JP6379875B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビーム光を使用した照明装置に関する。

近年、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を光源とした照明装置が開発されている。レーザを照明用光源として使用する場合、指向性の高いレーザビーム光（以下、ビーム光という）をそのまま使うのではなく、拡散光に一旦変換することで広い範囲を照明できるよう工夫が行われている。

例えば、特許文献１では、蛍光体を含有した円環状の導光管を用いた照明装置が提案されている。また、特許文献２では、光源部からの励起光を一方の端面から他方の端面に導くとともに、当該励起光を受けて波長変換光を発する蛍光体を含有するコアと、波長変換光と励起光との混合光の少なくとも一部を出射光として出射する光出射面をクラッド外周面に有するクラッドと、を含む蛍光ファイバーを備える照明装置が提案されている。

特開２０１１−２４３５４９号公報 特開２００７−２５８４６６号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２で提案された照明装置は、いずれも波長変換用の蛍光体を含有する光ファイバー、または導光管を必要とするため高価であるという問題がある。

本発明の実施形態は、前記の点に鑑みてなされたものであり、小型かつ安価で、明るさが均一な環状照明光を得ることができる照明装置を提供する。

前記課題を解決するために本発明の実施形態に係る照明装置は、レーザ光源部と、前記レーザ光源部から照射されたビーム光が入射する円環状のリングと、を備え、前記リングは、ベースリング部と当該ベースリング部の内側に拡散リング部とを有し、前記ベースリング部は、内周面に反射面を有し、入射した前記ビーム光を前記反射面によって繰り返し反射させることにより円環の周方向に伝搬させ、前記拡散リング部は、前記反射面に対向して設けられ、前記ビーム光の一部を前記反射面で拡散反射させ、前記拡散反射させた光は、前記拡散リング部で拡散させ、出射される構成である。

本発明の実施形態に係る照明装置によれば、ビーム光を円環状のリング内に導入し、内周面に設けた反射面によってビーム光を繰り返し反射させながら円環の周方向に伝搬させるとともに、反射面によって拡散反射されたビーム光の一部を拡散リング部によってさらに拡散させて外部に出射することができる。これにより、照明装置は、レーザ光源部とリングからなる簡易、小型かつ安価な簡易な構成で、明るさが均一な環状照明光を得ることができる。

本発明の実施形態に係る照明装置の構成を一部断面にして模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る照明装置のレーザ光源部からビーム光を入射する穴部の構成を一部断面にして模式的に拡大して示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る照明装置におけるリングの構成を示す斜視図であり、図１ＡのＡ部拡大図である。 本発明の実施形態に係る照明装置におけるリング内に伝搬されるビーム光の状況を模式的に示した図１ＡのＢ部拡大図である。 本発明の実施形態に係る照明装置において、リング内に導入されたビーム光の反射の状況を説明するための概念図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための照明装置を例示するものである。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態において照明装置を以下のものに特定しない。特に、実施の形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対的配置などは特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。また、以下の説明において参照する図面は、本発明を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略することとする。

照明装置１は、環状の照明光を生成するためのものである。照明装置１は、図１Ａに示すように、レーザ光源部１０と、コリメートレンズ２０と、中空パイプ３０と、リング４０と、を備えている。

レーザ光源部１０は、図１Ａに示すように、後記するリング４０にビーム光ＢＬ（図３参照）を照射するものである。レーザ光源部１０の具体的構成は、ビーム光ＢＬを照射できるものであれば特に限定されないが、例えば基板と、当該基板上に固定されたレーザダイオードと、当該レーザダイオードの駆動時における熱を放熱するためのヒートシンクなどから構成することができる。レーザ光源部１０は、図１Ａに示すように中空パイプ３０と接続され、当該中空パイプ３０を介してリング４０内にビーム光ＢＬを導入する。なお、レーザ光源部１０は、キャップに形成したスリット（図示せず）を介してビーム光ＢＬを出射することで、ビーム径を制御するようにしても構わない。なお、本発明の実施形態によれば、ビーム光は、レーザ光と同義であり、レーザ光との表現に置き換えることができる。

コリメートレンズ２０は、レーザ光源部１０から出射されたビーム光ＢＬを平行光にするものである。コリメートレンズ２０の具体的構成は、ビーム光ＢＬを平行化（コリメート）できるものであれば特に限定されないが、例えば平凸レンズ、あるいは、複合レンズなどを用いることができる。なお、コリメートレンズ２０は、ここでは図１Ａに示すように、レーザ光源部１０の内部に設けたものを一例として図示したが、コリメートレンズ２０の具体的な配置位置は特に限定されず、レーザ光源部１０の外部（例えばレーザ光源部１０と中空パイプ３０の間）に設けても構わない。なお、コリメートレンズ２０を用いてビーム光ＢＬを平行化することで、ビーム光ＢＬの幅を狭くできるとともに、照射距離を長くすることができる。

中空パイプ３０は、レーザ光源部１０から出射されたビーム光ＢＬをリング４０内に導入するためのものである。この中空パイプ３０は、ビーム光ＢＬの直径と等しいか広い径の円筒状に形成されている。中空パイプ３０は、図１Ａに示すように、その一端がレーザ光源部１０に接続され、その他端がリング４０に接続されている。

リング４０は、レーザ光源部１０から出射されたビーム光ＢＬが入射されるものである。リング４０は、図１Ａに示すように円環状に形成され、内部に導入されたビーム光ＢＬが当該円環の周方向に伝搬することで、円環状の照明光を出射するように構成されている。リング４０は、具体的には図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ベースリング部４１と、その内側に設けられた拡散リング部４２と、を備え、中空のリングを構成している。

ベースリング部４１は、リング形状を保持するとともに、ビーム光ＢＬの反射及び拡散をするためのものである。ベースリング部４１は、図１Ａに示すように、リング４０の外周側を構成し、円環状に形成されている。また、ベースリング部４１は、リング形状の中心軸方向について、ビーム光ＢＬの直径と等しいか広い幅で形成されており、図２Ａに示すように、内周面に反射面４１ａが設けられている。すなわち、ベースリング部４１は、それ自体が反射性を有する材料で形成されるか、または内周面（ここでは全面）に反射性を有する材料が設けられている。反射面４１ａを構成する材料としては、例えばアルミニウム、錫、銀、亜鉛、マグネシウム、白金などを用いることができる。

反射面４１ａは、レーザ光源部１０から中空パイプ３０を介して入射したビーム光ＢＬを繰り返し反射し、ベースリング部４１の円環の周方向に伝搬させるものである。ここで、反射面４１ａは、１００％の完全反射面ではなく、入射光の数％は拡散する。すなわち、反射面４１ａに入射するビーム光ＢＬは、鏡面反射成分（９０％以上）と拡散反射成分（数％程度）とを有しており、反射面４１ａは、ビーム光ＢＬの大部分をベースリング部４１の円環の周方向に反射すると同時に、ビーム光ＢＬの一部分を拡散反射する。そして、反射面４１ａは、後記するように、ビーム光ＢＬの鏡面反射成分がベースリング部４１を少なくとも１周するように形成されている。なお、反射面４１ａによるビーム光ＢＬの反射の詳細については後記する。

ここで、ベースリング部４１は、図１Ａに示すように、反射面４１ａに穴部Ｈが形成され、外部のレーザ光源部１０からビーム光ＢＬを導入できるように構成されている。図１Ｂに示すように、穴部Ｈは、ビーム光ＢＬのビーム径に合わせて、幅方向において反射面４１ａの一部を切欠いて形成されている。したがって、穴部Ｈの開口する位置に隣接する部分には、反射面４１ａが他の部分よりも狭い幅で残存している状態となる。すなわち、穴部Ｈの幅方向にも反射面４１ａを有する。この穴部Ｈからビーム光ＢＬが反射面４１ａに入射してベースリング部４１を１周すると、最初の入射位置側に戻る。そのため、一周したビーム光ＢＬが穴部Ｈから漏出しないようにビーム光ＢＬを斜めに入射させるように構成している。したがって、穴部Ｈから入射したビーム光ＢＬは、反射面４１ａを螺旋状に伝搬する。つまり、穴部Ｈから入射したビーム光ＢＬは、反射面４１ａを一周以上伝搬することができるように、ビーム光ＢＬを、反射面４１ａに対して斜めに入射させ反射面４１ａを螺旋状に伝搬させている。なお、斜めに入射させるとは、光軸を反射面４１ａの長手方向における中心線に対して傾斜させることである。

このように構成することで、図２Ｂに示すように、穴部Ｈから入射したビーム光ＢＬ０がベースリング部４１を１周伝搬し、その後のビーム光ＢＬ１が反射面４１ａの幅方向にずれて螺旋軌道で伝搬し、さらに周回するように反射面４１ａを反射して進む。そして、ビーム光ＢＬ０,ＬＢ１は、反射面４１ａで反射するときに拡散する拡散光を均等に出射することになる。ここで、ビーム光ＢＬの直径を５ｍｍ、ベースリング部４１の直径（内径）を１４０ｍｍと仮定した場合、反射面４１ａに対するビーム光ＢＬの入射角度は、例えば０．３３度に設定することが好ましい。

以下、図３を参照しながらリング４０のベースリング部４１に導入されたビーム光ＢＬの反射の詳細について説明する。ここで、レーザダイオードを光源とし、コリメートレンズ２０を通過したビーム光ＢＬは、平行光線に近似することができ、例えば数ｍｍの直径を持つものが知られている。このようなビーム光ＢＬの直径の定義は一定ではないが、ビームプロファイルは正規分布として扱われることが知られているため、ここではその標準偏差をσとし、ビーム中心に対して±２σ、すなわち４σの幅（直径）を有するものとして考える。

そして、例えば図３に示すビーム光ＢＬの直径を５ｍｍ、ベースリング部４１の直径（内径）を１４０ｍｍとし、ビーム光ＢＬの直径の上下方向における中心の入射位置を、ベースリング部４１の接線から平行に５ｍｍだけベースリング部４１の中心方向（ここでは上方向）に平行移動した点とする。

ビーム光ＢＬとベースリング部４１とをこのような配置関係とした場合、ベースリング部４１に導入されたビーム光ＢＬが最初に内周面の反射面４１ａに入射する角度（反射面４１ａの法線とのなす角）は、ビーム光ＢＬの直径の上下方向における下端（図３における実線）で約７５度（角度θ１）、ビーム光ＢＬの直径の上下方向における中心（図３における一点鎖線）で約６８度（角度θ２）、ビーム光ＢＬの直径の上下方向における上端（図３における破線）で約６３度（角度θ３）、となる。

このように平行なビーム光ＢＬが円弧状の反射面４１ａに入射する場合、図３に示すように、ビーム光ＢＬの光線の位置によって入射角θ１，θ２，θ３がそれぞれ異なり、反射面４１ａで反射されたビーム光ＢＬはベースリング部４１の周方向に拡がり角を持つことになる。そして、図３に示すように、反射を繰り返すごとにその拡がり角が大きくなるため、円環状の反射面４１ａ全体にビーム光ＢＬが照射されることになる。

ここで、前記したビーム光ＢＬの直径、ベースリング部４１の直径などの数値は一例であり、具体的な条件に合わせて適宜調整可能である。また、図３では、ビーム光ＢＬがベースリング部４１の反射面４１ａに入射した後の２回目の反射までを示しており、それ以降の反射については図示を省略している。実際には、反射面４１ａに入射したビーム光ＢＬは、その拡がり角を拡大させながら反射面４１ａによって反射を繰り返し、円環の周方向に少なくとも１周以上伝搬されることになる。ここで、反射面４１ａの反射率を調整すること、及び、入力するビーム光の強度を調整することで、ビーム光ＢＬを１周伝搬させることが可能となる。

なお、反射面４１ａで反射を繰り返しながらリング４０内を周回するビーム光ＢＬは、常に反射面４１ａの幅方向における同じ位置で周方向に伝搬するのではなく、リング４０内を周回するごとに位置が変化する。すなわち、図２Ｂに示すように、最初に反射面４１ａの幅方向の手前側の位置でビーム光ＢＬ０が入射した場合、１周伝搬する過程で反射面４１ａの幅方向の奥側に移動し、２周目はビーム光ＢＬ１の位置となる。このように、リング４０内に導入されたビーム光ＢＬは、反射面４１ａの幅方向に移動しながら螺旋状に伝搬することになる。

また、レーザダイオードを光源とし、コリメートレンズ２０を通過してリング４０に入射したビーム光ＢＬ０は、図２Ｂに示すように楕円状の断面を有しているが、リング４０内を周回するごとにアスペクト比が変化し、幅方向に太くなって行く。つまり、ビーム光ＢＬは、縦方向と横方向とで発散角が異なる。したがって、光軸に対称なレンズを用いて縦横両方向ともにコリメート（平行化）できない。本例では、縦方向に平行化しているため、横方向に徐々に広がることとなる。

さらに、照明装置１のその他の構成について説明する。拡散リング部４２は、ビーム光ＢＬを拡散して出射するためのものである。本発明の実施形態でいう拡散は、広義には、リングに入射した光が広がって外部に出射するものであり、屈折等による光の広がりを含むものであり、狭義には、拡散材や蛍光体や顔料などの添加剤を含み、添加剤により拡散して外部に出射するものである。拡散リング部４２は、図１Ａに示すように、リング４０の内周側を構成し、円環状に形成されている。また、拡散リング部４２は、図２Ａに示すように、四角筒の一部が開口した断面に形成され、反射面４１ａに対向して設けられている。そして、拡散リング部４２は、反射面４１ａに対向する側が開口して当該反射面４１ａ全体を覆い、ベースリング部４１と一体となることで、一つの四角筒状の円環を形成している。拡散リング部４１は、四角筒の一部が開口した断面に限定されず、円筒、楕円形の筒、多角形状の筒の一部が開口した断面をもつ筒状であってもよい。拡散リング部４１の材料としては、たとえばアクリル、塩ビ、ＡＢＳ、ポリエチレン等の少なくとも光が透過する材料が用いられる。また、たとえばこれらの材料は、蛍光体、ＴｉＯ₂などの拡散もしくは白色化のための添加剤、あるいは各種の色をだす顔料などを含むか、これらを表面に有することができる。

拡散リング部４２は、ビーム光ＢＬを異なる波長の光に波長変換する波長変換部材、具体的には蛍光体を含有してもよい。あるいは、拡散リング部４２は、その表面に波長変換部材を塗布してもよい。例えば、前記したレーザ光源部１０として青色のレーザダイオードを用い、波長変換部材として黄色の蛍光体を用いることで、白色照明光を得ることができる。ただし、拡散リング部４２は、入射したビーム光ＢＬをさらに拡散させて照明光として利用するためのものであり、必ずしも波長変換を行う必要はないため、蛍光体を含有させるあるいは塗布するか否かは条件に応じて適宜選択することができる。このような構成を備える拡散リング部４２は、反射面４１ａによって拡散反射されたビーム光ＢＬが入射し、当該ビーム光ＢＬをさらに拡散しながら外部に出射する。これにより拡散リング部４２全体が発光し、環状照明光を得ることができる。

ここで、照明装置１は、反射面４１ａによって鏡面反射を繰り返して伝搬されるビーム光ＢＬが、前記した拡散リング部４２に当たらないように、ビーム光ＢＬを反射面４１ａに向かって入射させる。すなわち、照明装置１においては、ベースリング部４１にビーム光ＢＬを導入する際に、拡散リング部４２にビーム光ＢＬの鏡面反射成分が入射しないように、ビーム光ＢＬの直径、ベースリング部４１の直径、ベースリング部４１への入射角度などを調整する。

以上の構成を備える照明装置１によれば、ビーム光ＢＬを円環状のリング４０内に導入し、内周面に設けた反射面４１ａによってビーム光ＢＬを繰り返し反射させながら円環の周方向に伝搬させるとともに、反射面４１ａによって拡散反射されたビーム光ＢＬを拡散リング部４２によってさらに拡散させて外部に出射させることができる。これにより、照明装置１は、レーザ光源部１０とリング４０からなる簡易、小型かつ安価な構成で、明るさが均一な環状照明光を得ることができる。

なお、照明装置１は、内側に向かって光を照射するものであるため、例えば、拡散リング部４２の内側に、拡散リング部４２から支持手段を介して図示しないオブジェを設けることもできる。そして、支持したオブジェは、その外周に光を反射する鏡面やあるいは蛍光体を設けることで、拡散リング部４２からの光を反射して陰影によりその外形を際立たせ、装飾的効果を高めて表示することができる。

以上、照明装置１について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、例えば、照明装置１は、図１Ａに示すように、ベースリング部４１の反射面４１ａにビーム光ＢＬを導入するための穴部Ｈが形成されていたが、当該穴部Ｈの位置、すなわちビーム光ＢＬをリング４０内に導入する位置は特に限定されない。穴部Ｈは、例えば拡散リング部４２に形成されていてもよい。この場合、拡散リング部４２の側面、すなわち拡散リング部４２において反射面４１ａと対向する開口部の両壁の一方に穴部Ｈを形成し、ビーム光ＢＬをリング４０内に導入する構成とすることができる。

また、前記した照明装置１はコリメートレンズ２０を備えていたが、照明装置１が少なくともビーム光ＢＬをリング４０内に導入できればなくてもよい。

１ 照明装置
１０ レーザ光源部
２０ コリメートレンズ
３０ 中空パイプ
４０，４０Ａ リング
４１ ベースリング部
４１ａ 反射面
４２ 拡散リング部
ＢＬ ビーム光
Ｈ 穴部

Claims (9)

1. レーザ光源部と、前記レーザ光源部から照射されたビーム光が入射する円環状のリングと、を備え、
   前記リングは、ベースリング部と当該ベースリング部の内側に拡散リング部とを有する中空のリングであり、
   前記ベースリング部は、内周面に反射面を有し、入射した前記ビーム光を前記反射面によって繰り返し反射させることにより円環の周方向に伝搬させ、
   前記拡散リング部は、前記反射面に対向して設けられ、
   前記ビーム光の一部を前記反射面で拡散反射させ、前記拡散反射させた光は、前記拡散リング部で拡散させ、出射される照明装置。
2. 前記リングに入射したビーム光が、拡散反射成分と鏡面反射成分とを有し、前記反射面は、前記ビーム光の前記鏡面反射成分が前記ベースリング部を少なくとも１周するように形成された請求項１に記載の照明装置。
3. 前記反射面によって鏡面反射を繰り返して伝搬されるビーム光が、前記拡散リング部に当たらないように、前記ビーム光を前記反射面に向かって入射させる請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記レーザ光源部から照射されたビーム光を平行光にするコリメートレンズを備え、前記平行光が前記ベースリング部に入射する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記拡散リング部は、前記ビーム光を異なる波長の光に波長変換する波長変換部材を含有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記ベースリング部は、前記反射面に前記ビーム光を導入するための穴部が形成された請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記拡散リング部は、前記ビーム光を導入するための穴部が形成された請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記ベースリング部は、前記穴部の幅方向に、前記ベースリング部を１周伝搬した前記ビーム光を反射させる前記反射面を有する請求項６に記載の照明装置。
9. 前記拡散リング部は、前記反射面に対向する側が開口して前記反射面を覆ってなる請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の照明装置。

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