JP5737861B2 - Lighting device and vehicle headlamp - Google Patents
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本発明は、高輝度光源として機能する照明装置等に関するものである。
等に関するものである。
The present invention relates to an illumination device or the like that functions as a high-intensity light source.
Etc.
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。 In recent years, semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) are used as excitation light sources, and excitation light generated from these excitation light sources is emitted to light emitting units including phosphors. Research on light-emitting devices that use fluorescence generated by the above as illumination light has become active.
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に開示された灯具がある。この灯具では、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。
An example of a technique related to such a light emitting device is a lamp disclosed in
また、従来から、水銀ランプ等の発光管を光源として有する発光装置から出射された光の所定の小径領域への集光効率を高め、光の取り込み効率の低下を防止する研究が行われている。このような発光装置に関する技術の例として特許文献2に開示された灯具がある。この灯具では、発光装置が、光源と、光源から出射された光を反射して灯具前方に出射する反射鏡の開口部との間にレンズを備えており、光源から出射された光がこのレンズを透過することにより、レンズが無い場合に所定の小径領域に照射することができなかった光を当該領域に集光させることができる。
Conventionally, research has been conducted to increase the light collection efficiency of a light emitted from a light-emitting device having a light-emitting tube such as a mercury lamp as a light source to a predetermined small-diameter region, and to prevent a reduction in light capture efficiency. . An example of a technique related to such a light emitting device is a lamp disclosed in
しかしながら、特許文献1の灯具は、半導体発光素子及び蛍光体を含む発光部を備えているが、灯具から出射される光の利用効率を高めるために、発光部から出射される光すべてを反射鏡に照射させている。つまり、発光部から出射される光を灯具から直接出射される光としては用いていない。このため、特許文献1では、発光部から灯具前方に直接出射される光の利用効率を向上させることについては一切考慮されていない。
However, the lamp of
また、特許文献2の灯具は、投影型表示装置の光源として利用されることを想定している。この場合、光源からの光をカラーホイール(小型の液晶パネル)に照射させる必要がある。このため、この灯具が備えるレンズは、光の集光効率を高めるために、カラーホイールの一部(所定の小径領域)に確実に光を集光させる必要があるので、出射する光を所定の小径領域内に一点に集光させるか、少なくとも平行光として集光させている。
Further, it is assumed that the lamp of
つまり、特許文献2の灯具は、レンズから出射される光が少なくとも平行光である必要があり、発散光を出射することによって集光効率を高める必要がなく、また、そのような開示もない。
That is, in the lamp of
また、発光装置が例えば前照灯として利用される場合には、前方のある程度の範囲(利用者が安全に前方を確認できる範囲)に光が照射される必要あり、その上で発光装置から出射される光の発散を抑制して光の利用効率を高める必要がある。特許文献2では、出射される光のある程度の発散を許容している状況での光の利用効率については一切考慮されていない。
In addition, when the light emitting device is used as a headlamp, for example, it is necessary to irradiate light in a certain range in front (a range where the user can safely confirm the front), and then the light is emitted from the light emitting device. Therefore, it is necessary to suppress the divergence of the emitted light and increase the light utilization efficiency. In
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、出射される光の利用効率を向上させることが可能な照明装置及び車両用前照灯を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an illumination device and a vehicle headlamp capable of improving the utilization efficiency of emitted light.
本発明に係る照明装置は、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、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、上記発光部から出射された光を反射する反射鏡と、上記発光部から出射された光を屈曲するレンズと、を備え、上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、当該反射鏡から出射された光が照射される照射領域は、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡の開口領域よりも大きく、上記レンズは、上記発光部からの光を受けることにより、上記光軸、及び、上記照射領域の外縁部と上記レンズの直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成するものであることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, an illumination device according to the present invention includes an excitation light source that emits excitation light, a light emitting unit that emits light by receiving excitation light emitted from the excitation light source, and an emission unit that emits light. A reflecting mirror that reflects the reflected light and a lens that bends the light emitted from the light emitting unit, and the light emitted from the reflecting mirror is irradiated onto a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror. The irradiated region is within a region satisfying the light distribution standard of the device itself and larger than the opening region of the reflecting mirror, and the lens receives the light from the light emitting unit, so that the optical axis, and A beam bundle that travels within a solid angle formed by a straight line connecting the outer edge of the irradiation region and the end of the diameter of the lens is formed.
上記構成によれば、発光部が励起光源から出射された励起光を受けて発光するので、例えば発光時の放電を実現するためのバラストを必要とすることがなく、小型の高輝度光源を実現することができる。 According to the above configuration, since the light emitting unit receives the excitation light emitted from the excitation light source and emits light, for example, a small high-intensity light source is realized without the need for a ballast for realizing discharge during light emission. can do.
また、上記構成によれば、発光部が励起光源から出射された励起光を受けて発光し、その発光した光を反射鏡が反射する。この反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、反射鏡から出射された光が照射される照射領域は、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡の開口領域よりも大きい。また、発光部が発光した光を屈曲するレンズは、発光部からの光を受けることにより、反射鏡の光軸、及び、光の照射領域の外縁部とレンズの直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成する。 Moreover, according to the said structure, a light emission part receives the excitation light radiate | emitted from the excitation light source, light-emits, and a reflective mirror reflects the emitted light. The irradiation area where the light emitted from the reflecting mirror is irradiated on a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror is within an area satisfying the light distribution standard of the device itself and from the opening area of the reflecting mirror. Is also big. In addition, the lens that bends the light emitted from the light emitting unit receives light from the light emitting unit, so that the optical axis of the reflecting mirror and the straight line connecting the outer edge of the light irradiation region and the end of the lens diameter are connected. Forms a bundle of rays that travels within the solid angle formed by.
ここで、照明装置から出射される光は、自装置の配光基準を満たす領域(すなわち利用者が安全性や利便性等の観点から光の照射が必要とされる領域)内にのみ照射されることが好ましい。一方、照明装置の小型化が進むと、反射鏡の開口領域も小さくなる。この場合、開口領域から出射される光は、反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、一点に集光されるか、あるいは開口領域と同じ大きさを有する領域に平行光として照射される。このため、利用者の安全性や利便性等を考慮した場合、本発明の照明装置のように小型の照明装置では、出射される光が一点に集光されるか、平行光を形成するだけでは、光の利用効率が低下してしまう可能性があるので、上記の配光基準を満たす領域が、反射鏡の開口領域よりも大きくなっていることが好ましい。 Here, the light emitted from the illuminating device is irradiated only in a region that satisfies the light distribution standard of the device itself (that is, a region where the user needs to irradiate light from the viewpoint of safety, convenience, etc.). It is preferable. On the other hand, when the size of the illumination device is reduced, the opening area of the reflecting mirror is also reduced. In this case, the light emitted from the aperture region is collected at one point on a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror, or is irradiated as parallel light to a region having the same size as the aperture region. . For this reason, when considering the safety and convenience of the user, in a small illumination device such as the illumination device of the present invention, the emitted light is collected at one point or only forms parallel light. Then, since there is a possibility that the light utilization efficiency is lowered, it is preferable that the region satisfying the above-mentioned light distribution standard is larger than the opening region of the reflecting mirror.
本発明の照明装置は、反射鏡から出射された光を上記の照射領域内に照射するだけでなく、レンズを透過した光も、反射鏡の開口領域よりも大きい上記の照射領域内に照射することができる。つまり、本発明の照明装置は、発光部から出射された光が反射鏡により反射されない場合であっても、このレンズを透過するように設計されているので、反射鏡により反射されない光も上記の照射領域内に照射することができる。 The illumination device of the present invention irradiates not only the light emitted from the reflecting mirror into the irradiation area but also the light transmitted through the lens into the irradiation area larger than the opening area of the reflecting mirror. be able to. In other words, the illumination device of the present invention is designed to pass through this lens even when the light emitted from the light emitting unit is not reflected by the reflecting mirror. Irradiation can be performed within the irradiation region.
したがって、本発明の照明装置は、小型であることを考慮して、当該装置から出射される光の利用効率を向上させることができる。 Therefore, in consideration of the small size of the lighting device of the present invention, the utilization efficiency of light emitted from the device can be improved.
本発明に係る照明装置では、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、上記レンズの直径の端部は、上記受光面の外縁部と上記反射鏡の外縁部とを通る母線上にあることが好ましい。 In the illuminating device according to the present invention, the light emitting unit has a light receiving surface that receives excitation light from the excitation light source, and an end portion of the diameter of the lens includes an outer edge portion of the light receiving surface and the reflecting mirror. It is preferable that it exists on the bus-line which passes along an outer edge part.
上記構成によれば、レンズの外縁部が、受光面の外縁部と反射鏡の外縁部とを通る母線上にある。すなわち、レンズは、この母線と反射鏡の開口領域と発光部とで囲まれる領域内に設けられることとなる。 According to the said structure, the outer edge part of a lens exists on the bus line which passes along the outer edge part of a light-receiving surface, and the outer edge part of a reflective mirror. That is, the lens is provided in an area surrounded by the bus bar, the opening area of the reflecting mirror, and the light emitting portion.
ここで、発光部から出射された光が反射鏡により反射されることなく、直接自装置の前方に出射される場合には、この光は、上記の領域を進むことになる。しかし、この光が、上記の領域のうち、少なくとも受光面の外縁部と上記の照射領域の外縁部とを結ぶ直線、及び、受光面の外縁部と反射鏡の開口領域の外縁部とを結ぶ直線で囲まれる領域内を進む場合には、上記の照射領域に照射されず、その他の領域(レンズの光軸から見て照射領域の外側の領域)に照射されることになる。その他の領域に照射される光は、上記の照射領域外への照射であるので、利用者がその照明装置の利用に際して必要としていない領域への照射であり、照明装置から出射される光の利用効率を低下させる要因となるものである。 Here, when the light emitted from the light emitting unit is emitted directly in front of the apparatus without being reflected by the reflecting mirror, the light travels in the above-described region. However, this light connects at least the straight line connecting the outer edge portion of the light receiving surface and the outer edge portion of the irradiation region, and the outer edge portion of the light receiving surface and the outer edge portion of the opening region of the reflecting mirror in the above region. When traveling in a region surrounded by a straight line, the irradiation region is not irradiated, but other regions (regions outside the irradiation region as viewed from the optical axis of the lens) are irradiated. Since the light irradiated to other areas is irradiation outside the above-mentioned irradiation areas, it is irradiation to areas that the user does not need when using the lighting apparatus, and the use of light emitted from the lighting apparatus It is a factor that reduces efficiency.
したがって、レンズが、上記の母線と反射鏡の開口領域と発光部とで囲まれる領域内に設けられることにより、発光部から照射装置の前方に直接照射されていた光の上記の照射領域外への照射を確実に防止することができる。これにより、照射装置から出射される光の利用効率を向上させることができる。 Therefore, the lens is provided in a region surrounded by the bus bar, the opening region of the reflecting mirror, and the light emitting unit, so that the light directly irradiated from the light emitting unit to the front of the irradiation device is out of the irradiation region. Can be reliably prevented. Thereby, the utilization efficiency of the light radiate | emitted from an irradiation apparatus can be improved.
本発明に係る照明装置では、上記レンズは、球形であることが好ましい。 In the illumination device according to the present invention, the lens is preferably spherical.
上記構成によれば、球形のレンズの屈折率は、通常、凸レンズの屈折率よりも高い。すなわち、球形のレンズの焦点距離は、凸レンズの焦点距離よりも短い。このため、球形のレンズを凸レンズよりも発光部の近くに設置したとしても、この球形のレンズは、発光部が発光した光を屈曲することにより、上記の立体角を進む光線束を形成することができる。したがって、球形のレンズを利用することにより、レンズ自体の小型化を図ることができる。また、レンズの小型化により、照明装置の小型化を図ることができる。 According to the above configuration, the refractive index of the spherical lens is usually higher than that of the convex lens. That is, the focal length of the spherical lens is shorter than the focal length of the convex lens. For this reason, even if a spherical lens is installed closer to the light emitting part than a convex lens, this spherical lens forms a light bundle that travels the solid angle by bending the light emitted by the light emitting part. Can do. Therefore, the lens itself can be reduced in size by using a spherical lens. In addition, the size of the lens can be reduced, so that the size of the lighting device can be reduced.
本発明に係る照明装置では、上記レンズの表面には、照射された光の反射を防止する反射防止膜が設けられていることが好ましい。 In the illumination device according to the present invention, it is preferable that an antireflection film for preventing reflection of irradiated light is provided on the surface of the lens.
上記構成によれば、レンズの表面に反射防止膜が設けられているので、発光部から出射された光がレンズで反射することを防止できる。このため、レンズで反射した光が反射鏡により反射されて、上記の照射領域外に照射されるのを防止することができる。 According to the above configuration, since the antireflection film is provided on the surface of the lens, it is possible to prevent the light emitted from the light emitting unit from being reflected by the lens. For this reason, it is possible to prevent the light reflected by the lens from being reflected by the reflecting mirror and irradiated outside the irradiation area.
本発明に係る照明装置では、上記レンズは、無機材料からなることが好ましい。 In the illumination device according to the present invention, the lens is preferably made of an inorganic material.
上記発光部は、励起光が照射されることにより熱を発するので、この近くに備えられたレンズに伝熱し、その材質によってはレンズを変形させてしまう虞がある。 Since the light emitting unit emits heat when irradiated with excitation light, it may transfer heat to a lens provided near the light emitting unit, and the lens may be deformed depending on its material.
上記構成によれば、レンズが耐熱性の高い無機材料からなるので、発光部が発した熱によりレンズが変形してしまうことを防止できる。また、レンズの耐熱性が高いので、発光部が発した熱を、レンズを介して放熱することもできる。 According to the said structure, since a lens consists of an inorganic material with high heat resistance, it can prevent that a lens deform | transforms with the heat | fever which the light emission part emitted. Moreover, since the heat resistance of the lens is high, the heat generated by the light emitting unit can be radiated through the lens.
本発明に係る照明装置では、上記反射鏡には、上記光軸を中心とした穴部が形成されていることが好ましい。 In the illuminating device according to the present invention, it is preferable that a hole centered on the optical axis is formed in the reflecting mirror.
通常、照射装置は、発光部から出射された光が反射鏡により反射される場合、その反射した光が上記の照射領域に照射されるように設計されている。このため、反射鏡により反射された光が、照明装置内の部材(例えばレンズ)に照射あるいは当該部材を透過することにより、上記の照射領域外に照射されてしまう虞がある。 Usually, the irradiation device is designed such that when the light emitted from the light emitting unit is reflected by a reflecting mirror, the reflected light is irradiated onto the irradiation region. For this reason, there is a possibility that the light reflected by the reflecting mirror may be irradiated outside the irradiation region by irradiating a member (for example, a lens) in the illumination device or passing through the member.
上記構成によれば、穴部が形成された領域では、発光部から出射された光が反射しないので、穴部が形成されていない場合に反射鏡により反射された光がレンズに照射され、当該レンズを透過することにより、上記の照射領域外に照射されてしまうことを防止できる。このため、反射鏡により反射された光のレンズへの不要な透過を防止し、光の利用効率の低下を防止することができる。 According to the above configuration, in the region where the hole is formed, the light emitted from the light emitting unit does not reflect, so when the hole is not formed, the light reflected by the reflecting mirror is irradiated to the lens, By passing through the lens, it is possible to prevent the light from being irradiated outside the irradiation region. For this reason, unnecessary transmission of the light reflected by the reflecting mirror to the lens can be prevented, and a decrease in light utilization efficiency can be prevented.
本発明に係る照明装置では、上記穴部は、上記光軸に対して垂直な面で、かつ、上記レンズの直径を含む面と同じ大きさであることが好ましい。 In the illumination device according to the present invention, it is preferable that the hole is a surface perpendicular to the optical axis and the same size as a surface including the diameter of the lens.
上記構成によれば、穴部とレンズとが同じ大きさであるので、反射鏡により反射された光のレンズへの不要な透過を確実に防止することができる。 According to the above configuration, since the hole and the lens have the same size, unnecessary transmission of the light reflected by the reflecting mirror to the lens can be reliably prevented.
本発明に係る車両用前照灯は、上記に記載の照明装置と、上記照明装置を収納する筐体と、を備えるものである。本発明の車両用前照灯は、上記の照明装置を筐体に収納しているので、上記と同様の効果を奏することができる。 A vehicle headlamp according to the present invention includes the above-described lighting device and a housing that houses the lighting device. The vehicular headlamp according to the present invention has the same effect as described above since the above-described lighting device is housed in the housing.
本発明に係る照明装置は、以上のように、励起光を出射する励起光源と、上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、上記発光部から出射された光を反射する反射鏡と、上記発光部から出射された光を屈曲するレンズと、を備え、上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、当該反射鏡から出射された光が照射される照射領域は、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡の開口領域よりも大きく、上記レンズは、上記発光部からの光を受けることにより、上記光軸、及び、上記照射領域の外縁部と上記レンズの直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成する構成である。 As described above, the illumination device according to the present invention reflects an excitation light source that emits excitation light, a light emitting unit that emits light by receiving excitation light emitted from the excitation light source, and light emitted from the light emission unit. And a lens that bends the light emitted from the light emitting unit, and an irradiation area in which the light emitted from the reflecting mirror is irradiated on a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror. Is larger in an area that satisfies the light distribution standard of its own device and larger than the opening area of the reflecting mirror, and the lens receives the light from the light emitting unit, and thereby the optical axis and the irradiation area. This is a configuration in which a light beam traveling in a solid angle formed by a straight line connecting the outer edge of the lens and the end of the diameter of the lens is formed.
それゆえ、本発明の照明装置は、小型であることを考慮して、当該装置から出射される光の利用効率を向上させることができるという効果を奏する。 Therefore, the lighting device of the present invention has an effect that it is possible to improve the utilization efficiency of the light emitted from the device in consideration of the small size.
本発明の実施の一形態について図1〜図10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。 The following describes one embodiment of the present invention with reference to FIGS. Here, a headlamp (vehicle headlamp) 1 for an automobile will be described as an example of the illumination device of the present invention. However, the lighting device of the present invention may be realized as a headlamp of a vehicle other than an automobile or a moving object (for example, a human, a ship, an aircraft, a submersible craft, a rocket), or may be realized as another lighting device. Also good. Examples of other lighting devices include a searchlight, a projector, and a home lighting device.
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。
The
(ヘッドランプ1の構成)
図1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5、フェルール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、外部レンズ12、出射調整レンズ(レンズ)20および支持体21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。また、この発光装置と、出射調整レンズ20および反射鏡8とによって照明装置の基本構造が形成されている。
(Configuration of headlamp 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
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(励起光源)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。
The
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。 The semiconductor laser 3 has one light emitting point in one chip, for example, oscillates a laser beam of 405 nm (blue violet), has an output of 1.0 W, an operating voltage of 5 V, and a current of 0.6 A. It is enclosed in a package with a diameter of 5.6 mm. The laser light oscillated by the semiconductor laser 3 is not limited to 405 nm, and may be any laser light having a peak wavelength in a wavelength range of 380 nm to 470 nm. If a high-quality short-wavelength semiconductor laser that oscillates laser light having a wavelength smaller than 380 nm can be manufactured, the laser light having a wavelength smaller than 380 nm is oscillated as the semiconductor laser 3 of the present embodiment. It is also possible to use a semiconductor laser designed as described above.
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。
The aspherical lens 4 is a lens for causing laser light (excitation light) oscillated from the semiconductor laser 3 to enter an
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2参照)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。換言すれば、複数の出射端部5aは、発光部7の互いに異なる部分に対してレーザ光を出射する。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。
The
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。
The
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。 In addition, you may use what combined members other than an optical fiber, or an optical fiber and another member as a light guide member. The light guide member only needs to have at least one incident end that receives laser light oscillated by the semiconductor laser 3 and a plurality of emission ends that emit laser light incident from the incident end. For example, an incident part having at least one incident end part and an emitting part having a plurality of outgoing end parts may be formed as members different from the optical fiber, and the incident part and the outgoing part may be connected to both ends of the optical fiber. Good.
図2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。換言すれば、発光部7は、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を有している。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。
FIG. 2 is a diagram showing a positional relationship between the
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。なお、図2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。
The
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、ガラスであってもよい。
The
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。
The phosphor is of an oxynitride type, and blue, green and red phosphors are dispersed in a silicone resin. Since the semiconductor laser 3 oscillates 405 nm (blue-violet) laser light, white light is generated when the
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。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。 The semiconductor laser 3 may oscillate a 450 nm (blue) laser beam (or a so-called “blue” laser beam having a peak wavelength in a wavelength range of 440 nm to 490 nm). The phosphor is a yellow phosphor or a mixture of a green phosphor and a red phosphor. A yellow phosphor is a phosphor that emits light having a peak wavelength in a wavelength range of 560 nm to 590 nm. The green phosphor is a phosphor that emits light having a peak wavelength in a wavelength range of 510 nm or more and 560 nm or less. The red phosphor is a phosphor that emits light having a peak wavelength in a wavelength range of 600 nm to 680 nm.
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(Si3N4)にアルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)および希土類元素などを固溶させて作ることができる。 The phosphor is preferably a so-called sialon phosphor. Sialon is a substance in which a part of silicon atoms in silicon nitride is replaced with aluminum atoms and a part of nitrogen atoms is replaced with oxygen atoms. The sialon phosphor can be made by dissolving alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), rare earth elements, and the like in silicon nitride (Si 3 N 4 ).
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。 As another preferred example of the phosphor, a semiconductor nanoparticle phosphor using nanometer-sized particles of a III-V group compound semiconductor can also be used. One of the characteristics of semiconductor nanoparticle phosphors is that even if the same compound semiconductor (for example, indium phosphorus: InP) is used, the emission color can be changed by the quantum size effect by changing the particle diameter. is there. For example, InP emits red light when the particle size is about 3 to 4 nm. Here, the particle size was evaluated with a transmission electron microscope (TEM).
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。 In addition, since this phosphor is semiconductor-based, it has a short fluorescence lifetime, and can quickly radiate excitation light power as fluorescence, so that it is highly resistant to high-power excitation light. This is because the emission lifetime of the semiconductor nanoparticle phosphor is about 10 nanoseconds, which is five orders of magnitude smaller than that of a normal phosphor material having a rare earth-based emission center. Since the emission lifetime is short, absorption of excitation light and emission of fluorescence can be repeated quickly.
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。 As a result, high efficiency can be maintained against strong excitation light, and heat generation from the phosphor is reduced. Therefore, it is possible to further suppress the light conversion member from being deteriorated (discolored or deformed) by heat. Thereby, when using the light emitting element with a high light output as a light source, it can suppress more that the lifetime of a light-emitting device becomes short.
発光部7の形状および大きさは、例えば、2mm×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、2mm2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が楕円または円である筒状であってもよい。レーザ光照射面7aが円の場合の直径は、例えば2mmである。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。
The shape and size of the
また、発光部7は、図1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。
Moreover, as shown in FIG. 1, the
以上のように、半導体レーザ3から高出力のレーザ光が発光部7に照射され、発光部7がこのレーザ光を受けることができるので、例えば発光部7から放射される光束が少なくとも1200lm(ルーメン)以上、発光部7の輝度が少なくとも80cd(カンデラ)/mm2以上という高輝度・高光束のヘッドランプ1を実現することができる。さらに、高輝度のヘッドランプ1が実現されることにより、また、例えばHIDランプのように、出射光形成のための放電を行うためのバラストを必要としないので、小型のヘッドランプ1を実現することができる。
As described above, the
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。
The reflecting
また、図1に示すように、反射鏡8の光軸に対して垂直な平面に、反射鏡8から出射された光が照射される照射領域S1は、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、反射鏡8の開口領域S2よりも大きい。すなわち、反射鏡8が形成する光線束は、ヘッドランプ1の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡8の開口領域S2よりも大きい照射領域S1を、上記垂直な平面に形成する。
Further, as shown in FIG. 1, the irradiation area S1 where the light emitted from the reflecting
ここで、反射鏡8における発光部7の設置位置について説明する。発光部7の中心軸は、反射鏡8の光軸(中心軸)とほぼ一致するように設置されている。また、発光部7から出射された光が反射鏡8に照射されたとき、その反射光が形成する光線束が照射領域S1内に出射される位置(光学系焦点位置)に設置されている。この光学系焦点位置が2以上存在する場合には、発光部7は、フェルール6に近い側の位置に設置される。本実施の形態では、反射鏡の開口領域S2の直径は30mm、反射鏡8の開口領域S2から底部(穴部30が形成されている領域)までの長さ(深さ)は40mmであり、開口領域S2から35mmの位置を光学系焦点位置として発光部7が設けられている。つまり、反射鏡8として、光学系焦点位置が深い反射鏡(開口領域S2から底部側に離れた位置に光学系焦点位置がある光学系)を用いているので、照射領域S1外に照射される不要な光を少なくすることができる。
Here, the installation position of the
透明板9は、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い。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。
The
ハウジング(筐体)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。
The housing (housing) 10 forms the main body of the
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。
The
外部レンズ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、外部レンズ12を通ってヘッドランプ1の前方へ出射される。
The
出射調整レンズ20は、反射鏡8から出射される光のうち、特に発光部7から直接出射されていた光を照射領域S1内に照射するように、その光の出射方向を調整するものである。換言すれば、出射調整レンズ20は、発光部7から出射された光を屈曲するものであり、発光部7からの光を受けることにより、反射鏡8の光軸、及び、照射領域S1の外縁部と出射調整レンズ20の直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成するものである。図1では、この直線は、照射領域S1の外縁部G及びHと、出射調整レンズ20の直径の端部C及びDとをそれぞれ結んで形成される。
The
この出射調整レンズ20は、図1では、材質LaSFN9(屈折率:1.85〜1.89)、直径6mm、焦点距離2.7〜2.8mmの球形レンズであり、発光部7のレーザ光照射面7aとは反対側の表面(白色光を出射する発光部7の表面のうち、フェルール6から最も遠い表面であり、出射調整レンズ20と対向する表面)である発光面7b(図2参照)から2.7mm前方に設置されている。つまり、出射調整レンズ20は、その焦点位置に発光部7の発光面7bの中心が位置するように設置されている。なお、出射調整レンズ20の材質としては、これに限らず、BK(ボロシリケート・クラウン)7や、無機ガラス及びプラスチックの組合せなどの無機材料でもよく、メタクリル酸メチル、ポリカーボネイトなどの有機材料であってもよいが、出射調整レンズ20の耐熱性を考慮すれば、その材質として無機材料を選択することが好ましい。無機材料は、耐熱性に優れているので、出射調整レンズ20の熱変形を防ぐことができるというだけでなく、発光部7が発した熱を、出射調整レンズ20を介して放熱できるという副次的な効果も得ることが可能である。
In FIG. 1, the
なお、出射調整レンズ20は、球形レンズに限らず、例えば図3に示すような両凸レンズであってもよい。図3は、ヘッドランプ1の変形例を示す断面図である。この場合、出射調整レンズ20としては、例えば、材質BK7、直径6mm、焦点距離6.4mmの両凸レンズとなる。つまり、両凸レンズである出射調整レンズ20は、球形の場合よりもその焦点距離が長くなるので、発光部7から離れた位置(反射鏡8の開口領域S2側)に設置される。この他、出射調整レンズ20は、材質BK7、直径6mm、焦点距離8mmの平凸レンズであってもよいが、平凸レンズの焦点距離が球形レンズ及び両凸レンズよりも長いので、これらのレンズよりも発光部7から離れた位置に設置されることとなる。発光部7の近くに設置することができれば、出射調整レンズ20の大きさを小さくすることができるので、この点を考慮すれば、出射調整レンズ20として球形レンズを設置することが好ましい。
The
また、出射調整レンズ20は、その直径の端部が、レーザ光照射面7aの外縁部と反射鏡8の外縁部とを通る母線上となるように設置されている。図1では、出射調整レンズ20の直径の端部C及びDが、レーザ光照射面7aの外縁部E及びFと開口領域S2の外縁部A及びBとをそれぞれ通る母線L1及びL2上にある。なお、この母線上に出射調整レンズ20を設置する理由については後述する。
Further, the
また、出射調整レンズ20の表面には、照射された光の反射を防止する反射防止膜が設けられている。上述のように、出射調整レンズ20の耐熱性を考慮すれば、反射防止膜の材質としても無機材料を選択することが好ましい。
Further, an antireflection film for preventing the reflection of the irradiated light is provided on the surface of the
出射調整レンズ20の表面に反射防止膜を設けない場合、発光部7から出射された光が出射調整レンズ20の表面(例えば発光面7bと対向する表面)で反射し、反射鏡8に照射される可能性がある。反射鏡8が、発光部7から直接出射された光だけでなく、発光部7以外の部材から出射された光も照射領域S1に照射することは、その調整が非常に複雑となるので、現実的には非常に困難である。このため、本実施の形態では、反射鏡8は、少なくとも発光部7からの光を照射領域S1に照射できるように設計されている。したがって、この設計において反射防止膜を設けない場合には、発光部7以外の部材から出射され、反射鏡8が反射した光が、照射領域S1内に出射されるとは限らない。
When an antireflection film is not provided on the surface of the
一方、出射調整レンズ20の表面に反射防止膜を設けた場合には、発光部7から出射された光の出射調整レンズ20での反射を防止できるので、出射調整レンズ20で反射した光が反射鏡8により反射されて、照射領域S1外に照射されるのを防止できる。なお、反射鏡8が、発光部7以外の部材からの光も照射領域S1に照射することができる場合には、出射調整レンズ20の表面に反射防止膜を設ける必要はない。
On the other hand, when an antireflection film is provided on the surface of the
支持体21は、反射鏡8に固定され、出射調整レンズ20を支持するものであり、例えば透明板9と同一材料からなる。図1では、支持体21は、直径の端部Dを含む出射調整レンズ20の表面に沿って支持している。支持体21は、出射調整レンズ20を反射鏡8内の光学系焦点位置に設置することが可能なものであり、反射鏡8が反射した光及び出射調整レンズ20を透過した光の妨げとなりにくい位置に設置されていることが好ましい。また、支持体21は、この光の妨げとなりにくい材質からなることが好ましい。
The
なお、ヘッドランプ1は、出射調整レンズ20の代わりに、図4に示すように、出射調整レンズ20と支持体21とが一体となった出射調整レンズ(レンズ)20Aを備えていてもよい。図4は、出射調整レンズ20Aと発光部7との位置関係を示す斜視図である。出射調整レンズ20Aは、出射調整レンズ20と同じ材質からなる矩形状の板の中心部に出射調整レンズ20と同じ大きさのレンズが形成され、その中心軸と発光部7の中心軸とが一致するように設けられている。また、出射調整レンズ20Aの長手方向の長さは、反射鏡8の光学系焦点位置とほぼ同じ長さとなるように形成されており、出射調整レンズ20Aを光学系焦点位置に嵌め込むことが可能なようになっている。この場合、反射鏡8には、出射調整レンズ20の4隅を光学系焦点位置に嵌着可能な嵌着部が形成されていてもよい。なお、出射調整レンズ20Aの形状および材質は、上記に限らず、出射調整レンズ20と同じ機能を発揮し、反射鏡8に嵌着可能な構成を実現できればよい。
The
出射調整レンズ20Aを用いる場合には、例えば出射調整レンズを交換するときに、光軸調整を行うことなく、出射調整レンズ20Aを反射鏡8に嵌着するだけでよい。すなわち、出射調整レンズ20Aを用いることにより、レンズ交換時の利用者の手間を省くことができる。
When the
また、反射鏡8には、その光軸を中心とした穴部30が形成されている。この穴部30は、発光部7が出射した光が反射鏡8により反射され、その反射した光が出射調整レンズ20を透過することを防ぐために設けられている。また、穴部30は、反射鏡8の光軸に対して垂直な面で、かつ、出射調整レンズ20の直径を含む面と同じ大きさである。この場合、反射鏡8により反射された光の出射調整レンズ20への不要な透過を確実に防止することができる。なお、穴部30を設ける具体的な理由については後述する。
The reflecting
(出射調整レンズ20の設置位置について)
次に、出射調整レンズ20の設置位置について、図5〜図8を用いて説明する。すなわち、図1に示す直線L1及びL2上に、出射調整レンズ20を設置する理由について説明する。図5及び図6は、発光部7から出射された光が、ヘッドランプの前方に直接出射される場合の照射領域S1への照射可否を説明するための図である。なお、図5及び図6では、発光部7及び反射鏡8を備え、発光部7にレーザ光が照射され、発光部7により変換された光を反射鏡8の前方に出射するヘッドランプ100を示すものであり、ヘッドランプ1のように出射調整レンズ20を備えていないものとする。また、図7及び図8は、発光部7から出射された光の進む様子を示す図である。
(About the installation position of the emission adjusting lens 20)
Next, the installation position of the
図5は、反射鏡8の内部に光学系焦点位置があり、その位置に発光部7が設置されている場合を示している。すなわち、図5は、反射鏡8の開口領域S2が発光部7よりも前方にあり(反射鏡8が深く)、反射鏡8内部に発光部7が設けられている場合を示すものである。
FIG. 5 shows a case where the optical system focal position is inside the reflecting
図5の直線L3及びL4は、発光部7のレーザ光照射面7aの外縁部E及びFを通り、かつ、反射鏡8の開口領域S2の外縁部A及びBと照射領域S1の外縁部G及びHとをそれぞれ結んだ直線(図1参照)と平行な直線である。発光部7から出射され、反射鏡8により反射されない光のうち、この直線L3及びL4と反射鏡8の光軸Laとにより形成される立体角内を通る光は、照射領域S1内に照射される一方、それ以外の立体角内(直線L1及びL2と直線L3及びL4とによりそれぞれ形成される立体角内;図5の領域P)を通る光は、照射領域S1内に照射されないので、不要な方向へ向かう光となる。つまり、直線L3及びL4は、反射鏡8により反射されずに前方に出射される光が照射領域S1に照射されるか否かの境界線を示している。
The straight lines L3 and L4 in FIG. 5 pass through the outer edges E and F of the laser
また、図6は、反射鏡8の外部に光学系焦点位置があり、その位置に発光部7が設置されている場合を示している。すなわち、図6は、反射鏡8の開口領域S2が発光部7よりも後方にあり(反射鏡8が浅く)、反射鏡8外部に発光部7が設けられている場合を示すものである。
FIG. 6 shows a case where the optical system focal position is outside the reflecting
この場合、直線L3及びL4は、図1に示す上記の点A及びBと点G及びHとをそれぞれ結んだ直線と平行であるので、この直線L3及びL4と光軸Laとにより形成される立体角は図5の場合と同じとなる。一方、直線L1及びL2と光軸Laとにより形成される立体角は、図5の場合と比較して大きくなる。したがって、照射領域S1内に照射される光線束は、図5の場合と同じであるが、照射領域S1内に照射されない光線束(不要な方向へ向かう光:図6の領域Qを通る光)は、図5の場合よりも大きくなってしまう。 In this case, since the straight lines L3 and L4 are parallel to the straight lines connecting the points A and B and the points G and H shown in FIG. 1, they are formed by the straight lines L3 and L4 and the optical axis La. The solid angle is the same as in FIG. On the other hand, the solid angle formed by the straight lines L1 and L2 and the optical axis La is larger than that in the case of FIG. Therefore, the light beam irradiated in the irradiation region S1 is the same as in FIG. 5, but the light beam not irradiated in the irradiation region S1 (light traveling in an unnecessary direction: light passing through the region Q in FIG. 6). Becomes larger than the case of FIG.
発光部7から出射した光で、反射鏡8の前方に直接出射される光の光線束のうち、不要な方向へ出射される光の光線束の割合は、反射鏡8の深さに依存するものであるが、図5のように、ヘッドランプ100に深い反射鏡8を使用した場合であっても25%〜40%程度、図6のように、ヘッドランプ100に浅い反射鏡8を使用した場合には50%〜75%程度にもなる。すなわち、所望の方向にある照射領域S1に出射される光は、発光部7から出射した光で、かつ、反射鏡8の前方に直接出射される光のうちの25%〜75%しかなく、この値がヘッドランプ100から出射される光の利用効率となる。つまり、ヘッドランプ100から出射される光の利用効率を向上させるためには、領域P及びQを通る、発光部7から出射された光を、照射領域S1内に照射させる必要がある。
The ratio of the light beam emitted from the
本実施の形態のヘッドランプ1には、上述のように、発光部7の前方に出射調整レンズ20が設置されている。このため、図7に示すように、発光部7から反射鏡8の前方に直接出射されていた光が出射調整レンズ20を透過することにより、その光を照射領域S1内に照射できる。このため、照射領域S1外に照射される光を少なくすることができるので、光の利用効率を向上させることができる。また、出射調整レンズ20として両凸レンズを使用した場合(図3参照)も、図8に示すように、発光部7から反射鏡8の前方に直接出射されていた光が出射調整レンズ20を透過することにより、その光を照射領域S1内に照射できる。
In the
ここで、ヘッドランプ1は、発光部7の高輝度化及び小型化を図ることにより、その小型化を実現している。このため、発光部7の前方にレンズを設けて、反射鏡8の光軸に対して垂直な平面に、一点に集光させる、あるいは、開口領域S2と同じ大きさを有する領域に平行光として照射させるだけでは、上記領域P及びQを通る光を少なくすることはできるが、利用者の安全性や利便性等を考慮した場合には光の利用効率を低下させてしまうことになりかねない。
Here, the
しかし、出射調整レンズ20は、反射鏡8により反射されずに、発光部7から反射鏡8の前方に直接出射されていた光を受けて屈曲することにより、ヘッドランプ1の配光基準を満たし、かつ、反射鏡8の開口領域S2よりも大きい領域である照射領域S1に照射することができる。これにより、ヘッドランプ1は、照射領域S1外の不要な方向へ出射される光を少なくすることができるので、反射鏡8の前方に出射される光の利用効率を向上させることができる。
However, the
なお、ヘッドランプ1では、例えば図1及び図3に示す直線L1及びL2のなす角度が45°、出射調整レンズ20表面の反射率が5%である場合には、その光の利用効率を、出射調整レンズ20無しの場合と比べて、15%向上させることができると想定される。また、直線L1及びL2のなす角度が90°、出射調整レンズ20表面の反射率が5%である場合には、30%向上させることができると想定される。
In the
また、光の利用効率の向上により、従来よりも明るい照射光を得ることが可能なヘッドランプ1を実現することができる。さらに、従来よりも明るい光を出射することができるので、従来のヘッドランプと同じ明るさの照射光を出射する場合には、従来のヘッドランプよりも少ない消費電力で出射することができる。
Further, by improving the light use efficiency, it is possible to realize the
また、本実施の形態では、光の利用効率を100%に近づけるために、図1に示すように、深い反射鏡8を使用し、出射調整レンズ20の直径の端部C及びDがそれぞれ直線L1及びL2上となるようにその屈折率及び設置位置を調整している。深い反射鏡8を使用することにより、発光部7から反射鏡8の開口領域S2までの距離を十分長くすることができるので、上記領域P及びQを通る光線束を少なくすることができる。また、直線L1及びL2間に出射調整レンズ20を設置することにより、上記領域P及びQを通る光がこの出射調整レンズ20を透過することができるので、不要な方向へ向かう光(照射領域S1外に照射される光)をほとんど無くすことができる。
Further, in the present embodiment, in order to make the light use efficiency close to 100%, as shown in FIG. 1, the deep reflecting
また、本実施の形態では、発光部7は、半導体レーザ3から出射されたレーザ光を受けて発光することにより白色光に変換しているので、その大きさを十分に小さくすることができる。発光部7の小型化にあわせて、その直径の端部が、レーザ光照射面7aの外縁部と反射鏡8の外縁部とを通る母線上にある出射調整レンズ20を小型化することができる。また、出射調整レンズ20の小型化により、たとえ反射鏡8に穴部30が形成されていなくても、反射鏡8が反射した光で、かつ、出射調整レンズ20を透過する光の光線束を少なくすることができる。なお、反射鏡8に穴部30を形成した場合には、より確実にこの光線束を少なくすることができる。
Further, in the present embodiment, the
(穴部30について)
次に、図9を用いて、ヘッドランプ1に穴部30を設ける具体的な理由について説明する。図9は、穴部30を設ける理由を説明するための図であり、(a)は、発光部7から出射され、反射鏡8により反射された光が進む様子を示す図であり、(b)は、発光部7の前方に両凸レンズを備えた場合の反射鏡8により反射された光が進む様子を示す図である。
(About hole 30)
Next, a specific reason for providing the
図9(a)に示すように、ヘッドランプ100では、発光部7から出射された光は、反射鏡8で反射され、その前方に出射される。反射鏡8は、通常、反射した光が照射領域S1に照射されるように設計されている。このため、出射調整レンズ20が設けられていない場合には、反射した光の進行方向に、その光を遮る、もしくは、その方向に変化を与えるような部材が無いので、反射した光は、所望の方向に(照射領域S1に照射されるように)進む。
As shown in FIG. 9A, in the
一方、図9(b)に示すように、発光部7の前方に出射調整レンズ20を設けた場合、反射鏡8により反射された光の一部は、出射調整レンズ20を透過する。これにより、出射調整レンズ20に照射される、反射鏡8が反射した光は、発光部7から出射された光とは入射角度が異なるため、中心軸付近を除いては、集光された後、照射領域S1外へと発散してしまう。つまり、出射調整レンズ20に照射される、反射鏡8が反射した光は、反射鏡8に投影される出射調整レンズ20の投影像とほぼ同じ領域(やや小さい領域)において反射された光であり、この光が出射調整レンズ20を透過すると、その向きは所望の方向ではなくなってしまう。なお、この領域は、反射鏡8における出射調整レンズ20の占有領域(真正面からヘッドランプ1を見た時の反射鏡8の全領域に占める出射調整レンズ20の領域)とほぼ同じ領域ともいえる。
On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the
このため、図1に示すように、反射鏡8にその光軸を中心とした穴部30を形成することにより、穴部30が形成された領域(上記の占有領域の少なくとも一部)では、発光部7から出射された光が反射しない。つまり、図1に示す反射鏡8の位置に穴部30を形成することにより、出射調整レンズ20を透過する、反射鏡8が反射した光の光線束、すなわち不要な方向に出射される光を少なくすることで、ヘッドランプ1における光の利用効率の低下を防止することができる。なお、レーザ光を反射鏡8内に導入するための穴部は少なくとも必要であるが、出射調整レンズ20を透過することにより不要な方向に出射されてしまう光の光線束は、ヘッドランプ1全体から出射される光の光線束に比べ十分に少ないので、この光の照射方向を考慮しない場合には、ヘッドランプ1に穴部30を設けなくてもよい。
For this reason, as shown in FIG. 1, by forming the
また、より光の利用効率を向上させるためには、反射鏡8が反射した光すべてが出射調整レンズ20を透過しないようにヘッドランプ1が構成されていればよい。この場合、穴部30の大きさを、少なくとも光軸に垂直な面で、かつ、出射調整レンズ20の直径を含む面と同じ大きさとすればよい。これにより、反射鏡8により反射された光が出射調整レンズ20を透過することがなくなり、出射調整レンズ20への不要な透過を確実に防止することができる。
Further, in order to further improve the light utilization efficiency, the
(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10(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10(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。
(Structure of semiconductor laser 3)
Next, the basic structure of the semiconductor laser 3 will be described. FIG. 10A schematically shows a circuit diagram of the semiconductor laser 3, and FIG. 10B is a perspective view showing the basic structure of the semiconductor laser 3. As shown in the figure, the semiconductor laser 3 has a configuration in which a
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、Al2O3、SiO2、TiO2、CrO2およびCeO2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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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、AlGaInAsPNSb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、ZnMgSSeTe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。
As the material for the
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。
The
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。
Further, the
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。
However, unlike a mirror that completely reflects light, a part of the light amplified by stimulated emission is obtained by cleaving the front side cleaved
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。
Note that a reflective film (not shown) for laser oscillation is formed on the back side cleaved
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。
The
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。
As for film formation with each semiconductor layer such as the
(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。
(Light emission principle of the light emitting unit 7)
Next, the light emission principle of the phosphor by the laser light oscillated from the semiconductor laser 3 will be described.
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。
First, the laser light oscillated from the semiconductor laser 3 is irradiated onto the phosphor included in the
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。 Since this excited state is unstable, the energy state of the electrons in the phosphor is changed to the original low energy state after a certain time (the energy state of the ground level or the level between the excited level and the ground level). Transition to a stable level energy state).
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。 In this way, the phosphors emit light when electrons excited to the high energy state transition to the low energy state.
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。 White light can be composed of a mixture of three colors that satisfy the principle of equal color, or a mixture of two colors that satisfy the relationship of complementary colors. Based on this principle, the color of the laser light emitted from the semiconductor laser and the phosphor White light can be generated by combining the color of emitted light as described above.
(本発明の別の表現)
本発明は、以下のようにも表現できる。
(Another expression of the present invention)
The present invention can also be expressed as follows.
すなわち、本発明に係るレーザ照明光源(照明装置)は、励起光源である半導体レーザから発せられた励起光により、蛍光体発光部を発光させ、反射光学系によって所定の方向へ光線束を放射するレーザ照明光源であって、蛍光体発光部の前面(反射光学系の開口部側)に小型レンズを更に有し、反射光学系の開口部の外縁と蛍光体発光部とを結ぶ錐線を小型レンズの有効径とするものである。 That is, the laser illumination light source (illumination device) according to the present invention causes the phosphor light emitting portion to emit light by the excitation light emitted from the semiconductor laser that is the excitation light source, and radiates the light beam in a predetermined direction by the reflection optical system. A laser illumination light source that further has a small lens on the front surface of the phosphor light emitting part (opening side of the reflecting optical system), and a small cone line connecting the outer edge of the reflecting optical system opening and the phosphor light emitting part. The effective diameter of the lens.
(補足)
本発明は上述した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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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。
(Supplement)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
例えば、本実施の形態では、発光部7と出射調整レンズ20とが離れた構成となっているが、これに限らず、これらの部材が接していてもよい。また、これらの部材が一体形成されていてもよい。この場合には、発光部7から出射された光を照射領域S1に照射することが可能な屈折率を有していることが必要となるが、出射調整レンズ20をさらに小さくすることができるので、レーザ光入射分(例えば光ファイバー分)以外の穴部を反射鏡8に設けなくても不要な方向への光の出射を抑制することができる。
For example, in the present embodiment, the
本発明は、出射される光の利用効率を向上させることが可能な照明装置を提供するものであり、例えば車両用のヘッドランプやダウンライトなどの室内用照明装置に適用することができる。 The present invention provides an illuminating device that can improve the utilization efficiency of emitted light, and can be applied to indoor illuminating devices such as headlamps and downlights for vehicles.
1 ヘッドランプ(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)
7 発光部
7a レーザ光照射面(受光面)
8 反射鏡
10 ハウジング(筐体)
20 出射調整レンズ(レンズ)
20A 出射調整レンズ(レンズ)
30 穴部
S1 照射領域
S2 開口領域
1 Headlamp (lighting device, vehicle headlamp)
2 Semiconductor laser array (excitation light source)
3 Semiconductor laser (excitation light source)
7
20 Output adjustment lens (lens)
20A Output adjustment lens (lens)
30 hole S1 irradiation area S2 opening area
Claims (7)
上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
上記発光部から出射された光を反射する反射鏡と、
上記発光部から出射された光を屈曲するレンズと、を備え、
上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、当該反射鏡から出射された光が照射される照射領域が、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡の開口領域よりも大きくなるように、上記反射鏡が設計されており、
上記レンズは、上記発光部からの光を受けることにより、上記光軸、及び、上記照射領域の外縁部と上記レンズの直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成し、
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、
上記レンズの直径の端部は、上記受光面の外縁部と上記反射鏡の外縁部とを通る母線上にあり、
上記レンズは、上記発光部および上記反射鏡の開口部から離間し、かつ、上記反射鏡の開口部と上記発光部との間に配置されていることを特徴とする照明装置。 An excitation light source that emits excitation light;
A light emitting unit that emits light in response to excitation light emitted from the excitation light source;
A reflecting mirror that reflects the light emitted from the light emitting unit;
A lens that bends the light emitted from the light emitting unit,
An irradiation area in which light emitted from the reflecting mirror is irradiated on a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror is within an area satisfying the light distribution standard of the device itself, and an opening area of the reflecting mirror The reflector is designed to be larger than
The lens receives the light from the light emitting part, thereby causing the light beam traveling in a solid angle formed by a straight line connecting the optical axis and an outer edge part of the irradiation area and an end part of the diameter of the lens. Forming ,
The light emitting unit has a light receiving surface that receives excitation light from the excitation light source,
The end of the diameter of the lens is on the generatrix passing through the outer edge of the light receiving surface and the outer edge of the reflector,
The illumination device characterized in that the lens is spaced apart from the light emitting portion and the opening of the reflecting mirror, and is disposed between the opening of the reflecting mirror and the light emitting portion .
上記励起光源から出射された励起光を受けて発光する発光部と、
上記発光部から出射された光を反射する反射鏡と、
上記発光部から出射された光を屈曲するレンズと、を備え、
上記反射鏡の光軸に対して垂直な平面に、当該反射鏡から出射された光が照射される照射領域が、自装置の配光基準を満たす領域内で、かつ、当該反射鏡の開口領域よりも大きくなるように、上記反射鏡が設計されており、
上記レンズは、上記発光部からの光を受けることにより、上記光軸、及び、上記照射領域の外縁部と上記レンズの直径の端部とを結ぶ直線が形成する立体角内を進む光線束を形成し、
上記反射鏡には、上記光軸を中心とした穴部が形成されており、
上記穴部は、上記光軸に対して垂直な面で、かつ、上記レンズの直径を含む面と同じ大きさであることを特徴とする照明装置。 An excitation light source that emits excitation light;
A light emitting unit that emits light in response to excitation light emitted from the excitation light source;
A reflecting mirror that reflects the light emitted from the light emitting unit;
A lens that bends the light emitted from the light emitting unit,
An irradiation area in which light emitted from the reflecting mirror is irradiated on a plane perpendicular to the optical axis of the reflecting mirror is within an area satisfying the light distribution standard of the device itself, and an opening area of the reflecting mirror The reflector is designed to be larger than
The lens receives the light from the light emitting part, thereby causing the light beam traveling in a solid angle formed by a straight line connecting the optical axis and an outer edge part of the irradiation area and an end part of the diameter of the lens. Forming,
The reflecting mirror is formed with a hole centered on the optical axis,
It said holes are in a plane perpendicular to the optical axis, and lighting devices you being a same size as the plane including the diameter of the lens.
上記照明装置を収納する筐体と、を備えることを特徴とする車両用前照灯。 The lighting device according to any one of claims 1 to 6 ,
A vehicle headlamp comprising: a housing that houses the lighting device.
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