JP6311131B2 - 照明装置、車両およびその制御方法 - Google Patents
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Description
本開示は、光源から出射した光を波長変換素子に照射することで発生する光を利用する照明装置、車両、及びその配光制御方法に関する。
従来の配光を制御できる照明装置は、図２０に示すように、レーザ装置１０３２と、レーザ装置１０３２から出射された光を反射させる二次元的に傾倒可能なＭＥＭＳ（微小電子機械）ミラー１０３３と、ＭＥＭＳミラー１０３３で反射された光を受けて白色光を出射する蛍光体１３４２が担持された蛍光体パネル１０３４と、蛍光体パネル１０３４から出射された白色光を車両前方へ投影する投影レンズ１０４０と、レーザ装置１０３２の点灯強度及びＭＥＭＳミラー１０３３の傾倒角度及び傾倒方向を制御して、レーザ装置１０３２から出射されてＭＥＭＳミラー１０３３で反射された光を所定の走査パターンで蛍光体パネル１０３４上に走査させる制御部と、を備える構成としていた。
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
このような従来の照明装置では、その耐久性が低いことが問題となっていた。
すなわち、上記従来の照明装置においては、配光を制御するためメカニカル部品であるＭＥＭＳミラーを用いて構成する。ＭＥＭＳミラーは、可動するミラーに形成される電極に印加される静電力によりミラーを可動させる。このようなメカニカル部品は長期使用により磨耗するため、その照明装置の制御性が低下し耐久性が低くなってしまっていた。
そこで本開示は、波長変換素子と集光レンズとを有する照明装置、及びそれを用いた車両の耐久性を改善することを目的とする。
上記課題を解決するために本開示の照明装置は、光源と、光源から出射された第１の光を受けて第２の光を発する波長変換素子と、第１の光を波長変換素子の所定の焦点位置に集光する集光手段と、第２の光を投影する投影レンズと、焦点位置を制御信号により変化させる複数の電極と、を有する。
このような構成とすることにより、メカニカル部品を用いないで、波長変換素子における第１の光が集光する場所を変化させることができる。その結果として照明装置の耐久性を向上させることができる。
本開示の照明装置は、さらに複数の電極が集光手段に配置されることが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに複数の電極が第１の光の主軸に垂直な平面上に形成されることが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに複数の電極が光源に配置されることが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに光源が複数の光導波路を有し、複数の電極が複数の光導波路それぞれに接続されることが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに波長変換素子が区分された複数の光変換部を有することが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに光変換部が蛍光体を備えることが好ましい。
本開示の照明装置は、さらに集光手段が、コリメートレンズおよび集光レンズにより構成されることが好ましい。
本開示の車両は、上記照明装置を備えることが好ましい。
本開示の照明装置の制御方法は、上記照明装置において、複数の電極に独立に電力を供給する制御装置が備えられ、複数の電極に供給する電力量を変化させることが好ましい。
本開示によれば、メカニカル部品を用いないで、波長変換素子における第１の光が集光する場所を変化させることができる。その結果として照明装置の耐久性を向上させることができる。
本開示の実施の形態について、以下に図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態１における照明装置、及びその制御方法について図面を参照しながら説明する。
以下、本開示の実施の形態１における照明装置、及びその制御方法について図面を参照しながら説明する。
本開示の実施の形態１における照明装置１は、図１に示すごとく、光源１０と、光源１０から出射された第１の光７１を波長変換素子５０の所定の焦点位置７５に集光光７３として集光する集光手段２０と、前記集光光７３を受けて発光点８０にて第２の光８１を発する波長変換素子５０と、前記第２の光８１を投影光８５として投影する投影レンズ６０と、を備える。
前記集光手段２０は、一つまたは複数のレンズで構成され、本実施形態においてはコリメートレンズ２５と集光レンズ３０で構成される。
この照明装置１は、図２に示すごとく、集光レンズ３０の焦点位置７５を変化させ、投影レンズ６０に対する第２の光８１の発光点８０を変化させることにより、任意の方向に第２の光８１を投影させることができる。
以下、より具体的な説明を行う。
（第２の光の生成方法）
図１に示すごとく、照明装置１は、光源１０から出射された第１の光７１を集光手段２０により波長変換素子５０に集光し、波長変換素子５０から第２の光８１として放射し、投影レンズ６０で投影させる。
図１に示すごとく、照明装置１は、光源１０から出射された第１の光７１を集光手段２０により波長変換素子５０に集光し、波長変換素子５０から第２の光８１として放射し、投影レンズ６０で投影させる。
まず、第２の光８１を放射する波長変換素子５０について説明する。本実施の形態においては、第１の光７１の波長範囲を３８０ｎｍから４９９ｎｍとして説明する。
まず、第１の光７１の波長が４２０ｎｍ〜４９９ｎｍの場合、主な発光波長が５４０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲にあり６６０ｎｍまで発光波長を有する黄色蛍光体を、透明基体中に分散、もしくは透明基体上に蛍光体層として形成することにより、波長変換素子５０を構成することができる。透明基体を構成する材料としては、例えばシリコーン、低融点ガラス、透明セラミック、サファイア、酸化亜鉛などを用いることができる。また、蛍光体層として下記に述べる蛍光体材料を、シリコーン、低融点ガラス、酸化亜鉛などをバインダとして積層することにより透明基体が構成されている。また下記蛍光体材料を焼結等することにより透明基体として用いてもよい。このような波長変換素子５０を用いた場合には、波長変換素子５０の蛍光体の材料、分散する蛍光体の濃度もしくは蛍光体層における蛍光体の濃度、蛍光体層の形成位置などを調整することにより、第１の光７１と黄色蛍光体からの放射光の強度比を調整する。その結果、その波長変換素子５０から出射する第２の光８１は、主な波長範囲が４２０ｎｍ〜６６０ｎｍである白色光とすることが可能となる。黄色蛍光体としては例えば、Ｃｅ賦活ＹＡＧ系蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２:Ｃｅ）、Ｅｕ賦活アルファ（alpha）−ＳｉＡｌＯＮ蛍光体、Ｅｕ賦活（Ｂａ、Ｓｒ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２蛍光体などの黄色蛍光体を用いることができる。
また、蛍光体としては上記のように一種類のものに限らず、たとえば主な発光波長が５９０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲の赤色蛍光体と、主な発光波長が５００ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の緑色蛍光体とを混合することで白色光を生成しても良い。
赤色蛍光体としては例えば、Ｅｕ賦活（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３蛍光体、Ｅｕ賦活ＣａＡｌＳｉＮ３蛍光体などで構成される赤色蛍光体を用いることができる。緑色蛍光体としては例えば、Ｃｅ賦活Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２蛍光体、Ｅｕ賦活ベータ（beta）−ＳｉＡｌＯＮ蛍光体、Ｅｕ賦活ＳｒＳｉ２Ｏ２Ｎ２蛍光体、Ｅｕ賦活（Ｂａ、Ｓｒ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２蛍光体などの緑色蛍光体を用いることができる。
さらに、第１の光７１の波長が３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの場合、主な発光波長が５９０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲の赤色蛍光体と、主な発光波長が５００ｎｍ〜５９０ｎｍの範囲の緑色蛍光体と、主な発光波長が４３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の青色蛍光体とを、透明基体中にそれぞれ分散、もしくはこの透明基体上に蛍光体層として形成することにより、波長変換素子５０を構成することができる。このような波長変換素子５０を用い、上述した赤、緑、青色蛍光体からの放射光の強度比を調整することにより、高い演色性を有しその波長範囲を４３０ｎｍ〜６６０ｎｍとする第２の光８１を生成することが可能となる。青色蛍光体としては例えば、Ｅｕ賦活ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７蛍光体、Ｅｕ賦活Ｓｒ３ＭｇＳｉ２Ｏ８蛍光体、Ｅｕ賦活Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ（ＳＣＡ蛍光体）などで構成される青色蛍光体を用いることができる。赤色蛍光体としては例えば、Ｅｕ賦活（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３蛍光体、Ｅｕ賦活ＣａＡｌＳｉＮ３蛍光体の他にＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ３＋蛍光体などで構成される赤色蛍光体を用いることができる。
なお、第１の光７１の波長が３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの場合においては、主な発光波長が４３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の青色蛍光体と、主な発光波長が５４０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲にあり７００ｎｍまで発光波長を有する黄色蛍光体との組み合わせを用いてもよい。
（第２の光の制御方法）
続いて、照明装置の制御方法について説明する。
続いて、照明装置の制御方法について説明する。
図１に示した車両用の照明装置１は、光源１０と、光源１０から出射された第１の光７１を受けて第２の光８１を発する波長変換素子５０と、第１の光７１を波長変換素子５０へと集光する集光レンズ３０と、を備える。さらに集光レンズ３０の焦点位置７５を、集光レンズ３０に形成された複数の電極に制御信号を印加することにより変化させる制御装置９０とを備えている。なお、制御装置９０には制御回路が内蔵されている。この制御装置９０について光源１０、波長変換素子５０、集光手段２０等とともに１つのモジュールとして組み込まれてもよいし、光源１０、波長変換素子５０、集光手段２０等と離して配置してもよい。
以下、図３から図５を用いて、集光レンズ３０の焦点位置の変化についてより具体的に説明する。図３は集光レンズ３０に形成された複数の電極の構成を示す。図４は第１の光７２（集光光７３）が波長変換素子５０のほぼ中央に集光された時の集光レンズ３０、波長変換素子５０および投影レンズ６０ならびにその他の構成の配置関係を示している。図５は第１の光７２（集光光７３）が波長変換素子５０の中心からずれた位置に集光された際の集光レンズ３０、波長変換素子５０、投影レンズ６０ならびにその他の構成の配置関係を示している。
図３から図５において、集光レンズ３０は、第１透明基板３３と、この第１透明基板３３と対向して設けられた第２透明基板３４とを有し、第１透明基板３３における外周部にはコモン電極（図示せず）が設けられ、第２透明基板３４の外周部には図３に示すように、第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃ、第４の電極３７Ｄ、第５の電極３７Ｅ、第６の電極３７Ｆ、第７の電極３７Ｇ、第８の電極３７Ｈ、および、第１透明基板３３に設けられたコモン電極（図示せず）と接続されるコモン電極３８が配置される。
この図３に係る集光レンズ３０について、図１における焦点位置７５を制御信号により変化させるため、固定された複数の電極を有する構成とする第３の電極３７Ｃとコモン電極３８、第４の電極３７Ｄとコモン電極３８、第５の電極３７Ｅとコモン電極３８、第６の電極３７Ｆとコモン電極３８、第７の電極３７Ｇとコモン電極３８、第８の電極３７Ｈとコモン電極３８、に印加される電圧を独立に変化させる。この変化により集光レンズ３０の焦点位置７５を変化させ、投影レンズに対する第２の光８１の発光点８０を変化させることにより、任意の方向に第２の光を投影させることができる。
図３、図４および図５に示すように、第１透明基板３３、第２透明基板３４で囲まれた領域に第１の液体３１、第２の液体３２が設けられている。そして、第１の電極３７Ａにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第２の電極３７Ｂにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第３の電極３７Ｃにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第４の電極３７Ｄにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第５の電極３７Ｅにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第６の電極３７Ｆにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、第７の電極３７Ｇにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面、及び第８の電極３７Ｈにおける第１の液体３１、第２の液体３２との接触面には絶縁膜３６を設けている。
なお、図示はしていないが、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂとの間、及び第３の電極３７Ｃと第４の電極３７Ｄとの間には第２の絶縁膜（図示せず）を設けている。第２の絶縁膜（図示せず）を設けることにより、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂの間における電圧と第３の電極３７Ｃと第４の電極３７Ｄの間における電圧とを個別に制御することが可能となる。
また、図示はしていないが、第５の電極３７Ｅと第６の電極３７Ｆとの間、及び第７の電極３７Ｇと第８の電極３７Ｈとの間には第２の絶縁膜（図示せず）を設けている。第２の絶縁膜（図示せず）を設けることにより、第５の電極３７Ｅと第６の電極３７Ｆの間における電圧と第７の電極３７Ｇと第８の電極３７Ｈの間における電圧とを個別に制御することが可能となる。
このような集光レンズ３０に、第１の光７２が入射しており、この集光レンズ３０により集光された第１の光７２（集光光７３）を波長変換素子５０が受け、第２の光８１を発している。
第１の液体３１の屈折率と第２の液体３２の屈折率とは異なっており、第１の液体３１と第２の液体３２は互いに混合されずに、第１透明基板３３側と第２透明基板３４側とに分離した状態となっている。第１の液体３１としては、例えば導電性の水溶液を用いることができ、第２の液体３２としては、例えば非導電性のシリコンオイルを用いることができる。特に、寒冷地で車両１００を用いる場合においては、第１の液体３１、第２の液体３２には不凍用液体を用いて構成することが望ましく、例えば、第１の液体３１にはエチレングリコール、第２の液体３２にはイマージョンオイルを用いることが望ましい。
なお、以下では第２の液体３２の屈折率が第１の液体３１の屈折率よりも大きいとする。
第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃ、第４の電極３７Ｄ、第５の電極３７Ｅ、第６の電極３７Ｆ、第７の電極３７Ｇ、第８の電極３７Ｈおよびコモン電極（対向電極）３８の間に第１の電圧Ｖ1（例えば４０Ｖ）を印加すると、第１の液体３１は周辺の複数の電極（第１の電極３７Ａから第８の電極３７Ｈすべて）側に引っ張られる。この第１の液体３１の動きにより第２の液体３２が集光レンズ３０の中心方向に集められる。その結果、屈折率の異なる第１の液体３１と第２の液体３２の接する曲面の曲率が大きくなる。従って、印加電圧を適切に調整することにより、第１の光７２を波長変換素子５０のほぼ中央に集光することが可能となる。
一方、図５に示すように、例えば、第１の電極３７Ａとコモン電極（対向電極）３８の間、及び第５の電極３７Ｅとコモン電極３８の間に異なる電圧を印加する。ここでは、第５の電極３７Ｅの電圧は第１の電極３７Ａの電圧よりも大きいとする。そうすると、図５に示すように、第１の液体３１と第２の液体３２の接する曲面のカーブの形状が、第１の電極３７Ａ側の曲率が小さく、第５の電極３７Ｅ側の曲率が大きくなる。即ち、大きな電圧を印加された第５の電極３７Ｅ側における第２の液体３２の曲面の曲率が大きく、小さな電圧を印加された第１の電極３７Ａにおける第２の液体３２曲面の曲率が小さくなる。このため、第１の光７１が波長変換素子５０上の中央より上方に結像させることができる。このように、時点によって第１の光７２の波長変換素子５０上への焦点位置を変化させることができ、第２の光８１を放射する発光点８０の位置を変化させ、投影レンズ６０により投影光の投影方向を自由に変化させることができる。
（車両の例）
上述の照明装置１を車両前照灯（ヘッドランプ）として搭載した車両の例として、図６に示す車両１００と、図７に示す車両１００とを示す。図７に示す車両１００は、図６に示す車両のヘッドライトの形状をより薄くしたものである。
上述の照明装置１を車両前照灯（ヘッドランプ）として搭載した車両の例として、図６に示す車両１００と、図７に示す車両１００とを示す。図７に示す車両１００は、図６に示す車両のヘッドライトの形状をより薄くしたものである。
図６、図７に示すごとく、上記照明装置１をヘッドランプとして搭載し、光源１０および制御装置９０に電気的に接続された電源を有する車両１００は、照明装置１から投影される投影光８５を任意の方向に投影させることができるため、走行時の物体の視認性と対向車の物体の視認性を向上することができる。
なお、上述の照明装置１をヘッドランプとして搭載した車両の例として、図６に示す車両１００と、図７に示す車両１００とを示したが、どちらの構成であっても、上述した配光制御に関する効果は同様に得ることができる。
なお、光源１０には例えばレーザなどの出射光の指向性が高い光源、特に窒化物半導体レーザ素子を用いることにより、ＬＥＤやランプに比べ発光効率が高く、かつ発光面積が小さいため、コンパクトな光学系で構成が可能となり、照明装置１の小型化、高効率化、低コスト化を図ることができる。
また、その結果として、この照明装置１をヘッドランプとして用いる際の設計自由度が増し、図７に示す車両１００のようにヘッドランプの形状をより薄くするなどの斬新なデザインを採用することが可能となる。
また、図６、図７に示すごとく、このような照明装置１をヘッドランプとして搭載し、光源１０および制御装置９０に電気的に接続された電源を有する車両１００は、照明装置１から投影される投影光８５を任意の方向に投影させることができるため、走行時の物体の視認性と対向車の物体の視認性を向上することができる。より具体的には図８、図９に示すがごとく、例えば、道路上に対向車１０１がいるときといないときなど状況に応じてヘッドランプの配光を変化させることで、対向車１０１が走行車（車両１００）のヘッドランプの光で視認性を低下させることなしに、走行車（車両１００）の視認性を維持させることができる。さらに本実施形態の照明装置は、メカニカル部品を用いずに配光制御可能な照明装置を提供できるため、小型で照明装置を実現できる。したがって、図６、図７に示すようにヘッドランプをより自由なデザインとすることができる。
（変形例）
続いて、実施の形態１の変形例について図１０から図１２を用いて説明する。本変形例において、照明装置は上記照明装置とほとんど同じ構成であり、異なる部分についてのみ説明する。
続いて、実施の形態１の変形例について図１０から図１２を用いて説明する。本変形例において、照明装置は上記照明装置とほとんど同じ構成であり、異なる部分についてのみ説明する。
上記図１に示される照明装置と比較して、本変形例においては、波長変換素子５０の構造が異なる。波長変換素子５０は、図１２に示すように例えばアルミ合金材料で構成される基台５２に貫通孔５２Ａ、貫通孔５２Ｂ、貫通孔５２Ｃが設けられ、これらの貫通孔５２Ａ、貫通孔５２Ｂ、貫通孔５２Ｃにそれぞれ光源１０からの出射光の波長を長波長へ変換させる蛍光体などで構成される波長変換を行う光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃが備えられる。具体的には光源１０からの出射光は、主な発光波長が４２０ｎｍから５００ｎｍの間にあるとする。そして、光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃは、主な波長範囲が波長４２０ｎｍ〜５００ｎｍである光を主な波長範囲が波長５００ｎｍ〜７００ｎｍである光に変換する蛍光体が、例えばシリコーン、エポキシなどの有機材料もしくは、低融点ガラス、酸化アルミニウム、酸化亜鉛などの無機材料で構成されるバインダに混合されてなる。蛍光体の具体的な例としてはＣｅ賦活ガーネット結晶蛍光体（（Ｙ、Ｇｄ）３（Ｇａ、Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋蛍光体）、Ｅｕ賦活（Ｂａ，Ｓｒ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２蛍光体などが挙げられる。
さらに波長変換素子５０には、基台５２の集光手段２０側の面に、例えば波長５００ｎｍ以下を透過し、波長５００ｎｍ以上の光を反射するダイクロイックミラー５３が接して備えられる。ダイクロイックミラー５３は、例えばガラスまたはサファイア、窒化アルミニウムなどの透明基板上に、例えば誘電体多層膜であるフィルタが形成されることによりなる。
本変形例においては、集光レンズ３０に形成された複数の電極に印加する電力を変化させることで、第１の光７１を光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃのいずれかに入射させる。例えば図１０においては、主軸に配置された光変換部５１Ｂに入射させる。このとき第２の光８１は投影レンズ６０により主軸に沿った投影光８５となり放射される。
図１１においては、第１の光７１を主軸に対してオフセンターの位置にある光変換部５１Ｃに入射させる。このとき第２の光８１は投影レンズ６０により主軸に対して角度を有する投影光８５となり放射される。
この構成において、波長変換素子５０の蛍光体は、側面が光の反射率の高いアルミ合金で構成された貫通孔５２Ａ、貫通孔５２Ｂ、貫通孔５２Ｃに配置される。また、入射側に蛍光体から放射される光を反射するダイクロイックミラー５３を配置する。したがって、第１の光から第２の光へ変換の高い投影光を容易に得ることができるとともに、容易に投影光の放射方向を変化させることができる。
なお本変形例においても、光源１０から出射される光の発光波長や波長変換素子の材料等は実施の形態１と同様に変更することができる。このとき、光源１０から出射される光の発光波長が３８０ｎｍから４２０ｎｍの範囲の場合には、波長変換素子５０に備えられるダイクロイックミラー５３の特性は、発光波長に合わせて、例えば波長４２０ｎｍ以下を透過し、波長４２０ｎｍ以上の光を反射するとしても良い。
（実施の形態２）
続いて図１３から図１５、図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて実施の形態２の照明装置の構成について説明する。実施の形態２における照明装置１は、図１３に示すごとく、光源１０と、光源１０から出射された第１の光７１を波長変換素子５０の所定の焦点位置７５に集光光７３として集光する集光手段２０と、前記集光光７３を受けて第２の光８１を発する波長変換素子５０とを備える。さらに、前記第２の光８１を投影光８５として投影する投影レンズ６０、を備え、前記焦点位置７５を制御信号により変化させるため、固定された複数の電極を有する構成とする。本実施の形態においては、前記集光手段２０は、一つまたは複数のレンズで構成され、本実施形態においてはコリメートレンズ２５と集光レンズ４０で構成される。前記複数の電極は光源１０に構成され、具体的には図１６Ａに示すように光源１０を構成する半導体発光素子１１に形成された第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃおよびサブマウント１３に形成されたコモン電極３８で構成される。
続いて図１３から図１５、図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて実施の形態２の照明装置の構成について説明する。実施の形態２における照明装置１は、図１３に示すごとく、光源１０と、光源１０から出射された第１の光７１を波長変換素子５０の所定の焦点位置７５に集光光７３として集光する集光手段２０と、前記集光光７３を受けて第２の光８１を発する波長変換素子５０とを備える。さらに、前記第２の光８１を投影光８５として投影する投影レンズ６０、を備え、前記焦点位置７５を制御信号により変化させるため、固定された複数の電極を有する構成とする。本実施の形態においては、前記集光手段２０は、一つまたは複数のレンズで構成され、本実施形態においてはコリメートレンズ２５と集光レンズ４０で構成される。前記複数の電極は光源１０に構成され、具体的には図１６Ａに示すように光源１０を構成する半導体発光素子１１に形成された第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃおよびサブマウント１３に形成されたコモン電極３８で構成される。
（詳細構成）
図１６Ａおよび図１６Ｂは、実施の形態２における照明装置１の光源１０や光学系の詳細構造例を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、光源１０は、図１６Ａに示すように、例えば、ポスト１５ａ、ベース１５ｂ、リードピン１６ａ、リードピン１６ｂ、リードピン１６ｃ、リードピン１６ｇなどで構成されるパッケージ１９に半導体発光素子１１が搭載されてなる。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、実施の形態２における照明装置１の光源１０や光学系の詳細構造例を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、光源１０は、図１６Ａに示すように、例えば、ポスト１５ａ、ベース１５ｂ、リードピン１６ａ、リードピン１６ｂ、リードピン１６ｃ、リードピン１６ｇなどで構成されるパッケージ１９に半導体発光素子１１が搭載されてなる。
半導体発光素子１１は、基板上に半導体層が積層された構造によりなり、波長３８０ｎｍ〜４９９ｎｍの光を放射する。具体的には、例えば、ｎ型ＧａＮ基板である基板上に、III族元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）の窒化物である半導体層が、具体的には、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、ＩｎＧａＮ量子井戸層、ｐ型光ガイド層、電子ブロック層、ｐ型クラッド層、ｐ型電極コンタクト層の順で積層される。
半導体発光素子１１に形成される、光導波路１１ａ、光導波路１１ｂおよび光導波路１１ｃは、例えば、半導体レーザのリッジストライプで構成される。例えば半導体リソグラフィーによるパターン形成およびドライエッチングにより形成される。具体的には例えば、半導体層が積層されたウエハ表面に、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略してＣＶＤ）などで図示しないＳｉＯ２膜を成膜する。このＳｉＯ２膜に対してフォトリソグラフィーを用いてリッジストライプのマスクパターニングを行い、ドライエッチングによりリッジ状の複数のストライプ構造を形成する。したがって、本実施形態においては一つの半導体発光素子１１に複数の光導波路（光導波路１１ａ、光導波路１１ｂおよび光導波路１１ｃ）を容易に形成することができる。
さらにストライプ構造の上部には、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕなどの金属のいずれか一つまたは複数を蒸着、パターニングすることで第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂおよび第３の電極３７Ｃを形成する。したがって、複数の電極を複数の光導波路に容易に接続することができる。
第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂおよび第３の電極３７Ｃはそれぞれリードピン１６ａ、リードピン１６ｂおよびリードピン１６ｃと例えば金ワイヤーである金属細線により容易に電気的に接続されるとともに、互いには電気的に分離された構成とすることができる。
パッケージ１９は、例えば鉄もしくは銅からなるベース１５ｂ上に、サブマウント１３と半導体発光素子１１が搭載される例えば鉄もしくは銅からなるポスト１５ａが形成される。ベース１５ｂには開口部が形成され、図示しない絶縁部材を介してリードピン１６ａ、リードピン１６ｂ、リードピン１６ｃおよびリードピン１６ｇが固定される。リードピン１６ａ、リードピン１６ｂ、リードピン１６ｃ、リードピン１６ｇはベース１５ｂのポスト１５ａと反対側に配置された配線と接続され制御装置９０に接続される。ここでサブマウント１３にはコモン電極（対向電極）３８が形成され、半導体発光素子１１の第１の電極３７Ａと反対の面を、金属細線を介して、リードピン１６ｇと電気的に接続する。
さらに、光源１０には、半導体発光素子１１を封止するため、透光窓１７ｂが取り付けられたキャップ１７ａが気密封止されている。
波長変換素子５０は、図１６Ｂに示すように、例えば、アルミ合金などからなる基台５２に開口部５２Ａ、開口部５２Ｂ、開口部５２Ｃが形成され、例えば青色蛍光体と黄色蛍光体とを含む光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃが埋め込まれる。基台５２の集光レンズ４０側には光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃで発生した光を効率良く投影レンズ６０側に反射するためダイクロイックミラー５３が配置される。
半導体発光素子１１は、３つの光導波路に接続された発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃから例えば主波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する。ここでダイクロイックミラー５３は例えばガラスもしくはサファイアなどの透明板上に、例えば波長４３０ｎｍ以下の光を透過し、波長４３０ｎｍ以上の光を反射する誘電体多層膜が形成されることによりなる。
投影レンズ６０は、波長変換素子５０の集光レンズ３０とは反対側の位置に配置される。投影レンズ６０は、一枚のレンズもしくは複数枚のレンズ群によりなる光学素子で、波長変換素子５０から放射される蛍光もしくは拡散光である放射光を効率良く取り込むため、高い開口数（ＮＡ）、例えば０．８以上に設定される。
（配光制御）
続いて図１３から図１５を用いて本実施形態の照明装置１の制御方法について説明する。発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃから出射される図示しない第１の光は、コリメートレンズ２５、集光レンズ４０を通過し、波長変換素子５０の光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃにそれぞれ、精度良く集光される。
続いて図１３から図１５を用いて本実施形態の照明装置１の制御方法について説明する。発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃから出射される図示しない第１の光は、コリメートレンズ２５、集光レンズ４０を通過し、波長変換素子５０の光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃにそれぞれ、精度良く集光される。
光源１０には制御装置９０が接続され、発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃに接続される光導波路に第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃを介して独立に電力が印加される。
図１３は、第２の電極３７Ｂにのみ電力が供給された場合について説明する図で、発光点１２ｂから出射した第１の光７１はコリメートレンズ２５、集光レンズ４０により波長変換素子５０の光変換部５１Ｂに集光される。光変換部５１Ｂにおいて、第１の光７１は、例えば青色光および黄色光が混合された第２の光８１に変換され、集光レンズ４０によって集められ、外部に白色光の投影光８５として照明装置１の外部へ放射される。このとき、投影光８５は主軸（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ａｘｉｓ）に沿って出射する投影光として放射される。
図１４は、第３の電極３７Ｃにのみ電力が供給された場合について説明する図で、発光点１２ｃから出射した第１の光７１は波長変換素子５０の主軸に対してずれた位置にある焦点位置７５に集光される。焦点位置７５の波長変換素子５０において、第１の光７１は、例えば青色光および黄色光が混合された第２の光８１に変換され、投影レンズ６０によって集められ、外部に白色光の投影光８５として照明装置１の外部へ放射される。このとき、投影光８５は主軸から角度を有する投影光として放射される。
図１５は、第１の電極３７Ａにのみ電力が供給された場合について説明する図で、発光点１２ａから出射した第１の光７１は波長変換素子５０の主軸に対して図１４の反対方向にずれた位置にある焦点位置７５に集光される。焦点位置７５の波長変換素子５０において、第１の光７１は、例えば青色光および黄色光が混合された第２の光８１に変換され、集光レンズ４０によって集められ、ダイクロイックミラー５８により外部に白色光の投影光８５として照明装置１の外部へ放射される。このとき、投影光８５は主軸から図１４のときとは反対方向に角度を有する投影光として放射される。
このように第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃに独立に電力を印加し、その電力量を調整することで、照明装置１から出射する投影光の放射方向を任意変化させることができる。このとき照明装置１の方向の変化はメカニカル部品を介さないため、容易に投影光の放射方向を変換させるとともに照明装置１の耐久性を向上させることができる。
なお上記において第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃのいずれかに電力を供給する方法について説明したがこの限りではない。例えば、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂの両方に電力を供給する方法や、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂの両方に電力を供給しつつも、第２の電極３７Ｂには第１の電極３７Ａの半分の電力量を供給するなど、第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃに供給する電力量を独立に自由に供給することで任意の配光パターンを構成することができる。
なお上記の動作の説明において、波長変換素子５０は、例えば実施の形態１と同様に蛍光体が形成されている（上記（第２の光の生成方法）参照）。
なお上記において半導体発光素子１１の出射光の波長を波長４３０ｎｍから５００ｎｍの間にあるいわゆる青色光とし、波長変換素子５０および光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃを、主な放射光の波長範囲が５００ｎｍ〜６６０ｎｍである蛍光体を含有した光変換部とし、第１の光の一部もしくは全部の光の波長を蛍光体により変化させ、第２の光として放射する光変換部の構成としてもよい。この構成により半導体発光素子１１から出射した光の一部を第２の光として放射することができる。この場合、ダイクロイックミラー５３の特性に偏光特性を考慮した設計にし、偏光光である第１の光７１を透過し、無偏光光である第２の光８１の青色光成分の一部を反射するようにすることが好ましい。
（実施の形態３）
以下、本開示の実施の形態３における照明装置１について、図１７から図１９を参照しながら説明する。本実施形態の照明装置は、実施の形態２の照明装置の構成と異なる部分についてのみ説明する。
以下、本開示の実施の形態３における照明装置１について、図１７から図１９を参照しながら説明する。本実施形態の照明装置は、実施の形態２の照明装置の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図１７は、実施の形態３における照明装置１の構造を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、実施形態２と同様に半導体発光素子は３本の光導波路を備え、また波長変換素子は３つの光変換部を備える。本実施形態の照明装置１は、主に波長変換素子５０と集光レンズ４０、ダイクロイックミラー５８の構成もしくは機能が実施の形態２の照明装置と異なる。
波長変換素子５０は、例えばアルミ合金などからなる基台５２に開口部５２Ａ、開口部５２Ｂ、開口部５２Ｃが形成され、例えば青色蛍光体と黄色蛍光体とを含む光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃが埋め込まれる。基台５２の集光レンズ４０と反対側には光変換部で発生する熱を効率良く放熱する放熱部５５が配置される。半導体発光素子１１は、３つの発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃに接続される光導波路を有し、例えば主波長が４００ｎｍから４１０ｎｍの間にあるレーザ光を出射する。光源１０と波長変換素子５０の間にはコリメートレンズ２５、ダイクロイックミラー５８および集光レンズ４０が配置される。ここでダイクロイックミラー５８はガラス板上に、４５°方向から入射した光に関して、例えば波長４３０ｎｍ以下の光を透過し、波長４３０ｎｍ以上の光を反射する誘電体多層膜が形成されることによりなる。
発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃから出射される図示しない第１の光は、コリメートレンズ２５、ダイクロイックミラー５８、集光レンズ４０を通過し、波長変換素子５０の光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃにそれぞれ、精度良く集光される。
光源１０には制御装置９０が接続され、発光点１２ａ、発光点１２ｂ、発光点１２ｃに接続される光導波路に第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃを介して独立に電力が印加される。
図１８は、第１の電極３７Ａにのみ電力が供給された場合について説明する図で、発光点１２ａから出射した図示しない第１の光は集光レンズ４０により光変換部５１Ａに集光される。光変換部５１Ａにおいて、図示しない第１の光は、例えば青色光および黄色光が混合された第２の光８１に変換され、集光レンズ４０側に放射される。第２の光８１は、集光レンズ４０によって集められ、ダイクロイックミラー５８により外部に白色光の投影光８５として照明装置１の外部へ放射される。このとき、投影光８５は主軸（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ａｘｉｓ）から角度を有する投影光として放射される。
この構成により第１の光を集光する集光レンズと、第２の光を集める集光レンズを兼用させることができるため、照明装置の構成を簡単にすることができる。また、波長変換素子において第１の光から第２の光へ変換する際に発生する熱を放熱部５５により効率的に放熱させることができるため、波長変換素子の耐久性を向上させることができる。
図１９は、第３の電極３７Ｃにのみ電力が供給された場合について説明する図で、発光点１２ｃから出射した図示しない第１の光は光変換部５１Ｃに集光される。光変換部５１Ｃにおいて、図示しない第１の光は、例えば青色光および黄色光が混合された第２の光８１に変換され、集光レンズ４０によって集められ、ダイクロイックミラー５８により外部に白色光の投影光８５として照明装置１の外部へ放射される。このとき、投影光８５は主軸（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ａｘｉｓ）から図１８のときとは反対方向に角度を有する投影光として放射される。
このように第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃに独立に電力を印加し、その電力量を調整することで、照明装置１から出射する投影光の放射方向を任意変化させることができる。このとき照明装置１はメカニカル部品を構成部品としないため、容易に投影光の放射方向を変換させるとともに照明装置１の耐久性を向上させることができる。
なお上記において第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃのいずれかに電力を供給する方法について説明したがこの限りではない。例えば、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂの両方に電力を供給する方法や、第１の電極３７Ａと第２の電極３７Ｂの両方に電力を供給しつつも、第２の電極３７Ｂには第１の電極３７Ａの半分の電力量を供給するなど、第１の電極３７Ａ、第２の電極３７Ｂ、第３の電極３７Ｃに供給する電力量を独立に自由に供給することで任意の配光パターンを構成することができる。
なお上記において半導体発光素子１１の出射光の波長を波長４３０ｎｍから５００ｎｍの間にあるいわゆる青色光とし、波長変換素子５０の光変換部５１Ａ、光変換部５１Ｂ、光変換部５１Ｃを、主な放射光の波長範囲が５００ｎｍ〜６６０ｎｍである蛍光体を含有した光変換部とし、第１の光の一部もしくは全部の光の波長を蛍光体により変化させ、第２の光として放射する光変換部の構成としてもよい。この構成により半導体発光素子１１から出射した光の一部を第２の光として放射することができる。この場合、ダイクロイックミラー５８の特性に偏光特性を考慮した設計にし、偏光光である第１の光を透過し、無偏光光である第２の光８１の青色光成分の一部を反射するようにすることが好ましい。
なお、上記実施形態２および実施形態３において、半導体発光素子の光導波路の数を３つとしたがこの限りではない。用途に応じて２つで構成してもよい。また、半導体発光素子の光導波路の数を４つ以上にし、より自由に配光制御を可能にしてもよい。
なお上記第１から第３の実施形態において、波長変換素子の基台を構成する材料としてアルミ合金を用いたがこの限りではない。光変換部を構成する蛍光体で発生する熱を排熱するため熱伝導率が高い材料で、さらに光変換部から放射される可視光を反射するものがよく、例えば銅の表面にニッケルメッキもしくは銀メッキを施したものを用いても良い。
なお上記第１から第３の実施形態において、半導体発光素子を半導体レーザとしたが、スーパールミネッセントダイオードなどの指向性の高い出射光を放射する半導体発光素子でも良い。
なお、上記第１から第３の実施形態においては照明装置から放出される光を白色光として説明したが、白色光に限らず色温度が低い光源、例えば電球色とよばれる燈色に近い色の光源や黄白色の光源についても適用可能であるし、逆に色温度の高い光源、例えば青に近い色の光源についても適用可能である。
本開示の照明装置、車両、及びその制御方法は、容易に配光制御をするとともに、照明装置の耐久性を改善させることができるという効果を有し有用である。
１ 照明装置
１０ 光源
１１ 半導体発光素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 光導波路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，８０ 発光点
２０ 集光手段
２５ コリメートレンズ
３０，４０ 集光レンズ
３１ 第１の液体
３２ 第２の液体
３３ 第１透明基板
３４ 第２透明基板
３６ 絶縁膜
３７Ａ 第１の電極
３７Ｂ 第２の電極
３７Ｃ 第３の電極
３７Ｄ 第４の電極
３７Ｅ 第５の電極
３７Ｆ 第６の電極
３７Ｇ 第７の電極
３７Ｈ 第８の電極
３８ コモン電極
５０ 波長変換素子
６０ 投影レンズ
７１，７２ 第１の光
７３ 集光光
７５ 焦点位置
８１ 第２の光
８５ 投影光
９０ 制御装置
１０ 光源
１１ 半導体発光素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 光導波路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，８０ 発光点
２０ 集光手段
２５ コリメートレンズ
３０，４０ 集光レンズ
３１ 第１の液体
３２ 第２の液体
３３ 第１透明基板
３４ 第２透明基板
３６ 絶縁膜
３７Ａ 第１の電極
３７Ｂ 第２の電極
３７Ｃ 第３の電極
３７Ｄ 第４の電極
３７Ｅ 第５の電極
３７Ｆ 第６の電極
３７Ｇ 第７の電極
３７Ｈ 第８の電極
３８ コモン電極
５０ 波長変換素子
６０ 投影レンズ
７１，７２ 第１の光
７３ 集光光
７５ 焦点位置
８１ 第２の光
８５ 投影光
９０ 制御装置
Claims (8)
- 光源と、
前記光源から出射された第１の光を受けて第２の光を発する波長変換素子と、
前記第１の光を前記波長変換素子の所定の焦点位置に集光する集光手段と、
前記第２の光を投影する投影レンズと、
前記焦点位置を制御信号により変化させる複数の電極と、
を有し、
前記複数の電極が前記光源に配置されることを特徴とする照明装置。 - 光源と、
前記光源から出射された第１の光を受けて第２の光を発する波長変換素子と、
前記第１の光を前記波長変換素子の所定の焦点位置に集光する集光手段と、
前記第２の光を投影する投影レンズと、
前記焦点位置を制御信号により変化させる複数の電極と、
を有し、
前記光源が複数の光導波路を有し、前記複数の電極が前記複数の光導波路それぞれに接続されることを特徴とする照明装置。 - 前記波長変換素子が区分された複数の光変換部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
- 前記光変換部が蛍光体を備えることを特徴とする請求項３記載の照明装置。
- 前記集光手段が、コリメートレンズおよび集光レンズにより構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
- 請求項１から請求項５記載の照明装置を搭載した車両。
- 請求項１から５記載の照明装置において、前記複数の電極に独立に電力を供給する制御装置が備えられ、前記複数の電極に供給する電力量を変化させることを特徴とする照明装置の制御方法。
- 光源と、
前記光源から出射された第１の光を受けて第２の光を発する波長変換素子と、
前記第１の光を前記波長変換素子の所定の焦点位置に集光する集光手段と、
前記第２の光を投影する投影レンズと、
前記焦点位置を制御信号により変化させる複数の電極と、
を有した照明装置において、前記複数の電極に独立に電力を供給する制御装置が備えられ、前記複数の電極に供給する電力量を変化させることを特徴とする照明装置の制御方法。
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