a,42b,42cを区分する境界線43a,43b,43cの少なくとも1本が曲線状になっていればよく、図13、図24の例のように赤色の蛍光体層42aの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43cだけが曲線状になっている場合に限らず、蛍光回転体41の回転軸Xを中心としてある半径で蛍光回転体41上に円弧を描くとき、各領域42a,42b,42cに対応する円弧上の長さの比率が前記半径に依存して変化するという条件を満たす限り、赤色と緑色の蛍光体層42a,42bの領域を区分する境界線43aや、緑色の蛍光体層42bの領域と非蛍光体領域42cとを区分する境界線43bをも曲線状にすることも可能である。また、図10、図13、図21、図24の例では、蛍光回転体41には、赤緑の2つの蛍光体領域42a,42bと1つの非蛍光体領域42cが設けられている場合を示したが、例えば赤緑の蛍光体領域、非蛍光体領域がそれぞれ2つずつ、赤、緑、非蛍光体の順に繰り返し設けられている場合(6つの領域が設けられている場合)なども、本発明の範囲に含まれる。同様に、図28、図29の例においても、例えば黄色蛍光体領域、非蛍光体領域がそれぞれ2つずつ、黄、非蛍光体の順に繰り返し設けられている場合(4つの領域が設けられている場合)なども、本発明の範囲に含まれる。
また、図9乃至図13の例では、1つの固体光源45が設けられている構成となっているが、本発明は、この構成に限定されず、例えば図30に示すように(なお、図30は図9に対応した図となっている)、複数の固体光源(例えば2つの固体光源45、45)の光軸を揃えて蛍光回転体の1点を照射するような場合も、本発明の範囲に含まれる。そして、この場合は、大光量の照明光を得ることができる。
また、図20乃至図24の例では、3つの固体光源45a,45b,45cが設けられている構成となっているが、本発明は、この構成に限定されず、種々の変形が可能である。例えば図31に示すように(なお、図31は図21に対応した図となっている)、蛍光回転体41上の3つの領域42a,42b,42cに対し、固体光源の個数が2であり、2つの固体光源45a,45bが、できる限り同時に、3つの領域42a,42b,42cのうちの2つの領域を照射するような場合も、本発明の範囲に含まれる。なお、この場合は、図21に示す場合に比べれば劣るが、カラーブレイク現象を低減できる。
また、上述した本発明の第2の実施形態の各例では、1つの領域に対する光源の個数を1としたが、1つの領域について複数の光源を用いることも可能である。図32、図33は、図27、図28の構成例において、各領域に2つの光源を用いる場合を示す図である。すなわち、図32、図33の例では、1つの蛍光体領域74および非蛍光体領域75のそれぞれに2つの光源45a,46a、45b,46bを用いている。このように、各領域のそれぞれに、複数の光源を設けることも可能である。すなわち、分割領域数と光源数とは、等しくなくてもよい。
また、上述した本発明の第1、第2の実施形態の各例では、反射型蛍光回転体1、41などは、反射面の断面形状が、固体光源側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっているが、例えば図34に示すように、反射面の断面形状が、固体光源側に所定の曲率を有する凹曲面の形状となっていても良い。ただし、反射面の断面形状が、固体光源側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっている場合には、反射型蛍光回転体1、41の半径が小さい上部において光を集光させることができることから、光束の径をより小さくすることができるが、反射面の断面形状が、固体光源側に所定の曲率を有する凹曲面の形状となっている場合には、反射型蛍光回転体1、41の半径が大きい下部において光を集光させることから、光を集光させるときにもその光束の径を小さくするには限度がある。従って、より好ましくは、反射型蛍光回転体は、反射面の断面形状が、固体光源側に所定の曲率を有する凸曲面の形状となっているのが良い。
また、上述した本発明の第1、第2の実施形態の各例において、反射型蛍光回転体1、41などの反射面の断面形状(所定の曲率を有する曲面の断面形状)は、円や楕円などを形成する一部分の曲線であっても良いし、全く自由な形状の曲線でも良く、用途などに応じて適宜の形状のものにすることができる。
また、上述した本発明の第1の実施形態の各例では、反射型蛍光回転体1、41などの反射面の断面形状は、図35に示す角度φが例えば90°〜175°程度の範囲であるのがよく、また、この場合、固体光源45の光軸は、反射型蛍光回転体1、41の回転軸Xに対して例えば5°〜45°程度の範囲で傾いているのが良い。
また、上述した本発明の第2の実施形態の各例では、反射型蛍光回転体1、41などの反射面の断面形状は、図36に示す角度φが例えば30°〜90°程度の範囲であるのがよく、また、この場合、固体光源45a,45b,45cの光軸は、反射型蛍光回転体1、41の回転軸Xに対して例えば直交しているのが良い。
図37は第1、第2の実施形態で示した光源装置(10、20、40、50等)を用いた照明装置の一構成例を示す図である。図37の照明装置は、照明装置外郭を形作るケース82と、ケース82内に格納された光源装置(10、20、40、50等)と、光源装置(10、20、40、50等)からの光を前方に所定の配光特性を持って照射するレンズ系83とにより構成されている。
本発明では、光源装置自体が主照射方向などの配光を変化させる機能を有しているので、ズームレンズなどの可動レンズを用いなくても、配光を変化させられる照明装置を作製することができる。