JP2013130835A - Homogenizer, homogenizer device and illuminating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光の不均一な光強度分布を均一化するホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置に関する。 The present invention relates to a homogenizer, a homogenizer device, and an illuminating device that uniformize a non-uniform light intensity distribution of laser light.
レーザ光源を利用したスポット照明や車載用ヘッドライトなどの照明装置は、通常400〜450nm近傍の青色レーザから出射された光束を集光して、一旦蛍光体に照射し、蛍光体の波長変換作用で疑似白色を得て、照度および安全性を上げて使用される。蛍光体は、たとえば、希土類以外の発光イオンと置換したイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Yttrium Aluminum Garnet:略称「YAG」)蛍光体などが用いられる。 Lighting devices such as spot lighting and in-vehicle headlights that use laser light sources usually collect the light beam emitted from a blue laser in the vicinity of 400 to 450 nm, and irradiate the phosphor once to convert the wavelength of the phosphor. In order to obtain pseudo white color, it is used with increased illuminance and safety. As the phosphor, for example, an yttrium aluminum garnet (Yttrium Aluminum Garnet: abbreviated as “YAG”) phosphor substituted with a light emitting ion other than rare earth is used.
しかし、これらの照明装置に使用される変換効率の高い蛍光体は、一般的に希土類金属がドープされているために高価である。また、これらの蛍光体は、発光ダイオード(Light Emitting Diode:以下「LED」という)と異なった配光、すなわち集光性質を得るためには、発光部である蛍光体自身の面積を小さくする必要がある。これらの蛍光体は、発光面積をなるべく小さく形成することによって、ほぼ平行な光束で放射が可能な照明装置の実現を可能とすることができる。 However, phosphors with high conversion efficiency used in these lighting devices are generally expensive because they are doped with rare earth metals. In addition, in order to obtain a light distribution different from that of a light emitting diode (hereinafter referred to as “LED”), that is, a light collecting property, these phosphors need to reduce the area of the phosphor itself as a light emitting unit. There is. By forming these phosphors with a light emitting area as small as possible, it is possible to realize an illuminating device that can emit light with a substantially parallel light beam.
ガウシアン強度分布の光束を小面積の蛍光体に照射すると、集光されたホットスポット、つまり強度の一番強い部分で、蛍光体自身が焼損したり、蛍光に関与する電子がすべて励起されて蛍光が飽和する状態になったり、あるいは熱消光を招くなどの悪影響がある。ホットスポットと呼ばれる集光強度の不均一は、ガウシアン強度分布やレーザの高出力化に伴うマルチモード発振が主な要因として挙げられる。 When a phosphor with a Gaussian intensity distribution is irradiated onto a phosphor with a small area, the phosphor itself burns out at the condensed hot spot, that is, the strongest part, or all electrons involved in the fluorescence are excited and become fluorescent. Has a bad influence such as becoming saturated or causing thermal quenching. The non-uniformity of the condensed intensity called a hot spot is mainly caused by the Gaussian intensity distribution and multimode oscillation accompanying the increase in laser output.
図27は、従来技術による照明装置90の一例を示す図である。照明装置90は、半導体レーザ91、ハウジング92、集光レンズ93、蛍光体94およびリフレクタ95を含んで構成される。 FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a lighting device 90 according to the related art. The illumination device 90 includes a semiconductor laser 91, a housing 92, a condenser lens 93, a phosphor 94, and a reflector 95.
半導体レーザ91は、レーザ光を出射する光源である。ハウジング92は、半導体レーザ91、集光レンズ93およびリフレクタ95を固定する筐体である。集光レンズ93は、半導体レーザ91から出射されたレーザ光の拡散光を集光する。蛍光体94は、照射されるレーザ光の波長を可視光の波長に変換する。リフレクタ95は、蛍光体94からのランバーシアン励起光を平行から弱拡散させて照射するためのパラボラ形状の反射板である。 The semiconductor laser 91 is a light source that emits laser light. The housing 92 is a housing that fixes the semiconductor laser 91, the condenser lens 93, and the reflector 95. The condensing lens 93 condenses the diffused light of the laser light emitted from the semiconductor laser 91. The phosphor 94 converts the wavelength of the irradiated laser light into the wavelength of visible light. The reflector 95 is a parabolic reflector for irradiating the Lambertian excitation light from the phosphor 94 while being slightly diffused from parallel.
蛍光体94は、リフレクタ95の焦点の位置に配置される。パラボラ形状のリフレクタ95の開口部の半径をR、リフレクタ95の深さ、つまり光軸方向の長さをLとすると、パラボラ定数aは、計算式「a=L/R2」によって算出され、パラボラの焦点位置fは、計算式「f=1/(4a)」によって算出される。蛍光体94は、このパラボラの焦点位置fに配置される。 The phosphor 94 is disposed at the focal position of the reflector 95. When the radius of the opening of the parabolic reflector 95 is R and the depth of the reflector 95, that is, the length in the optical axis direction is L, the parabolic constant a is calculated by the formula “a = L / R 2 ”. The focal position f of the parabola is calculated by the calculation formula “f = 1 / (4a)”. The phosphor 94 is disposed at the focal position f of the parabola.
ほぼ平行な狭放射角で照射光96を得るためには、リフレクタ95の面積は、実質の光源となる蛍光体94の面積よりも相対的に大きい必要がある。より小型の照明装置90とするためには、蛍光体94の面積は、より小さく制限され、概ね1〜9mm2の面積が採用されることが多い。小面積の蛍光体94で高輝度の光源を得るためには、半導体レーザ91は、発光効率に優れ、発光部がμmオーダーのものが適している。LEDは、高輝度を得るためには、発光面積を大きくするしか方法がなく、発光面積がmmオーダーまで大きくなるので、ほぼ平行な狭放射角で照射光96を得るためには適さない。 In order to obtain the irradiation light 96 with a substantially parallel narrow emission angle, the area of the reflector 95 needs to be relatively larger than the area of the phosphor 94 that is a substantial light source. In order to make the lighting device 90 smaller, the area of the phosphor 94 is limited to be smaller, and an area of approximately 1 to 9 mm 2 is often employed. In order to obtain a high-intensity light source with the phosphor 94 having a small area, the semiconductor laser 91 having an excellent luminous efficiency and a light emitting portion on the order of μm is suitable. In order to obtain high luminance, the only way to obtain high brightness is to increase the light emitting area, and the light emitting area is increased to the order of mm. Therefore, the LED is not suitable for obtaining the irradiation light 96 with a substantially parallel narrow emission angle.
図28は、集光レンズ93によって集光される光束97を説明するための図である。発光部98は、半導体レーザ91がレーザ光を出射する部分である。発光部98から出射されたレーザ光は、集光レンズ93によって集光され、光束97で示される光路を通って、集光スポットである集光部99に集光される。 FIG. 28 is a diagram for explaining the light beam 97 collected by the condenser lens 93. The light emitting unit 98 is a part from which the semiconductor laser 91 emits laser light. The laser light emitted from the light emitting unit 98 is collected by the condensing lens 93, passes through the optical path indicated by the light beam 97, and is collected on the condensing unit 99 which is a condensing spot.
図29は、発光部98および集光部99におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図29(a)は、発光部98におけるニアフィールドパターン(Near Field Pattern:以下「NFP」という)101とX−Y平面でのガウシアン強度分布の強度イメージ102を示す。NFA、つまり近傍フィールドパターンは、発光部98のビーム出射端の光強度分布のパターンのことである。図29(b)は、集光部99におけるフィールドパターン103とX−Y平面での強度分布の強度イメージ104を示す。 FIG. 29 is a diagram showing an intensity image of a field pattern and an intensity distribution in the light emitting unit 98 and the light collecting unit 99. FIG. 29A shows a near field pattern (hereinafter referred to as “NFP”) 101 in the light emitting unit 98 and an intensity image 102 of a Gaussian intensity distribution in the XY plane. The NFA, that is, the near field pattern is a light intensity distribution pattern at the beam exit end of the light emitting unit 98. FIG. 29B shows the field pattern 103 in the light condensing unit 99 and the intensity image 104 of the intensity distribution on the XY plane.
集光部99での集光スポット径は、集光レンズ93の入射面と出射面との開口(Numerical Aperture:以下「NA」という)、すなわち有限レンズでいう倍率によってほぼ決まる。光源としてレーザを使用する場合、集光スポット径は、ビーム出射端の形状、すなわち、リッジ幅によっても左右されるが、100μm以下に集光されるのが普通である。回折限界で集光されるスポット径φは、通常、計算式「φ=1.22×(λ/NA)」によって算出される。λは、レーザビームの波長である。 The condensing spot diameter at the condensing unit 99 is substantially determined by the aperture (Numerical Aperture: hereinafter referred to as “NA”) between the entrance surface and the exit surface of the condensing lens 93, that is, the magnification of the finite lens. When a laser is used as the light source, the focused spot diameter is usually focused to 100 μm or less, although it depends on the shape of the beam exit end, that is, the ridge width. The spot diameter φ collected at the diffraction limit is usually calculated by the calculation formula “φ = 1.22 × (λ / NA)”. λ is the wavelength of the laser beam.
図30は、発光部98および集光部99における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。図31は、発光部98および集光部99におけるフィールドパターンの斜視図である。図31(a)は、発光部98におけるNFP101の斜視図であり、図31(b)は、集光部99におけるフィールドパターン103の斜視図である。 FIG. 30 is a diagram schematically showing an intensity image of the intensity distribution in the light emitting unit 98 and the light collecting unit 99. FIG. 31 is a perspective view of a field pattern in the light emitting unit 98 and the light collecting unit 99. FIG. 31A is a perspective view of the NFP 101 in the light emitting unit 98, and FIG. 31B is a perspective view of the field pattern 103 in the light collecting unit 99.
集光レンズ93は、製造コストを考慮して、非球面レンズではなく、両面とも、球面レンズであり、軸外光線になるほど、つまり光軸20から離れるほど、球面収差が大きく発生する。通常、ガウシアン強度分布は、集光部99の回折リングの強度が増し、回折限界のスポットまでは絞り込めないものの、その強度分布が発光部98からそのまま集光部99に反映される。 In consideration of manufacturing costs, the condenser lens 93 is not an aspherical lens but is a spherical lens on both surfaces, and the larger the off-axis rays, that is, the farther away from the optical axis 20, the more spherical aberration occurs. Normally, the intensity distribution of the diffractive ring of the condensing unit 99 increases and the intensity distribution of the Gaussian intensity is reflected from the light emitting unit 98 to the condensing unit 99 as it is.
蛍光体94は、照明用途には欠かすことができない波長変換素子である。蛍光体94は、青から青紫までの波長帯域のレーザ光を白色光に近い波長に強く励起するランバーシアン励起光源として、リフレクタ95の焦点に設置される。照明用途に使用されるレーザは、非常に高出力のワットクラスの半導体レーザが使用される。レーザから出射されたレーザ光を蛍光体94に集光すると、蛍光体94は、数百度を超える温度となり、蛍光体94の熱焼損や蛍光体94の効率が下がる熱消光が引き起こされる。 The phosphor 94 is a wavelength conversion element that is indispensable for illumination applications. The phosphor 94 is installed at the focal point of the reflector 95 as a Lambertian excitation light source that strongly excites laser light in a wavelength band from blue to blue-violet to a wavelength close to white light. The laser used for the illumination application is a watt class semiconductor laser having a very high output. When the laser light emitted from the laser is condensed on the phosphor 94, the phosphor 94 reaches a temperature exceeding several hundred degrees, causing thermal burning of the phosphor 94 and thermal quenching that reduces the efficiency of the phosphor 94.
蛍光体94は、熱焼損や熱消光を避けるために、集光部99の位置とは異なるデフォーカスした位置に配置される。しかし、デフォーカスした位置に配置しても、ガウシアン強度分布や強度分布の不均一は、蛍光体94に照射された光にそのまま反映されている。すなわち、集光レンズ93によって集光されたレーザ光は、ホットスポットのある強度分布で、蛍光体94に照射され、ホットスポット付近で蛍光体94の温度が上昇するという課題は残されたままである。したがって、球面レンズである集光レンズ93は、蛍光体94の性能をすべて引き出すことが困難であり、レーザ光による蛍光体94の発光強度を上げて、照明装置90の輝度を上げることには限界がある。 The phosphor 94 is disposed at a defocused position different from the position of the light condensing unit 99 in order to avoid thermal burnout and thermal quenching. However, even if it is arranged at the defocused position, the Gaussian intensity distribution and the non-uniformity of the intensity distribution are directly reflected in the light irradiated to the phosphor 94. That is, the laser beam condensed by the condenser lens 93 is irradiated to the phosphor 94 with an intensity distribution having a hot spot, and the problem that the temperature of the phosphor 94 increases near the hot spot remains. . Therefore, it is difficult for the condensing lens 93 that is a spherical lens to bring out all of the performance of the phosphor 94, and it is the limit to increase the luminance of the illumination device 90 by increasing the emission intensity of the phosphor 94 by the laser light. There is.
近年、紫外線、電子線および耐熱性にも強いα−サイアロン蛍光体およびβ−サイアロン蛍光体、あるいはバナジン酸ルビジウムなどを材料にして、生成法を含めてドープイオンとともに、熱消光が少ない蛍光材料が開発され、LED用途に採用されている。しかし、レーザ光のガウシアン強度分布によるホットスポットでの蛍光体の耐久性にはまだ課題が残されている。 In recent years, fluorescent materials with less thermal quenching have been developed together with doped ions, including production methods, using α-sialon phosphors and β-sialon phosphors that are also resistant to ultraviolet rays, electron beams, and heat resistance, or rubidium vanadate. Developed and used in LED applications. However, problems still remain in the durability of the phosphor at the hot spot due to the Gaussian intensity distribution of the laser light.
その他の分野においても、レーザからの光束を集光して利用するような用途においては、ある空間範囲でパワーが均一であるビームが要求されることがある。ガウスビーム、つまりガウシアン強度分布のレーザビームのように、中央部のみ強度が強いものではなく、ある範囲でパワーが均一であって、その範囲の外側ではパワーがゼロであるようなビームが求められている。そのようなビームは、山高帽の形状に似ている強度分布であることから、トップハット(top hat)型と呼ばれる。ガウスビームを広範囲のトップハット型のビームに整形するための光学系は、ホモジナイザ(Homogenizer)と呼ばれる。 In other fields as well, a beam having a uniform power in a certain spatial range may be required in an application in which a light beam from a laser is condensed and used. Unlike a Gaussian beam, that is, a Gaussian intensity-distributed laser beam, there is a need for a beam whose intensity is not strong only in the center, but is uniform in a certain range and zero in the outside of that range. ing. Such a beam is called a top hat type because it has an intensity distribution resembling the shape of a bowler hat. An optical system for shaping a Gaussian beam into a wide-range top-hat beam is called a homogenizer.
従来、トップハット型の強度分布を得るために、いくつかの提案がされている。たとえば、レーザビームを一定範囲にある複数のビームに分岐する機能をもつ回折型光学素子と、回折型光学素子に続いて設けられる集光レンズとを組み合わせて、集光レンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面を一致させ、回折型光学素子によって分岐された各ビームがデフォーカス面で合体して所望の強度分布を形成するという提案がある。また、回折型光学素子の代わりにマイクロレンズアレーを使用して、トップハット型の強度分布を形成する光学系が提案されている。しかしながら、これらの提案では、小型化および低コスト化には限界がある。 Conventionally, several proposals have been made to obtain a top-hat type intensity distribution. For example, a combination of a diffractive optical element having a function of splitting a laser beam into a plurality of beams within a certain range and a condensing lens provided subsequent to the diffractive optical element can be combined with a defocusing lens. There is a proposal that the image plane coincides with the focus plane, and the beams branched by the diffractive optical element are combined at the defocus plane to form a desired intensity distribution. In addition, an optical system that uses a microlens array instead of a diffractive optical element to form a top hat intensity distribution has been proposed. However, in these proposals, there is a limit to miniaturization and cost reduction.
第1の従来技術として、特許文献1に記載される灯具がある。この灯具は、複数の光源ユニットを備える照明装置である。各光源ユニットは、紫外光を発生する光源部と、光源部からの紫外光に応じて白色光を発生する蛍光体と、蛍光体が発生した拡散光を反射して平行光にする反射鏡とを有し、所定の配色パターンの白色光を車両の前方に照射する。光源部は、レーザダイオードと、レーザダイオードが発生した光を蛍光体に集光するレンズとを含む。 As a first conventional technique, there is a lamp described in Patent Document 1. This lamp is an illumination device including a plurality of light source units. Each light source unit includes a light source unit that generates ultraviolet light, a phosphor that generates white light in response to the ultraviolet light from the light source unit, and a reflector that reflects diffused light generated by the phosphor into parallel light. And irradiating the front of the vehicle with white light of a predetermined color arrangement pattern. The light source unit includes a laser diode and a lens that condenses the light generated by the laser diode on a phosphor.
第2の従来技術として、特許文献2に記載されるチルト誤差低減非球面ホモジナイザがある。このチルト誤差低減非球面ホモジナイザは、エネルギ分布がガウシアン分布である平行な入射ビームを屈折させて縮小し、入射ビームの直径よりも小さい直径の範囲の照射面に均一エネルギ分布のビームを形成する1枚レンズからなる非球面ホモジナイザである。このチルト誤差低減非球面ホモジナイザは、レンズの僅かな傾きに対しては、照射面でのビームのエネルギ分布の均一性を損なわないようにすることができる。 As a second prior art, there is a tilt error reducing aspherical homogenizer described in Patent Document 2. This tilt error reducing aspherical homogenizer refracts and reduces a parallel incident beam whose energy distribution is a Gaussian distribution, and forms a beam having a uniform energy distribution on an irradiation surface having a diameter smaller than the diameter of the incident beam. An aspherical homogenizer consisting of a single lens. This tilt error-reducing aspheric homogenizer can prevent the uniformity of the energy distribution of the beam on the irradiation surface from being slightly tilted.
上述した提案による、回折型光学素子とマイクロレンズアレーとを組み合わせたホモジナイザ装置は、回折型光学素子やマイクロレンズアレーの他に光学部品を数点組み合わせる必要があり、コストが高くなる。また、このホモジナイザ装置は、組立および調整に要する設備経費、ならびに生産タクトも増加し、より安価なホモジナイザが求められている。今後用途の広がりが期待されるレーザ光源を応用した照明装置においては、蛍光体の耐久性および効率を維持し、蛍光体への悪影響を減らすために、安価なホモジナイザ装置は、非常に重要度を増している。 The homogenizer device combining the diffractive optical element and the microlens array according to the above-mentioned proposal needs to combine several optical components in addition to the diffractive optical element and the microlens array, which increases the cost. In addition, this homogenizer device has increased equipment cost and assembly tact required for assembly and adjustment, and a cheaper homogenizer is required. In lighting devices that use laser light sources, which are expected to expand in the future, inexpensive homogenizer devices are very important in order to maintain the durability and efficiency of phosphors and reduce the negative effects on phosphors. It is increasing.
また、第1の従来技術は、灯具の部材配置に関するものであり、ガウシアン強度分布をトップハット型に変換するものではない。第2の従来技術は、ホモジナイザに関するものではあるが、レンズの僅かな傾きに対して、照射面でのビームのエネルギ分布の均一性が損なわれることがないようにするものであり、蛍光体などの小さい面積の範囲に平行光を照射することはできない。 The first prior art relates to the arrangement of lamp members, and does not convert the Gaussian intensity distribution into a top hat type. The second prior art is related to a homogenizer, and is intended to prevent the uniformity of the energy distribution of the beam on the irradiation surface from being impaired with respect to a slight inclination of the lens. It is impossible to irradiate parallel light on a small area.
本発明の目的は、小さい面積の範囲に平行光を照射することができる安価なホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an inexpensive homogenizer, a homogenizer device, and an illumination device that can irradiate parallel light in a small area range.
本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズであって、
入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
The present invention relates to fluorescence that emits laser light obtained by converting laser light emitted from a light emitting element that emits laser light having a Gaussian distribution of light into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the body is substantially uniform at the central portion and substantially zero at the peripheral edge surrounding the central portion;
The incident surface is formed of a convex spherical surface, the central portion of the output surface is formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion is formed of a convex spherical surface, and the diameter of the central portion is previously set. A homogenizer including a condenser lens having a length within a predetermined range.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central portion of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion is formed by a convex spherical surface, the output surface is formed by a convex spherical surface, and the diameter of the central portion is previously set. A homogenizer including a condenser lens having a length within a predetermined range.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central part of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral part connected to the central part of the incident surface is formed by a convex spherical surface, and the central part of the outgoing surface is a circular plane perpendicular to the optical axis. A homogenizer including a condensing lens having a peripheral spherical portion formed in a convex spherical surface and having a diameter within a predetermined range. .
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central portion of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface, and the central portion of the outgoing surface has a side surface perpendicular to the optical axis. It is formed in a cylindrical shape, the peripheral edge connected to the center of the exit surface is formed as a convex spherical surface, the diameter of the center of the entrance surface is a length within a predetermined range, the length of the side surface of the cylindrical shape and The homogenizer includes a condensing lens whose lateral width is a length within a predetermined range.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズであって、
入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central part of the incident surface is formed in a cylindrical shape having a side surface perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central part of the incident surface is formed as a convex spherical surface, and the central part of the outgoing surface is a circle perpendicular to the optical axis. The peripheral edge connected to the central portion of the exit surface is formed of a convex spherical surface, the length and lateral width of the cylindrical side are within a predetermined range, and the length of the center portion of the exit surface is The homogenizer includes a condenser lens having a diameter within a predetermined range.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The homogenizer includes a condensing prism having an incident surface formed in a convex polygonal pyramid shape having four or more corners and an output surface formed in a plane perpendicular to the optical axis.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The homogenizer includes a condensing prism in which an incident surface is formed by a plane perpendicular to the optical axis, and an output surface is formed in a convex polygonal pyramid shape having four or more corners.
また本発明は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムであって、
入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザである。
Further, the present invention emits a laser beam obtained by converting a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. A condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The homogenizer includes a condensing prism in which an incident surface is formed in a convex polygonal pyramid shape with four or more corners and an output surface is formed in a convex polygonal pyramid shape with four or more corners.
また本発明は、前記ホモジナイザと、
断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含むことを特徴とするホモジナイザ装置である。
The present invention also includes the homogenizer,
A cylindrical shape having a circular or polygonal cross section is disposed between the homogenizer and the phosphor so that the central axis of the cylinder coincides with the optical axis, and the inner surface is formed by a reflection surface of total reflection. A homogenizer device including an optical member.
また本発明は、前記導光部材は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さいことを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the light guide member has an exit area smaller than an entrance area.
また本発明は、前記ホモジナイザと、
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、
照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、
蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含むことを特徴とする照明装置である。
The present invention also includes the homogenizer,
A light emitting element that emits laser light having a Gaussian light intensity distribution;
A phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength;
And a parabolic reflector that reflects the laser light emitted from the phosphor.
本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 According to the present invention, the homogenizer converts a laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. It consists of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor that emits light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. In the condenser lens, the incident surface is formed as a convex spherical surface, the central portion of the output surface is formed as a circular plane perpendicular to the optical axis, and the peripheral edge connected to the central portion is formed as a convex spherical surface. The condensing lens has a length within a predetermined range in the diameter of the central portion. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light onto a small area of the phosphor and can be formed at low cost.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting the laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing lens is formed with a circular plane perpendicular to the optical axis at the center of the entrance surface, a convex spherical surface at the periphery of the central portion, and a convex spherical surface at the exit surface. The condensing lens has a length within a predetermined range in the diameter of the central portion. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light onto a small area of the phosphor and can be formed at low cost.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting the laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. In the condenser lens, the central portion of the incident surface is formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral portion connected to the central portion of the incident surface is formed of a convex spherical surface, and the central portion of the output surface is A condensing lens formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, a peripheral edge connected to the central portion of the exit surface is formed as a convex spherical surface, and the diameter of both central portions is a length within a predetermined range. The Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light onto a small area of the phosphor and can be formed at low cost.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い発光素子に対しても、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting the laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. In the condenser lens, the central portion of the incident surface is formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral portion connected to the central portion of the incident surface is formed of a convex spherical surface, and the central portion of the output surface is It is formed in a cylindrical shape having a side surface perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the center of the exit surface is formed as a convex spherical surface, and the diameter of the center of the entrance surface is a length within a predetermined range, The cylindrical lens has a condensing lens whose side length and width are within a predetermined range. Therefore, the homogenizer can irradiate a light emitting element having a wide ridge width with parallel light in a small area of the phosphor, and can be formed at low cost.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズは、入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズとされる。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い発光素子に対しても、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting the laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condenser lens is formed in a cylindrical shape in which the central portion of the incident surface has a side surface perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion of the incident surface is formed as a convex spherical surface, and the center of the output surface The part is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral part connected to the central part of the emission surface is formed by a convex spherical surface, and the length and lateral width of the cylindrical side are within a predetermined range. There is a condensing lens in which the diameter of the central portion of the exit surface is a length within a predetermined range. Therefore, the homogenizer can irradiate a light emitting element having a wide ridge width with parallel light in a small area of the phosphor, and can be formed at low cost.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism is a condensing prism that is formed in a polygonal pyramid shape with four or more incident surfaces on the convex surface and an output surface formed on a plane perpendicular to the optical axis. Therefore, it is possible to irradiate parallel light onto a small area of the phosphor, and to form the phosphor more inexpensively.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism is a condensing prism in which the incident surface is formed by a plane perpendicular to the optical axis and the exit surface is formed in a convex polygonal pyramid shape having four or more corners. Therefore, it is possible to irradiate parallel light onto a small area of the phosphor, and to form the phosphor more inexpensively.
また本発明によれば、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズムからなる。そして、前記集光プリズムは、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムとされる。したがって、蛍光体の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 According to the invention, the homogenizer converts the laser light emitted from the light emitting element that emits the laser light having a Gaussian light intensity distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. It consists of a condensing prism that collects light so that the intensity distribution on the phosphor emitting laser light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism is a condensing prism that is formed in a polygonal pyramid shape having a convex quadrangular pyramid and whose exit surface is formed in a polygonal pyramid shape having a convex quadrangular pyramid. Therefore, it is possible to irradiate parallel light onto a small area of the phosphor, and to form the phosphor more inexpensively.
また本発明によれば、ホモジナイザ装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか1つのホモジナイザと、断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含む。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体のより小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。 Further, according to the present invention, the homogenizer device includes any one of the homogenizers, a cylindrical section having a circular or polygonal cross section, and a cylindrical central axis between the homogenizer and the phosphor. Are arranged so as to coincide with the optical axis, and the inner surface is formed by a reflection surface of total reflection. Therefore, the homogenizer device can irradiate parallel light onto a smaller area of the phosphor and can be formed at a relatively low cost.
また本発明によれば、前記導光部材は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さい。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体のさらに小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。 According to the invention, the light guide member has an exit area smaller than an entrance area. Therefore, the homogenizer device can irradiate parallel light onto a smaller area of the phosphor and can be formed at a relatively low cost.
また本発明によれば、照明装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか1つのホモジナイザと、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含む。したがって、照明装置は、遠方まで概ね平行な光束で照射することができる。 According to the invention, the illumination device includes any one of the homogenizers, a light emitting element that emits laser light having a Gaussian light intensity distribution, and a wavelength of the irradiated laser light. A phosphor that emits laser light converted to a wavelength different from the wavelength and a parabolic reflector that reflects the laser light emitted from the phosphor are included. Therefore, the illuminating device can irradiate with a substantially parallel light beam to a distant place.
図1は、本発明の第1の実施形態である照明装置10の構成を示す図である。照明装置10は、半導体レーザ1、ハウジング2、集光レンズ3、蛍光体4およびリフレクタ5を含んで構成される。以下、第1の実施形態と異なる実施形態において、対応する部分については、同一の参照符を付して、重複を避けるために説明を省略する。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a lighting device 10 according to the first embodiment of the present invention. The illumination device 10 includes a semiconductor laser 1, a housing 2, a condenser lens 3, a phosphor 4 and a reflector 5. Hereinafter, in an embodiment different from the first embodiment, corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted to avoid duplication.
発光素子である半導体レーザ1は、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する光源である。半導体レーザ1には、コヒーレント性および単色性は要求されない。半導体レーザ1から出射されたレーザ光は、集光レンズ3に到達する。ハウジング2は、半導体レーザ1、集光レンズ3およびリフレクタ5を固定する筐体である。 The semiconductor laser 1 that is a light emitting element is a light source that emits laser light having a Gaussian distribution of light intensity. The semiconductor laser 1 is not required to be coherent or monochromatic. The laser light emitted from the semiconductor laser 1 reaches the condenser lens 3. The housing 2 is a housing that fixes the semiconductor laser 1, the condenser lens 3, and the reflector 5.
集光レンズ3は、半導体レーザ1から出射されたレーザ光の拡散光を、光束7として集光して蛍光体4に照射する。集光レンズ3は、第1の実施例であり、ホモジナイザである。以下、第1の実施例と異なる実施例において、対応する部分については、同一の参照符を付して、重複を避けるために説明を省略する。 The condensing lens 3 condenses the diffused light of the laser light emitted from the semiconductor laser 1 as a light beam 7 and irradiates the phosphor 4. The condenser lens 3 is the first embodiment and is a homogenizer. Hereinafter, in an embodiment different from the first embodiment, corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted to avoid duplication.
蛍光体4は、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長、たとえば可視光の波長に変換したレーザ光をランバーシアン励起光として出射する。蛍光体4は、リフレクタ5の焦点の位置に配置される。反射部であるリフレクタ5は、蛍光体4からのランバーシアン励起光を平行から弱拡散させた反射光を照射光6として照射するためのパラボラ形状の反射板である。 The phosphor 4 emits, as Lambertian excitation light, laser light obtained by converting the wavelength of the irradiated laser light to a wavelength different from the wavelength, for example, visible light. The phosphor 4 is disposed at the focal position of the reflector 5. The reflector 5 serving as a reflection portion is a parabolic reflector for irradiating reflected light obtained by diffusing the Lambertian excitation light from the phosphor 4 slightly from parallel to the irradiation light 6.
図2は、本発明の第2の実施形態である照明装置11の構成を示す図である。照明装置11は、半導体レーザ1、ハウジング2a、集光レンズ3、蛍光体4aおよびリフレクタ5aを含んで構成される。照明装置11は、図1に示した照明装置10のリフレクタ5の上側の半分強を用いる構成である。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the illumination device 11 according to the second embodiment of the present invention. The illumination device 11 includes a semiconductor laser 1, a housing 2a, a condenser lens 3, a phosphor 4a, and a reflector 5a. The illuminating device 11 is configured to use the upper half of the upper side of the reflector 5 of the illuminating device 10 shown in FIG.
ハウジング2aは、半導体レーザ1、集光レンズ3およびリフレクタ5aを固定する筐体である。リフレクタ5aは、リフレクタ5の下側の半分弱を除いた構成である。蛍光体4aは、リフレクタ5aで反射する方向にのみ、変換後の可視光の波長のレーザ光を出射する。照明装置11は、図1に示したリフレクタ5の下側の半分弱を除いたリフレクタ5aを用いる構成であるので、照明装置10よりも小型化することができる。 The housing 2a is a housing that fixes the semiconductor laser 1, the condenser lens 3, and the reflector 5a. The reflector 5 a has a configuration excluding the lower half of the lower side of the reflector 5. The phosphor 4a emits laser light having a wavelength of visible light after conversion only in the direction of reflection by the reflector 5a. Since the illuminating device 11 uses the reflector 5a excluding the lower half of the lower side of the reflector 5 shown in FIG. 1, the illuminating device 11 can be made smaller than the illuminating device 10.
図3は、第1の実施例である集光レンズ3を示す図である。集光レンズ3は、入射面が凸状の球面3aで形成され、出射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面3cで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面3bで形成されるように研磨されている。光軸20は、光束7の中心軸である。 FIG. 3 is a diagram illustrating the condenser lens 3 according to the first embodiment. The condenser lens 3 is formed of a spherical surface 3a having a convex entrance surface, a central portion of the exit surface is formed of a circular plane 3c perpendicular to the optical axis 20, and a peripheral portion surrounding the central portion of the exit surface is convex. It is ground so as to be formed by the spherical surface 3b. The optical axis 20 is the central axis of the light beam 7.
集光レンズ3は、出射面の光軸20付近が平面3cをなすレンズであるので、ガウシアン強度分布のレーザ光の中央部のみが、集光レンズ3の屈折作用を受けることがなく、集光部9に集光されない。図3を参照すると、平面3cを透過した光束7は、ごく中心部の中心光束領域21を除き、光軸20から離れるに従って、蛍光体4の外周付近に照射されることがわかる。 Since the condensing lens 3 is a lens in which the vicinity of the optical axis 20 of the exit surface forms a flat surface 3c, only the central portion of the laser light having the Gaussian intensity distribution is not subjected to the refraction action of the condensing lens 3, and thus condensing. The light is not condensed on the portion 9. Referring to FIG. 3, it can be seen that the light beam 7 transmitted through the plane 3 c is irradiated near the outer periphery of the phosphor 4 as it is away from the optical axis 20 except for the central light beam region 21 at the very center.
図4は、第1の実施例での発光部8および蛍光体4におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図4(a)は、発光部8におけるNFP11および強度分布の強度イメージ12aを示す。図4(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13および強度分布の強度イメージ14を示す。 FIG. 4 is a diagram showing an intensity image of the field pattern and intensity distribution in the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the first embodiment. FIG. 4A shows the NFP 11 and the intensity image 12 a of the intensity distribution in the light emitting unit 8. FIG. 4B shows the field pattern 13 and the intensity image 14 of the intensity distribution in the phosphor 4.
図4(a)に示した強度イメージ12aではガウシアン強度分布であった中央部が、図4(b)に示した強度イメージ14では、高強度でスポット周辺に分散され、Y方向およびZ方向とも、ピークの無いフラットな強度分布を示している。すなわち、蛍光体4上での強度分布は、ホットスポットのないトップハット型の集光状態である。したがって、集光レンズ3は、蛍光体4への熱負荷を低減することができ、蛍光体4の性能を100%発揮させることができる。 In the intensity image 12a shown in FIG. 4 (a), the central portion, which is a Gaussian intensity distribution, is dispersed with high intensity around the spot in the intensity image 14 shown in FIG. 4 (b). Shows a flat intensity distribution with no peak. That is, the intensity distribution on the phosphor 4 is a top-hat type condensing state without a hot spot. Therefore, the condensing lens 3 can reduce the thermal load on the phosphor 4 and can exhibit 100% of the performance of the phosphor 4.
図5は、第1の実施例での発光部8、平面3cおよび蛍光体4における強度分布の強度イメージを模式的に示す図である。図5は、図30に示した従来技術による強度イメージと対比した図である。強度イメージ12bは、発光部8での強度分布の強度イメージであり、強度イメージ16は、平面3cでの強度分布の強度イメージであり、強度イメージ14は、蛍光体4での強度分布の強度イメージである。強度イメージ16は、ガウシアン強度分布の中央部の強度の強い領域の光束が、出射面の中央部に形成された平面3cによって、集光レンズ3による集光効果が低減され、蛍光体4の外周側に向かって出射される状態を示している。 FIG. 5 is a diagram schematically showing intensity images of intensity distributions in the light emitting unit 8, the plane 3c, and the phosphor 4 in the first embodiment. FIG. 5 is a diagram contrasted with the intensity image according to the prior art shown in FIG. The intensity image 12 b is an intensity image of the intensity distribution in the light emitting unit 8, the intensity image 16 is an intensity image of the intensity distribution on the plane 3 c, and the intensity image 14 is an intensity image of the intensity distribution in the phosphor 4. It is. In the intensity image 16, the light condensing effect by the condensing lens 3 is reduced by the plane 3 c formed in the central portion of the exit surface of the light beam in the central portion of the Gaussian intensity distribution, and the outer periphery of the phosphor 4. The state which radiate | emits toward the side is shown.
図6は、第1の実施例での発光部8および蛍光体4におけるフィールドパターンの斜視図である。図6(a)に示したNFP11aは、図4(a)に示したNFP11の斜視図であり、図6(b)に示したフィールドパターン13aは、図4(b)に示したフィールドパターン13の斜視図である。図4(b)に示したフィールドパターン13および強度イメージ14、図5に示した強度イメージ14、ならびに図6(b)に示したフィールドパターン13aのように、蛍光体4上での強度分布は、ホットスポットのないトップハット型の集光状態であり、集光レンズ3は、蛍光体4の熱負荷を低減することができる。 FIG. 6 is a perspective view of a field pattern in the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the first embodiment. The NFP 11a shown in FIG. 6A is a perspective view of the NFP 11 shown in FIG. 4A, and the field pattern 13a shown in FIG. 6B is the field pattern 13 shown in FIG. 4B. FIG. Like the field pattern 13 and the intensity image 14 shown in FIG. 4B, the intensity image 14 shown in FIG. 5, and the field pattern 13a shown in FIG. 6B, the intensity distribution on the phosphor 4 is as follows. This is a top-hat type condensing state without a hot spot, and the condensing lens 3 can reduce the thermal load of the phosphor 4.
図7は、集光レンズ3によって集光される光束を説明するための図である。半導体レーザ1から出射された光を、光軸20に近い側から順に光L1,光L2,光L3,光L4,光L5,光L6として、以下、集光レンズ3がトップハット型の強度分布を形成することを説明する。 FIG. 7 is a diagram for explaining a light beam condensed by the condenser lens 3. The light emitted from the semiconductor laser 1 will be referred to as light L1, light L2, light L3, light L4, light L5, and light L6 in this order from the side closer to the optical axis 20, and hereinafter the condenser lens 3 has a top hat type intensity distribution. Will be explained.
光L1は、光軸20付近の光である。光L1は、スネルの法則に従って、集光レンズ3の入射面である球面3aで、やや光軸20寄りに屈折され、集光レンズ3内部を透過する。光L1〜L3は、出射面の中央部が平面3cとして加工されているので、集点に向かって屈折されることなく、ほぼ直進する方向に、集光レンズ3から出射する。厳密には、出射面においても、スネルの法則による屈折が生じるが微小であるので、ほぼ直進するとして取り扱ってもよい。 The light L1 is light near the optical axis 20. In accordance with Snell's law, the light L1 is refracted slightly toward the optical axis 20 on the spherical surface 3a that is the incident surface of the condenser lens 3, and passes through the inside of the condenser lens 3. The lights L1 to L3 are emitted from the condenser lens 3 in a substantially straight direction without being refracted toward the collecting point because the central portion of the emission surface is processed as the plane 3c. Strictly speaking, refraction according to Snell's law occurs on the exit surface, but it may be handled as almost straight because it is very small.
光L1〜L3は、平面3cを光軸20から離れて通過するほど、蛍光体4への照射位置が光軸20から離れる。図7を参照すると、光L2,L3の蛍光体4上の位置は、光L1よりもさらに蛍光体4の中心から外側であることがわかる。すなわち、光軸20にごく近い光は、蛍光体4の中央付近に照射されるが、光軸20から離れるに従って、蛍光体4の外側に拡散される。 As the lights L1 to L3 pass through the plane 3c away from the optical axis 20, the irradiation position on the phosphor 4 is further away from the optical axis 20. Referring to FIG. 7, it can be seen that the positions of the lights L2 and L3 on the phosphor 4 are further outward from the center of the phosphor 4 than the light L1. That is, light very close to the optical axis 20 is irradiated near the center of the phosphor 4, but is diffused to the outside of the phosphor 4 as the distance from the optical axis 20 increases.
また、光L4は、スネルの法則に従って、集光レンズ3の入射面である球面3aで屈折され、集光レンズ3内部を透過し、出射面の周縁部の球面3bでさらに屈折されて、蛍光体4に集光される。ここで、球面レンズの特性として、光軸20から離れるに従って、球面収差が発生し、外側の光ほど焦点の手前に集光する。ここでいう焦点とは、球面レンズで集光される近軸光線、すなわち近軸結像のことである。図7に示したように、ほぼ焦点の位置に蛍光体4を配置することによって、蛍光体4にフラットな強度分布の光束を照射することが可能になる。 Further, according to Snell's law, the light L4 is refracted by the spherical surface 3a that is the entrance surface of the condenser lens 3, passes through the inside of the condenser lens 3, and is further refracted by the spherical surface 3b at the peripheral portion of the exit surface, thereby It is condensed on the body 4. Here, as a characteristic of the spherical lens, as the distance from the optical axis 20 increases, spherical aberration occurs, and the light from the outside is condensed closer to the focal point. The focal point here means a paraxial ray focused by a spherical lens, that is, paraxial imaging. As shown in FIG. 7, by arranging the phosphor 4 substantially at the focal position, it becomes possible to irradiate the phosphor 4 with a light beam having a flat intensity distribution.
集光レンズ3の平面3cは、円形である。平面3cの直径をレンズ有効径の1/4〜1/5として、蛍光体4上のスポット、すなわち最小錯乱円が直径1〜2mm弱になるようにしている。最小錯乱円は、見かけ上、光束が最も絞られるビームウエストとも呼ばれる位置で、光軸20に直交する仮想平面によって切断された光束の断面形状である。最小錯乱円が直径1〜2mm弱になるようにしているので、蛍光体4は、LEDでは達成できない面発光効率を達成することができ、パラボラ形状のリフレクタ5によるスポット集光に最適な光源である。 The plane 3c of the condenser lens 3 is circular. The diameter of the plane 3c is set to 1/4 to 1/5 of the effective lens diameter so that the spot on the phosphor 4, that is, the minimum circle of confusion is less than 1 to 2 mm in diameter. The minimum circle of confusion is a cross-sectional shape of a light beam cut by a virtual plane orthogonal to the optical axis 20 at a position called a beam waist where the light beam is most focused. Since the minimum circle of confusion is set to be a little less than 1 to 2 mm in diameter, the phosphor 4 can achieve a surface light emission efficiency that cannot be achieved by an LED, and is an optimal light source for spot condensing by a parabolic reflector 5. is there.
したがって、集光レンズ3は、LEDの面光源に比較して、蛍光体4を高効率の小面積の点光源とすることが可能である。さらに、照明装置10は、蛍光体4から出射され、リフレクタ5で反射された反射光をほぼ平行な照射光6とすることが可能となり、反射光を平行光とするための別部品としての集光レンズを用いなくても、遠方への照射が可能となる。 Therefore, the condensing lens 3 can use the phosphor 4 as a point light source with high efficiency and a small area as compared with the LED surface light source. Furthermore, the illuminating device 10 can make the reflected light emitted from the phosphor 4 and reflected by the reflector 5 into the substantially parallel irradiation light 6, and is collected as a separate part for making the reflected light into parallel light. Even without using an optical lens, it is possible to irradiate far away.
第1の実施形態では、集光レンズ3の出射面の中央部に平面3cを設けているが、入射面の形状と出射面の形状とを入れ換えて、入射面の中央部に平面を設けてもよい。 In the first embodiment, the flat surface 3c is provided at the center of the exit surface of the condenser lens 3. However, the shape of the entrance surface and the shape of the exit surface are interchanged to provide a flat surface at the center of the entrance surface. Also good.
図8は、第2の実施例である集光レンズ31を示す図である。図9は、第2の実施例での発光部8および蛍光体4におけるフィールドパターンの斜視図である。図9(a)は、発光部8におけるNFP11bであり、図9(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13bである。 FIG. 8 is a diagram illustrating a condenser lens 31 according to the second embodiment. FIG. 9 is a perspective view of a field pattern in the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the second embodiment. FIG. 9A shows the NFP 11b in the light emitting unit 8, and FIG. 9B shows the field pattern 13b in the phosphor 4.
集光レンズ31は、第2の実施例であり、ホモジナイザである。集光レンズ31は、入射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面31dで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面31aで形成され、出射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面3cで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面3bで形成される。 The condenser lens 31 is a second embodiment and is a homogenizer. The condensing lens 31 is formed by a circular plane 31d having a central portion of the incident surface perpendicular to the optical axis 20, a peripheral portion surrounding the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface 31a, and the central portion of the emitting surface. Is formed by a circular plane 3c perpendicular to the optical axis 20, and a peripheral portion surrounding the center of the exit surface is formed by a convex spherical surface 3b.
このように、集光レンズ31は、入射面と出射面との両方に平面が形成される。すなわち、集光レンズ31は、球面レンズの両側に光軸20に直交する平面が設けられているので、円柱ガラスからレンズを研磨する工法が適用可能であり、また、これらの平面を利用して、半導体レーザ1とのユニット組立性の向上を図ることができる。集光レンズ31は、中央部の平行な2つの平面での最大の強度分布が、焦点付近で、均等に周辺に分散されるので、最小錯乱円における強度分布の均一領域を拡大することができ、蛍光体4上での強度分布を維持したまま、蛍光体4を設ける位置の範囲を拡大することができる。 As described above, the condensing lens 31 has flat surfaces on both the incident surface and the exit surface. That is, since the condensing lens 31 is provided with planes orthogonal to the optical axis 20 on both sides of the spherical lens, a method of polishing the lens from cylindrical glass is applicable, and these planes are used. The unit assembly with the semiconductor laser 1 can be improved. In the condensing lens 31, the maximum intensity distribution in the two parallel planes in the central portion is evenly distributed around the focal point, so that the uniform region of the intensity distribution in the minimum circle of confusion can be expanded. The range of the position where the phosphor 4 is provided can be expanded while maintaining the intensity distribution on the phosphor 4.
図10は、第3の実施例である集光レンズ32を示す図である。集光レンズ32は、通常のリッジ幅、つまり発光部8が縦横同一の大きさのレーザのガウシアン強度分布を補正するためのホモジナイザではなく、リッジ幅の広いハイパワーの横マルチモードのレーザに用いるホモジナイザである。 FIG. 10 is a diagram showing a condenser lens 32 according to the third embodiment. The condenser lens 32 is not a homogenizer for correcting a normal ridge width, that is, a Gaussian intensity distribution of a laser whose light emitting section 8 has the same vertical and horizontal sizes, but is used for a high-power horizontal multimode laser having a wide ridge width. It is a homogenizer.
通常、ワットクラスのハイパワーレーザのθ‖方向、つまり図10のY方向は、放射角度が狭いものの、マルチモードで発振しており、通常のガウシアン強度分布ではない。逆に、θ⊥方向、つまりZ方向は、放射角度が広く、発振強度はガウシアン分布となっている。レーザの発光点の大きさの目安は、縦横が1μm×10μmほどであり、通常の10倍程度の横倍率を持つ。集光レンズ32からなるホモジナイザによる集光スポットは、発光点の10倍、すなわち縦横が10μm×100μmの長方形状に集光される。デフォーカス位置で蛍光体4に照射する場合も、蛍光体4の面を有効に利用することができず、蛍光体4を理想光源とすることは困難である。 Normally, the θ‖ direction of a watt-class high-power laser, that is, the Y direction in FIG. 10 oscillates in multimode, although the emission angle is narrow, and is not a normal Gaussian intensity distribution. Conversely, the θ⊥ direction, that is, the Z direction has a wide radiation angle and the oscillation intensity has a Gaussian distribution. The standard of the laser emission point is about 1 μm × 10 μm in length and width, and has a horizontal magnification of about 10 times the normal. The condensing spot by the homogenizer comprising the condensing lens 32 is condensed into a rectangular shape 10 times the light emitting point, that is, 10 μm × 100 μm in length and width. Even when the phosphor 4 is irradiated at the defocus position, the surface of the phosphor 4 cannot be used effectively, and it is difficult to use the phosphor 4 as an ideal light source.
図11は、第3の実施例での発光部8および蛍光体4におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図11(a)は、発光部8におけるNFP11cおよび強度分布の強度イメージ12cを示す。図11(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13cおよび強度分布の強度イメージ14cを示す。 FIG. 11 is a diagram showing intensity images of field patterns and intensity distributions in the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the third embodiment. FIG. 11A shows the NFP 11c and the intensity image 12c of the intensity distribution in the light emitting unit 8. FIG. FIG. 11B shows a field pattern 13 c and an intensity image 14 c of the intensity distribution in the phosphor 4.
集光レンズ32は、入射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面31dで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面31aで形成され、出射面の中央部が光軸20に垂直な側面を有するシリンドリカル形状32cに形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面32bで形成される。シリンドリカル形状は、かまぼこ型の形状である。 The condensing lens 32 is formed by a circular plane 31d whose central portion of the incident surface is perpendicular to the optical axis 20, and a peripheral portion surrounding the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface 31a. Is formed in a cylindrical shape 32c having a side surface perpendicular to the optical axis 20, and a peripheral edge connected to the central portion of the emission surface is formed as a convex spherical surface 32b. The cylindrical shape is a kamaboko shape.
図11に示したシリンドリカル形状32cの側面が直線である方向は、レーザのθ‖方向、つまりY方向である。集光レンズ32は、ワイドリッジ幅のマルチモードレーザのスポットに対して、図11(b)に示すように、ほぼ四角形で対称なフィールドパターン13cを蛍光体4に形成することができる。 The direction in which the side surface of the cylindrical shape 32c shown in FIG. 11 is a straight line is the θ‖ direction of the laser, that is, the Y direction. As shown in FIG. 11B, the condenser lens 32 can form a substantially square and symmetrical field pattern 13c on the phosphor 4 with respect to the multi-mode laser spot having a wide ridge width.
図12は、集光レンズ32によって集光される光束をX−Y平面で説明するための図である。図13は、第3の実施例での発光部8および蛍光体4のX−Y平面におけるフィールドパターンを示す図である。図13(a)は、発光部8におけるNFP11cを示す。図13(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13cおよび強度分布の強度イメージ14cを示す。 FIG. 12 is a diagram for explaining the light beam collected by the condenser lens 32 on the XY plane. FIG. 13 is a diagram showing field patterns on the XY plane of the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the third embodiment. FIG. 13A shows the NFP 11 c in the light emitting unit 8. FIG. 13B shows the field pattern 13 c and the intensity image 14 c of the intensity distribution in the phosphor 4.
集光レンズ32は、X−Y平面においては、シリンドリカル形状による効果はない。Y方向に平坦な中央部のホモジナイザ効果によって、平面32dとシリンドリカル形状の中央平坦部で、蛍光体4でのトップハット型のフィールドパターン14cが形成され、ワイドリッジの短径集光スポットは、ホットスポットを回避することができる。 The condenser lens 32 has no effect due to the cylindrical shape in the XY plane. Due to the homogenizer effect in the central portion flat in the Y direction, a top hat type field pattern 14c is formed on the phosphor 4 at the flat surface 32d and the cylindrical central flat portion. Spots can be avoided.
図14は、集光レンズ32によって集光される光束をX−Z平面で説明するための図である。図15は、第3の実施例での発光部8および蛍光体4のX−Z平面におけるフィールドパターンを示す図である。図15(a)は、発光部8におけるNFP11cを示す。図15(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13cおよび強度分布の強度イメージ14cを示す。 FIG. 14 is a diagram for explaining the light beam collected by the condenser lens 32 on the XZ plane. FIG. 15 is a diagram showing field patterns in the XZ plane of the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the third embodiment. FIG. 15A shows the NFP 11 c in the light emitting unit 8. FIG. 15B shows the field pattern 13 c and the intensity image 14 c of the intensity distribution in the phosphor 4.
集光レンズ32は、X−Z平面においては、シリンドリカル形状32cの球面レンズ効果によって、ワイドリッジの長径方向の発光スポットが、集光スポットではほぼ四角形に集光される。集光レンズ32は、出射面の中央部をZ方向で球形に形成することによって、蛍光体4での集光スポットの形状を長方形から四角形に近くなるよう形成することができる。 In the XZ plane, the condensing lens 32 condenses the light emission spot in the long ridge direction of the wide ridge into a substantially square shape at the condensing spot due to the spherical lens effect of the cylindrical shape 32c. The condensing lens 32 can be formed so that the shape of the condensing spot on the phosphor 4 is changed from a rectangle to a quadrangle by forming the central portion of the emission surface in a spherical shape in the Z direction.
第2の実施例では、集光レンズ32は、入射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面31dで形成され、入射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面31aで形成され、出射面の中央部が光軸20に垂直な側面を有するシリンドリカル形状32cに形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面32bで形成されているが、入射面の形状と出射面の形状とを入れ換えて、入射面の中央部が光軸20に垂直な側面を有するシリンドリカル形状32cに形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面32bで形成され、出射面の中央部が光軸20に垂直な円形の平面31dで形成され、出射面の中央部を囲む周縁部が凸状の球面31aで形成されるようにしてもよい。 In the second embodiment, the condensing lens 32 is formed by a circular plane 31d whose central portion of the incident surface is perpendicular to the optical axis 20, and a peripheral portion surrounding the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface 31a. The central portion of the exit surface is formed into a cylindrical shape 32c having a side surface perpendicular to the optical axis 20, and the peripheral edge connected to the central portion of the exit surface is formed as a convex spherical surface 32b. And the shape of the exit surface are interchanged so that the central portion of the incident surface is formed into a cylindrical shape 32c having a side surface perpendicular to the optical axis 20, and the peripheral portion connected to the central portion of the incident surface is formed as a convex spherical surface 32b. The central portion of the emission surface may be formed by a circular plane 31d perpendicular to the optical axis 20, and the peripheral portion surrounding the central portion of the emission surface may be formed by a convex spherical surface 31a.
図16は、第4の実施例である集光プリズム33を示す図である。集光プリズム33は、第4の実施例であり、ホモジナイザである。集光プリズム33は、半導体レーザ1から出射されたレーザ光の強度分布がガウシアン分布である入射ビームを屈折させて集光し、蛍光体4にほぼ均一のエネルギ強度分布のビームを形成するための強度変換プリズムである。集光プリズム33は、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成され、出射面が平面で形成される多角錐プリズムのホモジナイザである。 FIG. 16 is a diagram showing a condensing prism 33 according to the fourth embodiment. The condensing prism 33 is a fourth embodiment and is a homogenizer. The condensing prism 33 refracts and condenses the incident beam whose intensity distribution of the laser light emitted from the semiconductor laser 1 has a Gaussian distribution, and forms a beam with a substantially uniform energy intensity distribution on the phosphor 4. It is an intensity conversion prism. The condensing prism 33 is a polygonal pyramid prism homogenizer which is formed of a polygonal pyramid prism having four or more corners with a convex entrance surface and a flat exit surface.
第4の実施例では、集光プリズム33は、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成され、出射面が平面で形成される多角錐プリズムであるが、これに限定されるものではない。たとえば、集光プリズム33は、入射面が平面で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成されてもよい。また、集光プリズム33は、入射面および出射面とも4角以上の多角錐形状の多面体プリズムで形成されてもよい。集光プリズム33などの多面体プリズムは、平面研磨で加工することができるので、球面レンズに比較して、安価に製作可能である。 In the fourth embodiment, the condensing prism 33 is a polygonal pyramid prism that is formed by a polygonal pyramid prism having a convex entrance surface of four or more corners and a light exit surface formed by a plane. It is not limited. For example, the condensing prism 33 may be formed of a polyhedral prism having a polygonal pyramid shape with four or more corners in which the incident surface is a flat surface and the output surface is convex. The condensing prism 33 may be formed of a polygonal prism having a polygonal pyramid shape with four or more angles on both the incident surface and the exit surface. Polyhedral prisms such as the condensing prism 33 can be processed by plane polishing, and can be manufactured at a lower cost than spherical lenses.
図17は、集光プリズム33およびその光束を示す図である。図18は、第4の実施例での発光部8および蛍光体4におけるフィールドパターンおよび強度分布の強度イメージを示す図である。図18(a)は、発光部8におけるNFP11dおよび強度分布の強度イメージ12dを示す。図18(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13cおよび強度分布の強度イメージ14dを示す。 FIG. 17 is a diagram illustrating the condensing prism 33 and its light flux. FIG. 18 is a diagram showing intensity images of field patterns and intensity distributions in the light emitting section 8 and the phosphor 4 in the fourth embodiment. FIG. 18A shows the NFP 11d and the intensity image 12d of the intensity distribution in the light emitting unit 8. FIG. FIG. 18B shows the field pattern 13 c and the intensity image 14 d of the intensity distribution in the phosphor 4.
図19は、球面レンズによる球面収差曲線31を示す図である。図20は、多面体プリズムによる集光点付近の球面収差曲線32aを示す図である。縦軸は光束半径であり、横軸は光軸20方向での球面収差量を示す。球面レンズによる球面収差は、光軸20付近では少なく、光軸20から遠ざかるにつれ大きくなる。プリズムによる球面収差は、光軸20付近が最大であり、光軸20から遠ざかるにつれて小さくなる。図19に示した球面収差曲線31での光軸20から離れた位置での球面収差量を示したのがW1であり、図20に示した球面収差曲線32aでの光軸20付近の球面収差量を示したのがW2である。光軸20付近の球面収差量が多いということは、レーザ光のガウシアン強度分布が強い中心付近の球面収差量が多いということであり、ガウシアン強度分布を分散させ易い。 FIG. 19 is a diagram showing a spherical aberration curve 31 by the spherical lens. FIG. 20 is a diagram showing a spherical aberration curve 32a in the vicinity of a condensing point by the polyhedral prism. The vertical axis represents the luminous flux radius, and the horizontal axis represents the amount of spherical aberration in the direction of the optical axis 20. The spherical aberration due to the spherical lens is small near the optical axis 20 and increases as the distance from the optical axis 20 increases. The spherical aberration due to the prism is maximum near the optical axis 20 and decreases as the distance from the optical axis 20 increases. The spherical aberration amount at a position away from the optical axis 20 in the spherical aberration curve 31 shown in FIG. 19 is W1, and the spherical aberration in the vicinity of the optical axis 20 in the spherical aberration curve 32a shown in FIG. The amount is W2. The large amount of spherical aberration near the optical axis 20 means that the amount of spherical aberration near the center where the Gaussian intensity distribution of the laser light is strong is large, and the Gaussian intensity distribution is easily dispersed.
図21は、集光プリズム33による光束の最小錯乱円24付近の拡大図である。図21に示した拡大図は、集光プリズム33が、最小錯乱円24付近においても、十分レーザ光のガウシアン強度分布を分散させていることを示している。図21では、ガウシアン強度分布で発光するレーザ光の光束を、集光プリズム33で収束させることによって、球面レンズと比べて、光軸20付近の球面収差量が増し、すなわち、近軸光線の焦点位置が近くなり、光軸20から離れた光束の焦点位置は遠くなることを示す。 FIG. 21 is an enlarged view of the vicinity of the minimum circle of confusion 24 of the light flux by the condensing prism 33. The enlarged view shown in FIG. 21 shows that the condensing prism 33 sufficiently disperses the Gaussian intensity distribution of the laser light even in the vicinity of the minimum circle of confusion 24. In FIG. 21, the amount of spherical aberration in the vicinity of the optical axis 20 is increased by converging the luminous flux of the laser light emitted with the Gaussian intensity distribution by the condenser prism 33, that is, the focal point of the paraxial ray. This indicates that the position becomes closer and the focal position of the light beam away from the optical axis 20 becomes farther.
球面収差の発生位置が球面レンズでの球面収差とは逆になるプリズムによる球面収差は、光軸20付近で収差がより多く発生するので、集光プリズム33は、レーザ光のガウシアン強度分布を、効率的に周辺に分散することが可能となる。蛍光体4をガウス像面23から遠方に配置することによって、ガウシアン強度分布がハットトップ型に変換される。ガウス像面23は、収差のある光学系において、収差を無視することができる程度の近軸、つまり光軸20付近の結像点である。 Since the spherical aberration caused by the prism in which the spherical aberration occurs at a position opposite to the spherical aberration of the spherical lens is generated more in the vicinity of the optical axis 20, the condensing prism 33 represents the Gaussian intensity distribution of the laser light, It becomes possible to disperse efficiently to the periphery. By disposing the phosphor 4 far from the Gaussian image plane 23, the Gaussian intensity distribution is converted into a hat top type. The Gaussian image plane 23 is a paraxial point where the aberration can be ignored in an optical system with aberration, that is, an imaging point near the optical axis 20.
図22は、本発明の第3の実施形態である照明装置12の構成を示す図である。照明装置12は、レンズを使用せずに、集光プリズム33の屈折によって、蛍光体4にトップハット型の光束を照射する構成例である。照明装置12は、半導体レーザ1、ハウジング2、集光プリズム33、蛍光体4およびリフレクタ5を含んで構成される。 FIG. 22 is a diagram showing a configuration of the illumination device 12 according to the third embodiment of the present invention. The illuminating device 12 is a configuration example that irradiates the phosphor 4 with a top-hat type light beam by refraction of the condensing prism 33 without using a lens. The illumination device 12 includes a semiconductor laser 1, a housing 2, a condensing prism 33, a phosphor 4 and a reflector 5.
図23は、本発明の第4の実施形態である照明装置13の構成を示す図である。図24は、第4の実施形態での発光点および蛍光体4におけるフィールドパターンの斜視図である。図24(a)は、発光点におけるNFP11eであり、図24(b)は、蛍光体4におけるフィールドパターン13eである。 FIG. 23 is a diagram showing a configuration of the illumination device 13 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 24 is a perspective view of a light emitting point and a field pattern in the phosphor 4 in the fourth embodiment. 24A shows the NFP 11e at the light emitting point, and FIG. 24B shows the field pattern 13e in the phosphor 4.
照明装置13は、半導体レーザ1、ハウジング2、集光レンズ3、導光部材41、蛍光体4およびリフレクタ5を含んで構成される。集光レンズ3および導光部材41は、ホモジナイザ装置を構成する。照明装置13は、集光レンズ3などのレンズからなるホモジナイザによって集光された光束を、導光部材41を介して、蛍光体4へ照射する。 The illumination device 13 includes a semiconductor laser 1, a housing 2, a condenser lens 3, a light guide member 41, a phosphor 4, and a reflector 5. The condenser lens 3 and the light guide member 41 constitute a homogenizer device. The illuminating device 13 irradiates the phosphor 4 with a light beam collected by a homogenizer composed of a lens such as the condenser lens 3 via the light guide member 41.
導光部材41は、たとえば、断面が多角形もしくは円形の筒状であり、金属製またはプラスチック製の内面全反射型空洞パイプ、または断面が多角形もしくは円形の棒状であり、境界面での全反射を利用したガラス製の内面全反射ロッドによって構成される。内面全反射型空洞パイプは、波長が400nm〜450nmの光を反射する反射メッキが内面に施されている。導光部材41は、入射口および出射口の口径は同じである。 The light guide member 41 has, for example, a polygonal or circular cylindrical cross section, a metal or plastic inner surface total reflection type hollow pipe, or a polygonal or circular rod shaped cross section, and has a total shape at the boundary surface. It is composed of a glass internal total reflection rod that uses reflection. The inner surface total reflection type hollow pipe is provided with reflection plating for reflecting light having a wavelength of 400 nm to 450 nm on the inner surface. The light guide member 41 has the same diameter at the entrance and exit.
図25は、本発明の第5の実施形態である照明装置14の構成を示す図である。照明装置14は、半導体レーザ1、ハウジング2、集光プリズム33、導光部材42、蛍光体4およびリフレクタ5を含んで構成される。集光プリズム33および導光部材42は、ホモジナイザ装置を構成する。照明装置14は、集光プリズム33などの多角錐形状のプリズムからなるプリズムホモジナイザによって集光された光束を、導光部材42を介して蛍光体4へ照射する。 FIG. 25 is a diagram showing the configuration of the illumination device 14 according to the fifth embodiment of the present invention. The illumination device 14 includes the semiconductor laser 1, the housing 2, the condensing prism 33, the light guide member 42, the phosphor 4, and the reflector 5. The condensing prism 33 and the light guide member 42 constitute a homogenizer device. The illuminating device 14 irradiates the phosphor 4 through the light guide member 42 with a light beam collected by a prism homogenizer including a prism having a polygonal pyramid shape such as the condensing prism 33.
導光部材42は、たとえば、断面が多角形もしくは円形の筒状であり、金属製またはプラスチック製の内面全反射空洞パイプ、または、断面が多角形もしくは円形の棒状であり、境界面での全反射を利用したガラス製の内面全反射ロッドによって構成される。内面全反射型空洞パイプは、波長が400nm〜450nmの光を反射する反射メッキが内面に施されている。導光部材42は、入射口の口径が出射口の口径よりも大きい。照明装置14は、出射口の面積を入射口の面積よりも小さい面積とすることによって、製造誤差の許容量拡大と、より小面積の蛍光体4へのビーム照射とを可能としている。 The light guide member 42 is, for example, a cylindrical shape having a polygonal or circular cross section, and is a metal or plastic inner surface total reflection hollow pipe, or a bar shape having a polygonal or circular cross section, and is entirely at the boundary surface. It is composed of a glass internal total reflection rod that uses reflection. The inner surface total reflection type hollow pipe is provided with reflection plating for reflecting light having a wavelength of 400 nm to 450 nm on the inner surface. In the light guide member 42, the diameter of the entrance is larger than the diameter of the exit. The illuminating device 14 can increase the allowable amount of manufacturing error and irradiate the phosphor 4 with a smaller area by making the area of the exit port smaller than the area of the entrance port.
図23に示した照明装置13および図25に示した照明装置14のいずれも、導光部材41,42での内面反射を最大入射角の光線が数回反射を繰り返す長さL3とすることによって、ホットスポットがさらに拡散され、均一な強度分布のハットトップ型の光束を蛍光体4に照射することが可能となる。 In both of the illumination device 13 shown in FIG. 23 and the illumination device 14 shown in FIG. 25, the internal reflection at the light guide members 41 and 42 is set to a length L3 at which the light beam having the maximum incident angle repeats reflection several times. The hot spots are further diffused, and it becomes possible to irradiate the phosphor 4 with a hat-top type light beam having a uniform intensity distribution.
図26は、導光部材41および蛍光体4の拡大図である。図26に示した導光部材41では、複雑化するのを避けるために、光軸20から上側半分の光束のみを示している。図26に示すように、蛍光体4を板状に形成するのではなく、円錐または多角錐の形状とすることによって、光軸20方向から見た見かけ上の発光面積を増やすことなく、蛍光体4を小面積とすることができる。円錐または多角錐の形状では、板状の蛍光体4に比べて、ランバーシアン散乱光を効率良くパラボラ反射板であるリフレクタ5に照射することが可能となり、照明装置13,14全体の発光効率を高めることができる。 FIG. 26 is an enlarged view of the light guide member 41 and the phosphor 4. In the light guide member 41 shown in FIG. 26, only the upper half of the light beam from the optical axis 20 is shown in order to avoid complication. As shown in FIG. 26, the phosphor 4 is not formed into a plate shape, but is formed into a cone or polygonal pyramid shape, thereby increasing the apparent light emitting area viewed from the direction of the optical axis 20 without increasing the phosphor. 4 can be a small area. In the shape of a cone or a polygonal pyramid, it is possible to irradiate the reflector 5 which is a parabolic reflector more efficiently with the Lambertian scattered light as compared with the plate-like phosphor 4, and the luminous efficiency of the illumination devices 13 and 14 as a whole. Can be increased.
さらに、円錐の形状とすることによって、リフレクタ5で最も効率の高い中心部の反射光を遮る面積が減少し、リフレクタ5で反射された反射光を有効に照射光6とすることが可能となる。円錐の形状の蛍光体4の底面の直径Sと高さHとの比率、つまり「H/S」が大きくなるほど遮光量は減少するが、効率と蛍光体4のコストとを考慮して、上述した実施形態では、「H/S」として「1」〜「3」の比率を採用している。 Further, by adopting the conical shape, the area of the reflector 5 that blocks the reflected light at the most efficient central portion is reduced, and the reflected light reflected by the reflector 5 can be effectively used as the irradiation light 6. . As the ratio between the diameter S and the height H of the bottom surface of the cone-shaped phosphor 4, that is, “H / S” increases, the amount of light shielding decreases. However, in consideration of the efficiency and the cost of the phosphor 4, In the embodiment, the ratio of “1” to “3” is adopted as “H / S”.
上述した実施形態は、レーザ光源を利用した照明装置、たとえばスポット照明や車載用ヘッドライトなどの照明装置に応用することができる。レーザの出射パワープロファイルは、発光点の水平方向および垂直方向とも、通常、ガウシアン強度分布を有している。このガウシアン強度分布は、従来技術による光学部品によって集光した場合は、その強度分布が集光点にそのまま反映され、蛍光体4の耐久性を損なうことがある。 The above-described embodiment can be applied to an illumination device using a laser light source, for example, an illumination device such as a spot illumination or an in-vehicle headlight. The laser output power profile usually has a Gaussian intensity distribution in both the horizontal and vertical directions of the light emitting point. When the Gaussian intensity distribution is collected by an optical component according to the prior art, the intensity distribution is reflected as it is on the focusing point, which may impair the durability of the phosphor 4.
その他の分野においても、レーザの光束を集光して利用するような用途においては、ある空間範囲でパワーが均一であるビームが要求されることがある。ガウスビーム、つまりガウシアン強度分布のレーザビームのように、中央付近のみ強度が強いものではなく、ある範囲でパワーが均一であって、その外側ではパワーがゼロであるようなビーム強度が要求される。 In other fields as well, in applications where the laser beam is condensed and used, a beam having a uniform power in a certain spatial range may be required. Unlike a Gaussian beam, that is, a Gaussian intensity distribution laser beam, the intensity is not strong only in the vicinity of the center, but the beam intensity is required so that the power is uniform within a certain range and the power is zero outside. .
上述した実施形態でのホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、トップハット型の強度分布を得るための光学部品である。このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、半導体レーザ1からの光束を、数平方mmの蛍光体4に中央部の強度を均一にして照射することができる。したがって、このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、蛍光体4の耐久性を保ち、低コストでレーザ光の光束を蛍光体4に集光することができる。さらに、このようなホモジナイザおよびホモジナイザ装置は、蛍光体4での発光面積の少ない、高輝度かつ高効率の光束を生成することが可能であり、パラボラ形状のミラーであるリフレクタ5によって、遠方まで概ね平行な光束で照射することが可能な照明装置を実現することができる。 The homogenizer and the homogenizer apparatus in the above-described embodiments are optical components for obtaining a top hat type intensity distribution. Such a homogenizer and a homogenizer device can irradiate the fluorescent light 4 of several square millimeters with uniform intensity at the center portion with the light beam from the semiconductor laser 1. Therefore, such a homogenizer and a homogenizer device can maintain the durability of the phosphor 4 and condense the luminous flux of the laser light onto the phosphor 4 at a low cost. Furthermore, such a homogenizer and a homogenizer device can generate a light beam with a high luminance and high efficiency with a small light emitting area on the phosphor 4, and the reflector 5, which is a parabola-shaped mirror, can be used to reach far away. An illuminating device capable of irradiating with a parallel light beam can be realized.
このように、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズからなる。そして、前記集光レンズ33は、入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 As described above, the homogenizer is a laser beam obtained by converting the laser beam emitted from the semiconductor laser 1 that emits the laser beam having a Gaussian distribution of light into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser beam. It is composed of a condensing lens that collects light so that the intensity distribution on the phosphor 4 that emits light is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. In the condenser lens 33, the incident surface is formed as a convex spherical surface, the central portion of the output surface is formed as a circular plane perpendicular to the optical axis, and the peripheral edge connected to the central portion is a convex spherical surface. Formed and having a length within a predetermined range of the diameter of the central portion. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light on a small area of the phosphor 4 and can be formed at low cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズ3からなる。そして、前記集光レンズ3は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing lens 3 collects light so that the intensity distribution on the fluorescent substance 4 is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing lens 3 is formed with a circular plane perpendicular to the optical axis at the center of the entrance surface, a convex spherical surface at the peripheral edge connected to the central portion, and a convex spherical surface at the exit surface. Formed and having a length within a predetermined range of the diameter of the central portion. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light on a small area of the phosphor 4 and can be formed at low cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズ31からなる。そして、前記集光レンズ31は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing lens 31 collects light so that the intensity distribution on the phosphor 4 is substantially uniform at the central portion and is substantially zero at the peripheral portion surrounding the central portion. The condensing lens 31 has a central portion of the incident surface formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, a peripheral portion connected to the central portion of the incident surface formed of a convex spherical surface, and a central portion of the output surface. Is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion of the emission surface is formed by a convex spherical surface, and the diameter of both central portions has a length within a predetermined range. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light on a small area of the phosphor 4 and can be formed at low cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズ32からなる。そして、前記集光レンズ32は、入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い半導体レーザ1に対しても、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing lens 32 collects light so that the intensity distribution on the fluorescent substance 4 is substantially uniform at the central portion and becomes substantially zero at the peripheral portion surrounding the central portion. In the condensing lens 32, the central portion of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface, and the central portion of the output surface. Is formed in a cylindrical shape having a side surface perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the center of the exit surface is formed as a convex spherical surface, and the diameter of the center of the entrance surface is within a predetermined range. The length of the side surface and the lateral width of the cylindrical shape have a length within a predetermined range. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light on a small area of the phosphor 4 even to the semiconductor laser 1 having a wide ridge width, and can be formed at low cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光レンズ32からなる。そして、前記集光レンズ32は、入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さを有する。したがって、ホモジナイザは、リッジ幅の広い半導体レーザ1に対しても、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing lens 32 collects light so that the intensity distribution on the fluorescent substance 4 is substantially uniform at the central portion and becomes substantially zero at the peripheral portion surrounding the central portion. The condensing lens 32 is formed in a cylindrical shape in which the central portion of the incident surface has a side surface perpendicular to the optical axis, and the peripheral portion connected to the central portion of the incident surface is formed as a convex spherical surface. The central part is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral part connected to the central part of the exit surface is formed by a convex spherical surface, and the length and width of the cylindrical side faces are within a predetermined range. The diameter of the central part of the exit surface has a length within a predetermined range. Therefore, the homogenizer can irradiate parallel light on a small area of the phosphor 4 even to the semiconductor laser 1 having a wide ridge width, and can be formed at low cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズム33からなる。そして、前記集光プリズム33は、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される。したがって、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing prism 33 condenses light so that the intensity distribution on the phosphor 4 is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism 33 is formed in a polygonal pyramid shape with four or more incident surfaces, and the exit surface is formed in a plane perpendicular to the optical axis. Therefore, it is possible to irradiate parallel light to a small area range of the phosphor 4 and to form the phosphor 4 at a lower cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズム33からなる。そして、前記集光プリズム33は、入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される。したがって、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing prism 33 condenses light so that the intensity distribution on the phosphor 4 is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism 33 has an incident surface formed in a plane perpendicular to the optical axis, and an output surface formed in a convex polygonal pyramid shape having four or more corners. Therefore, it is possible to irradiate parallel light to a small area range of the phosphor 4 and to form the phosphor 4 at a lower cost.
さらに、ホモジナイザは、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1から出射されたレーザ光を、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4上での強度分布が、中央部でほぼ均一であり、かつ中央部を囲む周縁部でほぼ0となるように集光する集光プリズム33からなる。そして、前記集光プリズム33は、入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される。したがって、蛍光体4の小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、より安価に形成することができる。 Further, the homogenizer emits laser light obtained by converting the laser light emitted from the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution into a wavelength different from the wavelength of the irradiated laser light. The condensing prism 33 condenses light so that the intensity distribution on the phosphor 4 is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center. The condensing prism 33 is formed in a polygonal pyramid shape with a convex quadrangular pyramid or more on the incident surface, and is formed in a polygonal pyramid shape with convex quadrilateral or more on the exit surface. Therefore, it is possible to irradiate parallel light to a small area range of the phosphor 4 and to form the phosphor 4 at a lower cost.
さらに、ホモジナイザ装置は、前記ホモジナイザのうちのいずれか1つのホモジナイザと、断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材41または導光部材42とを含む。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体4のより小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。 Further, the homogenizer device has any one of the homogenizers and a cylindrical tube having a circular or polygonal cross section, and the cylindrical central axis coincides with the optical axis between the homogenizer and the phosphor. The light guide member 41 or the light guide member 42 is arranged so that the inner surface is formed by a reflection surface of total reflection. Therefore, the homogenizer device can irradiate parallel light onto a smaller area of the phosphor 4, and can be formed at a relatively low cost.
さらに、導光部材42は、出射口の面積が入射口の面積よりも小さい。したがって、ホモジナイザ装置は、蛍光体4のさらに小さい面積の範囲に平行光を照射することができ、比較的安価に形成することができる。 Furthermore, the light guide member 42 has an exit area smaller than an entrance area. Therefore, the homogenizer device can irradiate parallel light onto a smaller area of the phosphor 4 and can be formed at a relatively low cost.
さらに、照明装置10〜12は、前記ホモジナイザのうちのいずれか1つのホモジナイザと、光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する半導体レーザ1と、照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体4と、蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状のリフレクタ5とを含む。したがって、照明装置10〜12は、遠方まで概ね平行な光束で照射することができる Furthermore, the illumination devices 10 to 12 include any one of the homogenizers, the semiconductor laser 1 that emits laser light whose light intensity distribution is Gaussian distribution, and the wavelength of the irradiated laser light. A phosphor 4 that emits laser light converted to a different wavelength, and a parabolic reflector 5 that reflects the laser light emitted from the phosphor. Therefore, the illuminating devices 10 to 12 can irradiate with a substantially parallel light beam far away.
1 半導体レーザ
2 ハウジング
3,31,32 集光レンズ
4 蛍光体
5 リフレクタ
6 照射光
7 光束
10〜14 照明装置
11,13 NFP
12,14 強度イメージ
20 光軸
23 ガウス像面
24 最小錯乱円
33 集光プリズム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser 2 Housing 3, 31, 32 Condensing lens 4 Phosphor 5 Reflector 6 Irradiation light 7 Light flux 10-14 Illumination device 11, 13 NFP
12, 14 Intensity image 20 Optical axis 23 Gaussian image plane 24 Minimum circle of confusion 33 Condensing prism
Claims (11)
入射面が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The incident surface is formed of a convex spherical surface, the central portion of the output surface is formed of a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion is formed of a convex spherical surface, and the diameter of the central portion is previously set. A homogenizer comprising a condenser lens having a length within a predetermined range.
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面が凸状の球面で形成され、中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central portion of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion is formed by a convex spherical surface, the output surface is formed by a convex spherical surface, and the diameter of the central portion is previously set. A homogenizer comprising a condenser lens having a length within a predetermined range.
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、両中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central part of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral part connected to the central part of the incident surface is formed by a convex spherical surface, and the central part of the outgoing surface is a circular plane perpendicular to the optical axis. A homogenizer comprising: a condensing lens having a peripheral edge portion that is continuous with the central portion of the exit surface and is formed of a convex spherical surface, the diameter of both central portions being within a predetermined range.
入射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、入射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さであり、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central portion of the incident surface is formed by a circular plane perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central portion of the incident surface is formed by a convex spherical surface, and the central portion of the outgoing surface has a side surface perpendicular to the optical axis. It is formed in a cylindrical shape, the peripheral edge connected to the center of the exit surface is formed as a convex spherical surface, the diameter of the center of the entrance surface is a length within a predetermined range, the length of the side surface of the cylindrical shape and A homogenizer comprising a condensing lens having a width within a predetermined range.
入射面の中央部が光軸に垂直な側面を有するシリンドリカル形状に形成され、入射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、出射面の中央部が光軸に垂直な円形の平面で形成され、出射面の中央部に連なる周縁部が凸状の球面で形成され、シリンドリカル形状の側面の長さおよび横幅が予め定める範囲内の長さであり、出射面の中央部の直径が予め定める範囲内の長さである集光レンズを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A condensing lens that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
The central part of the incident surface is formed in a cylindrical shape having a side surface perpendicular to the optical axis, the peripheral edge connected to the central part of the incident surface is formed as a convex spherical surface, and the central part of the outgoing surface is a circle perpendicular to the optical axis. The peripheral edge connected to the central portion of the exit surface is formed of a convex spherical surface, the length and lateral width of the cylindrical side are within a predetermined range, and the length of the center portion of the exit surface is A homogenizer comprising a condenser lens having a diameter within a predetermined range.
入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が光軸に垂直な平面で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A light collecting prism that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
A homogenizer comprising a condensing prism having an entrance surface formed in a convex polygonal pyramid shape having four or more corners and an exit surface formed in a plane perpendicular to the optical axis.
入射面が光軸に垂直な平面で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A light collecting prism that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
A homogenizer comprising a condensing prism in which an incident surface is formed in a plane perpendicular to the optical axis and an output surface is formed in a convex polygonal pyramid shape with four or more corners.
入射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成され、出射面が凸状の4角以上の多角錐形状で形成される集光プリズムを含むことを特徴とするホモジナイザ。 A laser beam emitted from a light emitting element that emits a laser beam having a Gaussian light intensity distribution is converted onto a phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength. A light collecting prism that collects light so that the intensity distribution is substantially uniform at the center and substantially zero at the peripheral edge surrounding the center;
A homogenizer comprising a condensing prism having an incident surface formed in a convex polygonal pyramid shape with four or more corners and an output surface formed in a convex polygonal pyramid shape with four or more corners.
断面が円形または多角形の筒状で、該ホモジナイザと前記蛍光体との間に、筒状の中心軸が光軸に一致するように配置され、内面が全反射の反射面で形成される導光部材とを含むことを特徴とするホモジナイザ装置。 Any one of the homogenizers according to claims 1 to 8, and
A cylindrical shape having a circular or polygonal cross section is disposed between the homogenizer and the phosphor so that the central axis of the cylinder coincides with the optical axis, and the inner surface is formed by a reflection surface of total reflection. A homogenizer device comprising an optical member.
光の強度分布がガウシアン分布であるレーザ光を出射する発光素子と、
照射されたレーザ光の波長を該波長と異なる波長に変換したレーザ光を出射する蛍光体と、
蛍光体から出射されたレーザ光を反射するパラボラ形状の反射部とを含むことを特徴とする照明装置。 Any one of the homogenizers according to claims 1 to 8, and
A light emitting element that emits laser light having a Gaussian light intensity distribution;
A phosphor that emits a laser beam in which the wavelength of the irradiated laser beam is converted to a wavelength different from the wavelength;
And a parabolic reflector that reflects the laser light emitted from the phosphor.
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