JP6868807B2 - 光源装置および照明器具 - Google Patents

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Description

本開示は、光源装置および当該光源装置を用いた照明器具に関する。
特許文献１には、１次光を射出する１次光源を有する光源ユニットと、１次光の光学的性質を変換して２次光を生成する光変換素子を有する複数の光変換ユニットと、導光路において光変換ユニットを着脱可能な接続部とを備えた照明用光源装置が開示されている。特許文献１には、１次光源として半導体レーザを用い、光変換ユニットとして蛍光材料を用いることが記載されている。
特開２０１５−２２８３７１号公報
ところで、特許文献１に開示された光源装置のように、導光路の前後に蛍光材料を有する光変換ユニットを配置すると、当該ユニットの発熱が大きくなるため放熱対策が必要となる。さらに、導光路の入射側に光変換ユニットを配置した場合は、導光路への変換光の入射率が低くなり、光源効率が低下することが想定される。他方、導光路の出射側に光変換ユニットを配置した場合は、変換光がランダムに放射されるため、照明器具において大型のレンズが必要になるといった課題がある。
本開示の一態様である光源装置は、固体光源と、前記固体光源から出射された励起光が第１端面から導入される光伝送ファイバとを備え、前記光伝送ファイバは、前記励起光を吸収して電子の反転分布状態を生成すると共に可視光領域の波長変換光を放出する波長変換材料を含む波長変換コアと、前記波長変換コアの周囲を被覆し、前記波長変換光を前記第１端面側から第２端面側に伝送する導光コアと、前記導光コアの周囲を被覆するクラッドとを有し、前記導光コアを伝搬する前記波長変換光により誘導放出が生じ、前記励起光および前記誘導放出により増幅された前記波長変換光が第２端面から出射するように構成されていることを特徴とする。
本開示の一態様である照明器具は、上記光源装置を備えることを特徴とする。
本開示の一態様である光源装置は、使用時の温度上昇が小さく、かつ指向性に優れる。当該光源装置を用いた照明器具によれば、例えば放熱構造が不要で、レンズの縮小化を図ることができ、器具サイズの大幅な小型化を実現できる。
実施形態の一例である光源装置および照明器具を示す図である。 実施形態の他の一例である光源装置の光伝送ファイバを示す図である。 実施形態の他の一例である光源装置の光伝送ファイバを示す図である。 実施形態の他の一例である光源装置の光伝送ファイバを示す図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の光源装置および照明器具の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下で説明する複数の実施形態の各構成要素を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。また、実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであるから、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図１は、実施形態の一例である光源装置１０および光源装置１０を備えた照明器具１を示す図である。図１に例示する照明器具１は、筒状のケース２と、ケース２の軸方向一端部に取り付けられた投影レンズ３と、ケース２の軸方向他端部に取り付けられた光源装置１０とを備える。ケース２は、投影レンズ３側に向かって次第に拡径した形状を有し、内面が光を反射する反射面として機能する。光源装置１０は、光伝送ファイバ１２の第２端面２５が投影レンズ３側を向いた状態で配置されている。光源装置１０では、光伝送ファイバ１２の第２端面２５からインコヒーレントな光が出射される。
照明器具１は、光源装置１０の温度上昇が小さいため器具の放熱構造を簡素化でき、また光源装置１０の指向性が優れるため投影レンズ３を小型化できることから、スタジアム照明、自動車等の前照灯などに好適である。例えば、照明器具１をスタジアム照明に適用した場合、風を受ける面積（受圧面積）を大幅に小さくでき、照明器具１の支持構造を簡素化することが可能である。或いは、光源装置１０の温度上昇が小さいという利点を活かして、光源装置１０を内視鏡用照明器具に適用することもできる。
光源装置１０は、固体光源１１と、固体光源１１から出射された励起光が第１端面２４から導入される光伝送ファイバ１２とを備える。光伝送ファイバ１２は、コア２０と、コア２０の周囲を被覆するクラッド２３とを有する。コア２０は、励起光を吸収して電子の反転分布状態を生成すると共に可視光領域の波長変換光を放出する波長変換材料を含む波長変換コア２１と、波長変換コア２１の周囲を被覆する導光コア２２とで構成されたダブルコア構造を有する。導光コア２２は、波長変換材料によって可視光領域の光に変換された波長変換光を第１端面２４側から第２端面２５側に伝送する。
光源装置１０は、固体光源１１と光伝送ファイバ１２との間に配置されたレンズ１３を備えることが好ましい。レンズ１３は、例えば固体光源１１から出射された光を光伝送ファイバ１２の第１端面２４から効率良く導入するための集光レンズである。光伝送ファイバ１２は、導光コア２２を伝搬する波長変換光により誘導放出が生じ、固体光源１１から出射された励起光および誘導放出により増幅された波長変換光が第２端面２５から出射するように構成されている。
光源装置１０は、光伝送ファイバ１２の両端に反射ミラーを有さない点で、ファイバーレーザと異なる。光源装置１０は、ファイバーレーザのようにコヒーレンスでスペクトル幅の狭い光を出射するものではなく、白色のインコヒーレント光を出射する。また、光源装置１０は、波長変換材料を含む波長変換ユニットを光伝送ファイバ１２の両端に有さず、波長変換材料が光伝送ファイバ１２の長さ方向に沿って分散した状態で存在している。このため、光源装置１０は放熱性に優れ、特別な放熱構造を有さなくても高温になり難い。なお、光伝送ファイバ１２の第１端面２４には、励起光を透過し、波長変換光を反射する光フィルタが設けられてもよい。
固体光源１１は、光伝送ファイバ１２の波長変換コア２１に含有される波長変換材料を励起させる励起光を出力する。固体光源１１としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＥＬ（ＯＥＬ）、半導体レーザ（ＬＤ）などが例示できる。光源装置１０では、波長変換コア２１に高エネルギーの励起光を導入して波長変換材料の電子状態を反転分布状態とする必要があるため、固体光源１１には半導体レーザを用いることが好ましい。半導体レーザの好適な一例は、波長２５０ｎｍ〜４８０ｎｍの紫外光、紫色光、または青色光を出力する半導体レーザである。
固体光源１１から出射された励起光の一部は、光伝送ファイバ１２を通過して第２端面２５から出射される。光源装置１０では、固体光源１１の励起光と、波長変換材料から放出される波長変換光とが混ざって白色光が得られる。光伝送ファイバ１２の第２端面２５から出射される光は、ブロードな分光特性を有する白色のインコヒーレント光である。他方、当該白色光は、誘導放出により増幅され、指向性に優れている。
光伝送ファイバ１２は、径方向断面が略真円形状の波長変換コア２１を中心に有し、波長変換コア２１の径方向外側にチューブ状の導光コア２２およびクラッド２３が順に配置された構造を有する。波長変換コア２１、導光コア２２、およびクラッド２３は、同心円状に形成されると共に、光伝送ファイバ１２の全長にわたって形成されている。光伝送ファイバ１２は、クラッド２３の周囲を被覆する樹脂製の保護被膜を有していてもよい。
光伝送ファイバ１２は、コア２０を、コア２０よりも屈折率の低いクラッド２３で覆った構造を有する。コア２０は、第１端面２４から導入される励起光および波長変換材料が当該励起光を吸収して発生する波長変換光の吸収損失が小さい石英ガラスを主成分として構成される。励起光および波長変換光は、コア２０とクラッド２３との界面で反射しながらコア２０内を伝搬する。クラッド２３も、コア２０と同様に石英ガラスを主成分として構成される。なお、コア２０およびクラッド２３は樹脂製であってもよく、例えばコア２０がアクリル系樹脂、クラッド２３がフッ素系樹脂で構成されてもよい。
コア２０は、上述の通り、波長変換材料を含有する波長変換コア２１と、波長変換材料を含有しない導光コア２２とで構成されるダブルコア構造を有する。このようなダブルコア構造とすることで、波長変換光の導光効率を向上させることができる。コア２０内を伝搬する励起光および波長変換光が波長変換コア２１に入射することで誘導放出が生じ、誘導放出光は光伝送ファイバ１２の第２端面２５側に近づくほど増加する。つまり、光伝送ファイバ１２を長くするほど、第２端面２５から出射される光が増幅される。
光伝送ファイバ１２の長さは、５ｍ以上が好ましく、１０ｍ以上がより好ましい。光伝送ファイバ１２の長さおよび直径は、光源装置１０が適用される照明器具１の用途などによって適宜変更できる。例えば、照明器具１がスタジアム照明である場合、光伝送ファイバ１２の長さは１０ｍ〜３０ｍ、直径は１ｍｍ〜３ｍｍが好適である。
波長変換コア２１には、全長にわたって波長変換材料が含有されている。波長変換コア２１は、例えば石英ガラスまたはアクリル系樹脂からなる中心軸に波長変換材料が分散した構造を有する。波長変換材料の濃度は、波長変換コア２１の全長にわたって略均一であることが好ましい。光源装置１０においても波長変換材料が励起光を吸収して波長変換光を放出する過程で発熱するが、光源装置１０では、発熱源である波長変換材料が光伝送ファイバ１２の長さ方向に分散して存在するため、装置温度の上昇が抑えられる。
波長変換材料は、固体光源１１から出射される励起光を吸収して電子の反転分布状態を生成すると共に可視光領域の波長変換光を放出し、波長変換コア２１を構成する石英ガラスまたは樹脂に分散可能な材料であれば特に限定されない。言い換えると、波長変換コア２１には、波長変換材料の反転分布状態を生成可能な高エネルギーの励起光を導入する必要がある。波長変換材料には、従来公知の蛍光材料を用いることができる。
波長変換材料は、励起寿命、すなわち電子が励起順位に滞在する時間が１μｓ以上の材料を主成分とすることが好ましい。この場合、誘導放出が生じ易くなり、波長変換光の増幅が容易になる。波長変換材料としては、それぞれの発光に支障がない範囲で複数種の蛍光材料が用いられてもよく、励起寿命が１μｓ以上の蛍光材料と、励起寿命が短い蛍光材料とが併用されてもよい。波長変換コア２１には、波長変換材料の総重量に対して、励起寿命が１μｍ以上の蛍光材料が５０重量％〜１００重量％含有されていてもよい。
波長変換材料の好適な一例としては、下記の蛍光材料（蓄光顔料）が挙げられる。
YAG:Ce3+、YAG:Cr3+
Lu3Al2Ga3O12:Ce3+、Lu3Al2Ga3O12:Cr3+
Y3Al2Ga3O12:Ce3+、Y3Al2Ga3O12:Cr3+
Ga3Al2Ga3O12:Ce3+、Ga3Al2Ga3O12:Cr3+
M2LnX2(AlO4)3
M=Ca,Fe,Mn,Zn,Cd,Co,Cuのいずれかを含む
Ln=Tb,Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Yb,Lu,ln,Sbのいずれかを含む
X=ZrおよびHfの少なくとも一方、或いはZrおよびHfの少なくとも一方とSi,Ge,Sn,Pbより選択される少なくとも１種を含有する
AaBbOcで表される酸化物を基本とし、PrとLa，Eu，Dy，Smより選択される少なくとも１種を含有する
A=Ca，Sr，Ba，Mgより選択される少なくとも１種
B=Ti，Zr，Sn，Mn，Mo，Ruより選択される少なくとも１種
0.8≦a≦5，1.0≦b≦4，2.5≦c≦(a+2b)
導光コア２２は、例えば石英ガラスまたはアクリル系樹脂からなるチューブであって、波長変換コア２１と同じ材料で構成される。但し、導光コア２２には、波長変換材料は含有されない。波長変換コア２１の波長変換材料から放出される波長変換光は、導光コア２２内を第１端面２４側から第２端面２５側に伝搬し、時折、波長変換コア２１に入射して誘導放出を引き起こす。
クラッド２３は、例えばコア２０よりも屈折率の低い石英ガラスまたは樹脂からなるチューブである。また、クラッド２３はフォトニック結晶構造を有していてもよい。フォトニック結晶構造は、例えば石英ガラス製のファイバ中に周期的に配列された複数の空孔によって構成される。複数の空孔は、光伝送ファイバ１２の全長にわたって形成される。この場合、複数の空孔が形成される部分がクラッド２３、複数の空孔に囲まれた部分がコア２０となる。なお、空孔の代わりに、コア２０と屈折率が異なる材料で構成される複数の柱を周期的に配列してフォトニック結晶構造を形成してもよい。
上記構成を備えた光源装置１０によれば、波長変換光がコア２０内を伝搬する過程で増幅され、励起光および当該波長変換光が混ざった指向性の高い白色のインコヒーレント光が光伝送ファイバ１２の第２端面２５から出射される。光源装置１０では、光伝送ファイバ１２の長さ方向に発熱源である波長変換材料が分散しているため、使用時の温度上昇が小さい。光源装置１０を用いた照明器具1によれば、例えば放熱構造が不要で、レンズの縮小化を図ることができ、器具サイズの大幅な小型化を実現できる。
以下、図２〜図４を参照しながら、実施形態の他の一例である光源装置について説明する。以下では、上述の実施形態との相違点を主に説明する。図２〜図４は、光源装置を構成する光伝送ファイバをそれぞれ示す図である。
図２に例示する光伝送ファイバ１２Ａは、長さ方向に沿って設けられた複数の波長変換コア３０，３１，３２を有する点で、１本の波長変換コア２１を有する光伝送ファイバ１２と異なる。波長変換コア３０，３１，３２は、光伝送ファイバ１２Ａの径方向中央部において当該ファイバの全長にわたって形成され、各々の周囲は導光コア２２で被覆されている。波長変換コアの本数は特に限定されず、４本以上または２本であってもよい。
波長変換コア３０，３１，３２のそれぞれは、互いに異なる波長変換材料を含むことが好ましい。この場合、効率良く多色変換が可能である。各波長変換コアにそれぞれ含まれる波長変換材料は、いずれも固体光源１１から出射される励起光を吸収し、互いに異なる波長の可視光を放出する。
図３に例示する光伝送ファイバ１２Ｂは、第１端面２４Ｂ側と第２端面２５Ｂ側とで励起寿命が異なる波長変換材料を含む。図３に示す例では、第１波長変換コア４２を有する第１光伝送ファイバ４０と、第２波長変換コア４３を有する第２光伝送ファイバ４１とで、光伝送ファイバ１２Ｂが構成されている。光伝送ファイバ１２Ｂは、例えば互いに略同じ長さ、略同じ直径を有する第１光伝送ファイバ４０および第２光伝送ファイバ４１を接合して形成される。光伝送ファイバ１２Ｂでは、長さ方向中央を境に波長変換材料が異なったものとなっているが、光伝送ファイバには３種類以上の波長変換材料が長さ方向に分かれて含有されていてもよい。
第２波長変換コア４３に含まれる波長変換材料は、第１波長変換コア４２に含まれる波長変換材料よりも励起寿命が長いことが好ましい。つまり、波長変換コアの第２端面側部分に含まれる波長変換材料は、第１端面側部分に含まれる波長変換材料よりも励起寿命が長いことが好ましい。この場合、誘導放出が生じ易くなり、波長変換光の増幅が容易になる。例えば、第２波長変換コア４３に励起寿命が１μｓ以上の蛍光材料を添加し、第１波長変換コア４２に励起寿命が１μｓ未満の蛍光材料を添加してもよい。
図４に例示する光伝送ファイバ１２Ｃは、波長変換材料をそれぞれ含む複数の粒子で構成された波長変換コア５０を有する。当該粒子の形状は特に限定されず、球状であってもよく、ロッド状であってもよい。波長変換コア５０は、例えば固体光源１１から出射される励起光を吸収し、互いに異なる波長の可視光を放出する波長変換材料をそれぞれ含む複数種の粒子で構成される。この場合、光伝送ファイバ１２Ａと同様に、効率良く多色変換が可能である。
１ 照明器具、２ ケース、３ 投影レンズ、１０ 光源装置、１１ 固体光源、１２ 光伝送ファイバ、１３ レンズ、２０ コア、２１ 波長変換コア、２２ 導光コア、２３ クラッド、２４ 第１端面、２５ 第２端面

Claims (7)

  1. 固体光源と、
    前記固体光源から出射された励起光が第１端面から導入される光伝送ファイバと、
    を備え、
    前記光伝送ファイバは、
    前記励起光を吸収して電子の反転分布状態を生成すると共に可視光領域の波長変換光を放出する波長変換材料を含む波長変換コアと、
    前記波長変換コアの周囲を被覆し、前記波長変換光を前記第１端面側から第２端面側に伝送する導光コアと、
    前記導光コアの周囲を被覆するクラッドと、
    を有し、前記導光コアを伝搬する前記波長変換光により誘導放出が生じ、前記励起光および前記誘導放出により増幅された前記波長変換光が第２端面から出射するように構成された、光源装置。
  2. 前記波長変換コアは、前記波長変換材料をそれぞれ含む複数の粒子で構成されている、請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記光伝送ファイバは、長さ方向に沿って設けられた複数の前記波長変換コアを有し、
    前記波長変換コアのそれぞれは、互いに異なる前記波長変換材料を含む、請求項１に記載の光源装置。
  4. 前記波長変換材料は、励起寿命が１μｓ以上の材料を主成分とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
  5. 前記波長変換コアは、前記光伝送ファイバの前記第１端面側と前記第２端面側とで励起寿命が異なる前記波長変換材料を含み、
    前記波長変換コアの前記第２端面側部分に含まれる前記波長変換材料は、前記第１端面側部分に含まれる前記波長変換材料よりも励起寿命が長い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
  6. 前記クラッドは、フォトニック結晶構造を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置を備える照明器具。
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