JP2013149449A - 発光装置、照明装置および車両用前照灯 - Google Patents

発光装置、照明装置および車両用前照灯 Download PDF

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Abstract

【課題】励起光の熱による蛍光体の変換効率の低下を防止する。
【解決手段】ヘッドランプ１は、レーザ素子２から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部４を備え、発光部４に照射される励起光のエネルギー強度分布は、トップハット分布である。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光を蛍光体に照射することで発生する蛍光を利用する発光装置、照明装置および車両用前照灯に関するものである。
近年、励起光源として発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode）等の半導体発光素子を用い、これらの励起光源から生じた励起光を、蛍光体を含む発光部に照射することによって発生する蛍光を照明光として用いる発光装置の研究が盛んになってきている。
このような発光装置の一例として特許文献１に開示された車両用灯具がある。この車両用灯具では、ＬＥＤモジュールまたはＬＤモジュールを励起光源として利用し、直径が０．５ｍｍ以下程度の小さな点状の蛍光体に励起光を照射することで白色光を生成している。
特開２００４―２４１１４２号公報（２００４年８月２６日公開）
ところが、蛍光体の変換効率は、最大でも９０％程度であり、蛍光に変換されなかった励起光は熱となるため、励起密度が高まるにつれ、蛍光体の温度が上昇し、蛍光体の変換効率が低下する。
特に、ガウスビーム形状の励起光（例えば、レーザ光）で励起を行った場合、ビームのピーク（トップ）部分が照射される領域と、ビームの裾の部分が照射される領域とが生じ、ピーク部分が照射される領域における変換効率が低下し、トータルの変換効率が低下するという問題がある。
このような課題は、特許文献１の発明では解決できない。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、励起光の熱による蛍光体の変換効率の低下を防止することができる発光装置を提供することにある。
本発明の一実施形態に係る発光装置は、上記の課題を解決するために、励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部を備え、上記発光部に照射される励起光のエネルギー強度分布は、トップハット分布であることを特徴としている。
上記の構成によれば、発光部に照射される励起光のエネルギー強度分布がトップハット分布である。トップハット分布とは、エネルギー強度分布がほぼ平坦な分布である。そのため、発光部が局所的に高いエネルギー強度の励起光で励起されることを防止でき、局所的に高温になることにより温度消光してしまう可能性を低減できる。その結果、励起光の蛍光への変換効率を高めることができる。
また、励起されている部分と励起されていない部分とのコントラストを高めることができ、光学設計を容易にすることができる。
また、上記発光装置は、上記励起光のエネルギー強度分布をトップハット分布に変換する第１光学部材をさらに備えることが好ましい。
上記の構成により、励起光源から出射される励起光のエネルギー強度分布が、例えばガウス分布である場合に、第１光学部材により、当該エネルギー強度分布をトップハット分布に変換することができる。
また、上記第１光学部材と、上記発光部との間には、隙間があることが好ましい。
上記の構成により、第１光学部材から出射された励起光が、発光部に照射されたときに、励起光の入射側と同じ側に蛍光を出射させることが可能となり、後述する「反射型の発光部」を実現することが可能となる。
また、上記発光装置は、上記発光部から得られる蛍光を含む照明光を、所望の方向へ投光する投光部材をさらに備えることが好ましい。
また、上記投光部材は、リフレクタであってもよい。
上記の構成により、発光部から得られる蛍光を含む照明光を、所望の方向へ投光することができる。また、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する励起光で励起された発光部は、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する蛍光を発する。このような蛍光を投光部材により投光した場合、発光部が発する蛍光の光束のほぼ全てを利用することができるようになり、効率の高い投光システムを実現できる。
なお、ガウシアン分布の励起光で発光部を励起した場合には、励起光のうちの、ガウシアン分布の裾に相当する部分で励起された発光部の部分は、十分な光束の蛍光を発することができず、上記裾に相当する部分によって発生した蛍光は有効に利用されない迷光となる。
また、上記発光装置は、上記第１光学部材から出射された励起光を上記発光部に対して、当該励起光のスポットの大きさを制御して照射する第２光学部材をさらに備えることが好ましい。
上記の構成により、発光部に照射される励起光のスポットの大きさを制御することができ、照明光の照射範囲を変更することができる。
また、上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は多角形であることが好ましい。
上記の構成によれば、光学部材の出射面の形状が多角形（例えば、四角形）であるため、複数の光学部材または励起光のスポットを互いに隣接させて配置する場合に、光学部材間または励起光のスポット間の隙間を低減できる。
また、上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は、所望の配光パターンに対応するものであることが好ましい。
上記の構成によれば、当該出射面の形状を所望の配光パターンに対応するものにすることにより、照明光の配光パターンを所望のものにすることができる。
また、上記第１光学部材は、マルチモードファイバ、反射面である内面を有する中空部材、または光学ロッドを含むものであってもよい。
上記の構成により、励起光源から出射される励起光のエネルギー強度分布が、例えばガウス分布である場合に、第１光学部材により、当該エネルギー強度分布をトップハット分布に変換することができる。
また、上記第１光学部材は、第１および第２レンズを含み、上記第１レンズに関しては、上記励起光源と第２レンズとが共役関係にあり、上記第２レンズに関しては、上記第１レンズと上記発光部とが共役関係にあることが好ましい。
上記の構成により、発光部に照射される励起光のスポットの大きさを制御することが容易になる。
また、上記第１光学部材は、上記励起光を受光する入射面を有しており、当該入射面には、反射防止構造が設けられていることが好ましい。
上記の構成によれば、光学部材の入射面に反射防止構造（例えば、反射防止膜（ＡＲコート））が設けられているため、入射面における励起光の反射を防止できる。その結果、励起光を光学部材へ入射させるときの損失を低減できる。
また、上記発光部が発する蛍光の分布において最も強度が強い領域は、当該発光部が載置されている面を含む平面によって二分される空間のうち、上記励起光を受光する発光部の面が位置する空間に含まれていることが好ましい。
上記の構成によれば、励起光の入射側と同じ側に蛍光が出射される（本願ではこの構成を「反射型の発光部」と呼ぶ）。励起光が照射された発光部の面とは反対側に主に蛍光が出射される構成（本願ではこの構成を「透過型の発光部」と呼ぶ）では、励起光が発光部を透過する際にエネルギー強度分布が拡がるので、発熱も分散されるが、反射型の発光部ではそうではない。それゆえ、反射型の発光部において上記光学部材を用いることが特に有用である。
また、上記発光装置を含む車両用前照灯および上記発光装置を含む照明装置も本発明の技術的範囲に含まれる。
また、上記発光装置は、上記励起光のエネルギー強度分布をトップハット分布に変換する第１光学部材をさらに備え上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は、車両用前照灯におけるすれ違い灯の配光パターンに対応するものであることが好ましい。
上記の構成により、車両用前照灯の配光パターンを、法的に定められたすれ違い灯の配光パターンに適合させることができる。
本発明に係る発光装置は、以上のように、励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部を備え、上記発光部に照射される励起光のエネルギー強度分布は、トップハット分布である構成である。
それゆえ、発光部が局所的に高いエネルギー強度の励起光で励起されることがなく、局所的に高温になることにより温度消光してしまう可能性を低減することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るレーザ素子の構成を示す概略図である。 励起光の空間光強度分布のタイプを示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドランプの概略構成を示す断面図である。 発光部のレーザ光照射面におけるレーザ光スポットの形状の一例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、発光部のレーザ光照射面におけるレーザ光スポットの形状の別の例を示す図である。 本発明の別の実施形態に係るレーザ素子の構成を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るレーザ素子の構成を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るレーザ素子の構成を示す概略図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るレーザ素子の構成を示す概略図である。
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１〜図５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
＜本発明の技術的思想＞
まず、本発明の技術的思想について、図２を参照しつつ説明する。図２は、励起光の空間光強度分布のタイプを示す図である。
集光光学系において、集光スポットサイズは、励起光源の発散角と励起光光源のサイズとで決定される。そのため、集光光学系において、励起光光源のサイズは重要である。
半導体レーザを励起光源として用いる場合、半導体レーザから出射されたレーザ光の空間強度分布は、通常、ガウス分布をしている（図２において最も左側のビーム形状）。ガウス分布では、ビームのピーク（トップ）部分が照射される領域と、ビームの裾の部分が照射される領域とでエネルギー強度が異なる。
これに対して、別の空間強度分布としてトップハット分布がある（図２において中央のビーム形状）。トップハット分布とは、励起光が照射された面における当該励起光のエネルギー強度分布がほぼ平坦な分布である。
同じ光量、かつ同じビーム幅の場合に、ガウス分布では、励起光のピーク部分が照射される領域における光強度が、トップハット分布における光強度に対して５倍も高くなることがある。
蛍光に変換されなかった励起光は熱となるため、励起密度が高まるにつれ、蛍光体の温度が上昇する。蛍光体の温度が上昇すれば、温度消光することにより蛍光体の変換効率が低下する。それゆえ、ガウス分布の励起光を照射した場合に、ピーク部分が照射された領域における変換効率が低下し、トータルの変換効率が低下する可能性がある。その結果、トップハット分布の励起光を照射した場合よりも、得られる蛍光の全光束が低下する（暗くなる）可能性がある。
この問題を解決するために、本発明では、蛍光体を含む発光部に照射する励起光をトップハット形状のビームとすることにより、励起光の熱により蛍光体の変換効率が低下することを防止する。
また、ガウスビーム形状では、裾を引いているため、励起されている部分と励起されていない部分との間のコントラストが悪く、光学設計が難しく、裾の部分は光学的に利用できないという問題がある。
この問題も、トップハット分布の励起光を照射することにより解決することができる。
なお、ガウス分布型のピーク強度をトップハット分布型と同じにし、同じビーム幅で比較した場合（図２において最も右側のビーム形状）、その放射光束は、６０％に低下してしまう。また、この場合、必要な光源サイズよりも大きい部分から出射される励起光は、集光光学系の中では迷光となり、意図しない結像をしてしまう。そのため、迷光を遮断するためのスリットなど余分な光学部品が必要となる。それゆえ、トップハット分布の励起光を照射することが好ましい。
＜ヘッドランプ１の構成＞
ここでは、本発明の発光装置または照明装置として、自動車用の走行用前照灯（ハイビーム）の配光特性基準を満たすヘッドランプ（車両用前照灯）１を例に挙げて説明する。ただし、本発明の照明装置は、すれ違い用前照灯（ロービーム）であってもよく、自動車以外の車両・移動物体（例えば、人間・船舶・航空機・潜水艇・ロケットなど）のヘッドランプとして実現されてもよいし、その他の照明装置として実現されてもよい。その他の照明装置として、例えば、サーチライト、プロジェクター、家庭用照明器具、商業用照明装置、屋外照明装置を挙げることができる。
図３は、本発明の一実施形態に係るヘッドランプ（車両用前照灯）１の概略構成を示す断面図である。図３に示すように、ヘッドランプ１は、レーザ素子（励起光源）２、レンズ（第２光学部材）３、発光部４、パラボラミラー（投光部材、リフレクタ）５、金属ベース７、フィン８を備えている。
ヘッドランプ１は、発光部４にレーザ素子２からの励起光を照射することで蛍光を発生させ、その蛍光を照明光として利用するものである。このヘッドランプ１において、発光部４に照射される励起光のエネルギー強度分布は、トップハット分布となっている。
（レーザ素子２）
レーザ素子２は、励起光を出射する励起光源として機能する発光素子であり、例えば、半導体レーザである。厳密に解釈すれば、レーザ素子２が備えるレーザチップ２１（図１参照）が励起光源であるともいえる。このレーザ素子２は、レーザ光のエネルギー強度分布を内部での多重反射によりトップハット分布に変換する光学ロッド２３（第１光学部材）を備えている。レーザ素子２の構成の詳細については後述する。
レーザ素子２は、複数設けられていてもよい。この場合、複数のレーザ素子２のそれぞれから励起光としてのレーザ光が発振される。レーザ素子２を１つのみ用いてもよいが、高出力のレーザ光を得るためには、複数のレーザ素子２を用いる方が容易である。
また、レーザ素子２は、１チップに１つの発光点を有するものであってもよく、１チップに複数の発光点を有するものであってもよい。レーザ素子２のレーザ光の波長は、例えば、４０５ｎｍ（青紫色）または４５０ｎｍ（青色）であるが、これらに限定されず、発光部４に含める蛍光体の種類に応じて適宜選択されればよい。
ヘッドランプ１の励起光源として、ＬＥＤを用いてもよい。ただし、半導体レーザの方がＬＥＤよりも光学ロッド２３に対するカップリング効率が良いため、半導体レーザを励起光源として用いる方が好ましい。
（レンズ３）
レンズ３は、レーザ素子２の光学ロッド２３から出射されたレーザ光を発光部４に対して照射する第２光学部材であり、当該レーザ光のスポットの大きさを制御して発光部４に照射する。
レンズ３を設けることにより、光学ロッド２３の出射面２３ｂと、発光部４に照射される励起光のスポットとを光学的共役関係にすることができ、発光部４に照射される励起光のスポットの大きさを制御することが容易になる。
レンズ３の曲面の設計を変更するか、レンズ３と発光部４との間の距離を変更することにより、発光部４のレーザ光照射面４ａにおけるレーザ光スポットの大きさを変更することができる。
このレンズ３は、例えば、凸レンズである。レンズ３は、レーザ素子２のそれぞれに対して配設されており、光学ロッド２３の出射面２３ｂがレンズ３の一方の焦点位置に位置するように、レンズ３とレーザ素子２との位置関係が規定されている。レンズ３の他方の焦点位置には、発光部４のレーザ光照射面４ａが位置するように、レンズ３と発光部４との位置関係が規定されている。
後述するように、光学ロッド２３から出射されるレーザ光は、トップハット形状の空間光強度分布を有するものであり、レンズ３は、当該レーザ光を発光部４に照射する。
ヘッドランプ１が備える第２光学部材として、レンズ３に代えて凹面鏡などを用いてもよく、第２光学部材は、レーザ光のスポットの大きさを制御できるものであれば、特に限定されない。
（発光部４）
発光部４は、レーザ素子２から出射されたレーザ光を受けて蛍光を発するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体（蛍光物質）を含んでいる。具体的には、発光部４は、封止材の内部に蛍光体が分散されているもの、または蛍光体を固めたものである。発光部４は、レーザ光を蛍光に変換するため、波長変換素子であると言える。
この発光部４は、金属ベース７の上かつパラボラミラー５のほぼ焦点位置に配置されている。そのため、発光部４から出射した蛍光は、パラボラミラー５の反射曲面に反射することで、その光路が制御される。発光部４のレーザ光照射面４ａにレーザ光の反射を防止する反射防止構造が形成されていてもよい。
発光部４の蛍光体として、例えば、酸窒化物蛍光体（例えば、サイアロン蛍光体）、窒化物蛍光体（例えば、ＣＡＳＮ（ＣａＡｌＳｉＮ３）蛍光体）またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ナノ粒子蛍光体（例えば、インジュウムリン：ＩｎＰ）を用いることができる。ただし、発光部４の蛍光体は、上述のものに限定されず、その他の蛍光体であってもよい。
また、ヘッドランプの照明光は、所定の範囲の色度を有する白色にしなければならないことが、法規により規定されている。そのため、発光部４には、照明光が所定の白色となるように選択された蛍光体が含まれている。
例えば、青色、緑色および赤色の蛍光体を発光部４に含め、４０５ｎｍのレーザ光を照射すると白色光が発生する。または、黄色の蛍光体（または緑色および赤色の蛍光体）を発光部４に含め、４５０ｎｍ（青色）のレーザ光（または、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する、いわゆる青色近傍のレーザ光）を照射することでも白色光が得られる。
発光部４の封止材は、例えば、ガラス材（無機ガラス、有機無機ハイブリッドガラス）、シリコーン樹脂等の樹脂材料である。ガラス材として低融点ガラスを用いてもよい。封止材は、透明性の高いものが好ましく、レーザ光が高出力の場合には、耐熱性の高いものが好ましい。
（パラボラミラー５）
パラボラミラー５は、発光部４が発生させた蛍光を反射し、所定の立体角内を進む光線束（照明光）を形成する投光部材の一例である。このパラボラミラー５は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された部材であってもよいし、金属製の部材であってもよい。
パラボラミラー５は、放物線の対称軸を回転軸として当該放物線を回転させることによって形成される曲面（放物曲面）を、上記回転軸を含む平面で切断することによって得られる部分曲面の少なくとも一部をその反射面に含んでいる。
また、レーザ素子２は、パラボラミラー５の外部に配置されており、パラボラミラー５には、レーザ光を透過または通過させる窓部６が形成されている。この窓部６は、開口部であってもよいし、レーザ光を透過可能な透明部材を含むものであってもよい。例えば、レーザ光を透過し、白色光（発光部４の蛍光）を反射するフィルターを設けた透明板を窓部６として設けてもよい。この構成では、発光部４の蛍光が窓部６から漏れることを防止できる。
窓部６は、複数のレーザ素子２に共通のものが１つ設けられていてもよいし、各レーザ素子２に対応した複数の窓部６が設けられていてもよい。
なお、パラボラミラー５の一部にパラボラではない部分を含めてもよい。また、本発明の発光装置が有する反射鏡（リフレクタ）は、閉じた円形の開口部を有するパラボラミラーまたはその一部を含むものであってもよい。また、上記反射鏡は、パラボラミラーに限定されず、楕円面ミラーや自由曲面ミラー、マルチミラーであってもよい。
また、発光部４から得られる蛍光を含む照明光を、所望の方向へ投光する投光部材として、レンズを用いてもよい。このレンズは、蛍光を透過して屈折させることで、蛍光を所定の投光方向に向けて投光する光学系である。
トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザ光で励起された発光４部は、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する蛍光を発する。このような蛍光を上述の投光部材（例えば、パラボラミラー５）により投光した場合、発光部４が発する蛍光の光束のほぼ全てを利用することができるようになり、効率の高い投光システムを実現できる。
（金属ベース７）
金属ベース７は、発光部４を支持する板状の支持部材であり、金属（例えば、アルミニウムや銅）からなっている。それゆえ、金属ベース７は熱伝導性が高く、発光部４の発熱を効率的に放熱することができる。
なお、発光部４を支持する部材は、金属からなるものに限定されず、金属以外の熱伝導性が高い物質（炭化珪素や窒化アルミニウムなど）を含む部材でもよい。ただし、発光部４と当接する金属ベース７の表面は反射面として機能することが好ましい。上記表面が反射面であることにより、発光部４のレーザ光照射面４ａから入射したレーザ光が蛍光に変換された後に、発生した蛍光を当該反射面で反射させてパラボラミラー５へ向かわせることができる。または、発光部４のレーザ光照射面４ａから入射したレーザ光を上記反射面で反射させて、再度発光部４の内部に向かわせて蛍光に変換することができる。
（フィン８）
フィン８は、金属ベース７を冷却する冷却部（放熱機構）として機能する。このフィン８は、複数の放熱板を有するものであり、大気との接触面積を増加させることにより放熱効率を高めている。金属ベース７を冷却する冷却部は、冷却（放熱）機能を有するものであればく、ヒートパイプ、水冷方式や、空冷方式のものであってもよい。
＜レーザ素子２の詳細＞
図１は、本実施形態に係るレーザ素子２の構成を示す概略図である。図１に示すように、レーザ素子２は、レーザチップ（励起光源）２１、サブマウント２２、光学ロッド２３、ＡＲ（Anti Reflection）コート膜２４、キャップ２５、ステム２６およびリード端子２７を備えている。
（レーザチップ２１等）
レーザチップ２１は、励起光としてのレーザ光を出射するチップ形状の半導体レーザ素子である。レーザチップ２１の構成（例えば、半導体層の材質）は特に限定されない。レーザチップ２１はサブマウント２２に固定されており、サブマウント２２はステム２６に固定されている。
サブマウント２２は、レーザチップ２１の駆動に伴い生じる熱を排熱するためのヒートシンクとして機能する。したがって、熱伝導率の高い材料である窒化アルミニウムおよびＳｉＣを用いることができる。
ステム２６を構成する材料としては、金めっきした鉄、または金めっきした銅などを用いることができる。レーザチップ２１において生じる熱を排熱する観点からは、ステム２６も熱伝導率の高い金属で構成されていることが好ましい。
レーザチップ２１には、金細線（図示せず）を介してリード端子２７が接続されており、これらの配線を介して外部の電源から電力が供給される。
（光学ロッド２３）
光学ロッド２３は、レーザチップ２１から出射されたレーザ光のエネルギー強度分布をトップハット分布に変換する光学部材（第１光学部材）である。この光学ロッド２３は、レーザ光を受光する入射面２３ａおよびレーザ光を出射する出射面２３ｂを備えている。入射面２３ａは、光学ロッド２３の一方の端部に形成されており、出射面２３ｂは、光学ロッド２３の他方の端部に形成されている。
入射面２３ａは、レーザチップ２１の発光点の近傍に配置され、発光点から出射されたレーザ光が入射面２３ａから光学ロッド２３の内部へ入射する。
発光点から出射されたレーザ光は、ガウス分布形状の空間光強度分布の光であるが、光学ロッド２３の内部を透過する間に複数回の反射が生じることによりトップハット形状の空間光強度分布の光に変換される。
出射面２３ｂが形成された出射端部は、キャップ２５を貫通してレーザ素子２の外部に延出しており、出射面２３ｂは、レンズ３の一方の焦点位置に配置されている。それゆえ、出射面２３ｂから出射したレーザ光は、レンズ３によって効率良く発光部４のレーザ光照射面４ａに照射される。
また、入射面２３ａには、反射防止膜であるＡＲコート膜（反射防止構造）２４が配されている。そのため、入射面２３ａにおいてレーザ光が反射することを防止でき、レーザ光が光学ロッド２３の内部へ入射するときの損失を低減できる。ＡＲコート膜２４を出射面２３ｂに設けてもよい。また、ＡＲコート膜２４は、反射防止構造の一例であり、モスアイ構造等を含む他の反射防止構造を入射面２３ａに設けてもよい。
なお、出射面２３ｂが形成された出射端部をレーザ素子２の外部に延出させる必要は必ずしもなく、出射面２３ｂをキャップ２５の内部に収納し、出射面２３ｂから出射するレーザ光を透過するキャップガラス（窓部）をキャップ２５に設けてもよい。出射面２３ｂが形成された出射端部をレーザ素子２の外部に延出させるかどうかは、レーザ光をトップハット形状の空間光強度分布の光に変換するために必要となる光学ロッド２３の長さに依存する。
図１に示す例では、光学ロッド２３の長さは２０ｍｍであり、ロッド径は０．４ｍｍである。ただし、光学ロッド２３の大きさはこれに限定されない。
図４は、発光部４のレーザ光照射面４ａにおけるレーザ光スポット４１の形状の一例を示す図である。光学ロッド２３は、例えば、四角柱であり、出射面２３ｂは四角（例えば、長方形や正方形）である。レーザ光スポット４１の形状は、出射面２３ｂの形状を反映したものとなる。それゆえ、出射面２３ｂの形状を変更することにより、レーザ光スポット４１の形状を所望の形状にすることができる。
光学ロッド２３の出射面２３ｂの形状を多角形にすることにより、複数の光学ロッド２３またはレーザ光スポット４１を互いに隣接させて配置する場合に、光学ロッド２３の間またはレーザ光スポットの間の隙間を低減できる。その結果、レーザ光の照射密度を高め、効率的な照射を行うことができる。
図５（ａ）および（ｂ）は、発光部４のレーザ光照射面４ａにおけるレーザ光スポット４１の形状の別の例を示す図である。図５（ａ）に示すように、レーザ光スポット４１がより複雑な多角形となるように出射面２３ｂの形状が規定されていてもよい。また、図５（ｂ）に示すように、レーザ光スポット４１は、湾曲部と角部とを含む形状であってもよい。
ヘッドランプ１から出射される照明光は、発光部４におけるレーザ光スポット４１の形状に対応した形状の照明光スポットを形成する。
図５（ａ）および（ｂ）に示すレーザ光スポット４１は、すれ違い用前照灯（ロービーム）の配光特性に対応した形状である。レーザ光スポット４１の形状（換言すれば、出射面２３ｂの形状）をこのような形状にすることにより、すれ違い用前照灯（ロービーム）の配光特性に対応した配光パターンを実現できる。
すなわち、光学ロッド２３は、レーザ光を出射する出射面２３ｂを有しており、出射面２３ｂの形状は、所望の配光パターンに対応するものである。この技術的思想は、後述する第１光学部材２９、マルチモードファイバ３１に適用することもできる。
従来、特定の配光パターンを実現するために、マスク（遮光板）またはミラーカットによって照明光の一部を遮っていたが、この構成では、照明光のロスが生じる。出射面２３ｂの形状を所望の配光特性に対応した形状にすることで、照明光のロスを生じさせることなく所望の配光特性を実現することができる。
（キャップ２５）
キャップ２５は、レーザチップ２１等の部材を封入または封止するための部材である。特に、キャップ２５によって、レーザチップ２１と光学ロッド２３との相対位置が固定される。キャップ２５の内側は空洞になっていてもよく、樹脂または低融点ガラス等の物質によって充填されていてもよい。また、キャップ２５の全体を低融点ガラスで形成してもよい。
＜ヘッドランプ１の効果＞
ヘッドランプ１では、レーザチップ２１から出射されたレーザ光の空間エネルギー強度分布をトップハット形状に変換する光学ロッド２３がレーザ素子２に設けられている。そして、トップハット形状のレーザ光がレンズ３を介して発光部４のレーザ光照射面４ａに照射される。
それゆえ、レーザ光がレーザ光照射面４ａにほぼ均一な光強度で照射される。その結果、レーザ光によりレーザ光照射面４ａの一部の温度が局所的に上昇することによって当該箇所において蛍光体の変換効率が低下することを防止することができる。
また、ガウス分布形状の空間光強度分布では、レーザ光照射面４ａにおいてレーザ光の照射強度が高い領域から低い領域まで照射範囲が連続的に広がるため、レーザ光により励起されている部分と励起されていない部分とのコントラストが低くなる。これに対して、トップハット形状の空間光強度分布のレーザ光を発光部４のレーザ光照射面４ａに照射することにより、レーザ光により励起されている部分と励起されていない部分とのコントラストを高めることができ、ヘッドランプ１の光学設計を容易にすることができ、かつ光束の有効利用が行える。
また、発光部４に対するレーザ光の照射方向と、発光部４から出射される蛍光の出射方向との関係から、発光部は２つのタイプに分けることができる。
レーザ素子２から出射されたレーザ光が発光部４のレーザ光照射面４ａに照射され、蛍光がレーザ光照射面４ａとは反対側に主に出射されるタイプの発光部を本願では「透過型の発光部」と称することにする。透過型の発光部を備えた構成では、例えば、開口部を有する基板上に発光部４が配置され、発光部４に照射されたレーザ光が蛍光に変換された後、レーザ素子２が位置する側とは反対側に主にその蛍光が出射される。
透過型の発光部では、発光部４の内部において、レーザ光が散乱されて空間光強度分布が拡大される。そのため、トップハット形状の空間光強度分布を実現するための光学部材を設ける必要が必ずしもない場合がある。ただし、この場合にも、ガウス分布形状の空間光強度分布が保たれており、トップハット形状の空間光強度分布が実現されているわけではない。
一方、レーザ素子２から出射されたレーザ光が発光部４に照射され、レーザ素子２が位置する側に主に蛍光が出射されるタイプの発光部を、本願では反射型の発光部と称することにする。図３に示す反射型の発光部４では、発光部４が発する蛍光の分布において最も強度が強い領域は、発光部４が載置されている面（金属ベース７の表面）を含む平面によって二分される空間のうち、レーザ光を受光する発光部４のレーザ光照射面４ａが位置する空間に含まれている。第１光学部材である光学ロッド２３と発光部４との間に隙間を形成することにより、反射型の発光部を実現することができる。
なお、反射型の発光部においては、レーザ光の一部が発光部４を透過する場合も想定されるが、この場合においても、蛍光が、レーザ素子２が位置する側に主に出射される場合を反射型の発光部と称することにする。
上述のように、透過型の発光部では、レーザ光が散乱されることにより空間光強度分布が拡大される場合が想定される。そのため、本発明の発光装置は、反射型の発光部を有する発光装置として実現されることで、その技術的意義が高まると考えられる。ただし、透過型の発光部を有する発光装置において、トップハット形状の空間光強度分布を実現することを目的として、本発明を適用してもよい。
また、透過型の発光部では、レーザ光が発光部４を透過する間に、当該レーザ光が拡散するため、所望の形状のレーザ光スポット４１を形成することが困難な場合がある。それゆえ、出射面２３ｂの形状を所望の配光特性に対応した形状にする場合には、透過型よりも反射型の発光部を有する発光装置として本発明を実現することが好ましい。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態１と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、ヘッドランプ１は、レーザ素子２の代わりにレーザ素子２０を備えている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
＜レーザ素子２０の構成＞
図６は、ヘッドランプ１に適用可能な別のレーザ素子２０の構成を示す概略図である。レーザ素子２０では、光学ロッド２３の側面にアルミニウムコート２８が施されている。
それゆえ、光学ロッド２３の内部をレーザ光が透過する間に、光学ロッド２３の側面からレーザ光が漏れ出ることを防止できる。
なお、光学ロッド２３の側面に施す膜は、アルミニウムコートに限定されず、その他の反射率の高い材質からなる反射膜であってもよい。
〔実施の形態３〕
本発明の他の実施形態について図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態１および２と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、ヘッドランプ１は、レーザ素子２の代わりにレーザ素子４０を備えている。その他の構成は、実施の形態１および２と同様である。
＜レーザ素子４０の構成＞
図７は、ヘッドランプ１に適用可能な別のレーザ素子４０の構成を示す概略図である。レーザ素子４０は、光学ロッド２３に代えて第１光学部材２９を備えている。本実施形態における第１光学部材２９は、反射面である内面２９ｃを複数有する中空部材である。
本実施形態における第１光学部材２９の材質および構造は特に限定されないが、例えば、複数の鏡面によって中空の角柱（例えば、四角柱）を形成したものである。
この第１光学部材２９の長さは、例えば、２０ｍｍであり、出射端部２９ｂの一辺は、例えば、０．４ｍｍであるが、第１光学部材２９の長さおよび断面の大きさは、これに限定されない。
第１光学部材２９の一方の端部である入射端部２９ａからレーザ光が入射する。入射したレーザ光は、第１光学部材２９の内面２９ｃに反射しつつ前進し、他方の端部である出射端部２９ｂから出射する。
出射端部２９ｂから出射したレーザ光は、レンズ３によって制御される。レンズ３を設けることにより、第１光学部材２９の出射端部２９ｂと、発光部４に照射される励起光のスポットとが光学的共役関係になっており、出射端部２９ｂから出射したレーザ光は、レンズ３によって効率良く発光部４のレーザ光照射面４ａに照射される。また、レンズ３を設けることにより、発光部４に照射される励起光のスポットの大きさを制御することが容易になる。
レーザチップ２１の発光点から出射されたレーザ光は、ガウス分布形状の空間光強度分布の光であるが、第１光学部材２９の内部において反射を繰り返すことによりトップハット形状の空間光強度分布の光に変換される。
出射端部２９ｂは、キャップ２５の内側に位置しており、出射端部２９ｂから出射したレーザ光は、キャップ２５に設けられたキャップガラス３０を透過してレーザ素子２の外部へ出射する。
出射端部２９ｂとキャップガラス３０との間には、ＡＲコート膜２４ａが配されている。ＡＲコート膜２４ａを設けることにより、キャップガラス３０の表面においてレーザ光が第１光学部材２９の内部へ反射することによって出射効率が低下することを防止できる。
＜レーザ素子４０の効果＞
レーザ素子４０では、レーザチップ２１から出射されるレーザ光を、第１光学部材２９に通すことにより、当該レーザ光の空間光強度分布をトップハット形状の分布に変換することができる。
その結果、レーザ光をレーザ光照射面４ａにほぼ均一な光強度で照射することができ、蛍光体の変換効率がレーザ光の熱により低下することを防止することができる。
また、第１光学部材２９からレーザ光をほとんど漏らすことなく当該レーザ光を伝達することができるため、エネルギー効率を高めることができる。
また、第１光学部材２９とレーザとの光学的な結合のトレランスが非常に大きいため、厳密なアライメントが必要なく、また振動にも強いというメリットがある。
〔実施の形態４〕
本発明の他の実施形態について図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態１〜３と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、ヘッドランプ１は、レーザ素子２の代わりにレーザ素子５０を備えている。その他の構成は、実施の形態１〜３と同様である。
＜レーザ素子５０の構成＞
図８は、ヘッドランプ１に適用可能な別のレーザ素子５０の構成を示す概略図である。レーザ素子５０は、光学ロッド２３に代えてマルチモードファイバ（第１光学部材）３１を備えている。マルチモードファイバ３１は、光ファイバ中を伝搬する光のモードが複数ある光ファイバであり、中芯のコアを、当該コアよりも屈折率の低いクラッドで覆った２層構造をしている。コアは、例えば、レーザ光の吸収損失がほとんどない石英ガラス（酸化ケイ素）を主成分とするものであり、クラッドは、例えば、コアよりも屈折率の低い石英ガラスまたは合成樹脂材料を主成分とするものである。
マルチモードファイバ３１の長さは、例えば、２０ｍｍであり、その口径は、例えば、０．４ｍｍであるが、マルチモードファイバ３１の長さおよび太さは、これに限定されない。
マルチモードファイバ３１の一方の端部に位置する入射面３１ａからレーザ光が入射し、入射したレーザ光は、マルチモードファイバ３１のコアの内部で反射しつつ前進し、他方の端部に位置する出射面３１ｂから出射する。
出射面３１ｂから出射したレーザ光は、レンズ３によって制御される。レンズ３を設けることにより、マルチモードファイバ３１の出射面３１ｂと、発光部４に照射される励起光のスポットとを光学的共役関係にすることができ、出射面３１ｂから出射したレーザ光を効率良く発光部４のレーザ光照射面４ａに照射することができる。また、レンズ３を設けることにより、発光部４に照射される励起光のスポットの大きさを制御することが容易になる。
レーザチップ２１の発光点から出射されたレーザ光は、ガウス分布形状の空間光強度分布の光であるが、マルチモードファイバ３１のコアの内部において反射を繰り返すことによりトップハット形状の空間光強度分布の光に変換される。
なお、レーザ素子２と同様に、マルチモードファイバ３１の入射面３１ａにＡＲコート膜２４を設けてもよい。
＜レーザ素子５０の効果＞
レーザ素子５０では、レーザチップ２１から出射されるレーザ光を、マルチモードファイバ３１に通すことにより、当該レーザ光の空間光強度分布をトップハット形状の分布に変換することができる。
その結果、レーザ光をレーザ光照射面４ａにほぼ均一な光強度で照射することができ、蛍光体の変換効率がレーザ光の熱により低下することを防止することができる。
また、マルチモードファイバ３１を用いる場合には、光学ロッド２３や第１光学部材２９を用いる場合（通常１０〜２０ｍｍ程度が選ばれる）に比べて、長い光学部材（例えば、１〜５ｍ）を形成することが容易である。長い光学部材の場合、その内部でのレーザ光の反射回数が増えるため、強度分布が均一化され、より均一な分布のトップハット型の空間光強度分布を実現することができる。また、レーザ素子の配置の自由度を高めることができるという利点もある。
〔実施の形態５〕
本発明の他の実施形態について図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態１〜４と同様の部材に関しては、同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態では、ヘッドランプ１は、レーザ素子２の代わりにレーザ素子６０を備えている。その他の構成は、実施の形態１〜４と同様である。
＜レーザ素子６０の構成＞
図９は、ヘッドランプ１に適用可能な別のレーザ素子６０の構成を示す概略図である。レーザ素子６０は、光学ロッド２３に代えて第１レンズ（第１光学部材）３２および第２レンズ（第１光学部材）３３を備えている。
第１レンズ３２は、レーザチップ２１から出射されたレーザ光を第２レンズ３３の主点へ集光し、第２レンズ３３は、第１レンズ３２によって集光されたレーザ光を発光部４のレーザ光照射面４ａへ照射する。つまり、第１レンズ３２に関しては、レーザチップ２１の出射端面と第２レンズ３３とが共役関係にあり、第２レンズに関しては、第１レンズ３２と発光部４とが共役関係にあるような光学的配置とする。
第１レンズ３２は、低融点ガラスからなる固定部３４によってキャップ２５に固定されており、第２レンズ３３は、低融点ガラスからなる固定部３５によってキャップ２５に固定されている。ただし、第１レンズ３２および第２レンズ３３の固定方法は、この方法に限定されず、どのようなものであってもよい。
第１レンズ３２および第２レンズ３３は、凸レンズの組であってよい。
レーザ素子６０に封止されるレンズの数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
また、第２レンズ３３は、レーザ素子６０の外部にあってもよい。すなわち、第１光学部材を構成する複数のレンズの一部は、レーザ素子６０の内部に配置され、残りのレンズはレーザ素子６０の外部に配置されてもよい。
第１レンズ３２および第２レンズ３３を設ける構成では、レンズ３を設ける必要は必ずしもない。レンズ３を設けるかどうかは、第１レンズ３２および第２レンズ３３のレンズ特性および配置に基づいて決めればよい。
また、第２レンズ３３は、第１レンズ３２と同じ大きさであってもよく、第１レンズ３２よりも大きくてもよい。
＜レーザ素子６０の効果＞
レーザ素子６０では、レーザチップ２１から出射されるレーザ光の空間光強度分布を、第１レンズ３２および第２レンズ３３によって、トップハット形状の分布に変換することができる。
その結果、レーザ光をレーザ光照射面４ａにほぼ均一な光強度で照射することができ、蛍光体の変換効率がレーザ光の熱により低下することを防止することができる。また、第１光学部材として、第１レンズ３２および第２レンズ３３を用いることにより、光学ロッド２３等を用いる場合よりも安価にレーザ素子およびヘッドランプ１を実現できる。
（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、フライアイレンズを用いてトップハット型のレーザ光の分布を作ってもよい。フライアイレンズとは、複数のレンズ（両凸レンズまたは半凸レンズ）がマトリクス状に配置されているレンズである。
本発明は、発光装置や照明装置、特に車両用等のヘッドランプに適用することができる。
１ ヘッドランプ
２ レーザ素子（励起光源）
３ レンズ（第２光学部材）
４ 発光部
２０ レーザ素子（励起光源）
２１ レーザチップ（励起光源）
２３ 光学ロッド（第１光学部材）
２３ａ 入射面
２３ｂ 出射面
２４ ＡＲコート膜（反射防止構造）
２９ 第１光学部材
２９ａ 入射端部
２９ｂ 出射端部
２９ｃ 内面
２４ａ ＡＲコート膜（反射防止膜）
３１ マルチモードファイバ（第１光学部材）
３１ａ 入射面
３１ｂ 出射面
３２ 第１レンズ（第１光学部材）
３３ 第２レンズ（第１光学部材）
４０ レーザ素子（励起光源）
４１ レーザ光スポット
５０ レーザ素子（励起光源）
６０ レーザ素子（励起光源）

Claims (15)

  1. 励起光源から出射された励起光を受けて蛍光を発する発光部を備え、
    上記発光部に照射される励起光のエネルギー強度分布は、トップハット分布であることを特徴とする発光装置。
  2. 上記励起光のエネルギー強度分布をトップハット分布に変換する第１光学部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 上記第１光学部材と、上記発光部との間には、隙間があることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  4. 上記発光部から得られる蛍光を含む照明光を、所望の方向へ投光する投光部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
  5. 上記投光部材は、リフレクタであることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
  6. 上記第１光学部材から出射された励起光を上記発光部に対して、当該励起光のスポットの大きさを制御して照射する第２光学部材をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
  7. 上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は多角形であることを特徴とする請求項２、３または６に記載の発光装置。
  8. 上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は、所望の配光パターンに対応するものであることを特徴とする請求項２、３、６、７のいずれか１項に記載の発光装置。
  9. 上記第１光学部材は、マルチモードファイバ、反射面である内面を有する中空部材、または光学ロッドを含むことを特徴とする請求項２、３、６〜８のいずれか１項に記載の発光装置。
  10. 上記第１光学部材は、第１および第２レンズを含み、
    上記第１レンズに関しては、上記励起光源と第２レンズとが共役関係にあり、
    上記第２レンズに関しては、上記第１レンズと上記発光部とが共役関係にあることを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
  11. 上記第１光学部材は、上記励起光を受光する入射面を有しており、当該入射面には、反射防止構造が設けられていることを特徴とする請求項２、３、６〜９のいずれか１項に記載の発光装置。
  12. 上記発光部が発する蛍光の分布において最も強度が強い領域は、当該発光部が載置されている面を含む平面によって二分される空間のうち、上記励起光を受光する発光部の面が位置する空間に含まれていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発光装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光装置を含むことを特徴とする車両用前照灯。
  14. 上記発光装置は、上記励起光のエネルギー強度分布をトップハット分布に変換する第１光学部材をさらに備え
    上記第１光学部材は、励起光を出射する出射面を有しており、当該出射面の形状は、車両用前照灯におけるすれ違い灯の配光パターンに対応するものであることを特徴とする請求項１３に記載の車両用前照灯。
  15. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光装置を含むことを特徴とする照明装置。
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