JP6177596B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、励起光を発する励起光源と、励起光により蛍光を発する発光部とを備えた発光装置に関する。
従来、励起光を発する励起光源と、励起光により蛍光を発する発光部とを備えた発光装置が開発されている。
発光装置の一例として、特許文献1には、励起光を発する固体光源と、固体光源からの励起光により励起されることにより蛍光を発する蛍光体層と、を備え、蛍光体層より発せられる蛍光を照明光として利用する光源装置が記載されている。光源装置では、蛍光体層上での励起光のビームの形状および断面積が、蛍光体層全体の形状および面積とほぼ等しい。これにより、蛍光体層のほぼ全面に対して十分な励起光が入射するので、蛍光体層のほぼ全面から、励起光Lおよび蛍光を所定の割合で含む照明光が出射される。
特開2012−89316号公報(2012年5月10日公開)
しかしながら、上述した特許文献1の光源装置では、蛍光体層上における励起光の強度が均一ではない。例えば、励起光の強度は、蛍光体層上でガウス分布を有する。これにより、以下のような問題が生じる。
第1に、蛍光体層上における励起光の強度が不均一である場合、励起光により励起される蛍光の強度も、蛍光体層上において不均一となる。これにより、蛍光体層から輝度ムラのある蛍光が出射されるという問題がある。第2に、蛍光体層において、励起光の強度のピーク部分が入射した領域には、励起光により大きなエネルギーが与えられ、その結果、該領域は高温となる。これにより、該領域中の蛍光体には、温度消光や劣化が生じて、蛍光体からの蛍光の強度が低下する。これにより、蛍光体層から出射される蛍光に輝度ムラが生じるという問題がある。第3に、蛍光体層上における励起光の照射位置にずれやぶれが生じた場合、蛍光体層上における蛍光の強度分布が変化する。その結果、光源装置から外部へ投射される蛍光の強度分布や形状も変化する。このことも、蛍光に輝度ムラが生じる原因となる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蛍光の輝度ムラを抑制することができる発光装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光装置は、発光部の表面上に入射した励起光により蛍光を発する発光部と、上記発光部の表面における蛍光を発する領域である発光領域を規定する発光領域規定部と、を備え、上記発光部の表面において、上記励起光は、トップハット型のエネルギー強度分布を有している。
本発明の一態様によれば、蛍光の輝度ムラを抑制することができるという効果を奏する。
(a)および(b)は、本発明の一実施形態に係る発光装置が備えた発光部の構成を示す図であり、(a)は発光部の上面図であり、(b)は発光部の断面図である。 図1に示す発光部を備えた発光装置の構成を示す概略図である。 図2に示す発光装置が備えたレーザ部の構成を示す断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置の構成を示す概略図である。 (a)は、本発明の他の一実施形態に係る発光部の断面図であり、(b)および(c)は、それぞれ、上記発光部の変形例の断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えた発光部の構成を示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は上面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えた発光部の構成を示す断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えた発光部の構成を示す断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光部に対して励起光が入射する様子を模式的に示す図であり、(a)は発光部の断面図であり、(b)は発光部の上面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えた発光部の構成を示す断面図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えたレーザ部の構成を示す概略図である。 本発明の他の一実施形態に係る発光装置が備えたレーザ部の構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す概略図である。 従来の発光装置の構成を示す概略図である。
〔実施形態1〕
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図3を用いて詳細に説明する。
(発光装置1の構成)
まず、図2を用いて、本実施形態の発光装置1の構成を説明する。図2は、発光装置1の構成を示す概略図である。図2に示すように、発光装置1は、レーザ部10、発光部20、および光学部材30を備えている。
レーザ部10は、波長405nmの励起光L1を発光部20に向けて出射する。発光部20は、励起光L1を受光して、励起光L1よりも長波長の蛍光を発する。光学部材30は、レーザ部10と発光部20との間に配置された凸レンズである。光学部材30は、レーザ部10より出射された励起光L1を発光部20の表面上の蛍光体層23(図1の(a)参照)に集光する。蛍光体層23に入射した励起光L1は、蛍光体層23が含有する蛍光体によって吸収されることにより、蛍光に変換される。こうして得られた蛍光は、発光部20の表面から出射される。
(レーザ部10の詳細)
次に、レーザ部10の構成の詳細を、図3を用いて説明する。図3は、レーザ部10の構成を示す断面図である。
図3に示すように、レーザ部10は、レーザチップ(励起光源)11および導光部材12を備えている。レーザチップ11は、導光部材12の入射端面に向けて励起光L1を出射する。レーザチップ11は、レーザ部10内に形成されたステム13上のサブマウント14の上に載置される。
導光部材12は、ロッドレンズ12aおよびARコート膜12bを有している。ロッドレンズ12aは、ガラス製の棒状の光学部材であり、レーザチップ11から出射される励起光L1を、ロッドレンズ12aの長さ方向、すなわち図2における発光部20に向かう方向に導くものである。ロッドレンズ12aは、低融点ガラス15によって位置および向きを固定されている。ロッドレンズ12aの長さwは、w=20mmである。また、長さwの方向と垂直な断面は、1辺の長さrがr=0.4mmの正方形である。なお、ロッドレンズ12aの上記断面の形状は、蛍光体層23の上面の形状(図1の(a)参照)に相似した形状に設計される。
励起光L1は、ロッドレンズ12aの入射端面において、ガウス分布等、空間的に不均一な強度分布を有している。しかしながら、励起光L1は、ロッドレンズ12aの内部を通過する間、ロッドレンズ12aの内で、全反射により何度も反射される。これにより、励起光L1は、ロッドレンズ12aの出射端面において、均一な強度分布(図1の(b)参照)を有する。このような空間的に均一な強度分布は、トップハット型の強度分布と呼ばれる。本実施形態の最後に、トップハット型分布の定義を詳細に説明する。
ロッドレンズ12aの入射端面には、AR(Anti-Reflection)コート膜12bがコーティングされている。これにより、レーザチップ11側からロッドレンズ12aに入射する励起光L1が、ロッドレンズ12aに入射せずに反射することが抑制される。
(発光部20の詳細)
続いて、発光部20の構成の詳細を、図1の(a)および(b)を用いて説明する。図1の(a)および(b)は、発光部20の上面図および側面図である。図2の(a)および(b)に示すように、発光部20は、反射性基板21、反射体(発光領域規定部、遮断部)22、および蛍光体層23を有している。図2の(b)に示すように、反射体22および蛍光体層23は、反射性基板21上に載置されている。
反射性基板21は、可視光の反射率が高い材料により形成される。あるいは、反射性基板21は、可視光の反射率が高い表面を有する。反射性基板21は、例えば、金属板であってよい。あるいは、反射性基板21は、表面に金属が蒸着された石英板であってよい。反射性基板21は、蛍光体層23からの熱を効率よく放熱するために、熱抵抗の小さい金属で形成されることが好ましい。
反射体22は、反射性基板21上に形成された蛍光体層23の周囲に、ディスペンサ等の手法で、可視光を反射する材料を塗布することにより形成される。反射体22は、蛍光体層23の表面形状が所望の発光パターンの形状となるように、蛍光体層23の周囲に形成されていればよい。反射体22の材料は、例えば、白色顔料やセラミックスで構成される。反射体22は、蛍光体層23の側面から出射された蛍光を、蛍光体層23内へと反射することができる。これにより、蛍光が、蛍光体層23の側面から出射され、反射性基板21で反射して、発光装置1の外部に投射されることが防止される。なお、本実施形態の一変形例では、発光部20は、反射体22の代わりに、励起光L1および蛍光を吸収する吸収体を備えていてもよい。吸収体は、例えば、黒色顔料やセラミックスで構成される。
図1の(a)に示すように、反射体22は、蛍光体層23の周囲全体に形成されている。また、図1の(b)に示すように、反射体22の表面の高さは、蛍光体層23の表面の高さと同一であることが望ましい。これにより、反射体22の表面と、蛍光体層23の表面とによって、単一の面が形成される。そのため、蛍光体層23の表面に対して、励起光L1が斜めに入射する場合(図13参照)に、励起光L1の入射方向から見て、蛍光体層23が反射体22の陰になることがない。言い換えれば、励起光L1は、反射体22により遮蔽されずに、蛍光体層23へと入射することができる。ただし、反射性基板21から測った反射体22の表面の高さは、反射性基板21から測った蛍光体層23の表面の高さ以上であればよい。
蛍光体層23は、励起光L1を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体を含有する。蛍光体層23に含まれる複数の蛍光体は、各蛍光体からの蛍光が混じり合ったときに白色光となるように選択される。例えば、複数の蛍光体は、(青色の蛍光を発する蛍光体)+(黄色の蛍光を発する蛍光体)、または(青色の蛍光を発する蛍光体)+(緑色の蛍光を発する蛍光体)+(赤色の蛍光を発する蛍光体)で構成される。蛍光体層23に含有される蛍光体は、特定の種類に限定されるものではなく、適宜選択することができる。一例として、蛍光体層23は、青色発色するBAM蛍光体、緑色発色するβ−SiAlON蛍光体、および赤色発色するCASN蛍光体を含有していてもよい。この構成の場合、蛍光体層23から出射される蛍光同士が混ざり合うことにより、白色光が構成される。これにより、白色光を出射する発光装置1を得ることができる。
図1の(a)に示すように、蛍光体層23は、上面、すなわち励起光L1の入射する面が、正方形となるように形成される。また、蛍光体層23の上面は、直線の辺のみで構成されており、角が丸くなっていない。加えて、図1の(b)に示すように、蛍光体層23の厚みは均一であり、上面と側面との間の角が切り立っている。蛍光体層23がこのような構造を有していることにより、発光部20から、正確な正方形の発光パターンを得ることができる。なお、蛍光体層23の上面の形状は、正方形に限定されることはなく、任意の形状であってよい。蛍光体層23の上面の形状は、蛍光の発光パターンを規定する。
(光学部材30の詳細)
次に、図1の(b)を用いて、光学部材30の詳細を説明する。
前述したように、光学部材30は、蛍光体層23に対して励起光L1を集光するものである。具体的には、光学部材30は、図1の(b)に示すように、蛍光体層23の上面に入射する励起光L1のビーム径が蛍光体層23の上面よりもわずかに大きくなるように、励起光L1を集光する。ここで、蛍光体層23の上面における励起光L1のビーム形状は、ロッドレンズ12aの出射端面の形状により規定される。前述したように、ロッドレンズ12aの出射端面の形状は、蛍光体層23の上面の形状(正方形)に相似するように構成されているので、励起光L1のビーム形状も、蛍光体層23の上面の形状に相似する。
このように、蛍光体層23の上面に入射する励起光L1のビームは、蛍光体層23の上面よりも大きいので、レーザ部10が振動することなどにより、励起光L1の照射位置が多少ずれた場合においても、蛍光体層23の上面全体に励起光L1が照射される。
さらに、蛍光体層23の上面の形状および励起光L1のビームの形状が正方形であるので、励起光L1の照射位置の位置ずれに対応する余白(ビームの輪郭と蛍光体層23の輪郭との間の幅)を、全方向に等しい幅で形成することができる。これにより、励起光L1の照射位置が、蛍光体層23の上面内におけるどの方向にずれた場合であっても、余白により対応することができる。
また、励起光L1は、光学部材30により、蛍光体層23の上面全体に対して照射される。そのため、蛍光体層23の上面の形状により規定される発光パターンを有する蛍光が、蛍光体層23から出射される。また、以下のような効果も期待することができる。
蛍光体層23に入射した励起光L1が、蛍光体層23中を導波して、蛍光体層23中の任意の場所の蛍光体を励起した場合、これにより生じた蛍光は、蛍光体層23の上面の任意の位置から出射される。ところが、励起光L1は、光学部材30により、蛍光体層23の上面全体に対して照射されるので、蛍光がどの位置から出射されたとしても、その蛍光は、発光パターンを構成することになる。従って、蛍光が、蛍光体層23上面におけるどの位置から出射されたとしても、発光パターンが崩れることはない。
さて、前述したように、励起光L1は、ロッドレンズ12aの出射端面において、均一な強度分布を有するので、図1の(b)に示すように、蛍光体層23の上面における励起光L1の強度分布も均一となる。そのため、レーザ部10の振動などにより、蛍光体層23の上面における励起光L1の被照射位置がずれた場合であっても、蛍光体層23の各位置に入射する励起光L1の強度は変化しない。従って、蛍光体層23の各位置からの蛍光の発光強度も変化しない。
なお、蛍光体層23の発光パターンは正方形であるので、発光装置1の外部へと投射される発光パターンの像の形状も正方形となる。また、発光装置1が複数の蛍光体層23を備えている場合、発光装置1の外部において、複数の発光パターンの像を重ね合わせることにより、正方形に限らず、様々な形状の配光パターンを実現することができる。
なお、発光装置1を灯具に組み込む場合、アイセーフの観点から、反射体22および蛍光体層23の表面で反射された励起光L1が発光装置1の外部へと投射されることを防止する(あるいは、励起光L1をカットする)フィルタを、発光装置1内に設置することが望ましい。
(従来の構成との比較)
ここでは、図14を用いて、本実施形態の発光装置1と、従来の発光装置9001とを比較する。図14は、従来の発光装置9001の構成を示す概略図である。
図14に示すように、発光装置9001は、励起光Lを出射する励起光源9010と、励起光Lにより蛍光を発する蛍光体層9023とを備えている。発光装置9001では、励起光源9010が半導体レーザである場合、励起光源9010より出射される励起光の空間強度分布は、ガウス分布、または他の空間的に不均一な分布となる。
図14に示すように、発光装置9001では、蛍光体層9023の上面において、励起光Lの強度がガウス分布を有する。そのため、励起光Lのエネルギー強度のピーク部分に存在する蛍光体と、ガウス型のエネルギー強度分布の裾の部分に存在する蛍光体との間で、蛍光体に与えられるエネルギー強度が異なる。そのため、蛍光体層9023の上面における蛍光の発光強度にムラが生じる。また、同じ光量かつ同じビーム幅の励起光同士を比較した場合、ガウス型のエネルギー強度分布を有する励起光Lのピーク部分の光強度は、トップハット型のエネルギー強度分布を有する励起光L1の光強度に対して、約5倍にまで高くなり得る。そのため、ガウス型のエネルギー強度分布を有する励起光Lが蛍光体層9023に照射されたとき、励起光Lの強度のピーク部分に対応する蛍光体層9023の領域が高温となることにより、該領域中の蛍光体に温度消光および劣化が生じる。これにより、蛍光体層9023からの蛍光の輝度が変化する。
一方、本実施形態の発光装置1では、蛍光体層23の上面における励起光L1のエネルギー強度分布がトップハット型であるので、蛍光体層23上面の全体に均一な強度の励起光L1が入射する。これにより、蛍光体層23からの蛍光に輝度ムラが生じ難い。また、蛍光体層23の一部領域に強度の高い励起光L1が入射することがないので、一部領域のみが高温となることがない。そのため、蛍光体層23では、温度の上昇による蛍光体の温度消光や劣化が生じ難い。その結果、蛍光体層23からの蛍光に輝度ムラが生じることを抑制することができる。これにより、輝度ムラの小さい発光パターンが得られる。
以上のことから、発光装置1を灯具の光源として用いた場合、投射光の輝度ムラが小さくなる。特に、発光装置1では、励起光L1としてレーザ光を用いられるので、以下に説明するように、投射の輝度ムラを抑制することができる効果が大きい。
発光装置1は、励起光L1としてレーザ光を用いるので、LEDなどを励起光として用いる発光装置と比較して、高いエネルギー密度の蛍光を得ることができる。そのため、同じ光束の蛍光を出射する構成とした場合、励起光L1としてレーザ光を用いる発光装置1は、励起光としてLEDを用いる発光装置よりも、蛍光体層23上面の面積を小さくすることができる。従って、蛍光体層23上面により規定される発光パターンの面積も小さくなる。
そのため、発光パターンを拡大した像を外部へ投射する場合、像のサイズが同じならば、励起光としてLEDを用いる発光装置よりも、励起光L1としてレーザ光を用いる発光装置1のほうが、像の拡大率が大きくなる。このことは、発光装置1では、発光パターンに輝度ムラが存在する場合、発光パターンの像には、大きな輝度ムラが生じることを意味する。ところが、本実施形態の発光装置1は、前述したように、発光パターンの輝度ムラを抑制することができる。そのため、発光パターンの像に生じる輝度ムラも抑制される。
また、従来の発光装置9001では、励起光Lとして用いるレーザ光が高出力となった場合、励起光Lの強度のピーク部分に対応する蛍光体層9023の領域における部分的な温度消光や劣化が顕著となり、その結果として蛍光体が輝度飽和する。さらに、蛍光体層9023に複数種類の蛍光体が含まれる場合、各種類の蛍光体が、互いに異なる輝度飽和の傾向を示すことにより、発光装置9001からの投射光の色味が変化してしまう。また、蛍光体層9023が単一の蛍光体で構成される場合であって、蛍光と可視光域の励起光Lとが混合されて投射される場合、蛍光体の輝度飽和により、蛍光と励起光Lの割合が変化するため、投射光が変色してしまう。これにより、投射光の発光パターン内に色ムラが生じる。
一方、発光装置1では、励起光L1として用いるレーザ光が高出力となった場合であっても、蛍光体層23上面の全体に均一な強度の励起光L1が入射する。従って、蛍光体層23内の一部の蛍光体に温度消光または劣化が生じる可能性が低いので、発光パターン内における色ムラの発生が抑制される。そのため、発光パターンの像に色ムラが生じることも抑制することができる。発光装置1は、蛍光体層23に含有される複数種類の蛍光体からの蛍光を投射する構成、あるいは、蛍光体層23から発せられる蛍光と、可視光域の励起光L1とを混合して投射する構成であることが望ましい。
(トップハット型分布の説明)
前述したように、トップハット型分布とは、励起光L1が照射された蛍光体層23の面における励起光L1のエネルギー強度分布がほぼ平坦となっていることである。より詳細には、トップハット型分布は、以下の(1)または(2)のように定義されてよい。
(1)ビームの中心部における任意の点における励起光L1の光強度が、所定の範囲に入る。所定の範囲は、例えば、励起光L1のピーク強度の80%以上であってよい。
(2)ビームの中心部に、励起光L1の全エネルギーの75%以上が分布している。
ここで、「ビームの中心部」とは、励起光L1のピーク強度の80%以上の強度となる点から、ビームの外郭に最も近い点を選択して、選択した点を結んでできる曲線に対し、その曲線の内側の領域のことである。なお、ビームの中心部以外をビームの端部とする。
以上のように、トップハット型分布の定義は、励起光L1が照射された蛍光体層23の上面において、励起光L1がほぼ平坦な強度分布を有しており、かつその平坦な領域に、励起光L1のエネルギーの大部分が含まれていることである。
蛍光体層23上面において、励起光L1がトップハット型分布を有している場合、蛍光体層23に含有される蛍光体が均一に励起されるので、蛍光体層23からの蛍光の輝度の均一性を高めることができる。また、励起光L1が有するエネルギーの部分が、平坦な領域に集中するので、効率良く輝度均一性の高い蛍光を得ることができる。
また、平坦な領域における励起光L1の強度は、励起光L1のピーク強度の80%以上であり、かつその平坦な領域に、励起光L1の全エネルギーの75%以上が含まれている。従って、特に、発光装置1を前照灯の光源として用いる場合、発光装置1によって、前照灯に必要とされる、輝度ムラのない投光パターンを効率良く得ることができる。
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、図4に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
前記実施形態の発光装置1は、励起光L1が入射する蛍光体層23の面と、蛍光が出射する蛍光体層23の面とが同じ表面であった(図2参照)。
一方、本実施形態の発光装置1’は、図4に示すように、蛍光体層23に対して励起光L1が入射する蛍光体層の面(裏面)と、蛍光が出射する蛍光体層23の面(表面)とが互いに逆側の面となる構成である。発光装置1’では、励起光L1の入射する面(裏面)とは反対側の面(表面)から出射される蛍光が利用される。
図4に示すように、発光部220は、励起光L1を透過する光透過性基板221上に、蛍光体層23が形成された構成であってもよい。あるいは、発光部220は、支持部材によって蛍光体層23の側面が支持されており、これにより蛍光体層23が固定される構成であってもよい。すなわち、発光部220は、蛍光体層23の一方の面から励起光L1が入射し、他方の面から蛍光が出射することが可能な構成であれば、どのような構成でも構わない。
発光装置1’では、蛍光体層23からの蛍光の出射方向に、レーザ部10や光学部材30が設置されない。そのため、蛍光体層23から出射された蛍光が、レーザ部10や光学部材30により遮蔽されることがない。また、蛍光体層23全体の中で最も発熱の大きい励起光L1の被照射部分が光透過性基板221に接しているため、光透過性基板221を通して、蛍光体層23において発生した熱を効率的に排熱することができる。これにより、蛍光体層23の温度上昇を抑制することができる。
〔実施形態3〕
本発明の他の実施形態について、図5の(a)から(c)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、発光部20の代わりに発光部320を備えている。また、レーザ部10は、波長450nmの励起光L1を出射する。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(発光部320の構成)
以下に、図5の(a)を用いて、発光部320の構成を説明する。図5の(a)は、発光部320の断面図である。図5の(a)に示すように、発光部320は、反射性基板21、吸収体(発光領域規定部、遮断部)324、および蛍光体層323を備えている。
吸収体324は、励起光L1および蛍光を吸収するものである。吸収体324は、蛍光体層323の側面全体を囲むように形成されている。そのため、発光部320に入射する励起光L1のうち、蛍光体層323の上面から外れた位置に入射した励起光L1は、吸収体324によって吸収される。これにより、励起光L1が、反射性基板21で反射され、発光装置1の外部に投射される可能性を低下させることができる。吸収体324は、ディスペンサなどの手法を用いて、蛍光体層323の周囲に、有機溶剤に分散させた黒色顔料を塗布することによって形成される。
蛍光体層323は、450nmの励起光L1を吸収して、黄色の蛍光または緑色+赤色の蛍光を発する1種類または複数種類の蛍光体を含有する。蛍光体層23から発せられる黄色の蛍光または緑色+赤色の蛍光と、青色の励起光L1とが混じり合うことによって、白色光が得られる。
本実施形態の発光装置1の構成によれは、レーザ部10より出射される励起光L1の波長が450nmであるので、蛍光体層323に含有される蛍光体が励起光L1により励起して発光する際に生じるストークスロスが低減される。そのため、蛍光体層323の理論発光効率を増加することができる。また、青色の励起光L1に黄色の光が合わさることで白色光が得られるため、蛍光体層323は、黄色の蛍光を発する1種類の蛍光体を含有していればよい。
(変形例)
上述した発光部320では、蛍光体層323の側面全体が、吸収体324のみにより囲まれている。しかしながら、吸収体324は、蛍光体層323から外れた位置に入射する励起光L1を吸収することができるように、最上面に形成されていればよい。従って、発光部320の変形例では、蛍光体層323の側面が、反射体および吸収体の積層構造によって囲まれていてもよい。
以下に、図5の(b)および(c)を用いて、発光部320の変形例である発光部320Aおよび発光部320Bの構成を説明する。図5の(b)および(c)は、発光部320Aおよび発光部320Bの断面図である。図5の(b)および(c)に示すように、発光部320Aは、反射性基板21、蛍光体層323、反射体322A、および吸収体324Aを備えている。また、発光部320Bは、反射性基板21、蛍光体層323、反射体322B、および吸収体324Bを備えている。反射体322Aおよび反射体322Bは、蛍光体層323からの蛍光を反射する。吸収体324Aおよび吸収体324Bは、励起光L1および蛍光を吸収する。
図5の(b)に示すように、発光部320Aでは、発光部320Aを外側から見たとき、蛍光体層323の周囲は、吸収体324Aによって囲まれている。これにより、発光部320Aから外れた位置に入射する励起光L1は、吸収体324Aによって吸収される。また、発光部320Aでは、蛍光体層323の側面に近づくほど、収体324Aの厚さが減少する一方、反射体322Aの厚さが増加していき、蛍光体層323の側面は、反射体322Aによって覆われている。これにより、蛍光体層323の側面から出射される蛍光は、反射体322Aによって蛍光体層323内へ反射されるので、蛍光体層323の側面から外部へと放出されない。これにより、蛍光体層323の側面から出射される蛍光によって発光パターンが崩れることが抑制される。
また、図5の(c)に示すように、発光部320Bでは、一様な厚みを有する反射体322Bと吸収体324Bとが、この順番で反射性基板21上に積層されている。これにより、発光部320Bから外れた位置に入射する励起光L1は、吸収体324Bによって吸収される。また、蛍光体層323の側面は、部分的に反射体322Bによって覆われている。これにより、蛍光体層323の側面から出射される蛍光の一部は、反射体322Bによって蛍光体層323内へ反射されるので、蛍光体層323の側面から外部へと放出されない。これにより、蛍光体層323の側面から出射される蛍光によって発光パターンが崩れることが抑制される。
このように、発光部320Aでは、蛍光体層323の側面全体が、反射体322A(322B)で覆われている。また、発光部320Bでは、蛍光体層323の側面の一部が、反射体322Bで覆われており、側面の残りの部分が、吸収体324Bで覆われている。そのため、発光部320Aおよび発光部320Bでは、蛍光体層323の側面から出射される蛍光(の全部、または一部)が蛍光体層323内へ反射され、ひいてはその一部が蛍光体層323表面から出射される。これにより、蛍光体層323から出射する蛍光の利用効率を向上させることができる。
〔実施形態4〕
本発明の他の実施形態について、図6に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、発光部20の代わりに発光部420を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(発光部420の構成)
以下に図6の(a)および(b)を用いて、発光部420の構成を説明する、図6の(a)および(b)は、発光部420の断面図および上面図である。図6の(a)および(b)に示すように、発光部420には、4本の溝gtが設けられている。各溝gtは、蛍光体層423を切断し、反射性基板421内まで達している。4本の溝gtは、励起光L1が照射される蛍光体層423aの領域を規定する。4本の溝gtの位置は、蛍光体層423aの領域が、所望の発光パターンの形状となるように定められる。そのために、蛍光体層423は、所望の発光パターンよりも大きく形成される。なお、溝gtの形成には、ダイシングの手法を適用することができる。
溝gtの外側の蛍光体層423bに対して励起光L1が照射されることを防止するため、蛍光体層423上面における励起光L1のビームの端部は、それぞれ、溝gtの中に収まることが好ましい。これにより、励起光L1は、蛍光体層423上面において、4本の溝gtの間に存在する蛍光体層423aの領域全体を含み、かつ溝gtよりも外側の蛍光体層423bを含まない領域に照射される。
発光部420では、蛍光体層423に設けられた溝gtにより、励起光L1に照射される蛍光体層423aの領域(および発光部420の発光パターン)が規定されている。これにより、溝gtを境界とする明確な明暗コントラストを有する発光パターンを得ることができる。なお、図6の(b)では、蛍光体層423aの四方に、それぞれ溝gtが設けられている。しかしながら、溝gtは、発光部420の発光パターンの輪郭を規定する蛍光体層423aの周縁部全体のうち、明確な明暗コントラストを得たい輪郭部分に対応する周縁部の部分にのみ設けられていればよい。
また、蛍光体層423は、発光パターン通りの形状に形成される必要がないので、蛍光体層423を発光パターンの形状に整形するための精密な制御が不要である。これにより、蛍光体層423の製膜工程の簡素化が可能となる。
さらに、発光部420は、前記実施形態の発光部20のようには、反射体や吸収体が必要でないので、材料費が減少する。
〔実施形態5〕
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、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
前記実施形態の発光部20の製造工程では、蛍光体層23の上面が発光パターン通りの形状となるように、蛍光体層23の端部が切り立った形状とする必要がある。しかしながら、これには、高度な制御技術が必要となる。この問題を解決するために、本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、発光部20の代わりに発光部520を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(発光部520の構成)
ここで、図7を用いて、発光部520の構成を説明する。図7は、発光部520の断面図である。図7に示すように、発光部520は、反射性基板21、反射体522、および蛍光体層523を備えている。反射体522および蛍光体層523は、前記実施形態の反射体22および蛍光体層23と同じ材料で形成することができる。なお、本実施形態の一変形例では、反射体522の代わりに、可視光を吸収する吸収体が用いられてもよい。
発光部520の製造工程では、第1に、反射性基板21上に蛍光体層523が形成される。このとき、蛍光体層523は、発光パターンよりも大きな領域に形成されればよく、発光パターン通りの形状に形成されなくてもよい。次に、蛍光体層523の上に、反射体522が形成される。このとき、反射体522は、発光パターンに対応する蛍光体層523の領域には重ならないように、蛍光体層523上に形成される。これにより、反射体522の形成後、発光パターンに対応する蛍光体層523の領域が、反射体522により被覆されずに残ることになる。あるいは、蛍光体層523の上面全体を覆うように反射体522を形成した後、反射体522に、発光パターンの形状の穴を形成してもよい。これにより、形成された穴を通して、発光パターンの形状の蛍光体層523が露出することになる。
以上のように、発光部520の製造工程では、蛍光体層523の端部が切り立った形状となるよう、反射性基板21上に蛍光体層523を形成する必要がないので、簡素な製膜手法を用いて、明暗のコントラストが強い発光パターンを得ることができる。
〔実施形態6〕
本発明の他の実施形態について、図8に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、発光部20の代わりに発光部620を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(発光部620の構成)
ここでは、図8を用いて、発光部620の構成を説明する。図8は、発光部620の断面図である。図8に示すように、発光部620は、反射性基板621および蛍光体層623を備えている。反射性基板621および蛍光体層623は、前記実施形態の反射性基板21および蛍光体層23と同じ材料で形成することができる。
反射性基板621には、発光パターンの形状を有する窪み621aが形成されている。そして、窪み621aを構成する反射性基板621の内側面621bには、蛍光の反射率が高くなるように、鏡面加工がなされている。
蛍光体層623は、窪み621aの中に形成されている。上述したように、窪み621aは、発光パターンの形状を有しているので、窪み621a内を埋めるように形成された蛍光体層623も発光パターンの形状を有する。なお、蛍光体層623の上面の位置は、反射性基板621の表面と同じ高さであってもよいし、あるいは反射性基板621の表面よりも低くてもよい。
蛍光体層623の側面は、窪み621aの内側面621bと接しており、内側面621bには、蛍光を反射する鏡面加工が施されている。そのため、蛍光体層623から内側面621bに向かって出射した蛍光は、内側面621bで蛍光体層623内に向かって反射される。これにより、蛍光をロスすることなく、蛍光体層623の上面のみから蛍光を取り出すことができる。
上述した発光部620の構成によれば、蛍光体層623の周囲を、反射体あるいは吸収体で覆う必要がないので、発光部620の材料費が減少する。また、蛍光体層623の側面および底面が、熱伝導性の高い反射性基板621と接しており、さらに、蛍光体層623の中で最も発熱の大きい励起光L1の被照射領域が、反射性基板621と接続したヒートシンクの近くに位置するため、蛍光体層623の放熱性が向上する。
〔実施形態7〕
本発明の他の実施形態について、図9の(a)および(b)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1の構成は、図2に示す実施形態1の構成と同様である。しかし、本実施形態では、発光部20の蛍光体層23における励起光L1の被照射領域が、実施形態1のそれとは相違している。相違の詳細を、図1の(a)および(b)と、図9の(a)および(b)とを用いて以下に説明する。図9の(a)および(b)は、発光部20の断面図および側面図である。
図1の(b)に示す前記実施形態の構成では、蛍光体層23表面における励起光L1のビームサイズが、蛍光体層23の表面よりも若干大きい。一方、図9の(a)および(b)に示すように、本実施形態では、蛍光体層23表面における励起光L1のビームの形状が、蛍光体層23の表面の形状と完全に一致するように、レーザ部10の出射端面の形状および光学部材30の構成が制御される。
本実施形態の構成によれば、レーザ部10から出射された励起光L1が全て蛍光体層23に入射する。そのため、レーザ部10の消費電力に対する蛍光体層23の発光効率を向上させることができる。
〔実施形態8〕
本発明の他の実施形態について、図10に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、発光部20の代わりに発光部820を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。発光部820は、反射性基板21、蛍光体層823、および吸収体824を備えている。蛍光体層823および吸収体824は、前記実施形態の蛍光体層23および吸収体324と同じ材料で形成することができる。
発光部820は、発光装置1が、水平方向に広い投光パターンを有する車両用前照灯の光源として適用されることを想定した形状となっている。具体的に、発光部820では、蛍光体層823の表面形状が長方形となっている(図10において、h<w)。そのため、蛍光体層823の表面から発せられる蛍光の発光パターンが長方形となる。この長方形の発光パターンを用いて、水平方向に広い投光パターンを得ることができる。
ここで、水平方向に広い投光パターンは、蛍光体層823自体の形状を該投光パターンの形状に形成することによって得られてもよい。あるいは、蛍光体層823を任意の形状で形成した後、蛍光体層823の露出形状が投光パターンの形状となるように、反射体あるいは吸収体により蛍光体層823の上面の一部および側面を覆うことによって得られてもよい。
なお、蛍光体層823上面における励起光L1のビーム形状は、蛍光体層823の上面全体(または吸収体824からの露出部分)に励起光L1が照射される形状であればよい。ただし、励起光L1から蛍光への変換効率を向上させるという観点や、励起光L1がどの方向に位置ズレしても蛍光体層823の全体に励起光L1が照射されるようにするという観点から、励起光L1のビーム形状は、蛍光体層823上面の形状から、縦横の方向に同じ長さで延長された形状の長方形であることが好ましい。
〔実施形態9〕
本発明の他の実施形態について、図11に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、レーザ部10の代わりにレーザ部910を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(レーザ部910の構成)
以下に、図11を用いて、レーザ部910の構成を説明する。図11は、レーザ部910の断面図である。同図に示すように、レーザ部910は、図3に示すレーザ部10の構成において、導光部材12の代わりに、マルチモードファイバ(導光部材)92を備えている。マルチモードファイバ92は、フェルール(ferrule)94を介して、レーザ部910の本体に外付けされている。ボールレンズ93は、レーザチップ11から出射された励起光L1を、マルチモードファイバ92の入射端に集光する。レーザ部910のその他の構成は、レーザ部10と同様である。
レーザチップ11より出射された励起光L1は、ボールレンズ93を介してマルチモードファイバ92内に入射する。励起光L1は、マルチモードファイバ92を通過する間、コア内で反射を繰り返す。そのため、マルチモードファイバ92の出射端面において、トップハット型の強度分布を有する励起光L1を得ることができる。
本実施形態のレーザ部910の構成によれば、マルチモードファイバ92を備えていることで、ロッドレンズ12aを備えた前記実施形態の構成と比較して、励起光L1を導光する距離を長くすることができる。励起光L1の導光距離を長くすることにより、マルチモードファイバ92のコア内における励起光L1の反射回数が増えるので、出射端面において、より均一な強度分布を有する励起光L1を得ることができる。
また、マルチモードファイバ92は、可撓性を有する。そのため、マルチモードファイバ92は、変形させることによって、励起光L1を導光する方向を変えることが容易である。そのため、レーザ部910の配置の自由度を高めることができるという利点を有する。
〔実施形態10〕
本発明の他の実施形態について、図12に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態の発光装置1は、図2に示す構成において、レーザ部10の代わりにレーザ部1010を備えている。その他の構成は、実施形態1の構成と同様である。
(レーザ部1010の構成)
以下に、図12を用いて、レーザ部1010の構成を説明する。図12は、レーザ部1010の断面図である。同図に示すように、レーザ部1010は、図3に示すレーザ部10の構成において、導光部材12の代わりに、導光部材1012を備えている。レーザ部1010のその他の構成は、レーザ部10と同様である。
導光部材1012は、中空パイプ1012a、ARコート膜1012b、およびキャップガラス1012cを備えている。中空パイプ1012aは、内部が空洞となった角柱状のパイプである。中空パイプ1012a内の空洞を構成する内面は、複数の鏡面で構成されている。励起光L1は、中空パイプ1012aを通過する間、中空パイプ1012aを構成する複数の鏡面において反射することを繰り返す。その結果、励起光L1は、中空パイプ1012aの出射端面において、トップハット型の光強度分布を有する。
中空パイプ1012aの出射端部には、ARコート膜1012bを介してキャップガラス1012cが配置されている。ARコート膜1012bは、中空パイプ1012a内を通過してきた励起光L1がキャップガラス1012cにより反射されることを防止する。
本実施形態のレーザ部1010の構成によれば、中空パイプ1012aと、レーザチップ11から出射された励起光L1との光学的な結合のトレランスが非常に大きい。そのため、厳密なアライメントが必要なく、かつ振動にも強いという利点を有する。
〔実施形態11〕
本発明の他の実施形態について、図13に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本実施形態は、図2に示す発光装置1を光源として備えた車両用前照灯3である。なお、発光装置1は、他の実施形態の構成(発光装置1’の構成を含む)であってもよい。また、車両用前照灯3が備えた発光装置1の数は1灯でも複数灯でもよく、必要な光束量が得られる発光装置1の灯数を任意に選んでよい。
(車両用前照灯3の構成)
図13を用いて、車両用前照灯3の構成を説明する。図13は、車両用前照灯3の構成を示す概略図である。同図に示すように、車両用前照灯3は、前記実施形態の発光装置1および投光部2を備えている。投光部2は、発光装置1の発光部20(蛍光体層23)からの光を、所望の方向に、所望の形状で投射するものである。
発光装置1において、光学部材30およびレーザ部10は、発光部20の正面方向から外れた位置に配置されており、励起光L1は、発光部20の表面に対して、斜めの方向から入射する。これにより、発光部20(蛍光体層23)より出射した蛍光が、光学部材30およびレーザ部10により遮蔽されることがない。また、光学部材30は、蛍光体層23の上面上で、レーザ部10より出射された励起光L1の出射端面の像を結像させる。これにより、蛍光体層23には、均一な強度を有する励起光L1が入射する。そのため、蛍光体層23と、蛍光体層23を取り囲む反射体22との間で規定されるエッジ部(周縁部)を境界とする高い明暗コントラストを有する蛍光を、蛍光体層23より得ることができる。
車両用前照灯3は、発光装置1を光源として備えている。前述したように、発光装置1の発光部20によって、ムラがなく、かつ明暗のコントラストが高い発光パターンの蛍光が得られる。そのため、投光部2より投射される光の配光パターンを高精度に制御することができる。例えば、車両用前照灯3は、法的に定められたすれ違い灯の配光パターンの形状など、特定の形状を有する光の投射を容易に達成することができる。
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る発光装置は、発光部の表面上に入射した励起光により蛍光を発する発光部と、上記発光部の表面における蛍光を発する領域である発光領域を規定する発光領域規定部と、を備え、上記発光部の表面において、上記励起光は、トップハット型のエネルギー強度分布を有している。
上記の構成によれば、発光部が蛍光を発する発光領域は、発光領域規定部により規定される。そのため、発光部は、発光領域規定部により規定された発光領域のみから蛍光を発する。また、発光領域には、トップハット型のエネルギー強度分布を有する励起光が入射する。そのため、発光領域の全体において、受光する励起光のエネルギーはほぼ均一である。その結果、発光部より発せられる蛍光の強度は、発光領域においてほぼ均一となる。従って、輝度ムラのない蛍光を得ることができる。
さらに、発光領域に入射する励起光のエネルギーがほぼ均一であることにより、発光部の表面のある一部の温度が、励起光のエネルギーによって局所的に大きく上昇することが抑制される。その結果、発光部に含まれる蛍光体に局所的に大きな温度消光が発生することを防止することができる。
本発明の態様2に係る発光装置は、上記態様1において、上記発光領域規定部は、上記発光部の側面より蛍光が発せられることを防止する遮断部を有する構成であってもよい。
上記の構成によれば、発光部の上面からは、発光パターンを形成する蛍光が出射される一方、発光パターンに関係しない発光部の側面から発せられた蛍光は、遮断部によって遮断されて出射しない。従って、発光パターンを正確に形成することができる。なお、遮断部は、蛍光を吸収または反射することにより、蛍光の出射を遮断する構成であってよい。
本発明の態様3に係る発光装置は、上記態様1または2において、上記発光領域規定部は、上記発光部の一部を覆っている構成であってもよい。
上記の構成によれば、発光領域規定部により、発光部の一部が覆われる。例えば、発光領域規定部は、発光部が発光パターンの形状で露出するように、発光部の一部領域を残して覆っていてもよい。この場合、発光部は、予め発光パターンの形状通りに形成される必要がない。
本発明の態様4に係る発光装置は、上記態様1において、上記発光領域規定部は、上記発光領域の外側に設けられた溝である構成であってもよい。
上記の構成によれば、発光領域からは、発光パターンを形成する蛍光がそのまま出射される一方、発光パターンの形成に関係しない発光領域の側面から発せられた蛍光は、溝によって拡散される。従って、発光パターンを正確に形成することができる。
本発明の態様5に係る発光装置は、上記態様2から4のいずれかにおいて、上記励起光を出射する励起光源と、上記励起光源からの励起光を上記発光部へ導く導光部材と、上記導光部材によって導光された上記励起光の出射端における像を上記発光部の表面において結像させる光学部材と、をさらに備えた構成であってもよい。
上記の構成によれば、励起光源より出射された励起光は、導光部材を通って、発光部の表面に照射される。このとき、光学部材により、導光部材の出射端における励起光の像が、発光部の表面で結像される。これにより、発光部の表面(発光領域)には、像の周縁部を境界とする高い明暗コントラストを有する励起光が入射する。そのため、発光領域の周縁部を境界とする高い明暗コントラストを有する蛍光を得ることができる。
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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
本発明は、各種照明装置、特に、車両用前照灯に利用することができる。
1、1’ 発光装置
11 レーザチップ(励起光源)
12、1012 導光部材
92 マルチモードファイバ(導光部材)
20、220、320、420、520、620、820、 発光部
22、322A、322B、522 反射体(発光領域規定部、遮断部)
324、324A、324B、824 吸収体(発光領域規定部、遮断部)
gt 溝(発光領域規定部)
621a 窪み(発光領域規定部)
30 集光デバイス(光学部材)

Claims (4)

  1. 励起光を出射する励起光源と、
    発光部の表面上に入射した励起光により蛍光を発する発光部と、
    上記励起光源からの上記励起光を上記発光部へ導く導光部材と、
    上記発光部の表面における蛍光を発する領域である発光領域を規定する発光領域規定部と、を備え、
    上記発光領域規定部は、上記発光部の側面より蛍光が発せられることを防止する遮断部を備えており、
    上記発光部の表面において、上記励起光は、トップハット型のエネルギー強度分布を有することを特徴とする発光装置。
  2. 上記発光領域規定部は、上記発光部の一部を覆っていることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
  3. 上記発光領域規定部は、上記発光部の外縁よりも内側で上記発光部を切断して、上記発光領域を規定する溝であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  4. 記導光部材によって導光された上記励起光の出射端における像を上記発光部の表面において結像させる光学部材をさらに備えたことを特徴とする請求項からの何れか1項に記載の発光装置。
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