JP5988705B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、照明対象物をムラ無く照明する照明装置に関する。
近年、小型の固体光源と光ファイバとを組み合わせたファイバ光源が開発されている。このファイバ光源は、撮像ユニットと組み合わされており、細長い構造物の先端部から光を出射する照明装置として利用されている。このファイバ光源は、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1は、固体光源が用いられている長寿命かつ高出力の発光装置を開示している。
この発光装置において、小型の固体光源は光ファイバ等である導光部材と接続し、導光部材の先端部は保持部材に保持されている。導光部材の先端部には蛍光体等である波長変換部材が配設されている。導光部材の先端部と波長変換部材との間には、スペーサが配設されている。このスペーサは貫通孔を有しており、貫通孔の周面には反射部である金属の薄膜が配設されている。
薄膜は、波長変換部材から導光部材側に出射された後方出射光を、波長変換部材に戻るように反射する。これにより後方出射光は、照明光として利用される。
特開2009−3228号公報
特許文献1において、波長変換部材は、スペーサの出射側開口部全面を覆っている。このため、導光部材から出射された光は波長変換部材に確実に入射し、さらに後方出射光は薄膜によって反射されて波長変換部材に確実に再入射する。
しかし、一般的に、波長変換部材は、自ら波長変換した波長変換光の一部を光散乱する散乱機能、また波長変換光を吸収する吸収機能を有している。これにより、本来外部に出射される光が波長変換部材により散乱され他の部材に吸収されてしまったり、波長変換部材に吸収されたりして、光量が低下してしまう。このように光の利用効率は、十分に確保されない。
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、光の利用効率を十分に確保できる照明装置を提供することを目的とする。
本発明は目的を達成するために、1次光を出射する光源ユニットと、前記光源ユニットから出射された前記1次光を照射されることで機能する光学ユニットとを有する照明装置であって、前記光源ユニットは、前記1次光を前記光学ユニットに出射する1次光出射部を有し、前記光学ユニットは、前記1次光出射部と光学的に接続し、前記1次光出射部から出射された前記1次光が入射する1次光入射部と、前記1次光入射部から離間して配設され、前記1次光入射部から入射された前記1次光を照射されることによって前記1次光の光学特性を変換し、前記1次光とは異なる2次光を生成する光変換部材と、前記1次光と前記2次光との少なくとも一方を照明光として外部に出射する照明光出射部と、前記1次光出射部が出射する前記1次光の中心軸を光軸と称し、光軸方向において前記1次光出射部側を後方と称し、前記光軸方向において前記光変換部材側を前方と称し、前記光軸に直交する方向を側方と称し、前記1次光と前記2次光とが透過するように、前記1次光入射部と前記光変換部材との間に配設され、さらに前記1次光入射部から前記照明光出射部まで少なくとも一部が連続して配設されている光透過部材と、前記光変換部材を含む前記光透過部材の周面に配設され、前記1次光と前記2次光とを反射する反射部と、前記照明光出射部に配設され、前記照明光出射部から出射される前記照明光としての前記1次光の密度を低減し、前記1次光の出射角度を拡大する角度拡大部として機能する低減部と、を有し、前記照明光出射部は、前記光透過部材に配設され、前記1次光入射部から入射した前記1次光が前記光透過部材のみを介して直進して入射し前記光透過部材以外の部材に入射せずに到達できる領域に配設される第2出射部と、前記領域以外に配設される第1出射部と、を有し、前記低減部は、前記第2出射部に直接形成されることを特徴とする照明装置を提供する。
本発明によれば、光の利用効率を十分に確保できる照明装置を提供することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る照明装置の概略図である。 図2Aは、光学ユニットにおける1次光の進行状況を示す図である。 図2Bは、図2Aに示す光学ユニットを照明光出射部側から見た図である。 図3Aは、凹凸部の形状の一例を示す図である。 図3Bは、凹凸部の形状の一例を示す図である。 図3Cは、凹凸部の形状の一例を示す図である。 図3Dは、凹凸部の形状の一例を示す図である。 図4は、低減部が第1出射部にも形成されている場合の光学ユニットを示す図である。 図5Aは、第1の実施形態の第1の変形例における光学ユニットの一例を示す図である。 図5Bは、第1の実施形態の第1の変形例における光学ユニットの一例を示すである。 図5Cは、第1の実施形態の第1の変形例における光学ユニットの一例を示すである。 図6は、第1の実施形態の第2の変形例における光学ユニットの概略図である。 図7は、第1の実施形態の第3の変形例における光学ユニットの概略図である。 図8は、第1の実施形態の第4の変形例における光学ユニットの概略図である。 図9は、第1の実施形態の第5の変形例における光学ユニットの概略図である。 図10Aは、第2の実施形態における光学ユニットを照明光出射側から見た図である。 図10Bは、図10Aに示す10B−10B線における断面図である。 図10Cは、図10Aに示す10C−10C線における断面図である。 図11Aは、第2の実施形態の第1の変形例における光学ユニットを照明光出射側から見た図である。 図11Bは、図11Aに示す11B−11B線における断面図である。 図11Cは、図11Aに示す11C−11C線における断面図である。 図12は、第3の実施形態における光学ユニットの概略図である。 図13は、第3の実施形態の第1の変形例における光学ユニットの概略図である。
[第1の実施形態]
[構成]
図1と図2Aと図2Bとを参照して第1の実施形態について説明する。
なお以下において、1次光出射部25が出射する1次光13aの中心軸を光軸11と称する。
また光軸方向において、1次光出射部25側を後方と称し、光変換部材43側を前方と称し、光軸11に直交する方向を側方と称する。
[照明装置10]
図1に示すように、照明装置10は、1次光13aを出射する光源ユニット200と、光源ユニット200から出射された1次光13aを照射されることで機能する光学ユニット400を有している。
[光源ユニット200]
図1に示すように、光源ユニット200は、例えば励起光である1次光13aを出射する1次光源21と、1次光源21から出射された1次光13aを集光する図示しない集光レンズと、集光レンズによって集光された1次光13aが入射し、1次光13aを光学ユニット400に向かって導光する導光部材である光ファイバ23と、光ファイバ23の端部に配設され、光ファイバ23によって導光された1次光13aを光学ユニット400に出射する1次光出射部25とを有している。
[1次光源21]
図1に示すような1次光源21は、例えば、高い直進性を有する1次光13aを出射し、光ファイバ23への1次光13aの入射効率が高く、エネルギーの利用効率が高く、消費電力が低く、小型という特性を有する点光源である。1次光源21は、光学ユニット400の光変換部材43を励起及び発光させる1次光13aを出射する。このような1次光源21は、例えば青色のレーザ光等を出射する半導体レーザ光源などである。1次光源21は、図示しない集光レンズを介して光ファイバ23と光学的に接続している。
[光ファイバ23]
図1に示すように、光ファイバ23は、例えば、柔軟性と可撓性とを有し、湾曲可能で、細長い円柱形状を有している。光ファイバ23は、1次光13aを効率よく導光する光学特性を有しており、例えばガラスやプラスチックなどによって形成されている。光ファイバ23は、例えばマルチファイバーモードの光ファイバ23である。例えば、光ファイバ23のコア径は50μm、開口数FNAは0.2となっている。光ファイバ23は、1次光13aが大きなエネルギーロスなく1次光出射部25から前方に向けて出射されるように、1次光13aを高効率に前方に導光する光学特性を有している。このとき、1次光13aの出射角度は、光ファイバ23の開口数や後述する光透過部材47などの屈折率によって決まる。
[1次光出射部25]
図1に示すように、1次光出射部25は、1次光13aを出射する出射面であり、光ファイバ23の端面である。1次光出射部25は、光ファイバ23の形状に対応する形状を有している。光ファイバ23が円柱形状を有しているため、1次光出射部25は例えば円形状を有している。
[光学ユニット400]
光学ユニット400は、1次光出射部25から出射された1次光13aを照射されることで機能する光学素子40と、光学素子40の側面と後面とを覆うように光学素子40を保持する保持部60とを有している。
[光学素子40の構成]
図1に示すように、光学素子40は、1次光出射部25と光学的に接続し、1次光出射部25から出射された1次光13aが入射する1次光入射部41と、1次光入射部41から離間して配設され、1次光入射部41から入射された1次光13aを照射されることによって1次光13aの光学特性を変換し、1次光13aとは異なる2次光13bを生成する光変換部材43と、1次光13aと2次光13bとの少なくとも一方を照明光として外部の照明対象物15に出射する照明光出射部45とを有している。
また図1に示すように、光学素子40は、1次光13aと2次光13bとが透過するように、1次光入射部41と光変換部材43との間に配設され、さらに1次光入射部41から照明光出射部45まで少なくとも一部が連続して配設されている光透過部材47と、光変換部材43を含む光透過部材47の周面に配設され、1次光13aと2次光13bとを反射する反射部49とをさらに有している。
また図1に示すように、光学素子40は、照明光出射部45に直接配設され、照明光出射部45から出射される照明光としての1次光13aの密度を低減する低減部51とをさらに有している。
光学素子40に含まれるこれら部材は、光軸11を中心軸として同心円状の形状を有し、光軸11を中心に回転対称に配設されている。
[1次光入射部41]
図2Aに示すように、1次光入射部41は、1次光出射部25が当接する光透過部材47の後面47aの一部分に形成される。より詳細には、光透過部材47において、1次光出射部25が光学的に接続した後面47aの一部分が1次光入射部41として形成される。この後面47aは、光軸方向において、例えば光透過部材47の最も後方に配設されている平面を示す。1次光入射部41は、光軸11上に配設され、光透過部材47の中心軸上に形成される。1次光入射部41は、1次光出射部25(光ファイバ23のコアの直径)と略同一の形状と面積とを有している。
[光変換部材43]
光変換部材43は、例えば、1次光13aを吸収して、吸収した1次光13aの波長を1次光13aとは異なる波長に変換して、この波長を有する2次光13bを生成する。このように光変換部材43は、1次光13aの波長を変換する波長変換部材であり、1次光13aを照射されることで機能する光学部材である。
図2Aに示すように、光変換部材43は、1次光13aを照射されるように、1次光出射部25及び1次光入射部41と対向し、さらに1次光出射部25及び1次光入射部41よりも前方に配設されている。このとき光変換部材43は、光変換部材43の中心軸が光軸11上に配設されるように、配設される。
図2Aに示すように、光変換部材43は、例えば円柱形状を有している。このため光変換部材43は、1次光出射部25及び1次光入射部41と対向する円形の後面43aと、後面43aよりも前方に配設されている円形の前面43bと、後面43aと前面43bとの間に配設されている曲面状の側面43cとを有している。
図2Aに示すように、後面43aと前面43bとは、同じ大きさを有している。後面43aと前面43bとは、光軸11に対して直交して配設されている平面である。後面43aと前面43bとにおいて、これらの中心軸は、光軸11上に配設されている。
図2Aに示すように、後面43aは、1次光出射部25及び1次光入射部41から離間して配設されている。後面43aの大きさと、後面43aから1次光出射部25及び1次光入射部41までの距離については、後述する。後面43aは、1次光13aを照射される照射面として機能する。
図2Aに示すように、前面43bは、照明光としての1次光13a及び2次光13bを出射する第1出射部45aとして機能する。前面43bは、外部に露出している。
図2Aに示すように、側面43cは、反射部49から離間して配設されている。側面43cは、後面43aと共に光透過部材47に当接する。
このような光変換部材43は、例えば蛍光体などによって形成される。照明光出射部45が例えば白色の照明光を出射する場合、光変換部材43は何種類かの粉末状の蛍光体と光学的に透明な樹脂とによって形成される。このとき、何種類かの粉末状の蛍光体は互いに組み合わさった状態で樹脂に分散され、この状態で樹脂が固化されることで、光変換部材43は成形される。この場合、例えば、粉末状の蛍光体の平均粒径は例えば略8μmであり、樹脂は光学的に透明のシリコーン樹脂であり、樹脂の濃度は5wt%である。
なお光変換部材43の厚みと、前記した濃度とは、光変換部材43が1次光13aをどの程度2次光13bに変換するかによって、所望に設定される。本実施形態では、光学ユニット400は、1次光13aと2次光13bとを出射する。このため、光変換部材43は、光変換部材43が1次光13a全てを吸収せず、光変換部材43が1次光13aの一部を2次光13bに変換するような、光変換部材43の厚みと、前記した濃度とを有している。
[照明光出射部45]
図2Aと図2Bとに示すように、照明光出射部45は、光変換部材43に配設され、照明光としての1次光13aと2次光13bとを出射する第1出射部45aと、光透過部材47に配設され、照明光としての1次光13aと2次光13bとを出射する第2出射部45bとを有している。第1出射部45aと第2出射部45bとは、外部に露出している。
[第1出射部45a]
図2Aと図2Bとに示すように、第1出射部45aは、前記したように、光変換部材43の円形の前面43bを示す。第1出射部45aの中心軸は、光軸11上に配設される。第1出射部45aは、第2出射部45b以外に配設される。
[第2出射部45b]
図2Aと図2Bとに示すように、第2出射部45bは、光透過部材47の前面47bを示す。第2出射部45bは、1次光入射部41から入射した1次光13aの一部が第2出射部45bに直接進行するように、配設されている。第2出射部45bは、1次光入射部41から入射した前記1次光が光透過部材47のみを介して直進して入射する領域に配設され、光透過部材47以外の部材(例えば反射部49)に入射せずに到達できる領域に配設される。図2Bに示すように、第2出射部45bは、環帯形状(リング)を有している。この第2出射部45bは、第2出射部45bの内周縁が第1出射部45aの外周縁に密着し、第1出射部45aと第2出射部45bとが同一平面上に配設されるように、第1出射部45aを囲っている。図2Aと図2Bとに示すように第2出射部45bは、第1出射部45aの側方に配設されている。
このように配設されている第1出射部45aと第2出射部45bとは、光学素子40に配設され、照明光として1次光13aと2次光13bとを出射する光学素子40の円形状の照明光出射部45を形成する。
[光透過部材47の構成]
図2Aに示すように、光透過部材47は、一部が1次光入射部41として機能する後面47aと、後面47aよりも前方に配設され、第2出射部45bとして機能する前面47bとを有している。後面47aと前面47bとは、光軸11に対して直交して配設されている平面である。後面47aと前面47bとにおいて、これらの中心軸は、光軸11上に配設されている。前面47bは、外部に露出している。
光透過部材47の原型は、例えば円柱形状を有している。なお本実施形態では、光透過部材47の実際の形状は、凹型の円柱形状を有している。
詳細には、図2Aに示すように、光透過部材47は、光変換部材43の前面43bと光透過部材47の前面47bとが同一平面に配設され、光透過部材47の中心軸と光変換部材43の中心軸とが光軸11上に配設されるように、光変換部材43が嵌合する凹部47cを有している。凹部47cは、光透過部材47の前面47bに配設されている。このため光透過部材47の後面47aは円形状を有し、前面47bは環帯形状(リング)を有する。
言い換えると、図2Aに示すように、光透過部材47は、光変換部材43が光変換部材43の後面43aと側面43cとを取り囲み、後面43aが1次光出射部25及び1次光入射部41と離間し、第2出射部45bが第1出射部45aと同一平面に配設され外部に露出し、光透過部材47の中心軸と光変換部材43の中心軸とが光軸11上に配設されるように、光変換部材43を有している。
また光透過部材47は、光変換部材43の後面43aが1次光出射部25及び1次光入射部41から離間し、光変換部材43と反射部49とが互いに離間するために、1次光出射部25と光変換部材43との間に配設される。このため本実施形態では、光透過部材47は、光変換部材43と反射部49の間に充填されるように、光変換部材43の側方全周に渡って1次光入射部41から第2出射部45bまで連続して形成されていることになる。
[光透過部材47の光学特性]
光透過部材47は、1次光入射部41から入射した1次光13aと光変換部材43から出射した2次光13bとが透過する部材によって、形成されている。このような部材は、例えば、透過率の高い光学的に透明な部材によって形成されている。この部材は、例えば、シリコーン樹脂やガラスや石英などを示す。
[反射部49]
図2Aに示すように、反射部49は、光透過部材47を光軸11の軸周りに囲うように配設されている。詳細には、反射部49は、例えば、1次光入射部41を除く光透過部材47の後面47aと、光透過部材47の側面とに配設されている。これにより反射部49は、光変換部材43から離間して配設される。また反射部49は、1次光入射部41から光透過部材47に進行する1次光13aを光ファイバ23側に反射しないように配設されている。反射部49は、可視光を正反射または拡散反射する機能を有している。
本実施形態では、反射部49は、金属等の膜が成膜することによって、形成されている。この場合、前面49aと1次光入射部41とがマスキングされたサンプルに反射材料が蒸着またはメッキされることが望ましい。反射材料には、側面に成膜し易く、可視光に対し高い反射率を有する金属膜が望ましい。より望ましくは、反射材料には、アルミニウムか銀が良い。
[低減部51]
照明装置10が良好な照明光を得るためには、第2出射部45bから出射される1次光13aは照明対象物15をムラ無く照射する必要がある。このため、低減部51は、第2出射部45bから出射される1次光13aの密度を低減する。図2Aに示すように、低減部51は、第2出射部45bから出射される1次光13aの密度を低減するために、1次光13aを平行光に近い状態で出射させず、1次光13aを外部(照明対象物15側)に十分拡散し、さらに1次光13aの配光分布を拡大した状態で1次光13aを出射する。このように低減部51は、1次光13aの出射角度を拡大する角度拡大部として機能する。
図2Aと図2Bとに示すように、低減部51は、光透過部材47の前面47bを示す第2出射部45b全体に形成されている。このため低減部51は、外部に露出する。そして低減部51は、照明光出射部45に直接配設されることとなる。さらに低減部51は、第1出射部45aの側方である第2出射部45bに配設されることとなり、環帯形状(リング)を有することとなる。
図2Aと図2Bとに示すように、低減部51は、1次光13aが拡散するために配設されている微小な凹凸部51aを有している。1次光13aが十分拡散されるためには、凹凸部51aによって形成される斜面の平均斜度が急であることが望ましい。
凹凸部51aは、例えば、規則的な高さ及び配置で形成されてもよいし、不規則な高さ及び配置で形成されてもよい。凹凸部51aが不規則に形成されている場合、凹凸部51aは、例えば、金属粉が第2出射部45bの表面に吹き付けられる、または第2出射部45bの表面が化学処理で腐食することで、形成される。
また凹凸部51aは、例えば、回折干渉現象を誘発するグレーティング構造(回折光学格子構造)を有していてもよい。これにより、凹凸部51aにおいて、規則的な光路差が形成され、凹凸部51aを透過する1次光13aは干渉し、光軸11から傾いた方向に干渉が強めあう条件が成立する。そして、第2出射部45bは、透過率を高く維持したまま、1次光13aの配光分布を拡大した状態で、1次光13aを出射する。
凹凸部51aは、例えば、0.2μm〜100μmに形成されるピッチと高さとを有している。このような凹凸部51aは、例えば、図3Aに示す矩形形状と、図3Bに示す鋸歯形状と、図3Cに示す正弦波形状と、図3Dに示す階段状形状との少なくとも2つを有している。凹凸部51aは、例えば、第2出射部45bの表面がダイヤモンドなどの硬質部材によって機械的に引っ掛かれる機械的製法と、2方向の平行光を干渉させてレジストを感光し、パターニングするホログラフィ法と、微細加工した型が第2出射部45bの表面に転写されるナノプリント技術とのいずれかによって、形成される。
なお1次光13aが特定の方向にのみ出射されると、照明光の色ムラが維持される。このため、回折光学格子構造の場合、ピッチと高さとの少なくとも一方が規則的または不規則的に配設され、複数の異なる干渉条件が繰り返される構造を凹凸部51aが有することが好適である。または、凹凸部51aは、図3Aに示す矩形形状と、図3Bに示す鋸歯形状と、図3Cに示す正弦波形状と、図3Dに示す階段状形状との少なくとも2つが組み合わされることで、形成されることが好適である。
また凹凸部51aは、細かいレンズ形状を表面上に最密充填された構造、すなわちマイクロレンズ群を有していてもよい。この場合、凹凸部51aは、凹凸部51aの作製の容易性から数μmから数百μmの球状に形成される、または楕円球形状に形成される。
このように低減部51は、第2出射部45bを加工することによって形成されており、光透過部材47と一体である。
[保持部60]
保持部60は、例えば、精密加工しやすく、変形しにくい金属やプラスチック材料によって形成される。この金属は、例えば、セラミックやステンレスなどである。また保持部60は、放熱効果を有する材質によって形成されてもよい。また保持部60は、1次光13aと2次光13bとを吸収しない材料によって形成される。
図2Aに示すように、保持部60は、1次光出射部25と光透過部材47とが位置決めされ、1次光出射部25が1次光入射部41と光学的に接続し、1次光入射部41と光変換部材43との相対距離が固定されるように、1次光出射部25と、光変換部材43を有する光透過部材47とを保持する。
このため保持部60は、1次光出射部25が嵌め込まれる円柱形状の第1の中空部61と、光透過部材47が嵌め込まれるように、光変換部材43を有する光透過部材47と同形状である例えば円柱形状の第2の中空部63とを有している。第1の中空部61と第2の中空部63とは、外部と連通している。
第1の中空部61の中心軸と第2の中空部63の中心軸とは、保持部60の中心軸上に配設されている。第1の中空部61は、1次光出射部25が1次光入射部41と光学的に接続するように、光軸方向において第2の中空部63と連通している。また、第1の中空部61は、第2の中空部63よりも後方に配設されている。
[ビームスポット17の大きさと光変換部材43の後面の大きさとの関係]
本実施形態では、図2Aと図2Bとに示すように、ビームスポット17は、1次光出射部25から出射される1次光13aによって形成され、光軸11に対して直交した平面に投影される1次光13aの照射領域を示す。特に本実施形態では、ビームスポット17は、光変換部材43の後面43aを含む直交した平面に投影される照射領域を示す。1次光出射部25は例えば円形状を有しており、且つ一般的な光ファイバ23の特性よりビームスポット17は光軸11を中心とする円形状を有する。またビームスポット17は、1次光13aの最大強度に対し、少なくとも1/eよりも大きな強度で照射される領域と定義する。eは、自然体数の底としてのネイピア数である。
一般的なビームスポット17において、配光分布は、光軸11周りにおいて等しく、光軸11に対して傾く方向においてガウス強度分布形状を有する。
本実施形態では、図2Aと図2Bとに示すように、ビームスポット17は、1次光13aが第2出射部45bから出射されて照明光の一部として照明対象物15を照明するように、光変換部材43の後面43aよりも大きくなるように形成される。このため、ビームスポット17が後面43aよりも大きく形成されるように、後面43aは1次光出射部25及び1次光入射部41から離間して配設されている。
なお、1次光13aが反射部49によって反射されて光変換部材43に入射せず、1次光13aが反射部49によって反射されて第2出射部45bから出射されず、後面43aと側面43cとから出射された2次光13bが反射部49によって反射されて光変換部材43に再入射せず第2出射部45bから照明光として出射され、1次光13aの一部が直接第2出射部45bに向かって進行するように、1次光出射部25と1次光入射部41と光変換部材43と反射部49とのそれぞれの相対距離が位置決めされていることが好適である。
[作用]
1次光13aは、1次光源21から出射され、集光レンズによって光ファイバ23に高効率に集光される。そして1次光13aは、光ファイバ23によって1次光出射部25まで導光されて、1次光出射部25から出射される。このとき、1次光13aの出射角度は、光ファイバ23の開口数や光変換部材43の屈折率などによって決まる。
図2Aに示すように、1次光13aは、1次光入射部41に入射されて、光透過部材47を透過する。前記したように、光変換部材43の後面43aは、1次光出射部25及び1次光入射部41から離間して配設されている。このため1次光13aの一部は光変換部材43の後面43a全体を照射し、1次光13aの他部は第2出射部45bに向けて直接進行する。
1次光13aの一部において、1次光13aは光変換部材43によって2次光13bに変換される。2次光13bは、光変換部材43から様々な方向に向けて出射される。
例えば、2次光13bは、第1出射部45aから照明光として外部に出射され、照明対象物15を照射する。
また例えば、2次光13bは、側面43cから出射され、光透過部材47を透過して第2出射部45bから照明光として出射され、照明対象物15を照射する。
また例えば2次光13bは、後面43aと側面43cとから出射され、光透過部材47を透過して反射部49によって反射され、第2出射部45bから照明光として出射され、照明対象物15を照射する。
なお2次光13bの多くは、光変換部材43の後面43aから出射される。なぜなら、1次光13aが多くの割合で後面43aを照射し、結果として、1次光13aの大部分は後面43a付近で2次光に変換され、そして2次光は等方的に出射されるためである。加えて、後面43aの前方には2次光13bを拡散する機能や吸収する機能を有する光変換部材43が配設されているのに対し、後面43aの後方には透過機能のみを有する光透過部材47が配設されているため、等方的に出射された2次光の多くが後方に再配光される。そしてこの2次光13bの大部分は、光透過部材47の後面47a側に配設されている反射部49によって複数回反射される。反射された2次光13bの一部は、光変換部材43に入射されず第2出射部45bに直接進行する。そして、これら2次光13bは、第2出射部45bから照明光として出射され、照明対象物15を照射する。
1次光13aの他の一部において、1次光13aは、第2出射部45bに直接進行し、第2出射部45bにおいて、低減部51によって、平行光に近い状態で出射せず、外部(照明対象物15側)に十分拡散され、さらに1次光13aの配光分布が拡大した状態で出射される。これにより、1次光13aの密度は低減し、1次光13aは照明光として照明対象物15をムラ無く照射する。
[効果]
本実施形態では、低減部51によって、1次光13aを外部(照明対象物15側)に十分拡散し、さらに1次光13aの配光分布を拡大した状態で出射できる。これにより本実施形態では、1次光13aの密度を低減でき、1次光13aを照明光として照明対象物15にムラ無く照射できる。また本実施形態では、2次光13bも照明対象物15に照射できる。このように、本実施形態では、1次光13aと2次光13bとを照明光として利用できるため、光の利用効率を十分に確保した照明装置10を提供できる。
また本実施形態では、光変換部材43の後面43aと側面43cとから出射された2次光13bの一部は、反射部49によって、光変換部材43に再入射せずに第2出射部45bから照明光として照明対象物15を照射できる。つまり1次光13aの一部と、2次光13bの一部とは、光変換部材43をすり抜けるようにして、光変換部材43の側方に配設されている第2出射部45bから出射できる。これらは、すり抜け効果と称される。また本実施形態では、光変換部材43の光学特性と反射部49の光学特性とによって、照明光としての2次光13bの光量が低下することを防止できる。このため、本実施形態では、2次光13bの取り出し効率の高い照明装置10を提供できる。
また本実施形態では、2次光13bは前面43bと側面43cとよりも後面43aから出射される。しかし、本実施形態では、反射部49によって、2次光13bの一部を光変換部材43に再入射させずに、第2出射部45bから出射できる。よって本実施形態では、2次光13bの利用効率を向上できる。
また本実施形態では、凹凸部51aによって、1次光13aの配光分布を拡大でき、1次光13aを照明光として利用できる。また本実施形態では、不規則な高さ及び配置の凹凸部51aによって、1次光13aが特定の方向にのみ出射されることを防止できる。言い換えると、本実施形態では、1次光13aを分散できる。よって本実施形態では、1次光13aを照明光として照明対象物15にムラ無く照射できる。
また本実施形態では、光透過部材47の光学特性によって、1次光13aと2次光13bとが、光透過部材47を効率良く透過でき、照明光として効率よく照明対象物15を照射できる。
なお本実施形態では、低減部51が配設されず、第2出射部45bが平坦である場合、全ての1次光13aが光変換部材43の後面43aに照射されるように、光変換部材43は1次光出射部25及び1次光入射部41から離間して配設される必要がある。つまり、光変換部材43と、1次光出射部25及び1次光入射部41との相対位置は、厳密に設定される必要がある。さらに光変換部材43は、角度拡大部として機能する必要がある。しかし、この場合、光学素子40の設計の自由度が低下してしまう。
さらに、光学素子40が形成される際、ゴミ等の異物が例えば1次光入射部41と光変換部材43との間に混入したり、1次光出射部25と光変換部材43の後面43aとの相対位置がずれることが考えられる。この場合、1次光13aは、本来のガウス配光分布から逸脱して、詳細には光軸11に対して傾いた光線を含む分布形状で、光透過部材47を透過する。または、1次光13aは光透過部材47の後面47aの中心からずれた位置を照射し、1次光13aの一部が第2出射部45bから平行光に近い状態で出射される。これにより、1次光13aは照明対象物15の一部にのみ重点的に照射され、照明光の色ムラが発生する。
しかしながら本実施形態では、低減部51によって、光変換部材43と1次光出射部25及び1次光入射部41との相対位置を厳密に設定する必要が無く、光変換部材43は角度拡大部として機能する必要がなく、光学素子40の設計の自由度を向上できる。
また本実施形態では、異物が混入し、相対位置がずれても、1次光13aが照明対象物15の一部にのみ重点的に照射されることを低減部51によって防止でき、照明光の色ムラが発生することを防止できる。言い換えると、本実施形態では、低減部51によって、異物が混入することを防止する環境を整える必要が無く、相対位置がずれないような設計及び材料の選定を不要にできる。
このように本実施形態では、光の利用効率を十分確保できる光学素子40を含む照明装置10を容易に作成できる。
また本実施形態の照明装置10は、例えば、図示しない撮像ユニットを有する観察装置として用いることもできる。この場合、照明光が照明対象物15をムラ無く照射するために、照明光が変色することも考えられる。しかし、前記した撮像ユニットが色温度を調整することによって、この変色を十分カバーできる。
また本実施形態では、光学素子40に含まれる部材は、光軸11を中心軸として同心円状の形状を有し、光軸11を中心に回転対称に配設されている。よって、本実施形態では、加工がしやすく、安価にできる。特に本実施形態では、切削加工によって、部材を低コストで調達できる。
なお本実施形態では、1次光源21は、例えば、キセノンランプ、メタルハライドランプ、LED、ガスレーザ、固体レーザであっても良い。
また本実施形態では、ビームスポット17は、光変換部材43の後面43aと略同一の大きさまたは後面43aよりも小さくてもよい。この場合、1次光13aは、効率よく光変換部材43によって2次光13bに変換される。
また本実施形態では、反射部49は、例えば、保持部60の内周面に配設されてもよい。この場合、反射材料が保持部60の内周面に蒸着またはメッキされることが望ましい。反射材料は、アルミニウムか銀が良い。
そして本実施形態では、反射部49は、1次光入射部41と第2出射部45bとを除く光透過部材47の外周面と、保持部60の内周面との少なくとも一部に配設されていればよい。
また本実施形態では、図4に示すように、低減部51は、第1出射部45aにも形成されてもよい。低減部51が第1出射部45aと第2出射部45bとに形成されている場合、1次光13aと2次光13bとは、配光分布が拡大した状態で、出射される。
このように本実施形態では、低減部51は、少なくとも第2出射部45bに配設されていればよい。
[第1の変形例]
光透過部材47は、図5Aに示す円錐台形状や、図5Bに示す半球型のドーム形状や、図5Cに示すパラボラ形状を有していても良い。この場合、第2の中空部63の形状と、反射部49とは、光透過部材47の形状に合わせて、適宜所望に設定される。
[第2の変形例]
図6に示すように、光透過部材47は、光変換部材43が光透過部材47に埋設され、光透過部材47の中心軸と光変換部材43の中心軸とが光軸11上に配設されるように、光変換部材43を光透過部材47の内部に有している。このように光透過部材47は、光変換部材43を内包している。この場合、2次光13bは、光変換部材43の全周面から出射された後、光透過部材47を透過して、光透過部材47の前面47bから出射される。
またこの場合、照明光出射部45は、光透過部材47の前面47bに配設され、1次光入射部41から入射した1次光13aが光透過部材47のみを介して直進し、光変換部材43や反射部49など光透過部材47以外の部材に入射せずに到達できる領域に配設される第2出射部45bと、第2出射部45b以外に配設される第1出射部45aとを有している。そして、低減部51は第2出射部45bに少なくとも配設され、例えば環帯形状(リング)を有する。なお低減部51は、第2出射部には配設されることが重要であるため、照明光出射部45全体に配設されてもよい。第1出射部45aと第2出射部45bとは、光透過部材47の前面47bに配設される。第1出射部45aは、例えば面47bの中心を中心に円形状に配設される。
これにより本変形例では、光変換部材43が光透過部材47から脱落することを防止できる。また本変形例では、光変換部材43が2次光13bを出射した際に、光変換部材43は効率よく放熱できる。
[第3の変形例]
図7に示すように、光透過部材47は、保持部60によって保持され、光変換部材43の側方に配設されている光学的に透明な透明部材47dと、透明部材47dと保持部60とによって密閉され、空気などの流体部が充填されている密閉部47eとによって形成されている。
透明部材47dは、光変換部材43と同じ厚みを有している。透明部材47dは、例えば、光変換部材43の前面43bと透明部材47dの前面とが同一平面上に配設され、光変換部材43の後面43aと透明部材47dの後面とが同一平面上に配設され、透明部材47dの中心軸と光変換部材43の中心軸とが光軸11上に配設されるように、光変換部材43を保持している。
透明部材47dは、第2の中空部63の開口部全体を覆う。透明部材47dの後面は、密閉部47eに充填されている流体と接触している。
透明部材47dは、例えば、光学的に透明なガラスや光学的に透明な樹脂によって形成される。
低減部51は、例えば、透明部材47dの前面と後面とに配設されており、光変換部材43の側方に配設される。
本変形例では、1次光13aは、密閉部47eに充填されている流体部を介して透明部材47dを照射する。そして1次光13aは、透明部材47dの後面に形成されている低減部51によって散乱された状態で透明部材47dに進入し、透明部材47dの前面に形成されている低減部51によってさらに散乱された状態で出射される。そして1次光13aは、照明光として照明対象物15を照射する。
これにより本変形例では、拡散機能を有する界面が多いため1次光13aを外部(照明対象物15側)に十分拡散でき、さらに1次光13aの配光分布を拡大した状態で1次光13aを出射できる。
[第4の変形例]
図8に示すように、光変換部材43は、光変換部材43の前面43bが光透過部材の前面47bよりも前方に突出するように、配設されている。
この場合、低減部51は、光変換部材43と光透過部材47とは別体で、環帯形状(リング)を有する板部材として形成される。低減部51は、低減部51の前面が光変換部材43の前面43bと同一平面上に配設されるように、光透過部材47の前面47bに対する光変換部材43の前面43bの突出量と同じ厚みを有している。また低減部51は、低減部51の内周面が光変換部材43の側面43cに密着し、低減部51の前面と第1出射部45aとが同一平面上に配設されるように、光変換部材43を囲っている。低減部51は、光透過部材47の前面47bと光学的に接続するように、光透過部材47の前面47bに配設される。
低減部51は、例えば、1次光13aを平行光に近い状態で出射させず、1次光13aを外部(照明対象物15側)に十分拡散し、さらに1次光13aの配光分布を拡大した状態で1次光13aを出射する拡散部材である。低減部51は、低減部51の前面として機能する第2出射部45bを有する。
低減部51は、1次光13aが拡散されるために、微小な粒子51cと透明部材51dとにより形成されており、粒子51cは透明部材51dに分散している。粒子51cと透明部材51dとは、可視光に対して光学的に透明であり、互いに屈折率が異なる。
例えば、透明部材51dは、光学的に透明なガラスや光学的に透明な樹脂によって形成される。
また微小な粒子51cは、透明部材51dに比べて高い屈折率を有している。このような粒子51cは、例えば酸化アルミニウムである。
[効果]
本変形例では、板状の低減部51によって、凹凸部51aを形成する手間を省くことができる。また本変形例では、低減部51において、粒子51cを適宜選択し、粒子51cの濃度を制御し、粒子51cの分散を制御することによって、微細な配光を確実に実現できる。
なお本変形例では、低減部51が2次光13bを遮光せず、低減部51が2次光13bを後方に逆行させなければ、低減部51は第1出射部45aの前方に配設されてもよい。
[第5の変形例]
図9に示すように、低減部51は、1次光13aが拡散されるために、例えば、1次光13aの光学特性を変換する微小な粒子51fが透明部材51dに分散することによって、形成される。つまり低減部51は、例えば1次光13aの波長を変換する機能を有している。
この粒子51fは、1次光13aを吸収して、吸収した1次光13aの波長を1次光13aとは異なる波長に変換して、この波長を有する光を生成する。この光は、2次光13bであっても良いし、1次光13aと2次光13bとは異なる波長を有する3次光であっても良い。
[効果]
本変形例では、第4の変形例と同様の効果を得ることができる。
また本変形例では、1次光13aは波長変換によって等方的に出射されるため、照明光の色ムラが発生することを確実に防止できる。
[第2の実施形態]
図10Aと図10Bと図10Cとに示すように、光変換部材43は、正方形柱形状を有している。詳細には、光変換部材43は、少なくとも後面43aと前面43bとが同じ大きさの正方形を有するような、柱形状を有している。
図10Aと図10Bと図10Cとに示すように、光透過部材47の原型は、長方形柱形状を有している。詳細には、光透過部材47は、少なくとも、後面47aと前面47bとが同じ大きさの長方形を有し、対向し合う2つの側面が長方形状を有するような、柱形状を有している。図10Aに示すように、さらに長方形状の前面47bの短辺47gは、正方形状の光変換部材43の前面43bの1辺43gと同じ長さを有している。このため、光変換部材43の1辺43gは前面47bの長辺47hと接しており、光変換部材43の一部は、反射部49と当接する。
光変換部材43は、第1の実施形態と同様に光透過部材47に配設される。
第2出射部45bと低減部51とは、長方形状を有する。
ビームスポット17は、後面43aよりも小さい。
[効果]
本実施形態では、すり抜け効果によって照明光の明るさ向上と、色ムラ低減機能によって光学素子40の作製の容易性向上と光学素子40の設計の自由度の向上とを得ることができる。
また本実施形態では、光透過部材47の前面47bと長辺47hと、光変換部材43の前面43bの1辺43gとが当接し、反射部49が配設されている。よって本実施形態では、1次光13aの一部は反射部49によって光変換部材43に向かって繰り返し反射される。このため本実施形態では、照明光としての1次光13aを抑制でき、照明光としての2次光13bを多く出射できる。
また本実施形態では、光透過部材47の前面47bと長辺47hと、光変換部材43の前面43bの1辺43gとが当接し、光変換部材43は反射部49と当接している。よって本実施形態では、ビームスポット17が短辺47gに沿った方向において後面43aよりも大きくなっても、1次光は反射部49によって反射され、1次光の抜けは発生せず、1次光の抜け量を低減できる。
また本実施形態では、ビームスポット17が後面43aよりも大きくなっても、第1の実施形態と同様に、低減部51によって、1次光13aを外部(照明対象物15側)に十分拡散し、さらに1次光13aの配光分布を拡大した状態で出射できる。これにより本実施形態では、1次光13aの密度を低減でき、1次光13aを照明光として照明対象物15にムラ無く照射できる。
このように本実施形態では、光学素子40の設計の自由度を向上できる。なお後面47aと前面47bとは楕円形状を有し、後面43aと前面43bとは楕円形状を有していても良い。そしてこの場合、光変換部材43の周面の一部は、光透過部材47の周面の一部に当接している。
[第1の変形例]
図11Aと図11Bと図11Cとに示すように、光変換部材43の中心軸は、光透過部材47の前面47bの短辺47gが光変換部材43の前面43bの1辺43gと当接するように、光透過部材47の中心軸に対してずれて配設されている。
さらに光変換部材43の中心軸と光透過部材47の中心軸とは、光軸11に対してずれて配設されている。このためビームスポット17の中心軸は、例えば、後面43aの中心軸に対して光変換部材43が当接する短辺47g側(図11Aにおける右側)に偏って配設される。
[効果]
本変形例では、1次光13aの配光が突発的に乱れても、反射部49は確実に1次光13aを光変換部材43に反射する。このため本変形例では、色ムラが発生することを防止できる。
[第3の実施形態]
図12に示すように、本実施形態では、光透過部材47とは別体の板状の光透過部材53がさらに配設されている。光透過部材53は、例えば光透過部材47と同様の光学特性を有している。光透過部材53は、光透過部材53の後面が光変換部材43の前面43bと光透過部材47の前面47bと近接するように、少なくとも光変換部材43の前面43b全体側と光透過部材47の前面47b全体側とに配設されている。光透過部材53は、例えば、保持部60の外周面側に配設される。
第2出射部45bは、光透過部材47の前面47bに配設されている。低減部51は、光透過部材53の後面全体と前面全体とに配設されている。よって低減部51は、第2出射部45bよりも前方に配設される。
[効果]
これにより、本実施形態では、光透過部材53が光透過部材47と別体であるため、構造をシンプルにでき、安価に製造できる。
なお低減部51が配設される光透過部材53は、光透過部材47と別体であり、1次光13aが照射される部分に配設されていれば、特に限定されない。光透過部材53は、光変換部材43の前面43bと光透過部材47の前面47bとにおいて、1次光13aが直接進行する全ての領域に形成されていれば良い。この場合、光透過部材53は、例えば環帯形状(リング)を有する。
[第1の変形例]
図13に示すように、光透過部材53は、1次光13aを散乱させ、低減部51として機能する材料を、光透過部材53の内部に有していても良い。この材料は、前述した粒子51c,51fなどを示す。
本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。
10…照明装置、11…光軸、13a…1次光、13b…2次光、15…照明対象物、17…ビームスポット、21…1次光源、23…光ファイバ、25…1次光出射部、40…光学素子、41…1次光入射部、43…光変換部材、45…照明光出射部、45a…第1出射部、45b…第2出射部、47…光透過部材、49…反射部、51…低減部、60…保持部、200…光源ユニット、400…光学ユニット。

Claims (13)

  1. 1次光を出射する光源ユニットと、前記光源ユニットから出射された前記1次光を照射されることで機能する光学ユニットとを有する照明装置であって、
    前記光源ユニットは、前記1次光を前記光学ユニットに出射する1次光出射部を有し、
    前記光学ユニットは、
    前記1次光出射部と光学的に接続し、前記1次光出射部から出射された前記1次光が入射する1次光入射部と、
    前記1次光入射部から離間して配設され、前記1次光入射部から入射された前記1次光を照射されることによって前記1次光の光学特性を変換し、前記1次光とは異なる2次光を生成する光変換部材と、
    前記1次光と前記2次光との少なくとも一方を照明光として外部に出射する照明光出射部と、
    前記1次光出射部が出射する前記1次光の中心軸を光軸と称し、
    光軸方向において前記1次光出射部側を後方と称し、
    前記光軸方向において前記光変換部材側を前方と称し、
    前記光軸に直交する方向を側方と称し、
    前記1次光と前記2次光とが透過するように、前記1次光入射部と前記光変換部材との間に配設され、さらに前記1次光入射部から前記照明光出射部まで少なくとも一部が連続して配設されている光透過部材と、
    前記光変換部材を含む前記光透過部材の周面に配設され、前記1次光と前記2次光とを反射する反射部と、
    前記照明光出射部に配設され、前記照明光出射部から出射される前記照明光としての前記1次光の密度を低減し、前記1次光の出射角度を拡大する角度拡大部として機能する低減部と、
    を有し、
    前記照明光出射部は、
    前記光透過部材に配設され、前記1次光入射部から入射した前記1次光が前記光透過部材のみを介して直進して入射し前記光透過部材以外の部材に入射せずに到達できる領域に配設される第2出射部と、
    前記領域以外に配設される第1出射部と、
    を有し、
    前記低減部は、前記第2出射部に直接形成されることを特徴とする照明装置。
  2. 前記低減部は、前記光変換部材の側方に配設されることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
  3. 前記低減部は、環帯形状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の照明装置。
  4. 前記低減部は、凹凸部を有し、
    前記凹凸部は、規則的な高さ及び配置で形成される、または不規則な高さ及び配置で形成されることを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  5. 前記凹凸部は、グレーティング構造を有していることを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  6. 前記凹凸部は、マイクロレンズ群を有していることを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  7. 前記低減部は、前記1次光が拡散されるために、可視光に対して透明で、互いに屈折率が異なる粒子と透明部材とにより形成され、前記粒子は前記透明部材に分散していることを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  8. 前記低減部は、前記1次光の波長を変換する機能を有することを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  9. 前記光変換部材は、前記光軸に対して直交して配設されている平面であり、前記1次光を照射される照射面を有し、
    前記照射面を含む前記光軸に対して直交した平面に投影される前記1次光の照射領域をビームスポットと称し、
    前記光変換部材は、前記ビームスポットが前記照射面と略同一または前記照射面よりも大きく形成されるように、前記1次光入射部から離間して配設されることを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  10. 前記光変換部材の一部は、前記反射部と当接することを特徴とする請求項に記載の照明装置。
  11. 前記光変換部材は、前記光軸に対して直交して配設されている平面であり、前記1次光を照射される照射面を有し、
    前記照射面を含む前記光軸に対して直交した平面に投影される前記1次光の照射領域をビームスポットと称し、
    前記ビームスポットの中心は、前記照射面の中心に対して前記光変換部の一部が前記反射部と当接している側に偏っていることを特徴とする請求項10に記載の照明装置。
  12. 外部に露出する前記光透過部材の前面に形成され且つ前記第1出射部と同一平面上に配置される前記第2出射部に、前記低減部は直接形成されることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
  13. 前記第2出射部は、環帯形状であり、前記第1出射部を囲うことを特徴とする請求項12に記載の照明装置。
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