JP6185226B2 - 投光装置及び運転支援システム - Google Patents

Description

本発明は、投光装置及びそれを備えた運転支援システムに関する。

近年、自動車の夜間走行時の安全性を高めるため、赤外光を用いた暗視装置を使って暗闇の中の歩行者や障害物を見えやすくする安全技術がある。特許文献１及び特許文献２には赤外光と可視光を投光可能な投光装置（前照灯）が開示されている。

図２９に示すように、特許文献１に記載の投光装置１は励起光を出射する励起光源１１０ａと、照射された励起光を異なる波長の光に変換する波長変換部材２２と、波長変換部材２２から出射した光を反射して所望の領域に投光する投光部材２３とを備える。

波長変換部材２２は照射された励起光を可視光に変換する複数の可視光蛍光体粒子（不図示）と励起光を近赤外光に変換する近赤外光蛍光体粒子（不図示）とを含む。これにより、波長変換部材２２に照射された励起光は可視光と近赤外光とに波長変換されて出射する。出射した可視光と近赤外光は投光部材２３より所定方向に投光される。そして、対象物で反射した近赤外光を撮影してモニターし、暗所で障害物等を早期発見することができる。

また、図３０に示すように、特許文献２に記載の投光装置１は可視光を発する第１発光ダイオード３２ｃと、赤外光を発する第２発光ダイオード３２ｄとが並設されている。また、第１発光ダイオード３２ｃが投光部材２３の光学的中心に配されている。これにより、可視光と赤外光とを一つの投光部材２３により投光することができる。

特開２００９−２２４０５３号公報 特開２００４−２４１１３８号公報

しかしながら、特許文献１の投光装置１は可視光で発光する蛍光体と近赤外光で発光する蛍光体とが必ず両方とも励起されて発光するため、どちらか一方だけ選択的に発光させることができない。このため、可視光のみ投光したい場合にも近赤外光が発光されるため、励起光の利用効率が大きく低下して消費電力が高くなる問題もあった。また、特許文献２の投光装置１は投光部材２３の光学的中心に第１発光ダイオード３２ｃのみが配されているため、可視光が投光される領域と赤外光が投光される領域とが異なり、可視光と赤外光の投光パターンにズレが発生する問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、一つの投光系で可視光と赤外光とを投光する投光装置において、可視光と赤外光のどちらか一方、あるいは両方を任意に選択して消費電力を低減するとともに可視光と赤外光の投光パターンを略一致させることができる投光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、励起光を出射する励起光源と、近赤外光を出射する近赤外光源と、前記励起光と前記近赤外光が照射されるとともに前記励起光を異なる波長の光に変換して出射する波長変換部材と、前記波長変換部材から出射した光を投光する投光部材とを備える投光装置において、前記励起光と前記近赤外光の前記波長変換部材への照射領域が略一致することを特徴としている。

この構成によると、励起光が照射された波長変換部材の照射領域において異なる波長に変換された光が出射する。また、波長変換部材の照射領域に照射された近赤外光は波長変換部材の表面及び内部で散乱する。このとき、励起光と近赤外光の波長変換部材への照射領域は略一致しており、波長変換された光と散乱する近赤外光の発光点が略一致する。これにより、投光部材から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生が抑制される。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記励起光又は前記近赤外光の一方を選択して出射することができることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記照射領域の中心は前記投光部材の焦点に配されることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記照射領域における前記波長変換部材表面の算術平均粗さが前記近赤外光の波長より大きいことを特徴としている。この構成によると、波長変換部材の表面で散乱する近赤外光が増加して近赤外光の利用効率が向上する。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記波長変換部材が支持板と前記支持板の上面に前記励起光を異なる波長の光に変換する粒子を堆積して形成される波長変換層とを備え、前記支持板の上面の算術平均粗さが前記近赤外光の波長より大きいことを特徴としている。この構成によると、波長変換部材の内部に透過した近赤外光のうち支持板の上面で散乱する近赤外光が増加する。これにより、近赤外光の利用効率が向上する。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記励起光源の出射部と前記近赤外光源の出射部とが略一致することを特徴としている。この構成によると、波長変換部材へ照射される励起光と近赤外光の光路が略一致するため、照射領域から出射する波長変換された光と照射領域で散乱する近赤外光の出射方向が略一致する。これにより、投光部材から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生がより抑制される。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記波長変換部材は前記励起光を可視光に変換することを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記励起光は３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長領域に中心波長を持つことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記励起光は約４５０ｎｍに中心波長を有する青色光であることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置において、前記励起光源及び前記近赤外光源が半導体レーザ素子を含むことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の投光装置から成る前照灯と、被写体で反射した前記近赤外光を受光して撮影する近赤外光カメラと、前記近赤外光カメラが撮影した映像を表示する表示部とを備えた移動体の運転支援システム。

また本発明は、上記構成の運転支援システムにおいて、前記移動体の進行に対する危険物を前記近赤外光カメラが撮影した映像から検知する危険物検知部を備えることを特徴としている。

本発明によると、励起光が照射された波長変換部材の照射領域において異なる波長に変換された光が出射する。また、波長変換部材の照射領域に照射された近赤外光は波長変換部材の表面及び内部で散乱する。このとき、励起光と近赤外光の波長変換部材への照射領域は略一致しており、波長変換された可視光と散乱した近赤外光の発光点が略一致する。これにより、投光部材から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生が抑制される。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の斜視図 本発明の第１実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第１実施形態に係るレーザ発生器の構造を示した斜視図 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示した斜視図 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子から出射するレーザ光を説明するための図 本発明の第１実施形態に係るレーザ発生器に集光部材を取り付けた状態を示した斜視図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の構造を説明するための斜視図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の構造を示した上面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の構造を示した側面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材に入射したレーザ光の進行を説明するための側面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材に入射したレーザ光の進行を説明するための上面図 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の配置方向の変形例を示した上面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の変形例を示した上面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の変形例を示した斜視図 図１５の集光部材の光出射面を示した正面図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の変形例を示した斜視図 本発明の第１実施形態に係る集光部材の光出射面におけるレーザ光の光強度分布を説明するための図 本発明の第１実施形態に係る波長変換部材にレーザ光を照射した状態を示した斜視図 本発明の第１実施形態に係る波長変換部材を模式的に示す断面図 本発明の第１実施形態に係る波長変換部材から出射する波長変換された光の光強度分布を示した図 本発明の第１実施形態に係る波長変換部材の変形例を模式的に示す断面図 本発明の第１実施形態に係る投光部材の側面断面図 本発明の第２実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第３実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第４実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第５実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第６実施形態に係る発光装置の側面断面図 本発明の第７実施形態に係る運転支援システムを説明する図 従来の投光装置を説明するための模式図 従来の投光装置を説明するための模式図

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態に係る投光装置の斜視図であり、図２は投光装置の側面断面図である。投光装置１は例えば自動車などの前方を照明する前照灯として用いられるものであり、励起光源１１０ａ、近赤外光源１１０ｂ、波長変換部材２２、投光部材２３、取付部材２４、フィルタ部材２５を備える。

レーザ発生器１０は励起光源１１０ａ及び近赤外光源１１０ｂを有して集光部材２１と結合している。レーザ発生器１０は青紫色光のレーザ光と近赤外光のレーザ光を出射する。集光部材２１はレーザ発生器１０からの青紫色光と近赤外光を集光しながら導光して出射面２１ｂから青紫色光からなる励起光と近赤外光とを出射する。

波長変換部材２２は集光部材２１から出射した励起光を可視光に変換して出射する。また、集光部材２１から出射した近赤外光は波長変換部材２２の表面及び内部で散乱する。なお、波長変換部材２２は励起光のみを波長変換し、近赤外光は波長変換しない。投光部材２３は内面を放物面により形成され、焦点に配した波長変換部材２２から出射した可視光と波長変換部材２２で散乱された近赤外光を反射して所定の方向（Ａ方向）に略平行光を出射する。投光部材２３は取付部材２４に固定され、取付部材２４に波長変換部材２２が取り付けられる。フィルタ部材２５は集光部材２１から出射され、波長変換部材２２において可視光に変換されなかった励起光を吸収または反射して遮光するとともに波長変換部材２２により波長変換された蛍光をＡ方向に透過する。

図３〜図６はレーザ発生器１０を説明する図であり、図３に示すように、レーザ発生器１０はヒートスプレッダ１２と、ヒートスプレッダ１２に実装される複数の青紫色半導体レーザ素子１１１ａ及び近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂと、これらを収納する金属製の収納部材１３とを備える。なお、青紫色半導体レーザ素子１１１ａが励起光源１１０ａに相当し、近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂが近赤外光源１１０ｂに相当する。

青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂはブロードエリア型レーザであり、青紫色半導体レーザ素子１１１ａは４０５ｎｍの波長領域に発光ピークを持つレーザ光を出射する。また、近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂは９００ｎｍの波長領域に発光ピークを持つレーザ光を出射する。

ヒートスプレッダ１２は例えば窒化アルミニウム製の平板により形成されており、収納部材１３の底面に半田付けされている。ヒートスプレッダ１２の実装面上には、細長形状の電極パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成されている。電極パターン１２ａ上には例えば、１０個の出力０．５Ｗの青紫色半導体レーザ素子１１１ａと３個の出力０．３Ｗの近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂが一直線状に配列している。複数の青紫色光半導体素子１１１ａ及び近赤外光半導体素子１１１ｂを用いることにより高出力のレーザ光を得ることができる。

収納部材１３はレーザ光の出射側に開口部を有する箱型に形成されている。また、収納部材１３には、青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂ（以下、両者を「半導体レーザ素子」という場合がある）に電力を供給するための電極ピン１５ａ、１５ｂ、１５ｃが挿入されている。電極ピン１５ａ、１５ｂ、１５ｃは金属線１６を用いてヒートスプレッダ１２の電極パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃにそれぞれ電気的に接続されている。

青紫色半導体レーザ素子１１１ａの後述するパッド電極１１ｉはＡｕワイヤ１４ａを介してヒートスプレッダ１２の電極パターン１２ｂに電気的に接続されている。また、近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂのパッド電極１１ｉはＡｕワイヤ１４ｂを介してヒートスプレッダ１２の電極パターン１２ｃに電気的に接続されている。また、青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂの裏面電極１１ｊは図示しない半田層などを介して電極パターン１２ａに電気的に接続されている。

これにより、電極ピン１５ａ、１５ｂ間に直流電流を印加すると、青紫色半導体レーザ素子１１１ａから青紫色光のレーザが出射する。また、電極ピン１５ａ、１５ｃ間に直流電流を印加すると、近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂから近赤外光のレーザが出射する。したがって、励起光源１１０ａ及び近赤外光源１１０ｂから励起光又は近赤外光の一方を選択して出射することができる。

図４は青紫色半導体レーザ素子１１１ａの構造を示した斜視図であり、図４に示すように、青紫色半導体レーザ素子１１１ａは、ｎ型ＧａＮから成る厚さ約１００μｍの基板１１ａと、基板１１ａ上に順に形成される層厚約０．５μｍのｎ型ＧａＮから成るバッファ層１１ｂ、層厚約２μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから成る下クラッド層１１ｃ、ＩｎＧａＮの多重量子井戸から成る活性層１１ｄ、および、層厚約０．５μｍ（最厚部）のｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから成る上クラッド層１１ｅとを含んでいる。

上クラッド層１１ｅの所定の位置には、Ｚ方向（青紫色半導体レーザ素子１１１ａの長さ方向）に延びるリッジ１１ｍが設けられている。リッジ１１ｍ上には、層厚約０．１μｍのｐ型ＧａＮから成るコンタクト層１１ｆと、Ｐｄから成る電極１１ｇとが形成されている。また、上クラッド層１１ｅの上面と、コンタクト層１１ｆおよび電極１１ｇの側面とを覆うようにＳｉＯ₂から成る絶縁膜１１ｈが形成されている。また、絶縁膜１１ｈ上の所定領域には、リッジ１１ｍを覆うとともに、電極１１ｇにオーミック接触するパッド電極１１ｉが形成されている。また、基板１１ａの下面には、Ｈｆ／Ａｌから成る裏面電極１１ｊが形成されている。

また、パッド電極１１ｉと裏面電極１１ｊとの間に直流電流を印加すると、図５に示すように、Ｘ方向（青紫色半導体レーザ素子１１１ａの幅方向）およびＹ方向（青紫色半導体レーザ素子１１１ａの厚み方向）に楕円状に広がるレーザ光が発光部１１ｋから出射される。このレーザ光の進行方向（Ｚ方向）に対して垂直なＸＹ面に投影される楕円光の光強度分布は、Ｘ方向およびＹ方向において共にガウス分布となる。Ｘ方向の光強度分布の半値全幅（θｘ）は約１０°で、Ｙ方向（θｙ）は約２０°であり、レーザ光の広がり角は、Ｙ方向がＸ方向より約２倍大きくなっている。このことにより、このレーザ光は、Ｘ方向を短軸方向、Ｙ方向を長軸方向として広がりながら進行する。

また、収納部材１３の開口部には図示しないガラス板が取り付けられており、収納部材１３の内部には不活性ガスが封入されている。また、収納部材１３には放熱フィンなど（図示せず）が設けられていてもよく、収納部材１３は例えば空冷されてもよい。なお、図６に示すように、ガラス板の所定の位置には、集光部材２１が透明な接着層（不図示）を介して固定されている。また、青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂが並列して並べられる全幅は集光部材２１の光入射面２１ａの幅よりも小さいことが望ましい。これにより、複数の青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂから出射したレーザ光は、集光部材２１に入射する。

なお、集光部材２１を投光部材２３、取付部材２４、支持板２６または波長変換部材２２に固定してもよい。また、励起光源１１０ａ及び近赤外光源１１０ｂは複数の青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂを用いた例について示したが、出力の高い１つの青紫色半導体レーザ素子１１１ａ又は１つの近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂを用いてもよい。また、励起光源１１０ａ又は近赤外光源１１０ｂとして複数の発光部を備えた、いわゆる半導体レーザアレイを用いてもよい。

図７は集光部材２１の斜視図を示している。集光部材２１は青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂに面した光入射面２１ａと波長変換部材２２に面した光出射面２１ｂとを有している。集光部材２１の周面は上面２１ｃ、下面２１ｄ及び両側面２１ｅにより形成されている。光入射面２１ａから入射したレーザ光は上面２１ｃ、下面２１ｄ及び両側面２１ｅで反射して光出射面２１ｂに向かって導光する。このとき、集光部材２１の断面は光入射面２１ａから光出射面２１ｂに向かってＸ、Ｙ方向に狭く形成され、入射光を集光して出射する。

光入射面２１ａは例えば略長方形状の平坦面により形成されている。光出射面２１ｂは例えば略正方形状（矩形状）の平坦面により形成されているとともに、光入射面２１ａよりも小さい面積を有する。具体的には、図８および図９に示すように、光入射面２１ａは約２．２４ｍｍの高さ（Ｈ２１ａ）と、約１１．０ｍｍの幅（Ｗ２１ａ）とを有する。また、光出射面２１ｂは約１．０３ｍｍの高さ（Ｈ２１ｂ）と、約１．０３ｍｍの幅（Ｗ２１ｂ）とを有する。すなわち、集光部材２１は幅方向および厚み方向に対して先細り形状に形成されている。また、光入射面２１ａおよび光出射面２１ｂ上には、図示しない反射防止（ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ））膜が形成されていてもよい。

また、光出射面２１ｂをすりガラス状の粗面あるいは所謂モスアイ状にしてもよい。この場合、集光部材２１内部から光出射面２１ｂを通して外部にレーザ光を取り出す際の取り出し効率を大きく向上させることができた。光出射面２１ｂが平坦面である場合には、集光部材２１内部においてレーザ光が光出射面２１ｂに到達した際に、光出射面２１ｂの内側で反射され、外部に取り出すことができないレーザ光成分が生じてしまう。それに対し、光出射面２１ｂをすりガラス状の粗面あるいは所謂モスアイ状とすることによって、光出射面２１ｂの内側での反射が抑制され、光を効率的に外部に取り出すことができる。

上面２１ｃおよび下面２１ｄは互いに同じ形状に形成されており、一対の側面２１ｅは互いに同じ形状に形成されている。また、上面２１ｃ、下面２１ｄおよび一対の側面２１ｅは約５０ｍｍの長さ（Ｌ２１）を有する。

また、上面２１ｃおよび下面２１ｄの光入射面２１ａに対する角度（θ２１ｃおよびθ２１ｄ）は、側面２１ｅの光入射面２１ａに対する角度（θ２１ｅ）よりも大きい。

ここで、集光部材２１に入射したレーザ光の進行について簡単に説明する。図１０および図１１に示すように、青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂから出射した青紫色光と近赤外光のレーザ光はそれぞれ長軸方向および短軸方向に広がりながら進行し、集光部材２１の光入射面２１ａに入射する。そして、レーザ光は上面２１ｃ、下面２１ｄおよび一対の側面２１ｅで反射を繰り返すことにより、集光されながら光出射面２１ｂまで導光され、青紫色光と近赤外光のレーザ光が光出射面２１ｂから外部に出射する。これにより、励起光源１１０ａの出射部と近赤外光源１１０ｂの出射部が略一致して波長変換部材２２へ照射される励起光と近赤外光の照射領域が略一致する。

なお、青紫色半導体レーザ素子１１１ａと近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂから出射した青紫色光と近赤外光のレーザ光は長軸方向の広がり角が短軸方向の広がり角よりも大きいので、上面２１ｃおよび下面２１ｄにおいて反射条件を満たしにくくなる。このため、上面２１ｃおよび下面２１ｄの光入射面２１ａに対する角度（θ２１ｃおよびθ２１ｄ）（図９参照）を、側面２１ｅの光入射面２１ａに対する角度（θ２１ｅ）（図８参照）よりも大きくすることによって、上面２１ｃおよび下面２１ｄにおいて反射条件を満たさなくなるのを抑制している。

また、図１２に示すように、レーザ光の出射方向（レーザ光の光軸方向）が集光部材２１の光出射面２１ｂの中心付近を向くように半導体レーザ素子１１を配置してもよい。これにより、一対の側面２１ｅにおいて反射条件をより満たしやすくなるので、特に有効である。なお、レーザ光の出射方向が光出射面２１ｂの中心付近を向くように半導体レーザ素子１１を配置する場合、図１３に示すように、各レーザ光の出射方向と光入射面２１ａとが直交するように光入射面２１ａを形成してもよい。これにより、レーザ光の集光部材２１への入射効率が低下するのを抑制することが可能である。

また、図１４〜図１６に示すように、集光部材２１のエッジを面取りしてもよい。すなわち、集光部材２１の導光方向に垂直な断面を、コーナー部が面取りされた矩形状にしてもよい。この場合、図１５および図１６に示すように、集光部材２１のエッジ（断面におけるコーナー部）を、例えばＣ０．３ｍｍにＣ面取りしてもよい。また、図１６に示すように、集光部材２１のエッジをＲ面取りし、光出射面２１ｂを略円形状に形成してもよい。なお、集光部材２１の導光方向とは、光入射面２１ａの中心から光出射面２１ｂの中心に向かう方向である。

これにより、本実施形態の集光部材２１の光出射面２１ｂにおける青紫色光と近赤外光のレーザ光の光強度分布は図１７に示すように、均一になる。すなわち、光出射面２１ｂから出射する青紫色光と近赤外光のレーザ光の光強度分布はガウス分布状ではなくなる。このため、集光部材２１はレンズによる集光と異なり、青紫色光と近赤外光のレーザ光は同一の光強度分布が得られる。したがって、波長変換部材２２に青紫色光と近赤外光を同一のサイズ及び形状で均一に照射することができる。

集光部材２１は透光性を有する部材により形成されている。集光部材２１の材料としては、例えばホウケイ酸クラウン光学ガラス（ＢＫ７）または合成石英などのガラスや、樹脂などが挙げられる。

なお、集光部材２１の光出射面２１ｂと波長変換部材２２の照射面２２ａとの間に隙間（空間）が形成されているが（図２参照）、集光部材２１の光出射面２１ｂと波長変換部材２２の照射面２２ａとの間に樹脂やガラスなどが配置されていてもよく、投光部材２３の反射面２３ａの内側が樹脂やガラスなどにより充填されていてもよい。

また、集光部材２１は光入射面２１ａに入射したレーザ光を第２反射面（上面２１ｃ、下面２１ｄ、側面２１ｅ）で反射して光出射面２１ｂまで導光する例について示したが本発明はこれに限らない。

図１８は波長変換部材２２にレーザ光を照射した状態を示した斜視図であり、図１９は波長変換部材２２を模式的に示す断面図である。波長変換部材２２はアルミニウムからなる支持板２６と支持板２６の上面に励起光を異なる波長の光に変換する蛍光体粒子２９を堆積して形成される波長変換層２２ｅとを備える。

波長変換層２２ｅはレーザ光が照射される照射面２２ａを有する。照射面２２ａの中央部には照射領域２２ｂを有し、照射領域２２ｂに集光部材２１を通して集光された励起光と近赤外光が照射される。すなわち、励起光と近赤外光の照射領域が略一致する。照射領域２２ｂに照射された励起光は波長変換層２２ｅの蛍光体粒子２９により異なる波長に変換されて照射領域２２ｂから出射する。

このとき、照射領域２２ｂは照射面２２ａの面積よりも十分に小さい。このため、波長変換部材２２から出射する波長変換された光の光強度分布は図２０に示すように、ランバーシアン分布になる。図２０において、縦軸は出射する波長変換された光の光強度を最大光強度に対する比で示している。また、横軸は出射する励起光から異なる波長に変換された光の放射角度（単位：°）を示している。

また、照射領域２２ｂに照射された近赤外光の一部は照射領域２２ｂにおいて波長変換層２２ｅの表面で散乱し、近赤外光の一部は波長変換層２２ｅの蛍光体粒子２９に当たって散乱する。散乱した近赤外光の一部は照射領域２２ｂにおいて波長変換部材２２の外部に出射する。また、近赤外光の一部は支持板２６の上面まで透過して反射する。なお、蛍光体粒子２９は可視の蛍光を発する材料が選ばれているために近赤外光は吸収しない。これにより、近赤外光の波長変換によるエネルギーの損失は十分に小さくなる。

また、波長変換層２２ｅの算術平均粗さＲａが近赤外光の波長より大きくなるように波長変換層２２ｅの表面に微小な凹凸を形成することが好ましい。これにより、波長変換部材２２の表面で近赤外光が微小な凹凸により全方位に散乱する。また、波長変換部材２２の表面で散乱する近赤外光が増加して近赤外光の利用効率を向上することができる。具体的な波長変換層２２ｅの算術平均粗さとしては約１μｍ以上が好ましい。

なお、波長変換部材２２の表面の算術平均粗さが近赤外光の波長より大きい場合、波長変換部材２２の表面で散乱する励起光も増加する。このため、青紫色半導体レーザ素子１１１ａの代わりに青色レーザ（４５０ｎｍ）等の可視光を出射する可視光半導体レーザ素子を用いることが好ましい。これにより、波長変換部材２２の表面で散乱した励起光の一部を投光部材２３で投光する光の一部として利用することができる。したがって、励起光の利用効率を向上させることができる。なお、照射領域２２ｂに対する励起光及び近赤外光の照射角度を好ましい角度に設定して励起光及び近赤外光の利用効率の向上を図ることもできる。

図２１は波長変換部材２２の変形例であり、図２１に示すように、支持板２６の上面の算術平均粗さを近赤外光の波長より大きくしてもよい。これにより、支持板２６の上面で近赤外光又は励起光を散乱させて利用効率を向上させることができる。

また、波長変換部材２２は図２２に示すように、投光部材２３の反射面２３ａ（第１反射面）の焦点Ｆ２３を含む領域に配置されており、照射領域２２ｂの中心は、反射面２３ａの焦点Ｆ２３と略一致している。これにより、波長変換された可視光と近赤外光の略平行光を投光部材２３から出射することができる。また、波長変換された可視光と散乱する近赤外光の発光点が照射領域２２ｂにおいて略一致するため、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生が抑制される。

なお、照射面２２ａ上の励起光の照射領域２２ｂは一定の大きさを有しているので、投光部材２３から出射する光は完全な平行光ではない。照射面２２ａ上の励起光及び近赤外光の照射領域２２ｂを小さく絞って発光面積を小さくすることにより、投光部材２３から出射される光を平行光に近づけることができる。

波長変換層２２ｅは、例えば支持板２６上に蛍光体粒子２９を含有する薄板を貼り付けることにより形成される。波長変換層２２ｅは、例えば青紫色光（励起光）を赤色光、緑色光および青色光にそれぞれ変換して出射する３種類の蛍光体粒子２９を用いて形成されている。青紫色光を赤色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕが挙げられる。青紫色光を緑色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えばβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕが挙げられる。青紫色光を青色光に変換する蛍光体粒子２９としては、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）ＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕが挙げられる。

波長変換部材２２から出射する赤色光、緑色光および青色光の蛍光が混色されることによって、白色光が得られる。なお、赤色光は例えば約６４０ｎｍの中心波長を有する光であり、緑色光は例えば約５２０ｎｍの中心波長を有する光である。また、青色光は例えば約４５０ｎｍの中心波長を有する光である。

なお、波長変換層２２ｅの表面は物理的方法により研磨して粗面を形成することができる。また、化学的方法により粗面を形成してもよい。

なお、波長変換部材２２に含まれる蛍光体粒子２９は励起光を異なる色の蛍光に変換する複数の蛍光体粒子を含んでいればよく、青紫色半導体レーザ素子１１１ａから出射するレーザ光の中心波長や、波長変換部材２２を構成する蛍光体粒子の種類は、適宜変更可能である。

また、白色光を出射するように、励起光源１１０ａおよび波長変換部材２２を構成した例について示したが、白色光以外の光を出射するように、励起光源１１０ａおよび波長変換部材２２を構成してもよい。

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

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

投光部材２３は取付部材２４に固定されている。取付部材２４は例えばＡｌやＣｕや高熱伝導性セラミックスなどの良好な熱伝導性を有する金属により形成されており、波長変換部材２２で発生した熱を放熱する機能を有する。また、取付部材２４の上面２４ａには、支持板２６を固定するための取付部２４ｂが一体的に形成されている。また、取付部材２４の下面には、放熱フィン（図示せず）が設けられていることが好ましい。また、投光部材２３と取付部材２４とを別体で設けた例について説明したが、投光部材２３と取付部材２４とを一体で形成してもよい。

なお、上記実施形態では、波長変換層２２ｅを支持板２６上に形成した例について示したが、波長変換層２２ｅを取付部材２４の取付部２４ｂ上に直接形成してもよい。また、支持板２６および取付部２４ｂを設けず、支持板２６および取付部２４ｂに相当する部分を波長変換層２２ｅで形成してもよい。

フィルタ部材２５は例えば波長が約４１８ｎｍ以下の光を吸収し、約４１８ｎｍよりも長い波長の光を透過する材料を選択することができる。

本実施形態によると、励起光と近赤外光の波長変換部材２２への照射領域２２ｂが略一致する。これにより、励起光が照射された波長変換部材２２の照射領域２２ｂから波長変換された光が出射する。また、照射された近赤外光は照射領域２２ｂにおいて波長変換部材の表面で散乱する。このとき、波長変換された光と散乱する近赤外光の発光点が略一致する。これにより、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生が抑制される。

また、励起光又は近赤外光の一方を選択して出射することができるので、照射する必要がある状況に応じて励起光又は近赤外光を選択することにより投光装置１の消費電力を低減することができる。

また、照射領域２２ｂの中心を内面が放物面から成る投光部材２３の焦点に配することにより、波長変換された光と近赤外光の略平行光を投光部材２３から出射することができる。

また、照射領域２２ｂにおける波長変換部材２２表面の算術平均粗さを近赤外光の波長より大きくすることにより、波長変換部材２２の表面で散乱する近赤外光が増加して近赤外光の利用効率が向上する。また、支持板２６の上面の算術平均粗さを近赤外光の波長より大きくすることにより、波長変換部材２２の内部に透過した近赤外光が支持板２２の上面で散乱して近赤外光の利用効率が向上する。

また、励起光源１１０ａの出射部と近赤外光源１１０ｂの出射部が略一致することにより、波長変換部材２２へ照射される励起光と近赤外光の照射領域が略一致するため、照射領域２２ｂから出射する波長変換された光と照射領域２２ｂで散乱する近赤外光の出射方向が略一致する。これにより、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生がより抑制される。

また、波長変換部材２２が励起光を可視光に変換することにより、投光部材２３により可視光を投光することができる。また、励起光が３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長領域に中心波長を持つ光である場合、蛍光体との組み合わせにより白色光を生成するのに好適である。また、励起光が約４５０ｎｍに中心波長を有する青色光である場合、波長変換部材２２の表面で散乱した青色光の一部を投光部材２３で投光する光の一部として利用することができる。

また、励起光源１１０ａと近赤外光源１１０ｂの光源は半導体レーザ素子を含むことにより、ＬＥＤ等に比べて、小型・軽量化、低消費電力化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図２３は第２実施形態に係る投光装置１の側面断面図である。なお、第１実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態に対して第２実施形態は支持板２６が波長変換部材２２から出射する可視光及び波長変換部材２２で散乱した近赤外光を透過する機能を有する。

また、投光部材２３の反射面２３ａは放物面から成り、反射面２３ａの焦点Ｆ２３に波長変換部材２２の照射領域２２ｂが配されている。これにより、波長変換された可視光と近赤外光の略平行光が投光部材２３から出射される。

また、集光部材２１の光出射面２１ｂと波長変換部材２２は対向して配置されており、波長変換部材２２に照射される励起光及び近赤外光の照射領域２２ｂを逆台形状に形成することができる。これにより、照射領域２２ｂの中心は反射面２３ａの焦点Ｆ２３からずれた位置に配置される。具体的には、照射領域２２ｂは焦点Ｆ２３に対して左右方向および下方向（地面方向）に拡がるように形成される。

したがって、投光装置１により投光される可視光及び近赤外光の投光パターンは上方向には拡がらず、左右方向（水平方向）および下方向に拡がる。すなわち、空方向（上方向）を無駄に照明するのを抑制しながら、道路周辺も照明することが可能となる。

＜第３実施形態＞
図２４は第３実施形態に係る投光装置１の側面断面図である。なお、第１実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態に対して第３実施形態は取付部材２４に貫通孔２４ｄが形成されている。また、貫通孔２４ｄに集光部材２１の光出射面２１ｂが配され、貫通孔２４ｄの上方に波長変換部材２２が配されている。これにより、波長変換部材２２は励起光及び近赤外光が照射される照射面と可視光及び近赤外光が出射する出射面とが対向する。

支持板２６は励起光及び近赤外光を透過する。支持板２６は集光部材２１の光出射面２１ｂに当接して配置される。これにより、励起光と近赤外光の波長変換部材２２への照射領域を略一致させることにより、波長変換部材２２により波長変換された光と近赤外光の発光点を略一致させることができる。なお、集光部材２１と支持板２６は透明材料を介して接着してもよい。

また、投光部材２３にはパラボラミラーが用いられている。略一致する発光点に投光部材２３の反射面２３ａの焦点Ｆ２３を配置することにより、波長変換された光と近赤外光の略平行光が投光部材２３から出射される。したがって、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生は抑制される。なお、集光部材２１にレンズを用いて波長変換部材２２に励起光及び近赤外光を照射してもよい。

＜第４実施形態＞
図２５は第４実施形態に係る投光装置１の側面断面図である。なお、第１実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第１実施形態に対して第４実施形態は励起光源１１０ａに青色半導体レーザ素子１１１ｃを用いる。また、集光部材２１に光ファイバー３２を用いる。光ファイバー３２は青色半導体レーザ素子１１１ｃ及び近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂから出射した光を波長変換部材２２まで導光する。また、投光部材２３には楕円ミラーが用いられる。

青色半導体レーザ素子１１１ｃは４５０ｎｍの波長領域に発光ピークを持つレーザ光を出射する。例えば、出力１Ｗの青色半導体レーザ素子１１１ｃが４個用いられ、各青色半導体レーザ素子１１１ｃに光ファイバー３２が設けられている。また、近赤外光半導体レーザ素子１１１ｂには出力０．５Ｗのレーザ素子が１個用いられる。光ファイバー３２は中芯のコアをコアよりも屈折率の低いクラッドで覆った２層構造を備える。これにより、入射端部から入射したレーザ光は、光ファイバー３２の内部を通り、他方の端部である出射端部から出射する。

また、光ファイバー３２の両端には集光レンズ３１とレンズ３３が配されている。集光レンズ３１は青色半導体レーザ素子１１１ｃ又は近赤外光半導体素子１１１ｂから出射されたレーザ光を光ファイバー３２の入射端部に入射させる。レンズ３３は光ファイバー３２の出射端部から出射したレーザ光を波長変換部材２２上に照射する。

光ファイバー３２の出射端部はフェルール等により束ねられている。これにより、複数の青色半導体レーザ素子１１１ｃから出射された光束を集光して波長変換部材２２に照射でき、励起光のパワーを実質的に高めることができる。

波長変換部材２２は、例えば粗面を有するアルミニウム（支持板２６）上に青色レーザ光（励起光）で励起可能なＹＡＧ蛍光体（蛍光体粒子２９）を固着することにより形成される。なお、波長変換部材２２を例えば直径１ｍｍの円形状とすることもできる。

投光部材２３の反射面２３ａは楕円面の一部を含むように形成されている。具体的には、反射面２３ａは楕円面を、その第１焦点Ｆ２３ａと第２焦点Ｆ２３ｂとを結ぶ軸に直交（交差）する面で分割したような形状に形成されている。反射面２３ａは約３０ｍｍの深さを有するとともに、投光方向から見て約１５ｍｍの半径を有する円形状に形成されている。

また、投光部材２３の前方には直径が３０ｍｍの投光レンズ４０が設けられている。図２５では投光レンズ４０は片面だけが凸状になっているが、両面が凸状であってもよいし、片面が凸状で他の面が凹状であってもよい。これにより、波長変換された可視光と近赤外光との間で投光パターンをより一致させて投光することができる。

波長変換部材２２の照射領域２２ｂは反射部材２３の反射面２３ａの第１焦点Ｆ２３ａに略一致して配されている。また、投光レンズ４０の焦点Ｆ１３０と反射部材２３の反射面２３ａの第２焦点Ｆ２３ｂとは略一致している。

また、投光部材２３には窓部３４ａ、３４ｂが設けられている。窓部３４ａは励起光源１１０ａからの励起光に対応し、窓部３４ｂは近赤外光源１１０ｂからの近赤外光に対応して設けられる。なお、窓部３４ａ、３４ｂは開口してもよいし、レーザ光を透過可能な透明部材を含むものであってもよい。

また、波長変換部材２２に照射する励起光として可視光である青色レーザ光を用い、波長変換部材２２に照射された青色レーザ光は黄色光に波長変換されて出射する。また、波長変換部材２２に照射された青色レーザ光の一部は波長変換部材２２の照射面２２ａにおいて散乱して青色光が出射する。これにより、黄色光と青色光が混色して白色光が出射する。白色光は投光部材２３により近赤外光とともに投光される。

なお、波長変換部材２２の表面の算術平均粗さが近赤外光の波長より大きい場合、波長変換部材２２の表面で散乱する青色レーザ光も増加する。このため、青色レーザ光の利用効率を向上させることができる。

＜第５実施形態＞
図２６は第５実施形態に係る投光装置１の側面断面図である。なお、第１実施形態及び第４実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第４実施形態に対して第５実施形態は励起光源１１０ａと近赤外光源１１０ｂの光ファイバー３２が束ねられている。これにより、励起光源１１０ａの出射部と近赤外光源１１０ｂの出射部が略一致する。これにより、波長変換部材２２へ照射される励起光と近赤外光の照射領域２２ｂが略一致するため、照射領域２２ｂから出射する波長変換された光と照射領域２２ｂで散乱する近赤外光の出射方向が略一致する。これにより、投光部材２３に含まれる投光レンズ４０から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生がより抑制される。

＜第６実施形態＞
図２７は第６実施形態に係る投光装置１の側面断面図である。なお、第１実施形態及び第５実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第５実施形態に対して第６実施形態は投光部材２３にパラボラミラーが用いられ、投光レンズ４０が用いられない。

波長変換部材２２は投光部材２３の反射面２３ａの焦点Ｆ２３を含む領域に配置されており、照射領域２２ｂの中心は、反射面２３ａの焦点Ｆ２３と略一致している。これにより、波長変換された可視光と近赤外光の略平行光を投光部材２３から出射することができる。このとき、投光部材２３の光学系にレンズを用いないため投光される可視光と近赤外光との間に色収差が発生しない。このため、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生がより抑制される。

＜第７実施形態＞
図２８は第７実施形態に係る運転支援システム５０を説明する図である。なお、第１実施形態〜第３実施形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。第４実施形態に係る運転システム５０は運転支援システム５０は自動車５３の運転の安全性を向上するシステムであり、第１実施形態〜第６実施形態のいずれかの投光装置１を用いることができる。

運転支援システム５０は自動車５３に備えられ、自動車５３の前方に設置される投光装置１と、反射された近赤外光を受光して撮影する近赤外光カメラ５１と、近赤外光カメラ５１が撮影した映像を表示する表示部５２と、近赤外光カメラ５１が撮影した映像から自動車５３の進行に対する危険物を検知する危険物検知部（不図示）を備える。

投光装置１は白色光（可視光）と近赤外光を選択して投光することができ、白色光は自動車５３の正面が明るく照らすことができる。白色光と近赤外光は略同一の投光パターンにより照射される。このため、運転手は周囲の状況に応じて可視光又は近赤外光を選択して使用することにより、投光装置１の消費電力を低減することができる。なお、周囲の状況は自動車５３に備えられたセンサーにより自動的に判断してもよい。例えば、夜間の高速道を運転する場合、自動車５３の進行に対する危険物が出現する可能性が低いため白色光のみを選択することができる。また、夕方の市街地を運転する場合、近赤外光のみを選択して出射することができる。また、夜間の市街地を運転する場合、白色光と近赤外光とを出射することができる。

赤外光カメラ５１は制御部（不図示）に電気的に接続され、投光装置１から出射し対象物で反射された近赤外光を受光するとともに、検知信号を制御部に出力する機能を有する。危険探知部（不図示）は赤外光カメラ５１からの検知信号に基づいて、人、先行車、対向車および障害部などの位置を検出して表示部５２に表示する。

危険探知部（不図示）は赤外光カメラ５１からの検知信号に基づいて、外部状況に関するデータを得る。また、危険探知部はメモリ（不図示）を有し、メモリには予め人、先行車、対向車および障害物等の画像認識の為のデータが記憶されている。危険探知部は得られたデータと、予め記憶させておいたデータとを比較する。これにより、対象物が、人、先行車、対向車または障害物のいずれであるかを判断する。この場合、対象物の移動速度、大きさなども考慮して判断するように、危険探知部を構成してもよい。なお、対象物が人、先行車、対向車または障害物のいずれであるかの判断は、様々な方法が考えられる。

本実施形態によると、投光装置１から成る前照灯と、反射された近赤外光を受光して撮影する近赤外光カメラ５１と、近赤外光カメラ５１が撮影した映像を表示する表示部５２とを備えた自動車５３の運転支援システム５０は自動車５３の走行に対する危険物などを表示部５２に表示する。これにより、例えば、夜間走行時であっても危険物などが見えにくくなるのを抑制することができる。したがって、運転の安全性が低下するのを抑制することができる。

また、運転支援システム５０において、移動体の進行に対する危険物を近赤外光カメラ５１が撮影した映像から検知する危険物検知部（不図示）を備えることにより、運転者が運転中に表示部５２に表示される危険物を確認する負担を軽減することができる。これにより、安全性が低下するのをより抑制することができる。

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

例えば、上記実施形態では、励起光を照射した照射面から波長変換された光を出射する反射型の波長変換部材を用いたが、励起光が照射される照射面と対向する面から蛍光が出射する透過型の波長変換部材を用いてもよい。透過型の波長変換部材を用いる場合においても、励起光と近赤外光の波長変換部材への照射領域を略一致させることにより波長変換された光と散乱する近赤外光の発光点が略一致する。これにより、投光部材２３から投光される波長変換された光と近赤外光の投光パターンのズレの発生が抑制される。

また、本実施形態では、投光装置１を移動体の一例として自動車の前照灯に用いた例について示したが、飛行機、船舶、ロボット、バイクまたは自転車や、その他の移動体の前照灯に用いてもよい。

１ 投光装置
１０ レーザ発生器
２１ 集光部材
２１ａ 光入射面
２１ｂ 光出射面
２１ｃ 上面（第２反射面）
２１ｄ 下面（第２反射面）
２１ｅ 側面（第２反射面）
２２ 波長変換部材
２２ａ 照射面
２２ｂ 照射領域
２２ｅ 波長変換層
２３ 投光部材
２３ａ 反射面（第１反射面）
２４ 取付部材
２４ａ 上面
２４ｂ 取付部
２４ｃ 取付面
２５ フィルタ部材
２６ 支持板
３１ 集光レンズ
３２ 光ファイバー
３３ 拡大レンズ
５０ 運転支援システム
５１ 赤外光カメラ
５２ 表示部
５３ 自動車
１１０ａ 励起光源
１１０ｂ 近赤外光源
１１１ａ 青紫色光半導体素子
１１１ｂ 近赤外光半導体素子
Ｆ２３ 焦点
Ｖ２３ 頂点

Claims (12)

1. 励起光を出射する励起光源と、近赤外光を出射する近赤外光源と、前記励起光と前記近赤外光が照射されるとともに前記励起光を異なる波長の光に変換して出射する波長変換部材と、前記波長変換部材から出射した光を投光する投光部材とを備える投光装置において、
   前記励起光と前記近赤外光の前記波長変換部材への照射領域を略一致させて波長変換された光と散乱する前記近赤外光の発光点が前記波長変換部材において略一致することを特徴とする投光装置。
2. 前記励起光又は前記近赤外光の一方を選択して出射することができることを特徴とする請求項１に記載の投光装置。
3. 前記照射領域の中心は前記投光部材の焦点に配されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投光装置。
4. 前記照射領域における前記波長変換部材表面の算術平均粗さが前記近赤外光の波長より大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の投光装置。
5. 前記波長変換部材が支持板と前記支持板の上面に前記励起光を異なる波長の光に変換する粒子を堆積して形成される波長変換層とを備え、前記支持板の上面の算術平均粗さが前記近赤外光の波長より大きいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の投光装置。
6. 前記励起光源の出射部と前記近赤外光源の出射部とが略一致することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の投光装置。
7. 前記波長変換部材は前記励起光を可視光に変換することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の投光装置。
8. 前記励起光は３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長領域に中心波長を持つことを特徴とする請求項１〜請求項７に記載の投光装置。
9. 前記励起光は約４５０ｎｍに中心波長を有する青色光であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の投光装置。
10. 前記励起光源及び前記近赤外光源が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の投光装置。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の投光装置から成る前照灯と、被写体で反射した前記近赤外光を受光して撮影する近赤外光カメラと、前記近赤外光カメラが撮影した映像を表示する表示部とを備えた移動体の運転支援システム。
12. 前記移動体の進行に対する危険物を前記近赤外光カメラが撮影した映像から検知する危険物検知部を備えることを特徴とする請求項１１に記載された運転支援システム。

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