JP2014049678A

JP2014049678A - 投光装置

Info

Publication number: JP2014049678A
Application number: JP2012193093A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Maemura; 要介前村; Koji Takahashi; 幸司高橋; Yoshiyuki Takahira; 宜幸高平; Tomohiro Sakagami; 智洋坂上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-17
Anticipated expiration: 2032-09-03
Also published as: JP6125776B2

Abstract

【課題】輝度の高い点光源から照度の高い投光領域を得るとともに色ムラの発生を抑制することが可能な投光装置を提供する。
【解決手段】投光装置１において、発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のメディアン径に基づいて導出される円の面積を発光スポット２２ｂから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積の０．５％以下にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子から発光する励起光が照射される蛍光部材を備えた投光装置に関する。

特許文献１には、光を出射する半導体発光素子と、半導体発光素子から出射した光を集光して蛍光体に照射する集光部材と、蛍光体により波長変換された光を所定の投光領域に投光する投光部材とを備えた車両用灯具（投光装置）が開示されている。

この車両用灯具は蛍光体に照射される励起光の照射領域を小さくして高い光密度で蛍光体粒子を励起することにより、蛍光体から輝度の高い光を発生させることができる。この輝度の高い光が投光部材により投光されて照度の高い投光領域を形成することができる。

特開２００５−１５００４１号公報

しかしながら、輝度を上げるために蛍光体に照射する励起光の照射スポットをさらに小さくすると、照射スポットに対する蛍光体粒子の粒径が相対的に大きくなり、異なる色の蛍光を発生する複数種の蛍光体粒子を用いた場合に色ムラが発生する問題があった。

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、輝度の高い光源から照度の高い投光領域を得るとともに色ムラの発生を抑制することが可能な投光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を集光してスポット状の励起光を出射する集光部材と、前記励起光を異なる色の蛍光に変換する複数の種類の蛍光体粒子を含むとともに前記励起光に対応したスポット状の発光スポットから蛍光を出射する蛍光部材と、前記蛍光部材から出射した蛍光を所定領域に投光する投光部材とを備える投光装置において、前記発光スポット内の前記蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積が前記発光スポットから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積の０．５％以下になることを特徴としている。

この構成によると、集光部材から出射される励起光によって蛍光体粒子から異なる色の蛍光が発光スポットから出射する。このとき、発光スポット内の蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積が発光スポットから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積の０．５％以下になる。これにより、蛍光を出射する発光スポットに対し一個当たりの蛍光体粒子が占める割合が相対的に小さくなり、発光スポットから出射される蛍光の色ムラが抑制される。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記集光部材から複数のスポット状の前記励起光を出射し、各前記励起光に対応する前記発光スポットが互いに重なることを特徴としている。この構成によると、複数の励起光を出射することにより、複数の発光スポットが得られ、光の輝度が上がる。また、重なる発光スポットにおいても各発光スポット内の蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積が各発光スポットから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光スポットの面積の０．５％以下となる。これにより、重なる発光スポットにおいて高い光密度で蛍光体粒子を励起することができるとともに各発光スポットから出射する蛍光の色ムラが抑制される。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記蛍光部材は前記励起光が照射される面に前記発光スポットが形成されることを特徴としている。この構成によると、蛍光部材の内部での励起光と蛍光の散乱が抑えられるため、発光スポットを照射領域の面積に近づけることができる。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記半導体発光素子がレーザー光を発光する半導体レーザ素子であることを特徴としている。この構成によると、蛍光部材により小さい照射領域で高い光密度の励起光を照射することができる。

本発明によると、集光部材から出射される励起光によって異なる色の蛍光に変換する蛍光体粒子が励起して所定の波長の蛍光を発光スポットから出射する。発光スポットから出射した蛍光は投光部材により所定領域に投光される。このとき、発光スポットから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積に対して発光スポット内の蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積を０．５％以下にすることにより、蛍光を出射する発光スポットに対し一個当たりの蛍光体粒子が占める割合が相対的に小さくなる。これにより、発光スポットから発光する蛍光の色ムラの発生を抑えることができる。したがって、蛍光部材に照射する励起光の照射領域を小さくして高い光密度で蛍光体粒子を励起し、発光スポットの輝度を高くした場合においても、投光部材により投光される投光領域において色ムラの発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る投光装置の側面断面図本発明の第１実施形態に係る投光装置の蛍光部材にレーザ光を照射した状態を示した斜視図本発明の第１実施形態に係る投光装置の蛍光部材に含まれる蛍光体粒子を示す拡大平面図本発明の第１実施形態に係る投光装置の蛍光部材から出射する蛍光の発光面積を説明する図本発明の第１実施形態に係る投光装置の投光部材の側面断面図投光装置の色むらの評価するために行った実験を説明するための図蛍光体粒子のメディアン径と発光スポット内に含まれ占有割合との関係を示した図発光スポット内に含まれる蛍光体粒子の占有割合と色温度分布の標準偏差の関係を示した図本発明の第２実施形態に係る投光装置の側面断面図本発明の第２実施形態に係る投光装置の蛍光部材から出射する蛍光の発光面積を説明する図本発明の第３実施形態に係る投光装置の側面断面図

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態に係る投光装置の側面断面図である。投光装置１は例えば自動車などの前方を照明する前照灯として用いられる。投光装置１は半導体発光素子２０、集光部材２１、反射板２９、蛍光部材２２、投光部材２３、取付部材２４、フィルタ部材２５を備える。

半導体発光素子２０から出射した光は集光部材２１により集光され、スポット状の励起光を出射する。励起光は反射板２９により光路が変更され、投光部材２３の内部に入射する。入射した励起光は蛍光部材２２に照射され、蛍光部材２２では蛍光が励起されて発光スポット２２ｂから出射する。蛍光は投光部材２３により所定の投光領域に投光される。

半導体発光素子２０は半導体レーザ素子であり、３５０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長領域に発光ピークを持つ近紫外光のレーザ光を出射する。なお、半導体発光素子２０とは半導体レーザ素子に限定されず、発光ダイオード素子を用いてもよい。ただし、半導体レーザ素子の方が発光ダイオード素子よりも蛍光部材２２により小さい照射領域で高い光密度の励起光を照射することができる。したがって、半導体レーザ素子を用いる方が好ましい。

集光部材２１は半導体発光素子２０からのレーザ光を集光してスポット状の励起光を出射する。このとき、集光部材２１は導光部材である光ファイバー２１ａと、光ファイバーの両端に配されたレンズ２１ｂ、２１ｃとを備える。光ファイバー２１ａは半導体発光素子２０から出射したレーザ光を導光する。光ファイバー２１ａは中芯のコアをコアよりも屈折率の低いクラッドで覆った２層構造を備える。これにより、入射端部から入射したレーザ光は、光ファイバー２１ａの内部を通り、他方の端部である出射端部から出射する。光ファイバー２１ａを用いると半導体発光素子２０と蛍光部材２２との距離を自由に設定することができる。このため、設計の自由度が大きくなる。なお、光ファイバー２１ａの替わりにミラー又はレンズを用いて蛍光部材２２にスポット状の励起光を照射してもよい。

レンズ２１ｂは半導体発光素子２０と光ファイバー２１ａの入射端部とを光学的に結合する光学部材である。半導体発光素子２０から出射されたレーザ光は光ファイバー２１ａの入射端部に入射する。レンズ２１ｂを介することによって光ファイバー２１に入射する励起光のスポット径及び入射角を制御することができる。レンズ２１ｃは光ファイバー２１ａの出射端部から出射したレーザ光をスポット状の励起光として出射する。レンズ２１ｃを介することによって反射板２９で反射されて蛍光部材２２に入射する励起光のスポット径及び入射角を制御することができる。

反射板２９は集光部材２１からの励起光を蛍光部材２２に反射する。また、投光部材２３には窓部２３ｂが設けられている。反射板２９により反射された励起光は窓部２３ｂを通って投光部材２３の内部に入射する。なお、窓部２３ｂは開口してもよいし、励起光を透過可能な透明部材を含むものであってもよい。また、窓部２３ｂは励起光が通過あるいは透過する範囲に設ければよい。なお、反射板２９を用いず、レンズ２１ｃからの励起光を蛍光部材２２に直接又は間接的に照射してもよい。

蛍光部材２２は集光部材２１から出射した励起光を蛍光に変換して出射する。投光部材２３は蛍光部材２２から出射した蛍光を所定の方向（Ａ方向）に向かって反射して光を投光する。取付部材２４はベース部２４ａと取付部２４ｂとを有する。投光部材２３はベース部２４ａに固定され、取付部２４ｂに蛍光部材２２が取り付けられる。フィルタ部材２５は集光部材２１から出射された励起光を吸収または反射して遮光するとともに蛍光部材２２により波長変換された蛍光をＡ方向に透過する。これにより、励起光が投光部材２３の外部に漏れることを防ぐことができる。なお、励起光を照明光の一部として用いる場合には、フィルタ部材２５を省略してもよい。

図２は蛍光部材２２にレーザ光を照射した状態を示した斜視図であり、図３は蛍光部材２２に含まれる蛍光体粒子を示すとともに蛍光部材２２を上方から示す拡大平面図である。蛍光部材２２はレーザ光が照射される照射面２２ａを有する。照射面２２ａの中央部には集光部材２１を通して集光されたスポット状の励起光が照射される。

蛍光部材２２は封止材（不図示）の内部に蛍光体粒子２９を分散させて形成される。なお、蛍光体粒子２９を固めて形成してもよい。蛍光部材２２は、例えば青紫色光（励起光）を青色光、黄色光にそれぞれ変換して出射する２種類の蛍光体粒子２９を用いて形成されている。青紫色光を青色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）１０（ＰＯ₄）６Ｃｌ₂：Ｅｕが挙げられる。青紫色光を黄色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＣａ−αＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕが挙げられる。なお、封止材は、例えば、ガラス材、シリコーン樹脂等の樹脂材料が用いられる。ガラス材としては低融点ガラスを用いることができる。封止材は透明性の高いものが好ましい。また、半導体発光素子２０が出射するレーザ光が高出力の場合には耐熱性及び耐光性の高いものが好ましい。

蛍光部材２２から出射する青色光および黄色光の蛍光が混色されることによって、白色光が得られる。なお、蛍光部材２２に含まれる蛍光体粒子２９は励起光を異なる色の蛍光に変換する複数の蛍光体粒子２９を含んでいればよく、半導体発光素子２０から出射するレーザ光の中心波長や、蛍光部材２２を構成する蛍光体粒子の種類は、適宜変更可能である。

例えば、青紫色光（励起光）を赤色光、緑色光および青色光にそれぞれ変換して出射する３種類の蛍光体粒子を用いて蛍光部材２２にすることができる。青紫色光を赤色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕが挙げられる。青紫色光を緑色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕが挙げられる。青紫色光を青色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕが挙げられる。赤色光は例えば約６４０ｎｍの中心波長を有する光であり、緑色光は例えば約５２０ｎｍの中心波長を有する光である。また、青色光は例えば約４５０ｎｍの中心波長を有する光である。また、励起光は青紫光に限らず、青色光でもよい。この場合、例えば青色光（励起光）を赤色光、緑色光にそれぞれ変換して出射する２種類の蛍光体粒子を用いて蛍光部材２２にすることができる。青色光を赤色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕが挙げられる。また、青色光を緑色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕが挙げられる。

また、白色光を出射するように、励起光源（半導体発光素子２０）および蛍光部材２２を構成した例について示したが、白色光以外の光を出射するように、励起光源および蛍光部材を構成してもよい。

また、蛍光部材２２には蛍光体粒子２９が高密度で含有されていることが望ましい。これにより、蛍光部材２２での励起光の吸収率を高くすることができる。したがって、励起光を効率よく蛍光に変換することが可能になるので、蛍光部材２２の厚みを小さくすることができる。このため、蛍光部材２２の放熱性が向上し、蛍光部材２２により高輝度な光源（発光スポット２２ｂ）が実現される。また、蛍光部材２２に蛍光体粒子２９が高密度で含有されることで、蛍光部材２２の照射面２２ａに入射した励起光は照射面２２ａの表面近傍で蛍光に変換されやすくなる。これにより、照射面２２ａにおいて励起光が照射される照射領域と蛍光が出射する発光スポット２２ｂとがほぼ一致し、発光スポット２２ｂが励起光の照射領域よりも大きくなることを抑制することができる。

図４は蛍光部材２２から出射する蛍光の発光面積を説明する図である。図４の上段は蛍光部材２２の側面図、中段は蛍光部材２２の上面図、下段は発光スポット２２ｂのライン上の光強度分布を示している。蛍光は照射面２２ａの発光スポット２２ｂから出射する。このとき、発光スポット２２ｂから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光領域を有効発光領域２２ｃとする。有効発光領域２２ｃの発光面積Ｌに対する発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のメディアン径（ｄ₅₀）から導出される円の面積ｓ（ｓ＝πｄ₅₀ ²／４）の面積比ｒ＝ｓ／Ｌを０．５％以下にしている。このとき、導出された面積比ｒ＝ｓ／Ｌを発光スポット２２ｂ内に含まれる１個当たりの蛍光体粒子２９の占有割合という。つまり、面積比ｒ＝ｓ／Ｌを０．５％以下にすることで、発光スポット２２ｂ内において一個当たりの蛍光体粒子２９が占める占有割合が相対的に小さくなる。これにより、発光スポット２２ｂから出射される蛍光の色ムラを抑えることができる。

ここで、メディアン径（ｄ₅₀）とは粒子径を基準に発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のグループを２つに分けたとき、大きい粒子径を有するグループと小さい粒子径を有するグループが等量になるときの蛍光体粒子２９の粒径である。

なお、蛍光部材２２は投光部材２３の反射面２３ａの焦点Ｆ２３を含む領域に配置されており、蛍光部材２２の照射面２２ａの中心は、反射面２３ａの焦点Ｆ２３と略一致している。しかし、実際には、照射面２２ａ上の励起光のスポット領域（照射領域）は一定の大きさを有しているので、投光部材２３から出射する光は完全な平行光ではない。このため、投光部材２３により投光される投光領域が広くなり、投光領域の中心部が暗くなる。

そこで、照射面２２ａ上の励起光の照射領域を小さく絞って発光スポット２２ｃの発光面積を小さくすることにより、投光部材２３から投光される光を平行光に近づけることができる。つまり、励起光の照射領域を小さくし、高い光密度で蛍光部材２２を励起することで、発光スポット２２ｂがより輝度の高い光源となる。このとき、投光部材２３の投光領域が狭まるが投光領域の中心部の照度が向上する。したがって、他の領域に比べて明るく照明する必要がある領域を、投光装置１を用いてより明るく照明することができる。このとき、発光スポット２２ｂの面積に対して一個当たりの蛍光体粒子２９が占める占有割合を相対的に小さくすることによって投光部材２３から投光される平行光の色ムラを抑えることができる。

投光部材２３から出射される光を平行光に近づけるためには有効発光領域Ｓの発光面積は０．１ｍｍ²以下とすることが好ましく、０．０５ｍｍ²以下とすることが特に好ましい。このとき、発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のメディアン径は１８μｍ以下が好ましい。

図５は投光部材２３の側面断面図である。投光部材２３の反射面２３ａは蛍光部材２２の照射面２２ａに対向するように配置されて蛍光部材２２からの光を平行光にして所定の方向（Ａ方向）に反射する。また、反射面２３ａは、例えば放物面の一部を含むように形成されている。具体的には、反射面２３ａは放物面を、その頂点Ｖ２３と焦点Ｆ２３とを結ぶ軸に直交（交差）する面で分割し、かつ、頂点Ｖ２３と焦点Ｆ２３とを結ぶ軸に平行な面で分割したような形状に形成されている。

なお、投光部材２３の反射面２３ａを放物面の一部により形成した例について示したが、反射面２３ａを楕円面の一部により形成してもよい。この場合、蛍光部材２２を反射面２３ａの焦点に位置させることにより、投光装置１から出射する光を容易に集光することができる。また、反射面２３ａを多数の曲面（例えば放物面）からなるマルチリフレクタや、多数の微細な平面が連続して設けられた自由曲面リフレクタなどにより形成してもよい。また、投光部材２３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、投光部材２３に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。

投光部材２３は金属から成るベース部２４ａに固定され、ベース部２４ａは反射面２３ａの略中心軸上に配されている。取付部２４ｂは反射面２３ａの中心軸に対して所定の傾斜角α（例えば、０°〜３０°）で傾斜する傾斜面を有し、この傾斜面上に蛍光部材２２が配される。また、ベース部２４ａの上面２４ｃは光を反射する機能を有するように形成されていることが好ましい。取付部材２４は例えばＡｌなどの良好な熱伝導性を有する金属により形成されており、蛍光部材２２で発生した熱を放熱する機能を有する。また、取付部材２４の下面には、放熱フィン（図示せず）が設けられていてもよい。また、投光部材２３と取付部材２４とを別体で設けた例について説明したが、投光部材２３と取付部材２４とを一体で形成してもよい。

なお、上記実施形態では、蛍光部材２２を取付部２４ｂ上に直接取り付けた例について示したが、蛍光部材２２を支持板（不図示）に形成した場合、支持板を取付部２４ｂに取り付ける。

フィルタ部材２５は投光部材２３及び取付部材２４に固定され、投光部材２３の軸方向の一端の開口面を覆う。フィルタ部材２５は半導体発光素子２０からの励起光（近紫外光）を吸収または反射により遮光し、蛍光部材２２から出射される蛍光を透過する。フィルタ部材２５として、例えば、五鈴精工硝子株式会社製のＩＴＹ−４１８や、ＨＯＹＡ株式会社製のＬ４２等のガラス材料を用いることができる。

次に蛍光部材２２の発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合と色ムラについての評価を行った。ここで、蛍光体粒子２９の径はレーザ回折散乱粒子分布測定法により測定した。レーザ回折散乱粒子分布測定法はレーザ光を粒子に照射したときの回折・散乱光のパターンから粒子径を測定する。このとき、同じ回折・散乱光のパターンを示す球状粒子の粒子径が被測定物の粒径となる。

図６は色ムラの評価を説明する図である。図６に示すように、半導体発光素子２０から出射したレーザ光を集光部材２１で集光して励起光を蛍光部材２２に照射し、発光スポット２２ｂから光を出射する。発光スポット２２ｂは投光部材２３の焦点に配され、投光部材２３は発光スポット２２ｂからの光を平行光に反射してターゲット３０に投光する。なお、レーザ光の発光波長は４０５ｎｍとした。蛍光部材２２は青色、黄色の異なる色の蛍光を励起する蛍光体粒子２９を複数含む。これにより、発光スポット２２ｂから混色された白色の光が出射される。

なお、蛍光部材２２に含まれる蛍光体粒子２９は励起光を青色光に変換する蛍光体粒子２９としてＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕを用いた。また、励起光を黄色光に変換する蛍光体粒子２９としてＣａ−αＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕを用いた。また、投光部材２３として開口部が直径２０ｍｍのリフレクタを用いた。また、投光部材２３には蛍光部材２２により波長変換された蛍光を透過し、４０５ｎｍの励起光を遮断するフィルタ部材２５が設けられ、フィルタ部材２５とターゲット３０の距離Ｗを５ｍとした。

色ムラの評価は発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合と相関色温度分布の標準偏差との関係から評価した。この評価では発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合が異なる蛍光部材２２を複数準備し、有効発光領域２２ｃの発光面積が０．０２９ｍｍ²となるように各蛍光部材２２に励起光を照射した。

図７は発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合とメディアン径の関係を示す。縦軸は発光スポット２２内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合（％）を示し、横軸は発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９のメディアン径（μｍ）を示す。図７に示すように、蛍光体粒子２９のメディアン径が大きくなれば発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合は上昇する。

また、相関色温度分布は暗室においてターゲット３０に投光された光の相関色温度の角度分布を測定して行った。測定角度は８７．５°〜９２．５°の範囲で０．５°ステップで測定した。また、相関色温度は測定角度に応じてランダムに変動する。このため、測定は一方向のみのスキャンを方向を変えて４回測定した。４回測定した相関色温度の平均値から相関色温度の標準偏差を導出した。

図８は色温度分布の標準偏差と発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合の関係を示す。縦軸は色温度分布の標準偏差（Ｋ）を示し、横軸は発光スポット２２ｂ内に含まれる一個当たりの蛍光体粒子２９の占有割合（％）を示す。図８に示すように、発光スポット２２ｂ内に含まれる蛍光体粒子２９の占有割合が０．５３％を超えると、色温度分布の標準偏差が急激に増えた。このため、発光スポット２２ｂ内に含まれる一個当たりの蛍光体粒子２９の占有割合を０．５％以下とすることで色ムラが解消されることが確認された。

本実施形態によると、集光部材２１から出射される励起光によって異なる色の蛍光に変換する蛍光体粒子２９が励起され、所定の波長の蛍光を発光スポット２２ｂから出射する。発光スポット２２ｂから出射した蛍光は投光部材２３で反射して所定方向（Ａ方向）に投光される。このとき、発光スポット２２ｂから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する有効発光スポット２２ｃの発光面積Ｌに対して発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のメディアン径に基づいて導出される円の面積を０．５％以下にすることにより、蛍光を出射する発光スポット２２ｂに対し一個当たりの蛍光体粒子２９が占める割合が相対的に小さくなる。これにより、発光スポット２２ｂから発光する蛍光の色ムラの発生を抑えることができる。したがって、蛍光部材２２に照射する励起光の照射領域を小さくして高い光密度で蛍光体粒子２９を励起し、発光スポット２２ｂを輝度の高い光源とした場合においても、投光部材２３により投光される投光領域において色ムラの発生を抑制することができる。

また、蛍光部材２２は励起光が照射される領域と発光スポット２２ｂとが同一面に形成されるため、蛍光部材２２の内部で散乱される励起光及び蛍光が少ない。このため、発光スポットを照射領域の面積に近づけることができる。したがって、蛍光部材２２に照射される励起光の照射領域を小さくして高い光密度で蛍光を発光スポット２２ｂから出射することができる。

また、半導体発光素子２０にレーザー光を発光する半導体レーザ素子を用いることにより、蛍光部材２２により小さい照射領域で高い光密度の励起光を照射することができる。このため、蛍光部材２２の発光スポット２２ｂにおいて輝度が高い光源を容易に得ることができる。

＜第２実施形態＞
図９は第２実施形態に係る投光装置の側面断面図であり、図１０は第２実施形態に係る蛍光部材から出射する蛍光の発光面積を説明する図である。図１０の上段は蛍光部材２２の側面図、中段は蛍光部材２２の上面図、下段は発光スポット２２ｂのライン上の光強度分布を示している。なお、第１実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態に対して第２実施形態は複数の半導体発光素子２０から出射されたレーザ光を各集光部材２１で集光して蛍光部材２２に出射し、各励起光に対応する発光スポット２２ｂが互いに重なる。なお、図１０では２個の発光スポット２２ｂが重なっているが、３個以上の発光スポット２２ｂを重ねてもよい。また、集光部材２１には集光レンズを用いているが光ファイバーを用いてもよい。また、窓部２３ｂは３個の半導体素子２０に対して１個設けられているが、それぞれ別個に設けられてもよい。

このとき、重なる発光スポット２２ｂにおいても各励起光により励起される各発光スポット２２ｂ内の蛍光体粒子２９のメディアン径に基づいて導出される円の面積を各発光スポット２２ｂから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積の０．５％以下とする。これにより、重なる発光スポット２２ｂにおいて高い光密度で蛍光体粒子２９を励起することができるとともに各発光スポット２２ｂから出射する蛍光の色ムラが抑制される。したがって、単一の励起源を用いるより高輝度の光源が得られる。

＜第３実施形態＞
図１１は第３実施形態に係る投光装置の側面断面図である。なお、第１実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態に対して第３実施形態は蛍光部材２２の励起光が照射される照射面２２ａと蛍光が出射する発光スポット２２ｂを含む面が対向配置されている。つまり、第３実施形態の蛍光部材２２は励起光が照射される照射面２２ａと反対側の出射面から光が取り出される。

このとき、発光スポット２２ｂから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積に対して発光スポット内の蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積を０．５％以下とすることにより、出射される蛍光の色ムラの発生を抑えることができる。ただし、本実施形態の投光装置１は蛍光部材２２の内部で励起光及び蛍光が散乱され、発光スポット２２ｂが励起光の照射領域より大きくなる。このため、励起光の照射領域と発光スポット２２ｂとが一致しない。したがって、発光スポット２２ｂを小さくして高輝度な光源を実現するためには第１実施形態の投光装置１のように励起光が照射される面に発光スポット２２ｂの反射型の投光装置１がより好ましい。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

また、上記実施形態では、本発明の投光装置を自動車の前照灯に用いた例について示したが、本発明はこれに限らない。本発明の投光装置を、飛行機、船舶、ロボット、バイクまたは自転車や、その他の移動体の前照灯に用いてもよい。

また、上記実施形態では、励起光を可視光に変換した例について示したが、本発明はこれに限らず、励起光を可視光以外の光に変換してもよい。例えば、励起光を赤外光に変換する場合には、セキュリティ用ＣＣＤカメラの夜間照明装置などにも適用可能である。

１投光装置
２０半導体発光素子
２１集光部材
２２蛍光部材
２２ａ照射面
２２ｂ発光スポット
２３投光部材
２３ａ反射面
２４取付部材
２４ａ上面
２４ｂ取付部
２５フィルタ部材
２９蛍光体粒子
Ｆ２３焦点
Ｖ２３頂点

Claims

光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの光を集光してスポット状の励起光を出射する集光部材と、前記励起光を異なる色の蛍光に変換する複数の種類の蛍光体粒子を含むとともに前記励起光に対応したスポット状の発光スポットから蛍光を出射する蛍光部材と、前記蛍光部材から出射した蛍光を所定領域に投光する投光部材とを備える投光装置において、
前記発光スポット内の前記蛍光体粒子のメディアン径に基づいて導出される円の面積が前記発光スポットから出射する蛍光の最大光強度に対して５０％以上の光強度を有する発光面積の０．５％以下になることを特徴とする投光装置。
前記集光部材から複数のスポット状の前記励起光を出射し、各前記励起光に対応する前記発光スポットが互いに重なることを特徴とする請求項１に記載の投光装置。
前記蛍光部材は前記励起光が照射される面に前記発光スポットが形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投光装置。
前記半導体発光素子がレーザー光を発光する半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の投光装置。