JP2013218847A - 発光装置および車両用前照灯 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光装置1は、複数のレーザ素子2と、レーザ光を受けて発光する発光部3と、複数のレーザ素子2について、レーザ光の出射および非出射を制御する出射制御部4とを備える。複数のレーザ素子2の少なくとも一部は、発光部3における照射領域のそれぞれについて、その少なくとも一部が互いに異なる位置となるように配されている。
【選択図】図1
Description
まず、発光装置1の動作の概略を図2等により説明したうえで、ヘッドランプの具体的な構成を説明する。本実施形態に係る発光装置1は、複数のレーザ素子2、発光部3および出射制御部4(出射制御手段)(図1参照)にて、その基本構造が形成されており、後述するヘッドランプ100〜500に備えられる。
次に、本実施形態に係るヘッドランプ100(発光装置、車両用前照灯)の概略的な構造の一例について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るヘッドランプ100の一例を示す概略図である。
レーザ素子2は、レーザ光を出射する励起光源として機能する発光素子である。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。
放熱ベース7は、パラボラミラー5の外部において、複数のレーザ素子2を支持する支持部材であり、金属(例えば、アルミニウムや銅)からなる。このため、放熱ベース7は熱伝導性が高く、放熱ベース7上に配置されたレーザ素子2において発生した熱を、効率的に放熱することができる。
フィン8は、放熱ベース7に設けられており、レーザ素子2から放熱ベース7に伝わった熱を冷却する冷却部(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。
立上ミラー6は、複数のレーザ素子2と発光部3との間に配置され、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光のそれぞれの、発光部3への導光を制御するものである。換言すれば、立上ミラー6は、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光のそれぞれを反射することにより、その導光を制御するものである。
本実施の形態では、立上ミラー6は、レーザ素子2の発光点を略焦点位置とした軸外しパラボラミラーであり、レーザ素子2より出射されたレーザ光をコリメート光とし、且つ、その光路を制御している。なお、立上ミラー6は、レーザ素子2(レーザチップ)の非点隔差を補正し、コリメート光とするような非球面ミラーを用いると更によい。その場合、さらにコリメート性を向上させることができる。また、これに限らず、その他の放物ミラーなどで実現されていてもよい。
上述したように、本実施の形態の立上ミラー6は、発散光(レーザ素子2から出射されたレーザ光)をコリメート光としている。また、立上ミラー6を用いることにより、パラボラミラー5の窓部を小さくすることができる。
立上ミラー6は、機材であるAlNセラミックに、反射膜であるAlおよび酸化防止膜としての酸化アルミをコートしたものであるが、本構成に限定されるものではない。
すなわち、複数のレーザ素子2の少なくとも一部が、複数のレーザ素子2から出射されるレーザ光が形成する、発光部3における照射領域のそれぞれについて、その少なくとも一部が互いに異なる位置となるように配されていればよい。
発光部3は、レーザ素子2から発振されたレーザ光を受けて蛍光を発するものである。すなわち、発光部3は、複数のレーザ素子2の少なくとも1つから出射されたレーザ光を受けて発光するものである。
また、発光部3は、発光部3から発せられた蛍光が、効率的にパラボラミラー5で反射して、パラボラミラー5から投光することが可能なように、発光部支持部9の傾斜部9a上に傾いて配置されている。傾斜部9aは、レーザ光の入射方向に対して垂直な面を基準として、その入射方向に15°程度傾斜して構成されている。発光部3で発せられた光は、略ランバーシアン配光となる。そのため、傾斜部9aのレーザ光照射面がレーザ光の入射方向に対して垂直となるように傾斜部9aが形成されていると、発光部3で発せられた光の最も光度の高い領域がパラボラミラー5の窓部となるため、投光効率が悪くなる。
本実施形態では、レーザ素子2によって発振された波長395nmのレーザ光を受けて、白色の蛍光を発するように、発光部3の蛍光体として、BAM(BaMgAl10O17:Eu)、BSON(Ba3Si6O12N2:Eu)、Eu−α(Ca−α−SiAlON:Eu)が用いられている。しかし、上記蛍光体は、これらに限定されるものではなく、自動車用のヘッドランプ100の照明光が、法律により規定されている所定の範囲の色度を有する白色となるように適宜選択されればよい。
発光部3を封止型とした場合の封止材は、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)、シリコーン樹脂などの樹脂材料である。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。ゾルゲル法により、酸化ケイ素や酸化チタン等により封止する構造でもよい。
発光部3を薄膜型とした場合は、Al、Cu、AlNセラミック、SiCセラミック、酸化アルミ、Siなどを基板として用いる。その基板の上に蛍光体の粒子を塗布あるいは堆積させた後、基板毎に、所望の大きさに分割する。その後、発光部支持部9に高熱伝導接着剤により固定する。
本実施の形態では、発光部3に形成される照射領域(励起光のスポットサイズ)を、直径100μmから1000μmとしているが、その理由は以下のとおりである。
白色光を発するために、発光部3には複数の蛍光体が使用されるが、蛍光体の粒系サイズは10μm程度であり、また、白色光をむら無く発するために発光部3に3種類の蛍光体が使用された場合、1対1対1の配合だとしても、照射領域の大きさとしては直径20μmを要する。実際には、必要な色温度にあわせて蛍光体のブレンドを変えるため、白色光を発するために必要な照射領域の大きさは直径50μm程度となる。さらに、そのまま使用すると、各蛍光体粒子の分布に応じた色分布が投光範囲によっては発生してしまう。このため、照射領域の大きさが直径100μm以上となるように、レーザ光が照射されることが望ましい。
レーザ素子2の1素子で投光したい投光範囲によって決まる値である。
なお、青色近傍のレーザ光を出射するレーザ素子2(青色レーザ素子)を使用する場合には、レーザ光が投光されることになるため、IEC60825−1のクラス1となるように、レーザ光の出力を設定する必要がある。
また、発光部3から出射される光は、白色光に限らず、発光装置において規定される色度を有する光を出射できればよい。
熱伝導性の高い金属等からなる発光部支持部9は、その一端の傾斜部9aにおいて発光部3を支持し、発光部3がパラボラミラー5の略焦点位置となるように、パラボラミラー5に接続されている。
パラボラミラー5は、発光部3によって発せられた光を反射し、制御するものである。また、パラボラミラー5は、ヘッドランプ100(自装置)が投光可能な範囲である配光エリア(投光可能範囲)に向けて投光するものである。すなわち、投光範囲a1(図3参照)は、複数のレーザ素子2から出射され、発光部3が発した照明光によって形成されるものである。
パラボラミラー5は、以下に説明するような、ハーフパラボラなど、パラボラ形状を含むものであればよく、軸外しパラボラミラーや、マルチファセット型パラボラミラーであっても良い。
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(図示せず)が設けられている。この窓部は、貫通孔であってもよく、或いは、レーザ光を透過させることが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、且つ、白色光(発光部3の蛍光)を反射するフィルターを設けた透明板を窓部として設けてもよい。この構成によれば、発光部3から発せられた光が、窓部から漏れることを防止することができる。
略平行光とは、完全に平行である必要はなく、投光角(光度が半値となる頂角)が20°以下であればよい。
波長カットコート10は、特定の波長域の光を遮断する。本実施の形態では、波長カットコート10は、400nm以下の波長の光をカットしており、波長395nmのレーザ光を遮断している。
出射制御部4は、複数のレーザ素子2のそれぞれについて、レーザ光の出射および非出射を制御するものである。また、出射制御部4は、複数のレーザ素子2のそれぞれについて、レーザ光の出力を制御するものであってもよい。出射制御部4の詳細は後述する。
次に、本実施形態に係るヘッドランプ100のその他の構成について、図9を参照して説明する。図9は、主として、ヘッドランプ100が備える制御部12の一例を示すブロック図である。図9に示すように、ヘッドランプ100は、上述した構成のほか、制御部12およびカメラ16を備えている。
カメラ16は、配光エリアを含む車両前方の画像を連続的に撮影するものであり、例えば、室内前方のルームミラー近傍に配置される。カメラ16には、テレビフレームレートで動画像を撮影する撮影装置を用いることができる。
傾斜検知部15は、車両全体の傾斜、特に水平面に対する車両の傾斜を検出するものであり、車両の傾斜角度を求め、角度信号を出射制御部4に出力する。傾斜検知部15は、特開2011−37337号公報、特開2009−204459号公報、特開2009−184463号公報、特開2005−283290号公報などに記載されている公知の方法により車両の傾斜を検知する。車両の姿勢変化に追随するレスポンスの早い手法であれば、その検知手法はどのような手法であってもよい。
制御部12は、例えば制御プログラムを実行することにより、ヘッドランプ100を構成する部材を制御するものであり、主として、物体検知部13(検知手段)、物体識別部14(識別手段)、傾斜検知部15および出射制御部4を備えている。制御部12は、ヘッドランプ100に備えられた記憶部(不図示)に格納されているプログラムを、例えばRAM(Random Access Memory)等で構成される一次記憶部(不図示)に必要に応じて読み出して実行することにより各種処理を行う。なお、制御部12は、発光装置1およびヘッドランプ100に接続された外部装置として備えられていてもよい。
物体検知部13は、カメラ16によって撮影された動画像を解析して、動画像中の物体を検出するものである。具体的には、物体検知部13は、カメラ16から動画像を取得したとき、動画像中の配光エリアに含まれる物体を検出する。
物体識別部14は、物体検知部13から出力された検出信号に示される座標値における物体の種類を、画像認識により識別するものである。具体的には、物体識別部14は、物体検知部13から検出信号を取得したとき、検出信号に示される座標値に示される物体の移動速度、形状、位置などの特徴点を抽出し、特徴点を数値化した特徴値を算出する。
出射制御部4は、物体識別部14から送信された識別信号に示される物体の種類や位置などに応じて、検知された物体が含まれる検出領域に対応するレーザ素子2の出射および非出射を制御する。
まず、図10および図11を参照して、物体検知部13によって検知された物体に応じた出射制御部4の動作例について説明する。図10は、当該動作例におけるヘッドランプ100の処理の流れの一例を示すものであり、図11は、当該処理によって形成される投光範囲の一例を示す模式図である。
図12(a)および(b)は、車両が通行する国の法規に応じて配光パターンを変更する場合の動作例を示している。図12(a)は、右側通行国で規定された国を車両が走行するときのヘッドランプ100の配光パターンを示す図であり、図12(b)は、左側通行国で規定された国を車両が走行するときのヘッドランプ100の配光パターンを示す図である。
また、出射制御部4が、例えばドライバによる走行用前照灯またはすれ違い用前照灯の選択に従って、各国の法規に従った走行用前照灯の配光特性基準を満たす範囲、またはすれ違い用前照灯の配光特性基準を満たす範囲となるように、レーザ素子2それぞれの出射および非出射を制御する。これにより、その配光特性基準に従った投光範囲a1を形成することができる。
次に、図14〜図16を参照して、傾斜検知部15によって検知された車両の傾斜角度に従って、出射制御部4によるレーザ素子2それぞれの出射および非出射の制御により、照射領域の変更を行う場合の動作例について説明する。図14は、当該動作例におけるヘッドランプ100の処理の流れを示すものである。図15(a)〜(c)は、車両の傾斜角度と照射領域の変更との関係の一例を示す図である。図16は、車両が出射する照明光が、坂道の上がり口において対向車に影響を与える様子を模式的に示す図である。
次に、ヘッドランプ100の変形例であるヘッドランプ200(発光装置、車両用前照灯)について、図17を用いて説明する。図17は、ヘッドランプ200の一例を示す概略図である。ヘッドランプ200は、図17のように、ヘッドランプ100と異なり、パラボラミラー5ではなく、楕円ミラー20(投光部)と凸レンズ11とを備えている。以下に、ヘッドランプ200が備える楕円ミラー20および凸レンズ11について説明する。
楕円ミラー20は、パラボラミラー5と同様、発光部3によって発せられた光を反射し、制御するものである。また、楕円ミラー20は、ヘッドランプ200(自装置)が投光可能な範囲である配光エリア(投光可能範囲)に向けて投光するものである。すなわち、投光範囲a1(図3参照)は、複数のレーザ素子2から出射され、発光部3が発した照明光によって形成されるものである。
凸レンズ11は、発光部3から発光し、波長カットコート10を透過した光を略平行光にして、その略平行光をヘッドランプ200の前方へ投影するものである。これにより、発光部3からの光を立体角内に効率的に投光させて、投光範囲a1を形成することができ、その結果、光の利用効率を高めることができる。
次に、ヘッドランプ100の別の変形例であるヘッドランプ300(発光装置、車両用前照灯)について、図18を用いて説明する。図18は、ヘッドランプ300の一例を示す概略図である。ヘッドランプ300は、図18のように、ヘッドランプ100と異なり、立上ミラー6ではなく、コリメートレンズ30(光制御部)を備えている。以下に、ヘッドランプ300が備えるコリメートレンズ30について説明する。
コリメートレンズ30は、複数のレーザ素子2と発光部3との間に配置され、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光のそれぞれの、発光部3への導光を制御するものである。コリメートレンズ30は、複数のレーザ素子2の発光点のそれぞれと対向するように、複数のコリメートレンズ30のそれぞれが一対一に備えられている。そして、コリメートレンズ30のそれぞれを透過したレーザ光は、楕円ミラー20に設けられた窓部を介して発光部3に照射される。
次に、ヘッドランプ100の別の変形例であるヘッドランプ400(発光装置、車両用前照灯)について、図19〜図21を用いて説明する。図19は、ヘッドランプ400の一例を示す概略図である。また、図20は、アレイレーザ素子40の周辺構成の一例を示す概略図であり、図21はその別例を示す図である。ヘッドランプ400は、図19のように、ヘッドランプ100と異なり、複数のレーザ素子2がアレイ状に構成されたアレイレーザ素子40、立上ミラー6がアレイ状に構成された立上ミラー44(光制御部、ミラー)、ステム43(台座、筐体)およびキャップ45(筐体)を備えている。
アレイレーザ素子40は、放熱ベース7に装着された1つのステム43に対して当接されており、複数のレーザチップ41およびサブマウント42からなる。図20(c)に示すように、サブマウント42の上にレーザチップ41が配置されている。
熱伝導性を有するステム43は、図20に示すように、放熱ベース7と対向する面(第2面、ステム43の外側で最も広い面積を持つ部分)、および、第2面と略平行な面(第1面、キャップ45により大部分が封止される側の面)を有する。
立上ミラー44は、立上ミラー6と同じ機能を有しており、アレイレーザ素子40に対向するように備えられている。立上ミラー44は、ステム43の第1面のほぼ中心位置に備えられている。これにより、アレイレーザ素子40の各レーザチップ41から出射されたレーザ光が、立上ミラー44に適切に照射され、当該立上ミラー44にて反射されたレーザ光が発光部3へと導光される。また、例えば立上ミラー44がレーザ光を反射せずに吸収してしまうなど、立上ミラー44におけるレーザ光の反射ロスによって発生した熱を効率よく放散させることができる。
キャップ45は、図20に示すように、アレイレーザ素子40および立上ミラー44を保護するために、ステム43の第1面を封止している。封止された内部は、ドライエアで満たされている。封止方法は、抵抗溶接であるが、他の方法でも良い。
次に、アレイレーザ素子40のバリエーションについて、図20(a)および(b)を用いて説明する。なお、アレイレーザ素子40aおよび40b、立上ミラー44aおよび44bは、それぞれアレイレーザ素子40、立上ミラー44と同様の機能を有している。サブマウント群42aおよび42bは、複数のサブマウント42から形成されている。
次に、ヘッドランプ100の別の変形例であるヘッドランプ500(発光装置、車両用前照灯)について、図22を用いて説明する。図22は、ヘッドランプ500の一例を示す概略図である。ヘッドランプ500は、図22のように、ヘッドランプ100と異なり、立上ミラー6ではなく、バンドルファイバ50(光制御部、導光部、光ファイバ)を備えている。
バンドルファイバ50は、複数の光ファイバを束ねた構成となっている。また、バンドルファイバ50は、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光のそれぞれの、発光部3への導光を制御するものであり、複数のレーザ素子2から出射されたレーザ光を受け取る入射端部50aと、当該レーザ光を発光部3に出射する出射端部50bと、を備えている。このバンドルファイバ50を用いることにより、レーザ素子2を入射端部50a側に備えればよいため、レーザ素子2の制御または取替えなどの容易性を考慮して、当該レーザ素子2を配置することができる。特に、バンドルファイバ50は可撓性を有しているので、当該配置が可能となる。
上記に示すヘッドランプ100〜500の発光部3としては、レーザ素子2から出射されたレーザ光が発光部に照射され、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が用いられている。この発光部を、本願では「反射型の発光部」と称することにする。
最後に、特許文献1等の技術は以下の課題を有するところ、それら課題は、上記の種々の構成を備える本実施の形態に係る発光装置によって解決される。
2 レーザ素子
3 発光部
4 出射制御部(出射制御手段)
5 パラボラミラー(投光部)
6 立上ミラー(光制御部、ミラー)
7 放熱ベース(放熱部)
8 フィン(放熱部)
13 物体検知部(検知手段)
14 物体識別部(識別手段)
20 楕円ミラー(投光部)
30 コリメートレンズ(光制御部)
40a、40b アレイレーザ素子(第1レーザ光源群、第2レーザ光源群)
41 レーザチップ(レーザ光源)
42 サブマウント(レーザ光源)
43 ステム(台座、筐体)
44、44a、44b 立上ミラー(光制御部、ミラー、アレイミラー)
45 キャップ(筐体)
50 バンドルファイバ(光制御部、導光部、光ファイバ)
50a 入射端部
50b 出射端部
100、200、300、400、500 ヘッドランプ(発光装置、車両用前照灯)
243 ステム(台座、筐体)
245 キャップ(筐体)
a1 投光範囲
a3 投光範囲
a4 投光範囲
Claims (17)
- レーザ光を出射する複数のレーザ光源と、
上記複数のレーザ光源の少なくとも1つから出射されたレーザ光を受けて発光する発光部と、
上記複数のレーザ光源のそれぞれについて、上記レーザ光の出射および非出射を制御する出射制御手段と、を備え、
上記複数のレーザ光源の少なくとも一部は、当該複数のレーザ光源から出射されるレーザ光が形成する、上記発光部における照射領域のそれぞれについて、その少なくとも一部が互いに異なる位置となるように配されていることを特徴とする発光装置。 - 上記複数のレーザ光源から出射されたレーザ光のそれぞれの、上記発光部への導光を制御する光制御部を備えていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 上記光制御部のうちの少なくとも1つは、上記複数のレーザ光源から出射されたレーザ光のそれぞれを反射することにより、その導光を制御するミラーであることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 上記光制御部には、増反射構造が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
- 上記複数のレーザ光源および上記光制御部は、1つの筐体に備えられていることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 上記複数のレーザ光源は、少なくとも第1レーザ光源群および第2レーザ光源群を形成し、
上記光制御部は、上記第1レーザ光源群および上記第2レーザ光源群のそれぞれに対して配されていることを特徴とする請求項5に記載の発光装置。 - 上記光制御部の周囲に上記複数のレーザ光源が配されていることを特徴とする請求項5に記載の発光装置。
- 上記光制御部を複数備え、
複数の上記光制御部は、アレイミラーであり、
上記複数のレーザ光源のそれぞれと、上記光制御部のそれぞれとが対向して備えられていることを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の発光装置。 - 熱伝導性を有する台座と、
上記複数のレーザ光源で発生した熱を放散する放熱部と、を備え、
上記台座の第1面に、上記複数のレーザ光源が当接され、上記第1面と略平行な面である上記台座の第2面に、上記放熱部が当接されていることを特徴とする請求項5から8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 上記光制御部は、上記台座の第1面に当接されていることを特徴とする請求項9に記載の発光装置。
- 上記光制御部のうちの少なくとも1つは、上記複数のレーザ光源から出射されたレーザ光を受け取る入射端部と、上記発光部に出射する出射端部と、を備える導光部であることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 上記導光部を複数備え、
複数の上記導光部のそれぞれが有するコアの、上記レーザ光の導光方向に垂直な断面の形状は、多角形であることを特徴とする請求項11に記載の発光装置。 - 上記光制御部は、マルチモードファイバであることを特徴とする請求項11または12に記載の発光装置。
- 自装置が投光可能な範囲である投光可能範囲内の物体を検知する検知手段を備え、
上記出射制御手段は、上記複数のレーザ光源のそれぞれについて、上記レーザ光の出射および非出射を制御することを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の発光装置。 - 上記検知手段によって検知された上記物体の種類を、画像認識により識別する識別手段を備え、
上記出射制御手段は、上記識別手段によって識別された上記物体の種類に応じて、上記レーザ光の出射および非出射を制御することを特徴とする請求項14に記載の発光装置。 - 上記発光部から出射された光を投光する投光部を備え、
上記発光部の大きさは、上記投光部の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の発光装置。 - 請求項1から16のいずれか1項に記載の発光装置を備えることを特徴とする車両用前照灯。
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