JP6631798B2 - 投光装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を出射する発光素子を備える投光装置に関する。

従来、投光装置として、光源が放電ランプである投光装置（例えば、特許文献１）や、光源がＬＥＤである投光装置（例えば、特許文献２〜３）が、知られている。ところで、放電ランプの寿命は、一般的に、短く、また、ＬＥＤの出力（光度、照度など）は、一般的に、小さい。

特開昭５８−７５７０４号公報 特開２０１４−１１１１８号公報 特開２０１４−２２２７０８号公報

そこで、課題は、レーザ光を出射する発光素子を備える投光装置を提供することである。

投光装置は、レーザ光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光が入射され、該光の少なくとも一部を蛍光に変換して出力する蛍光素子と、前記蛍光素子から出力された光が入射される第１光学系と、前記第１光学系から出射された光が入射され、該光を平行光にして装置の外部に向けて出射する第２光学系と、を備え、前記第２光学系に入射される光の発散角は、前記第１光学系に入射される光の発散角よりも大きい。

また、投光装置においては、前記第１光学系は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系であり、前記第２光学系は、前記第１光学系から出射された光が入射される際に発散光となるように、前記第１光学系から離間して配置される、という構成でもよい。

また、投光装置は、前記蛍光素子から出力された光のうち、前記第１光学系を通過することなく前記第２光学系に向かう光を遮蔽すべく、該光を遮蔽する遮光体を、さらに備え、前記遮光体は、前記第１光学系から出射された光が前記第２光学系に入射するために通過するための光路部を備える、という構成でもよい。

また、投光装置においては、前記光路部は、前記第１光学系の焦点の位置に配置され、前記光路部の領域は、前記蛍光素子の光出力領域よりも、大きい、という構成でもよい。

一実施形態に係る投光装置の全体図であって、斜め上方向に投光している状態を示す図である。 同実施形態に係る投光装置の全体図であって、真上方向に投光している状態を示す図である。 同実施形態に係る投光装置の装置本体の内視図である。 同実施形態に係る投光装置の第１筐体の内視図である。 同実施形態に係る投光装置の光の状態を示す図である。

以下、投光装置における一実施形態について、図１〜図５を参酌して説明する。なお、各図において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致しておらず、また、各図面の間での寸法比も、必ずしも一致していない。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る投光装置１は、投光部１２１から外部へ投光する装置本体２と、装置本体２を回動可能に支持し、コンクリートの基礎等の被固定物に固定される支持体３とを備えている。例えば、支持体３が水平方向と平行な被固定物に固定された場合には、投光装置１は、図１に示すように、斜め上方向（鉛直方向との角度が１８０°未満である方向）や、図２に示すように、真上方向（鉛直方向）に、投光できる。

図３及び図４に示すように、装置本体２は、光を出射する光源４と、入射された光の一部を蛍光に変換して出力する蛍光素子５とを備えている。また、装置本体２は、蛍光素子５から出力された光が入射される第１光学系６と、第１光学系６から出射された光が入射され、該光を平行光にして投光装置１の外部に向けて出射する第２光学系７とを備えている。

装置本体２は、光源４から出射された光を、第１光学系６を経由して蛍光素子５に入射させるための第３光学系８を備えている。また、装置本体２は、第１光学系６と第２光学系７との間に配置される遮光体９と、投光装置１の投射光の径を変化させるために、第２光学系７を駆動させる駆動部１０とを備えている。

装置本体２は、光源４、蛍光素子５、第１光学系６、及び第３光学系８を収容する第１筐体１１と、第２光学系７、遮光体９、及び駆動部１０を収容する第２筐体１２とを備えている。また、装置本体２は、光源４から発生する熱を第１筐体１１の外部に放出する放熱部１３と、放熱部１３を収容する第３筐体１４とを備えている。

光源４は、固体光源素子である。具体的には、光源４は、レーザ光を出射する発光素子（例えば、半導体レーザ）４である。なお、光源４は、レーザ光を出射する素子であれば、何でもよい。また、光源４は、複数（図３及び図４においては、６つ）備えられている。

本実施形態においては、光源４は、青色光（例えば、波長が４００〜４７０ｎｍの光）を出射している。また、光源４が、レーザ光を出射する発光素子４であるため、投光装置１から投射される光は、高出力な光となる。例えば、投光装置１の投射光の最大光度は、３０，０００，０００ｃｄ以上であり、好ましくは、３５，０００，０００ｃｄ以上であり、さらに好ましくは、４０，０００，０００ｃｄ以上である。

第３光学系８は、光源４から出射された光が入射されるレンズ８１と、レンズ８１から出射された光を反射するミラー８２とを備えている。また、レンズ８１は、入射された光を集束光にして出射する集光レンズでもよく、また、入射された光を平行光にして出射するコリメートレンズでもよい。

第１光学系６は、第１レンズ６１と、ダイクロイックミラー６２と、第２レンズ６３とを備えている。なお、図４において、１点鎖線は、光源４から出射されて、蛍光素子５に入射される光（各光源４から出射された光の光軸）を示している。また、図３及び図４（図５も同様）において、２点鎖線は、蛍光素子５から出力された光を示している。

ダイクロイックミラー６２は、光の第１偏光成分（例えば、Ｓ偏光成分）を反射し、光の第２偏光成分（例えば、Ｐ偏光成分）を透過する。そして、光源４から出射される光は、第１偏光成分のみからなる直線偏光のレーザ光としている。したがって、第３光学系８から出射された光は、ダイクロイックミラー６２で、全て反射される。そして、該光は、第１レンズ６１を通過した後に、蛍光素子５に入射される。

そして、蛍光素子５から出力された後に、第１レンズ６１の外周部分を通過した光は、ダイクロイックミラー６２に入射されることなく、第２レンズ６３に入射される。また、蛍光素子５から出力された後に、第１レンズ６１の中央部分を通過した光は、ダイクロイックミラー６２に入射された後、ダイクロイックミラー６２を透過した光のみ、第２レンズ６３に入射される。

ところで、蛍光素子５から出力された光は、拡散されているため、第１偏光成分だけでなく、第２偏光成分も有している。したがって、ダイクロイックミラー６２に入射された光のうち、第１偏光成分の光は、ダイクロイックミラー６２で反射され、第２偏光成分の光は、ダイクロイックミラー６２を透過する。

また、第１レンズ６１は、蛍光素子５から出射された発散光が入射され且つ該発散光を平行光にして出射するコリメートレンズであり、第２レンズ６３は、第１レンズ６１から出射された平行光が入射され且つ該平行光を集束光にして出射する集束レンズである。したがって、第１光学系６は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系である。

蛍光素子５は、励起光を蛍光に変換する蛍光体を有している。本実施形態においては、蛍光体は、ＹＡＧ系の結晶材料で形成されており、光源４から出射された励起光である青色光を、黄緑色の蛍光（例えば、波長が５２５〜５７５ｎｍにピークを持ち、４５０〜８００ｎｍにかけた広い可視域のスペクトルを持った光）に変換する。

蛍光素子５は、入射された光の一部を、蛍光体で蛍光に変換している。したがって、蛍光素子５から出力された光は、蛍光素子５で変換された蛍光と、蛍光素子５で変換されなかった未変換光（励起光のままの光）とを含んでいる。本実施形態においては、蛍光素子５から出力された光（即ち、投光装置１の投射光）は、蛍光である黄緑色光と未変換光である青色光とが合成されて、白色光となる。

第１筐体１１は、光を透過する透光部１１１と、光を遮蔽する遮光部１１２と、光源４及び蛍光素子５から発生する熱を放熱部１３に熱伝導させる伝熱部１１３とを備えている。そして、第１光学系６の第２レンズ６３から出射された光は、透光部１１１を透過することで、第１筐体１１から出射される。

放熱部１３は、複数のフィンを有するヒートシンク１３１と、外気を流通させるファン１３２とを備えている。そして、放熱部１３は、第１筐体１１及び第２筐体１２の外部に配置されている。これにより、放熱部１３は、光源４及び蛍光素子５から発生する熱を、伝熱部１１３を経由して、第１筐体１１及び第２筐体１２の外部に放出している。

遮光体９は、光を遮蔽する遮光部９１と、光が通過する光路部９２とを備えている。本実施形態においては、光路部９２は、開口であるが、透光性を有する材質で形成されていてもよい。そして、光路部９２は、集光光学系である第１光学系６（具体的には、第２レンズ６３）の焦点の位置（完全に焦点の位置だけでなく、略焦点の位置も含む）に配置されている。これにより、第１光学系６から出射された光は、光路部９２を通過した後に、第２光学系７に入射される。

また、光路部９２の領域は、蛍光素子５の光出力領域よりも、大きい。なお、「蛍光素子５の光出力領域」の外縁は、例えば、蛍光素子５の表面において、蛍光素子５から出力される光の光強度が最大値に対してｅ^-2（＝0.1353）となる位置である。

なお、第１光学系６が集光光学系であるため、第１光学系６から出射された光は、焦点の位置まで集束し、その後、発散する。そして、第２光学系７は、第１光学系６から出射された光が入射される際に発散光となるように、第１光学系６から離間して配置されている。

また、第２光学系７は、レンズ７１を備えている。そして、レンズ７１は、遮光体９の光路部９２を通過した後に発散している発散光が入射され、該発散光を平行光にして出射する。例えば、レンズ７１は、コリメートレンズ又はフレネルレンズである。

駆動部１０は、第２光学系７のレンズ７１を、該レンズ７１に入射される光の進行方向（入射される光の光軸方向であって、図３の破線矢印方向（図３の上下方向））に沿って移動させる。これにより、レンズ７１に入射される光の領域が変化するため、レンズ７１から出射される平行光（即ち、投光装置１の投射光）の径が変化する。

第２筐体１２は、光を投光装置１の外部に向けて投射するために、光を透過する投光部１２１と、光を遮蔽する遮光部１２２とを備えている。また、第２筐体１２は、内部と外部との間で通気するための開口部１２３を備えている。

開口部１２３は、重力方向を向くように配置されている。具体的には、投光装置１が真上方向に投光する（図２参照）際に、開口部１２３は、第２筐体１２の下面となる位置に、配置されている。これにより、投光装置１が斜め上方向に投光する（図１参照）際に、開口部１２３は、斜め下方向を向くように配置され、投光装置１が真上方向に投光する（図２参照）際に、開口部１２３は、真下方向を向くように、配置されている。

ところで、第１筐体１１の内部の体積は、第２筐体１２の内部の体積よりも、小さくなっている。そして、第１筐体１１の一部は、第２筐体１２の内部に配置されている。なお、第１筐体１１の気密性は、第２筐体１２の気密性よりも、高くなっている。

例えば、第１筐体１１の気密性は、ＩＥＣ（国際電気標準会議）６０５２９、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｃ０９２０で規定される保護等級において、ＩＰ６６以上であることが好ましい。さらに、第１筐体１１の気密性は、ＩＰ６７以上であることがより好ましく、さらに、ＩＰ６８であることがさらに好ましい。

なお、ＩＰの第１特性数字（１番目の数字）は、人体および固形物に対する保護等級を示している。例えば、ＩＰの第１特性数字の「６」は、耐塵形である（粉塵が内部に侵入しない）ことを示している。

また、ＩＰの第２特性数字（２番目の数字）は、水の侵入に対する保護等級を示している。例えば、ＩＰの第２特性数字の「６」は、耐水形である（波浪またはいかなる方向からの水の強い直接噴流によっても有害な影響をうけない）ことを示し、「７」は、防浸形である（規定の圧力、時間で水中に浸漬しても有害な影響をうけない）ことを示し、「８」は、水中形である（製造者によって規定される条件に従って、連続的に水中に置かれる場合に適し、原則として完全密閉構造である）ことを示している。

したがって、「ＩＰ６６」は、「耐塵形」であり且つ「耐水形」であることを示している。また、「ＩＰ６７」は、「耐塵形」であり且つ「防浸形」であることを示し、「ＩＰ６８」は、「耐塵形」であり且つ「水中形」であることを示している。

本実施形態に係る投光装置１の構成については以上の通りであり、次に、本実施形態に係る投光装置１の作用について、図５を参酌して説明する。

図５に示すように、第２光学系７に入射される光の発散角θ２は、第１光学系６に入射される光の発散角θ１よりも大きくなっている。これにより、第２光学系７（具体的には、レンズ７１）に入射される光の領域、即ち、投光装置１から投射される光を、所定の大きさとするために、第１光学系６と第２光学系７との間の光路を短くすることができる。したがって、例えば、装置の小型化を図ることができる。

また、例えば、蛍光素子５から出力した光のうち、第１光学系６を通過することなく、第２光学系７に向かう光Ｌ１は、遮光体９で遮蔽される。さらに、第１光学系６を通過した光でも、必要のない光Ｌ２，Ｌ３は、遮光体９で遮蔽される。例えば、第１光学系６の第１レンズ６１から平行光として出射されなかった光Ｌ２，Ｌ３も、遮光体９で遮蔽される。

斯かる光Ｌ２，Ｌ３としては、例えば、ダイクロイックミラー６２で反射された後に第１レンズ６１に入射される際に、第１レンズ６１で反射する光Ｌ２や、蛍光素子５に入射された際に拡散する光Ｌ３等が、挙げられる。これにより、例えば、投光装置１から投射される光を確実に平行光にすることができる。

また、蛍光素子５から出力された光は、第１光学系６により、集束される。このとき、蛍光素子５の光出力領域から出力された光は、第１光学系６の焦点の位置において、蛍光素子５の光出力領域と略同じ大きさになる。そこで、遮光体９の光路部９２の領域が、蛍光素子５の光出力領域よりも大きくなっているため、蛍光素子５の光出力領域から出力された光の全ては、光路部９２を通過することができる。これにより、例えば、遮光体９に起因して装置の光効率が低下することを抑制することができる。

ところで、ＬＥＤが出射する光は、所謂、面発光光源である。したがって、光源がＬＥＤである構成においては、光を一点に集めることができず、質の高い平行光（平行度の高い光）を得ることができない。そこで、質の高い平行光を得るために、例えば、本実施形態に係る光路部９２の径を小さくする対策も考えられるが、その場合、光路部９２を通過する光が少なくなり、光度が著しく低下する。

それに対して、本実施形態に係る構成は、光源４がレーザ光を出射する点発光光源である発光素子４と、該発光素子４からの少なくとも一部の光を蛍光に変換して出力する蛍光素子５との組み合わせである。これにより、出射される光を一点に集めることができ、質の高い平行光を得ることができる。したがって、光を広げることなく、遠方に亘って投射することが可能となる。

以上より、本実施形態に係る投光装置１は、レーザ光を出射する発光素子４と、前記発光素子４から出射された光が入射され、該光の少なくとも一部を蛍光に変換して出力する蛍光素子５と、前記蛍光素子５から出力された光が入射される第１光学系６と、前記第１光学系６から出射された光が入射され、該光を平行光にして装置１の外部に向けて出射する第２光学系７と、を備え、前記第２光学系７に入射される光の発散角θ２は、前記第１光学系６に入射される光の発散角θ１よりも大きい。

斯かる構成によれば、発光素子４は、レーザ光を出射し、発光素子４から出射された光は、蛍光素子５に入射される。そして、蛍光素子５は、入射された光の少なくとも一部を蛍光に変換して出力し、蛍光素子５から出力された光は、第１光学系６に入射される。その後、第１光学系６から出射された光は、第２光学系７に入射され、第２光学系７は、装置１の外部に向けて平行光を出射する。

このように、光源４が、レーザ光を出射する発光素子４であるため、光源４が放電ランプである構成と比較して、例えば、光源４の寿命を長くすることができる。さらに、光源４が、レーザ光を出射する発光素子４であるため、光源４がＬＥＤである構成と比較して、例えば、投光装置１から投射される光の出力（光度、照度など）を大きくすることができる。

ところで、第２光学系７に入射される光の発散角θ２は、第１光学系６に入射される光の発散角θ１よりも大きくなっている。即ち、第１光学系６は、蛍光素子５から出力された光が入射され、該光を、短い光路で大きく発散させている。これにより、投光装置１から投射される光を所定の大きさにするために、第１光学系６と第２光学系７との間の光路を短くすることができる。

また、本実施形態に係る投光装置１においては、前記第１光学系６は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系であり、前記第２光学系７は、前記第１光学系６から出射された光が入射される際に発散光となるように、前記第１光学系６から離間して配置される、という構成である。

斯かる構成によれば、第１光学系６は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系である。そして、第２光学系７が、第１光学系６から離間して配置されているため、第１光学系６から出射された光は、第２光学系７に入射される際に、発散光となっている。これにより、第１光学系６から出射された光が、焦点を有するため、例えば、装置の設計を容易にすることができる。

また、本実施形態に係る投光装置１は、前記蛍光素子５から出力された光のうち、前記第１光学系６を通過することなく前記第２光学系７に向かう光を遮蔽すべく、該光を遮蔽する遮光体９を、さらに備え、前記遮光体９は、前記第１光学系６から出射された光が前記第２光学系７に入射するために通過するための光路部９２を備える、という構成である。

斯かる構成によれば、第１光学系６から出射された光は、遮光体９の光路部９２を通過し、第２光学系７に入射する。そして、蛍光素子５から出力された光のうち、第１光学系６を通過することなく第２光学系７に向かう光は、遮光体９で遮蔽される。これにより、当該光が第２光学系７に入射することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る投光装置１においては、前記光路部９２は、前記第１光学系６の焦点の位置に配置され、前記光路部９２の領域は、前記蛍光素子５の光出力領域よりも、大きい、という構成である。

斯かる構成によれば、光路部９２が第１光学系６の焦点の位置に配置され、光路部９２の領域は、蛍光素子５の光出力領域よりも、大きくなっている。これにより、蛍光素子５の光出力領域から出力された光は、遮光体９で遮光されることなく、光路部９２を通過することができる。

なお、投光装置は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、投光装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、下記する各種の変更例に係る構成や方法等を任意に一つ又は複数選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。

上記実施形態に係る投光装置１においては、第１光学系６は、第１レンズ６１、ダイクロイックミラー６２、及び第２レンズ６３を備える、という構成である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、第１光学系６は、一つのレンズを備える、という構成でもよい。そして、例えば、蛍光素子５から出力された光は、当該一つのレンズに入射され、当該一つのレンズは、当該光を集束光にして、第２光学系７に向けて出射してもよい。

また、上記実施形態に係る投光装置１においては、第２光学系７は、一つのレンズ７１を備える、という構成である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、第２光学系７は、複数のレンズを備える、という構成でもよく、また、レンズだけでなく、反射部材（例えば、ミラー）をさらに備える、という構成でもよい。

また、上記実施形態に係る投光装置１においては、第１光学系６は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系である、という構成である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、第１光学系６は、入射された光を発散光にして出射する発散光学系である、という構成でもよい。具体的には、第１光学系６は、第２レンズ６３を凹レンズの発散レンズとする、という構成でもよい。斯かる構成においては、遮光体９は、通常、備えられていない。

また、上記実施形態に係る投光装置１においては、蛍光素子５は、入射された光の一部を蛍光に変換して出力する、という構成である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光素子５は、入射された光の全てを蛍光に変換して出力する、という構成でもよい。

また、上記実施形態に係る投光装置１においては、蛍光素子５は、反射形である、という構成（蛍光素子５に入射される光の進行方向と、蛍光素子５から出力される光の進行方向とは、反対向きである構成）である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光素子５は、透過形である、という構成（蛍光素子５に入射される光の進行方向と、蛍光素子５から出力される光の進行方向とは、同じ向きである構成）でもよい。

また、上記実施形態に係る投光装置１においては、蛍光素子５は、第１筐体１１に対して、固定されている、という構成である。しかしながら、投光装置は、斯かる構成に限られない。例えば、蛍光素子５は、第１筐体１１に対して、回転している、という構成でもよい。

１…投光装置、２…装置本体、３…支持体、４…光源（発光素子）、５…蛍光素子、６…第１光学系、７…第２光学系、８…第３光学系、９…遮光体、１０…駆動部、１１…第１筐体、１２…第２筐体、１３…放熱部、１４…第３筐体、６１…第１レンズ、６２…ダイクロイックミラー、６３…第２レンズ、７１…レンズ、８１…レンズ、８２…ミラー、９１…遮光部、９２…光路部、１１１…透光部、１１２…遮光部、１１３…伝熱部、１２１…投光部、１２２…遮光部、１２３…開口部、１３１…ヒートシンク、１３２…ファン

Claims (4)

1. レーザ光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光が入射され、該光の少なくとも一部を蛍光に変換して出力する蛍光素子と、
   前記蛍光素子から出力された光が入射される第１光学系と、
   前記第１光学系から出射された光が入射され、該光を平行光にして装置の外部に向けて出射する第２光学系と、を備え、
   前記第１光学系は、前記蛍光素子から出力された光が最初に入射されるレンズを含み、
   前記第２光学系に入射される光の発散角は、前記第１光学系に入射される光の発散角よりも大きい、投光装置。
2. 前記第１光学系は、入射された光を集束光にして出射する集光光学系であり、
   前記第２光学系は、前記第１光学系から出射された光が入射される際に発散光となるように、前記第１光学系から離間して配置される、請求項１に記載の投光装置。
3. 前記蛍光素子から出力された光のうち、前記第１光学系を通過することなく前記第２光学系に向かう光を遮蔽すべく、該光を遮蔽する遮光体を、さらに備え、
   前記遮光体は、前記第１光学系から出射された光が前記第２光学系に入射するために通過するための光路部を備える、請求項２に記載の投光装置。
4. 前記光路部は、前記第１光学系の焦点の位置に配置され、
   前記光路部の領域は、前記蛍光素子の光出力領域よりも、大きい、請求項３に記載の投光装置。
   

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