JP5086392B2 - 発光装置、照明装置および車両用前照灯 - Google Patents

Description

本発明は、高輝度光源として機能する発光装置および当該発光装置を備えた照明装置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に関する技術の例として特許文献１および２に開示された灯具がある。これらの灯具では、高輝度光源を実現するために、励起光源として半導体レーザを用いている。半導体レーザから発振されるレーザ光は、コヒーレントな光であるため、指向性が強く、当該レーザ光を励起光として無駄なく集光し、利用することができる。このような半導体レーザを励起光源として用いた発光装置（ＬＤ発光装置と称する）を車両用ヘッドランプに好適に適用することができる。

一方、インコヒーレントな白色ＬＥＤを用いて車両用ヘッドランプを実現する技術の例としては、非特許文献１に開示された車両用ヘッドランプがある。

なお、この非特許文献１には、車両用ヘッドランプの発光部から発生する光の配光パターン（配光分布）を、鉛直方向に狭く、水平方向に広くすることが記載されている。

特開２００５−１５００４１号公報（２００５年６月９日公開） 特開２００３−２９５３１９号公報（２００３年１０月１５日公開）

佐々木 勝、「白色ＬＥＤの自動車照明への応用」、応用物理学会誌、２００５年、第７４巻、第１１号、ｐ．１４６３―１４６６

ところが、蛍光体を含む微小な発光部を、ＬＥＤを励起光源とした場合には実現できないようなハイパワーの励起光で励起すると（すなわち非常に高い励起パワー並びにパワー密度で発光部を励起すると）、発光部が激しく劣化するという問題が生ずることが本発明の発明者らの検討により分かった。

発光部を劣化させないためには、発光部に照射する励起光の強さ（単位：ワット）を小さくすればよい。しかし、この方法では、発光部から出射される光の量（光束）が低下してしまい、発光装置として要求される光度を実現することができない可能性がある。

また、従来の白色ＬＥＤを用いて照明装置を実現する場合には、単一の白色ＬＥＤでは、輝度・光束が小さいという問題がある。輝度が小さいと、光学系を大きくする必要が生じ、光束が小さいと、複数の白色ＬＥＤを集積させる必要が生じる。その結果、照明装置が大型化するという問題が生じる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、小型で高輝度な光源であって、出射する光の光束を低下させることなく長寿命な光源を実現することができる発光装置、当該発光装置を備える照明装置および車両用前照灯を提供することにある。

本発明に係る発光装置は、上記の課題を解決するために、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源が出射した励起光を受け取る少なくとも１つの入射端部と当該入射端部から入射した励起光を出射する複数の出射端部とを有する導光部と、上記複数の出射端部から出射された励起光を受けて発光する発光部とを備え、上記複数の出射端部から出射される励起光がそれぞれ有する光強度分布における最も光強度の大きい部分が、上記発光部の互いに異なる部分に対して照射されることを特徴としている。

上記の構成によれば、励起光源が出射した励起光は、導光部の入射端部に入り、導光部の複数の出射端部から出射される。この励起光が発光部に照射されると当該発光部が発光する。このとき複数の出射端部から出射される励起光がそれぞれ有する光強度分布における最も光強度の大きい部分が、上記発光部の互いに異なる部分に対して照射される。換言すれば、複数の出射端部からの励起光は、発光部に対して分散して照射される。

それゆえ、励起光が発光部の一箇所に集中的に照射されることによって発光部が著しく劣化する可能性を低減でき、出射する光の光束を低下させることなく長寿命の光源を実現することができる。また、発光部に照射する励起光の強度を低下させる必要がないため、発光装置の輝度および光束を大きくすることができる。従って、小型で高輝度な発光装置を実現できる。

また、上記発光部は、上記励起光源からの励起光を受ける受光面を有しており、上記複数の出射端部を上記受光面に対して所定のパターンで保持する保持部をさらに備えることが好ましい。

上記の構成によれば、保持部は、導光部が有する複数の出射端部を発光部の受光面に対して所定のパターンで保持する。それゆえ、導光部が可撓性を有している等の理由のために出射端部と発光部との相対位置が可変である場合でも、複数の出射端部を発光部の面に対して所定のパターンで位置決めすることができる。

その結果、複数の出射端部からの出射光によって形成される受光面における複数の投影像は、所定のパターンを形成する。この所定のパターンを発光装置の目的に応じて適切に設定することにより、発光部を好ましい状態で発光させることができる。例えば、発光部全体を均一に発光させることや、発光部の一部を他の部分よりも強く発光させることができる。

また、上記受光面は、長軸を有しており、上記複数の出射端部の少なくとも一部は、上記長軸に沿って配列していることが好ましい。

車両用ヘッドランプの配光パターンは、鉛直方向に狭く、水平方向に広い。上記の構成により、長軸を有する発光部が、長軸に沿って配列している複数の出射端部によって励起されるため、上記配光パターンを実現できる。この配光パターンの設定は、発光部の形状および複数の出射端部の配置によって行うことができるため、従来よりも容易に上記配光パターンを実現できる。

また、上記受光面に対して配置された出射端部の密度は、上記受光面において偏っていることが好ましい。

上記の構成により、発光部の一部を他の部分よりも強く発光させることができる。それゆえ、発光装置から出射される光線束の一部の光度を高めることができる。例えば、本発明を自動車のヘッドランプに適用した場合に、当該ヘッドランプによって照らされる領域の一部の照度を高めることができる。

また、上記導光部は、可撓性を有していることが好ましい。

上記の構成によれば、導光部は、可撓性を有する部材、例えば、光ファイバーである。それゆえ、入射端部と出射端部との位置関係を容易に変更することでき、励起光源と発光部との位置関係を容易に変更することできる。したがって、発光装置の設計自由度を高めることができる。

本発明に係る照明装置は、上記発光装置と、上記発光部から出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡とを備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、発光部から出射した光は、反射鏡によって反射され、所定の立体角内を進む光線束が形成される。それゆえ、車両用ヘッドランプやサーチライトに適した、小型で高輝度かつ長寿命の照明装置を実現できる。

本発明に係る車両用前照灯は、上記発光装置と、上記発光部から出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡とを備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、発光部から出射した光は、反射鏡によって反射され、所定の立体角内を進む光線束が形成される。それゆえ、小型で高輝度かつ長寿命の車両用前照灯を実現できる。

本発明に係る発光装置は、以上のように、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源が出射した励起光を受け取る少なくとも１つの入射端部と当該入射端部から入射した励起光を出射する複数の出射端部とを有する導光部と、上記複数の出射端部から出射された励起光を受けて発光する発光部とを備え、上記複数の出射端部は、上記発光部の互いに異なる部分に対して上記励起光を出射する構成である。

それゆえ、励起光が発光部の一箇所に集中的に照射されることによって発光部が著しく劣化する可能性を低減でき、小型で高輝度であり、かつ長寿命の光源を実現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ヘッドランプが備える光ファイバーの出射端部と発光部との位置関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドランプの構成を示す断面図である。 発光部の位置決め方法の変更例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、光ファイバーの複数の出射端部５ａを、発光部のレーザ光照射面に対して配置するパターンの一例を示す図である。 （ａ）は光ファイバーの出射端部から出射されるレーザ光の光強度分布を示す図であり、（ｂ）は、複数のレーザ光照射領域の位置関係を示す図である。 （ａ）は半導体レーザの回路図を模式的に示す図であり、（ｂ）は半導体レーザの基本構造を示す斜視図である。 本発明の別の形態に係るヘッドランプが備える半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザダウンライトが備える発光ユニットおよび従来のＬＥＤダウンライトの外観を示す概略図である。 上記レーザダウンライトが設置された天井の断面図である。 上記レーザダウンライトの断面図である。 上記レーザダウンライトの設置方法の変更例を示す断面図である。 上記ＬＥＤダウンライトが設置された天井の断面図である。 上記レーザダウンライトおよび上記ＬＥＤダウンライトのスペックを比較するための図である。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。ここでは、本発明の照明装置の一例として、自動車用のヘッドランプ（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、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、家庭用照明器具を挙げることができる。

ヘッドランプ１は、走行用前照灯（ハイビーム）の配光特性基準を満たしていてもよいし、すれ違い用前照灯（ロービーム）の配光特性基準を満たしていてもよい。

（ヘッドランプ１の構成）
図２は、ヘッドランプ１の構成を示す断面図である。同図に示すように、ヘッドランプ１は、半導体レーザアレイ（励起光源）２、非球面レンズ４、光ファイバー（導光部）５、フェルール（保持部）６、発光部７、反射鏡８、透明板９、ハウジング１０、エクステンション１１およびレンズ１２を備えている。半導体レーザアレイ２、光ファイバー５、フェルール６および発光部７によって発光装置の基本構造が形成されている。

半導体レーザアレイ２は、励起光を出射する励起光源として機能し、複数の半導体レーザ（半導体レーザ素子）３を基板上に備えるものである。半導体レーザ３のそれぞれからレーザ光が発振される。励起光源として複数の半導体レーザ３を用いる必要は必ずしもなく、半導体レーザ３を１つのみ用いてもよい。しかし、高出力のレーザ光を得るためには、複数の半導体レーザ３を用いることが好ましい。

半導体レーザ３は、１チップに１つの発光点を有するものであり、例えば、４０５ｎｍ（青紫色）のレーザ光を発振し、出力１．０Ｗ、動作電圧５Ｖ、電流０．６Ａのものであり、直径５．６ｍｍのパッケージに封入されているものである。半導体レーザ３が発振するレーザ光は、４０５ｎｍに限定されず、３８０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有するレーザ光であればよい。なお、３８０ｎｍより小さい波長のレーザ光を発振する良質な短波長用の半導体レーザを作製することが可能であれば、本実施の形態の半導体レーザ３として、３８０ｎｍより小さい波長のレーザ光を発振するように設計された半導体レーザを用いることも可能である。

非球面レンズ４は、半導体レーザ３から発振されたレーザ光（励起光）を、光ファイバー５の一方の端部である入射端部５ｂに入射させるためのレンズである。例えば、非球面
レンズ４として、アルプス電気製のＦＬＫＮ１ ４０５を用いることができる。上述の機能を有するレンズであれば、非球面レンズ４の形状および材質は特に限定されないが、４０５ｎｍ近傍の透過率が高く、かつ耐熱性のよい材料であることが好ましい。

光ファイバー５は、半導体レーザ３が発振したレーザ光を発光部７へと導く導光部材であり、複数の光ファイバーの束である。この光ファイバー５は、上記レーザ光を受け取る複数の入射端部５ｂと、入射端部５ｂから入射したレーザ光を出射する複数の出射端部５ａとを有している。複数の出射端部５ａは、発光部７のレーザ光照射面（受光面）７ａ（図１参照）における互いに異なる領域に対してレーザ光を出射する。より詳細には、複数の出射端部５ａから出射されるレーザ光がそれぞれ有する光強度分布（図５（ａ）参照）における最も光強度の大きい部分が、発光部７の互いに異なる部分に対して照射される。出射端部５ａは、レーザ光照射面７ａに接触していてもよいし、僅かに間隔を置いて配置されてもよい。

光ファイバー５は、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、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、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。例えば、光ファイバー５は、コアの径が２００μｍ、クラッドの径が２４０μｍ、開口数ＮＡが０．２２の石英製のものであるが、光ファイバー５の構造、太さおよび材質は上述のものに限定されず、光ファイバー５の長軸方向に対して垂直な断面は矩形であってもよい。

なお、導光部材として光ファイバー以外の部材、または光ファイバーと他の部材とを組み合わせたものを用いてもよい。この導光部材は、半導体レーザ３が発振したレーザ光を受け取る少なくとも１つの入射端部と当該入射端部から入射したレーザ光を出射する複数の出射端部とを有するものであればよい。例えば、少なくとも１つの入射端部を有する入射部、および複数の出射端部を有する出射部を光ファイバーとは別の部材として形成し、これら入射部および出射部を光ファイバーの両端部に接続してもよい。

図１は、出射端部５ａと発光部７との位置関係を示す図である。同図に示すように、フェルール６は、光ファイバー５の複数の出射端部５ａを発光部７のレーザ光照射面７ａに対して所定のパターンで保持する。このフェルール６は、出射端部５ａを挿入するための孔が所定のパターンで形成されているものでもよいし、上部と下部とに分離できるものであり、上部および下部の接合面にそれぞれ形成された溝によって出射端部５ａを挟み込むものでもよい。

このフェルール６は、反射鏡８から延出する棒状または筒状の部材などによって反射鏡８に対して固定されていればよい。フェルール６の材質は、特に限定されず、例えばステンレススチールである。また、１つの発光部７に対して、複数のフェルール６を配置してもよい。なお、図１では、便宜上、出射端部５ａを３つ示しているが、出射端部５ａの数は３つに限定されない。出射端部５ａの数および配置様式の詳細については後述する。

発光部７は、出射端部５ａから出射されたレーザ光を受けて発光するものであり、レーザ光を受けて発光する蛍光体を含んでいる。具体的には、発光部７は、蛍光体保持物質としてのシリコーン樹脂の内部に蛍光体が分散されているものである。シリコーン樹脂と蛍光体との割合は、１０：１程度である。また、発光部７は、蛍光体を押し固めたものであってもよい。蛍光体保持物質は、シリコーン樹脂に限定されず、いわゆる有機無機ハイブリッドガラスや無機ガラスであってもよい。

上記蛍光体は、酸窒化物系のものであり、青色、緑色および赤色の蛍光体がシリコーン
樹脂に分散されている。半導体レーザ３は、４０５ｎｍ（青紫色）のレーザ光を発振するため、発光部７に当該レーザ光が照射されると白色光が発生する。それゆえ、発光部７は、波長変換材料であるといえる。

なお、半導体レーザ３は、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）を発振するものでもよく、この場合には、上記蛍光体は、黄色の蛍光体、または緑色の蛍光体と赤色の蛍光体との混合物である。換言すれば、半導体レーザ３は、４４０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する励起光を出射してもよく、この場合、白色光を生成するための発光部の材料（蛍光体材料）を容易に選定および製造できる。なお、黄色の蛍光体とは、５６０ｎｍ以上５９０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。緑色の蛍光体とは、５１０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。赤色の蛍光体とは、６００ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する光を発する蛍光体である。

上記蛍光体は、サイアロン蛍光体と通称されるものが好ましい。サイアロンとは、窒化ケイ素のシリコン原子の一部がアルミニウム原子に、窒素原子の一部が酸素原子に置換された物質である。サイアロン蛍光体は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）および希土類元素などを固溶させて作ることができる。

また、上記蛍光体の別の好適な例としては、III−Ｖ族化合物半導体のナノメータサイ
ズの粒子を用いた半導体ナノ粒子蛍光体を用いることもできる。同一の化合物半導体（例えばインジュウムリン：ＩｎＰ）を用いても、その粒子径を変更させることにより、量子サイズ効果によって発光色を変化させることができることが半導体ナノ粒子蛍光体の特徴の一つである。例えばＩｎＰでは、粒子サイズが３〜４ｎｍ程度のときに赤色に発光する。ここで、粒子サイズは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて評価した。

また、この蛍光体は半導体ベースであるので蛍光寿命が短く、励起光のパワーを素早く蛍光として放射できるのでハイパワーの励起光に対して耐性が強いという特徴もある。これは、上記半導体ナノ粒子蛍光体の発光寿命が１０ナノ秒程度と、希土類を発光中心とする通常の蛍光体材料に比べて５桁も小さいためである。発光寿命が短いため、励起光の吸収と蛍光の発光を素早く繰り返すことができる。

その結果、強い励起光に対して高効率を保つことができ、蛍光体からの発熱が低減される。よって、光変換部材が熱により劣化（変色や変形）するのをより抑制することができる。これにより、光の出力が高い発光素子を光源として用いる場合に、発光装置の寿命が短くなるのをより抑制することができる。

発光部７の形状および大きさは、例えば、３ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍの直方体である。この場合、半導体レーザ３からのレーザ光を受けるレーザ光照射面７ａの面積は、３ｍｍ^２である。日本国内で法的に規定されている車両用ヘッドランプの配光パターン（配光分布）は、鉛直方向に狭く、水平方向に広いため、発光部７の形状を、水平方向に対して横長（断面略長方形形状）にすることにより、上記配光パターンを実現しやすくなる。発光部７は、直方体でなくてもよく、レーザ光照射面７ａが楕円である筒状であってもよい。また、レーザ光照射面７ａは、平面である必要は必ずしもなく、曲面であってもよい。ただし、レーザ光の反射を制御するためには、レーザ光照射面７ａは、レーザ光の光軸に対して垂直な平面であることが好ましい。

また、発光部７は、図２に示すように、透明板９の内側（出射端部５ａが位置する側）の面において、出射端部５ａと対向する位置に固定されている。発光部７の位置の固定方
法は、この方法に限定されず、反射鏡８から延出する棒状または筒状の部材によって発光部７の位置を固定してもよい。

図３は、発光部７の位置決め方法の変更例を示す断面図である。同図に示すように、反射鏡８の中心部を貫いて延びる筒状部１５の先端に発光部７を固定してもよい。この場合には、筒状部１５の内部に光ファイバー５の出射端部５ａを通すことができる。

反射鏡８は、発光部７から出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成するものである。すなわち、反射鏡８は、発光部７からの光を反射することにより、ヘッドランプ１の前方へ進む光線束を形成する。この反射鏡８は、例えば、金属薄膜がその表面に形成された曲面形状（カップ形状）の部材である。

透明板９は、反射鏡８の開口部を覆う透明な樹脂板であり、発光部７を保持している。この透明板９を、半導体レーザ３からのレーザ光を遮断するとともに、発光部７においてレーザ光を変換することにより生成された白色光（インコヒーレントな光）を透過する材質で形成することが好ましく、樹脂板以外に無機ガラス板等も使用できる。発光部７によってコヒーレントなレーザ光は、そのほとんどがインコヒーレントな白色光に変換される。しかし、何らかの原因でレーザ光の一部が変換されない場合も考えられる。このような場合でも、透明板９によってレーザ光を遮断することにより、レーザ光が外部に漏れることを防止できる。なお、このような効果を期待せず、かつ透明板９以外の部材によって発光部７を保持する場合には、透明板９を省略することが可能である。

ハウジング１０は、ヘッドランプ１の本体を形成しており、反射鏡８等を収納している。光ファイバー５は、このハウジング１０を貫いており、半導体レーザアレイ２は、ハウジング１０の外部に設置される。半導体レーザアレイ２は、レーザ光の発振時に発熱するが、ハウジング１０の外部に設置することにより半導体レーザアレイ２を効率良く冷却することが可能となる。また、半導体レーザ３は、故障する可能性があるため、交換しやすい位置に設置することが好ましい。これらの点を考慮しなければ、半導体レーザアレイ２をハウジング１０の内部に収納してもよい。

エクステンション１１は、反射鏡８の前方の側部に設けられており、ヘッドランプ１の内部構造を隠して見栄えを良くするとともに、反射鏡８と車体との一体感を高めている。このエクステンション１１も反射鏡８と同様に金属薄膜がその表面に形成された部材である。

レンズ１２は、ハウジング１０の開口部に設けられており、ヘッドランプ１を密封している。発光部７が発生し、反射鏡８によって反射された光は、レンズ１２を通ってヘッドランプ１の前方へ出射される。

（出射端部５ａの配置様式）
図４（ａ）および（ｂ）は、光ファイバー５の複数の出射端部５ａを、発光部７のレーザ光照射面７ａに対して配置するパターンの一例を示す図である。同図では、出射端部５ａがレーザ光照射面７ａに接触している（または対向している）位置を円で示している。同図（ａ）に示すように、発光部７のレーザ光照射面７ａは、長軸を有しており、複数の出射端部５ａの少なくとも一部は、上記長軸に沿って配列させてもよい。具体的には、出射端部５ａを５本ずつ２段に密に配置してもよい。この構成により、水平方向に長い発光部７を効率良く励起することができる。

また、同図（ｂ）に示すように、レーザ光照射面７ａの中央部のみ出射端部５ａを３段に配置してもよい。すなわち、発光部７のレーザ光照射面７ａに対して配置された複数の
出射端部５ａの密度は、レーザ光照射面７ａにおいて偏っている。この構成により、発光部７の中央部（出射端部５ａの密度が高い部分）が他の部分よりも強く光るため、ヘッドランプ１によって照射される領域の中央部の照度を高めることができる。

また、発光部７のレーザ光照射面７ａの全面に対して複数の出射端部５ａがマトリクス状に配置されてもよい。この構成によれば、発光部７を効率良く、ムラなく励起することができる。

（レーザ光照射領域の位置関係）
１つの出射端部５ａから出射されたレーザ光が、発光部７のレーザ光照射面７ａに照射された領域をレーザ光照射領域と称する。光ファイバー５は、複数の出射端部５ａを有しているため、レーザ光照射領域も複数形成される。図５（ａ）は光ファイバー５の出射端部５ａから出射されるレーザ光の光強度分布を示す図であり、図５（ｂ）は、複数のレーザ光照射領域の位置関係を示す図である。図５（ａ）では、光ファイバー５を構成する光ファイバー５１の出射端部５ａから出射されるレーザ光の光強度分布を曲線２１で示し、光ファイバー５２の出射端部５ａから出射されるレーザ光の光強度分布を曲線２２で示している。図５（ａ）のグラフの横軸は光ファイバー５の位置を示し、縦軸は、レーザ光照射面７ａに照射されたレーザ光の光強度を示している。

図５（ａ）に示すように、１つの出射端部５ａから出射されたレーザ光は、所定の角度で広がりつつレーザ光照射面７ａに到達する。そのため、光ファイバー５１・５２の出射端部５ａが、レーザ光照射面７ａに対して平行な平面において並んで配置されていたとしても、図５（ｂ）に示すように、これら出射端部５ａからのレーザ光によって形成されるレーザ光照射領域２３・２４が、互いに重なることがある。

このような場合でも、出射端部５ａから出射されるレーザ光の光強度分布における最も光強度が大きいところ（図５（ａ）に示す中心軸２１ａ・２２ａの近傍）が、発光部７のレーザ光照射面７ａの互いに異なる部分に対して出射されれば、レーザ光照射面７ａに対してレーザ光を２次元平面的に分散して照射することができる。

すなわち、複数の出射端部５ａのうちの１つから出射されたレーザ光が発光部７に照射されることによって形成される投影像において最も光強度が大きい部分である最大光強度部分（レーザ光照射領域の中央部分）の位置が、他の出射端部５ａに由来する投影像の最大光強度部分の位置と異なっていればよい。それゆえ、レーザ光照射領域を互いに完全に分離する必要は必ずしもない。

（半導体レーザ３の構造）
次に半導体レーザ３の基本構造について説明する。図６（ａ）は、半導体レーザ３の回路図を模式的に示したものであり、図６（ｂ）は、半導体レーザ３の基本構造を示す斜視図である。同図に示すように、半導体レーザ３は、カソード電極１９、基板１８、クラッド層１１３、活性層１１１、クラッド層１１２、アノード電極１７がこの順に積層された構成である。

基板１８は、半導体基板であり、本願のように蛍光体を励起する為の青色〜紫外の励起光を得る為にはＧａＮ、サファイア、ＳｉＣを用いることが好ましい。一般的には、半導体レーザ用の基板の他の例として、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｉＣ等のＩＶ属半導体、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂおよびＡｌＮに代表されるＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体、ＺｎＴｅ、ＺｅＳｅ、ＺｎＳおよびＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＣｒＯ_２およびＣｅＯ_２等の酸化物絶縁体、並びに、ＳｉＮなどの窒化物絶縁体のいずれかの材料が用いられる
。

アノード電極１７は、クラッド層１１２を介して活性層１１１に電流を注入するためのものである。

カソード電極１９は、基板１８の下部から、クラッド層１１３を介して活性層１１１に電流を注入するためのものである。なお、電流の注入は、アノード電極１７・カソード電極１９に順方向バイアスをかけて行う。

活性層１１１は、クラッド層１１３及びクラッド層１１２で挟まれた構造になっている。

また、活性層１１１およびクラッド層の材料としては、青色〜紫外の励起光を得る為にはＡｌＩｎＧａＮから成る混晶半導体が用いられる。一般に半導体レーザの活性層・クラッド層としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂを主たる組成とする混晶半導体が用いられ、そのような構成としても良い。また、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体によって構成されていてもよい。

また、活性層１１１は、注入された電流により発光が生じる領域であり、クラッド層１１２及びクラッド層１１３との屈折率差により、発光した光が活性層１１１内に閉じ込められる。

さらに、活性層１１１には、誘導放出によって増幅される光を閉じ込めるために互いに対向して設けられる表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５が形成されており、この表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５が鏡の役割を果す。

ただし、完全に光を反射する鏡とは異なり、誘導放出によって増幅される光の一部は、活性層１１１の表側へき開面１１４・裏側へき開面１１５（本実施の形態では、便宜上表側へき開面１１４とする）から出射され、励起光Ｌ０となる。なお、活性層１１１は、多層量子井戸構造を形成していてもよい。

なお、表側へき開面１１４と対向する裏側へき開面１１５には、レーザ発振のための反射膜（図示せず）が形成されており、表側へき開面１１４と裏側へき開面１１５との反射率に差を設けることで、低反射率端面である、例えば、表側へき開面１１４より励起光Ｌ０の大部分を発光点１０３から照射されるようにすることができる。

クラッド層１１３・クラッド層１１２は、ｎ型およびｐ型それぞれのＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、及びＡｌＮに代表されるＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体、並びに、ＺｎＴｅ、ＺｅＳｅ、ＺｎＳおよびＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体のいずれの半導体によって構成されていてもよく、順方向バイアスをアノード電極１７及びカソード電極１９に印加することで活性層１１１に電流を注入できるようになっている。

クラッド層１１３・クラッド層１１２および活性層１１１などの各半導体層との膜形成については、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、レーザアブレーション法、スパッタ法などの一般的な成膜手法を用いて構成できる。各金属層の膜形成については、真空蒸着法やメッキ法、レーザアブレーション法、スパッタ法などの一般的な成膜手法を用いて構成できる。

（発光部７の発光原理）
次に、半導体レーザ３から発振されたレーザ光による蛍光体の発光原理について説明する。

まず、半導体レーザ３から発振されたレーザ光が発光部７に含まれる蛍光体に照射されることにより、蛍光体内に存在する電子が低エネルギー状態から高エネルギー状態（励起状態）に励起される。

その後、この励起状態は不安定であるため、蛍光体内の電子のエネルギー状態は、一定時間後にもとの低エネルギー状態（基底準位のエネルギー状態または励起準位と基底準位との間の準安定準位のエネルギー状態）に遷移する。

このように、高エネルギー状態に励起された電子が、低エネルギー状態に遷移することによって蛍光体が発光する。

白色光は、等色の原理を満たす３つの色の混色、または補色の関係を満たす２つの色の混色で構成でき、この原理に基づき、半導体レーザから発振されたレーザ光の色と蛍光体が発する光の色とを、上述のように組み合わせることにより白色光を発生させることができる。

上述の半導体レーザ３を１０個設け、各半導体レーザ３から４０５ｎｍのレーザ光を受けた場合、発光部７から１５００ルーメンの光束が放射される。この場合の輝度は８０カンデラ／ｍｍ^２である。

（ヘッドランプ１の効果）
発光部をハイパワー、高光密度のレーザ光で励起すると、発光部が激しく劣化することを本発明の発明者は見出した。励起光としてＬＥＤからの出射光を用いてもハイパワー、高光密度であれば同様の問題が生じると考えられる。発光部の劣化は、発光部に含まれる蛍光体そのものの劣化とともに、蛍光体を取り囲む物質（例えば、シリコーン樹脂）の劣化によって主に引き起こされる。上述のサイアロン蛍光体は、レーザ光が照射されると６０〜８０％の効率で光を発生させるが、残りは熱となって放出される。この熱によって蛍光体を取り囲む物質が劣化すると考えられる。

この問題を考慮して、ヘッドランプ１では、光ファイバー５の出射端部５ａから出射されるレーザ光の少なくとも一部は、発光部７のレーザ光照射面７ａにおける互いに異なる領域に対して照射される。換言すれば、複数の出射端部５ａからのレーザ光は、レーザ光照射面７ａに対して一箇所に集中することなく、２次元平面的に分散して、マイルドに照射される。

それゆえ、レーザ光が発光部７の一箇所に集中的に照射されることによって発光部７が著しく劣化する可能性を低減できる。このとき、発光部７から出射される光の光束を低下させずに発光部７の劣化を防止でき、ヘッドランプに要求される輝度を実現しつつ、長寿命のヘッドランプ１を実現できる。

さらに、発光部７が長寿命になることにより、発光部７を取り替えるための手間および費用を削減することができる。

また、水平方向に広い発光部７が、その長軸に沿って配列している複数の出射端部によって励起されるため、車両用ヘッドランプの配光パターンを実現できる。この配光パターンの設定は、発光部７の形状および複数の出射端部５ａの配置によって行うことができるため、従来よりも容易に上記配光パターンを実現できる。

また、光ファイバー５は、可撓性を有しているため、出射端部５ａのレーザ光照射面７ａに対する配置を容易に変えることができる。それゆえ、レーザ光照射面７ａの形状に沿って出射端部５ａを配置することができ、レーザ光をレーザ光照射面７ａの全面にわたってマイルドに照射することができる。

また、光ファイバー５は、可撓性を有しているため、半導体レーザ３と発光部７との相対位置関係を容易に変更できる。また、光ファイバー５の長さを調整することにより、半導体レーザ３を発光部７から離れた位置に設置することができる。

それゆえ、半導体レーザ３を、冷却しやすい位置または交換しやすい位置に設置できるなど、ヘッドランプ１の設計自由度を高めることができる。

また、発光部７のレーザ光照射面７ａに対する複数の出射端部５ａの配置様式を設定することにより、発光部７からの光によって照らされる領域の照度を、当該領域内において変化させることができる。

〔実施の形態２〕
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。

半導体レーザ３は、１つのチップに１つの発光点を有するものであるが、ヘッドランプ１の励起光源として、１つのチップに複数の発光点を有するものを用いてもよい。

図７は、半導体レーザ３０の構成を示す斜視図である。同図に示すように、半導体レーザ３０は、１つのチップに５つの発光点３１を有している。各発光点３１は、波長４０５ｎｍのレーザ光を発振し、その出力は１Ｗ、１チップから発振される光の総和は５Ｗである。発光点３１は０．４ｍｍの間隔で設けられている。

このような半導体レーザ３０を用いる場合には、半導体レーザ３０の発光点３１が存在する面と対向する位置にロッド状レンズ３２を配置する。このロッド状レンズ３２は、発光点３１から発振されるレーザ光を光ファイバー５の入射端部５ｂへ入射させる。発光点３１のそれぞれに非球面レンズ４を設けてもよいが、ロッド状レンズ３２を用いることにより半導体レーザの構成を簡単にすることができる。

光ファイバー固定具３３は、複数の入射端部５ｂに発光点３１からのレーザ光が入射するように入射端部５ｂを位置決めするものである。発光点３１の間隔が０．４ｍｍであるため、入射端部５ｂも０．４ｍｍの間隔で光ファイバー固定具３３によって固定される。そのために光ファイバー固定具３３には、０．４ｍｍピッチの溝が切られている。

光ファイバー５の出射端部５ａ側の構成は、実施の形態１と同様である。

このように半導体レーザ３０を用いることにより、励起光源の構造を簡単にすることができ、励起光源の製造コストを下げることができる。

〔実施の形態３〕
本発明の他の実施形態について図８〜図１２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・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。

ここでは、本発明の照明装置の一例としてのレーザダウンライト２００について説明する。レーザダウンライト２００は、家屋、乗物などの構造物の天井に設置される照明装置であり、半導体レーザ３から出射したレーザ光を発光部７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ものである。

なお、レーザダウンライト２００と同様の構成を有する照明装置を、構造物の側壁または床に設置してもよく、上記照明装置の設置場所は特に限定されない。

図８は、発光ユニット２１０および従来のＬＥＤダウンライト３００の外観を示す概略図である。図９は、レーザダウンライト２００が設置された天井の断面図である。図１０は、レーザダウンライト２００の断面図である。図８〜図１０に示すように、レーザダウンライト２００は、天板４００に埋設され、照明光を出射する発光ユニット２１０と、光ファイバー５を介して発光ユニット２１０へレーザ光を供給するＬＤ光源ユニット２２０とを含んでいる。ＬＤ光源ユニット２２０は、天井には設置されておらず、ユーザが容易に触れることができる位置（例えば、家屋の側壁）に設置されている。このようにＬＤ光源ユニット２２０の位置を自由に決定できるのは、ＬＤ光源ユニット２２０と発光ユニット２１０とが光ファイバー５によって接続されているからである。この光ファイバー５は、天板４００と断熱材４０１との間の隙間に配置されている。

（発光ユニット２１０の構成）
発光ユニット２１０は、図１０に示すように、筐体２１１、光ファイバー５、発光部７および透光板２１３を備えている。

筐体２１１には、凹部２１２が形成されており、この凹部２１２の底面に発光部７が配置されている。凹部２１２の表面には、金属薄膜が形成されており、凹部２１２は反射鏡として機能する。

また、筐体２１１には、光ファイバー５を通すための通路２１４が形成されており、この通路２１４を通って光ファイバー５が発光部７まで延びている。光ファイバー５の出射端部５ａと発光部７との位置関係は上述したものと同様である。

透光板２１３は、凹部２１２の開口部をふさぐように配置された透明または半透明の板である。この透光板２１３は、透明板９と同様の機能を有するものであり、発光部７の蛍光は、透光板２１３を透して照明光として出射される。透光板２１３は、筐体２１１に対して取外し可能であってもよく、省略されてもよい。

図８では、発光ユニット２１０は、円形の外縁を有しているが、発光ユニット２１０の形状（より厳密には、筐体２１１の形状）は特に限定されない。

なお、ダウンライトでは、ヘッドランプの場合とは異なり、理想的な点光源は要求されず、発光点が１つというレベルで十分である。それゆえ、発光部７の形状、大きさおよび配置に関する制約は、ヘッドランプの場合よりも少ない。

（ＬＤ光源ユニット２２０の構成）
ＬＤ光源ユニット２２０は、半導体レーザ３、非球面レンズ４および光ファイバー５を備えている。

光ファイバー５の一方の端部である入射端部５ｂは、ＬＤ光源ユニット２２０に接続されており、半導体レーザ３から発振されたレーザ光は、非球面レンズ４を介して光ファイバー５の入射端部５ｂに入射される。

図１０に示すＬＤ光源ユニット２２０の内部には、半導体レーザ３および非球面レンズ４が一対のみ示されているが、発光ユニット２１０が複数存在する場合には、発光ユニット２１０からそれぞれ延びる光ファイバー５の束を１つのＬＤ光源ユニット２２０に導いてもよい。この場合、１つのＬＤ光源ユニット２２０に複数の半導体レーザ３と非球面レンズ４との対（または、複数の半導体レーザ３と１つのロッド状レンズ３２との対）が収納されることになり、ＬＤ光源ユニット２２０は集中電源ボックスとして機能する。

（レーザダウンライト２００の設置方法の変更例）
図１１は、レーザダウンライト２００の設置方法の変更例を示す断面図である。同図に示すように、レーザダウンライト２００の設置方法の変形例として、天板４００には光ファイバー５を通す小さな穴４０２だけを開け、薄型・軽量の特長を活かしてレーザダウンライト本体（発光ユニット２１０）を強力な粘着テープ等を使って天板４００に貼り付けるということもできる。この場合、レーザダウンライト２００の設置に係る制約が小さくなり、また工事費用が大幅に削減できるというメリットがある。

（レーザダウンライト２００と従来のＬＥＤダウンライト３００との比較）
従来のＬＥＤダウンライト３００は、図８に示すように、複数の透光板３０１を備えており、各透光板３０１からそれぞれ照明光が出射される。すなわち、ＬＥＤダウンライト３００において発光点は複数存在している。ＬＥＤダウンライト３００において発光点が複数存在しているのは、個々の発光点から出射される光の光束が比較的小さいため、複数の発光点を設けなければ照明光として十分な光束の光が得られないためである。

これに対して、レーザダウンライト２００は、高光束の照明装置であるため、発光点は１つでもよい。それゆえ、照明光による陰影がきれいに出るという効果が得られる。また、発光部７の蛍光体を高演色蛍光体（例えば、数種類の酸窒化物蛍光体の組み合わせ）にすることにより、照明光の演色性を高めることができる。

図１２は、ＬＥＤダウンライト３００が設置された天井の断面図である。同図に示すように、ＬＥＤダウンライト３００では、ＬＥＤチップ、電源および冷却ユニットを収納した筐体３０２が天板４００に埋設されている。筐体３０２は比較的大きなものであり、筐体３０２が配置されている部分の断熱材４０１には、筐体３０２の形状に沿った凹部が形成される。筐体３０２から電源ライン３０３が延びており、この電源ライン３０３はコンセント（不図示）につながっている。

このような構成では、次のような問題が生じる。まず、天板４００と断熱材４０１との間に発熱源である光源（ＬＥＤチップ）および電源が存在しているため、ＬＥＤダウンライト３００を使用することにより天井の温度が上がり、部屋の冷房効率が低下するという問題が生じる。

また、ＬＥＤダウンライト３００では、光源ごとに電源および冷却ユニットが必要であり、トータルのコストが増大するという問題が生じる。

また、筐体３０２は比較的大きなものであるため、天板４００と断熱材４０１との間の隙間にＬＥＤダウンライト３００を配置することが困難な場合が多いという問題が生じる。

これに対して、レーザダウンライト２００では、発光ユニット２１０には、大きな発熱源は含まれていないため、部屋の冷房効率を低下させることはない。その結果、部屋の冷房コストの増大を避けることができる。

また、発光ユニット２１０ごとに電源および冷却ユニットを設ける必要がないため、レーザダウンライト２００を小型および薄型にすることができる。その結果、レーザダウンライト２００を設置するためのスペースの制約が小さくなり、既存の住宅への設置が容易になる。

また、レーザダウンライト２００は、小型および薄型であるため、上述したように、発光ユニット２１０を天板４００の表面に設置することができ、天板裏側のスペースもほとんど必要ないためにＬＥＤダウンライト３００よりも設置に係る制約を小さくすることができるとともに工事費用を大幅に削減できる。

図１３は、レーザダウンライト２００およびＬＥＤダウンライト３００のスペックを比較するための図である。同図に示すように、レーザダウンライト２００は、その一例では、ＬＥＤダウンライト３００に比べて体積は９４％減少し、質量は８６％減少する。

また、ＬＤ光源ユニット２２０をユーザの手が容易に届く所（高さ）に設置できるため、半導体レーザ３が故障した場合でも、手軽に半導体レーザ３を交換できる。また、複数の発光ユニット２１０から延びる光ファイバー５を１つのＬＤ光源ユニット２２０に導くことにより、複数の半導体レーザ３を一括管理できる。そのため、複数の半導体レーザ３を交換する場合でも、その交換が容易にできる。

なお、ＬＥＤダウンライト３００において、高演色蛍光体を用いたタイプの場合、消費電力１０Ｗで約５００ｌｍの光束が出射できるが、同じ明るさの光をレーザダウンライト２００で実現するためには、３．３Ｗの光出力が必要である。この光出力は、ＬＤ効率が３５％であれば、消費電力１０Ｗに相当し、ＬＥＤダウンライト３００の消費電力も１０Ｗであるため、消費電力では、両者の間に顕著な差は見られない。それゆえ、レーザダウンライト２００では、ＬＥＤダウンライト３００と同じ消費電力で、上述の種々のメリットが得られることになる。

以上のように、レーザダウンライト２００は、レーザ光を出射する半導体レーザ２を少なくとも１つ備える光源ユニット２２０と、発光部７および反射鏡としての凹部２１２を備える少なくとも１つの発光ユニット２１０と、発光ユニット２１０のそれぞれへ上記レーザ光を導く光ファイバー５とを含んでいる。

光ファイバー５の複数の出射端部５ｂは、発光ユニット２１０が備える１つの発光部７に対して複数配置されており、複数配置された出射端部５ｂから出射されるレーザ光がそれぞれ有する光強度分布における最も光強度の大きい部分が、配置の対象となる発光部７の互いに異なる部分に対して照射される。

それゆえ、レーザダウンライト２００において、レーザ光が発光部７の一箇所に集中的に照射されることによって発光部７が著しく劣化する可能性を低減できる。その結果、長寿命のレーザダウンライト２００を実現できる。

（変更例）
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、励起光源として高出力のＬＥＤを用いてもよい。この場合には、４５０ｎｍの波長の光（青色）を出射するＬＥＤと、黄色の蛍光体、または緑色および赤色の蛍光体と
を組み合わせることにより白色光を出射する発光装置を実現できる。

また、励起光源として、半導体レーザ以外の固体レーザを用いてもよい。ただし、半導体レーザを用いる方が、励起光源を小型化できるため好ましい。

なお、本発明は、以下のようにも表現できる。

すなわち、本願高輝度光源は、高出力の発振が可能な半導体レーザからなる励起光源と、水平方向に長い略矩形形状を有し、前記励起光源からの励起光により発光する発光部を有しており、略矩形形状の発光部を効率よく、ムラ無く（一部に偏らず）励起するための導光部材を有している。

前記導光部材は、一つまたは複数の励起光源に光学的に結合され、他端が複数の光出射端を有する導光部材であって、前記複数の光出射端が前記略矩形形状の発光部の一面（略矩形面）に対して、（密に）整列している。

本発明は、高輝度で長寿命な発光装置、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（発光装置、照明装置、車両用前照灯）
２ 半導体レーザアレイ（励起光源）
３ 半導体レーザ（励起光源）
５ 光ファイバー（導光部）
５ａ 出射端部
５ｂ 入射端部
６ フェルール（保持部）
７ 発光部
７ａ レーザ光照射面（受光面）
８ 反射鏡
３０ 半導体レーザ（励起光源）
２００ レーザダウンライト（照明装置）

Claims (7)

1. 励起光を出射する励起光源と、
   上記励起光源が出射した励起光を受け取る少なくとも１つの入射端部と当該入射端部から入射した励起光を出射する複数の出射端部とを有する導光部と、
   上記励起光源からの励起光を受ける受光面を有し、上記複数の出射端部から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
   上記複数の出射端部を上記受光面に対して所定のパターンで保持する保持部と、を備え、
   上記複数の出射端部から出射される励起光がそれぞれ有する光強度分布における最も光強度の大きい部分が、上記発光部の互いに異なる部分に対して照射され、
   上記受光面に対して配置された出射端部の密度は、上記受光面において偏っていることを特徴とする発光装置。
2. 上記保持部の構造が、上記導光部の上記複数の出射端部を上記受光面に対して上記所定のパターンで位置決めする構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 上記受光面に対して配置された出射端部の密度は、上記受光面の他の部分と比較して中央部が高くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 上記受光面は、長軸を有しており、上記複数の出射端部の少なくとも一部は、上記長軸に沿って配列してい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. 上記導光部は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置と、
   上記発光部から出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡と、を備えることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置と、
   上記発光部から出射した光を反射することにより、所定の立体角内を進む光線束を形成する反射鏡と、を備えることを特徴とする車両用前照灯。

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