JP6918304B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関する。

従来から、所定の波長（発光色）を有する光を放出する光源と、当該光源からの光の波長を変換して出力する波長変換体とを組み合わせた照明装置が知られている。また、照明光の配光（指向性）を制御する照明装置が知られている。例えば、特許文献１には、光源、波長変換媒体及び周期アンテナアレイを有する照明装置が開示されている。

特表2014-508379号公報

波長変換体を含む照明装置においては、光源から出力されて波長変換体を透過した光と波長変換体によって波長が変換された光とが照明光として出力される。従って、当該照明光は、互いに波長帯域が異なる複数の光が混色された光である。照明光の色ムラを低減するためには、混色された光が各放射方向で波長変換体を透過した光と波長が変換された光との割合（混合比）が一定となっていることが好ましい。また、所望の領域に確実に照明光を照射することを考慮すると、照明装置からの出射光（照明光）は、所望の指向性（狭角配向）を有することが好ましい。

例えば、光源に半導体レーザなどのレーザ光源を用いる場合、高出力かつ高密度の光を生成することができるため、照明装置を小型化できる。また、レーザ光源から出射される光は直進性が強く、波長変換体やレンズへの入射効率を高めることができるため、照明装置を高効率化できる。一方で、波長変換体によって波長が変換された光は、当該レーザ光とは異なる配光で波長変換体から出射されるため、放射方向によって波長変換体を透過した光と波長が変換された光との割合（混合比）が異なり、照明光の色ムラが生ずる場合がある。

また、端面発光レーザ（ＦＰ−ＬＤ）、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）等の半導体レーザからの光は、ガウシアン型の強度分布を有する。従って、波長変換体の一部の領域に高密度な光が入射して当該一部領域の波長変換体の温度が上昇する。また、波長変換媒体は、一定の温度を超えると波長変換効率が急激に低下する。このいわゆる波長変換体の温度消光が生ずると、照明装置の効率も低下する。また、温度消光が生じた領域からはレーザ光が波長変換体をそのまま通過し、照明光の色分離やレーザ光が照明装置外部へ放射される危険性が生じる。従って、照明光の色ムラ（混色ムラ）のみならず、照明装置としての効率低下と危険性が生ずる場合がある。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、照明光の色ムラ及び効率低下を抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能な照明装置を提供することを目的としている。

本発明による照明装置は、ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、受光面から二次光を受光し、二次光と二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から三次光を出射する波長変換体と、波長変換体の出射面上に形成され、波長変換体内における二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有することを特徴としている。

実施例１に係る照明装置の構成を模式的に示す図である。 実施例１に係る照明装置の光源及び整形部材の構成を模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例１に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な断面図及び上面図である。 実施例１に係る照明装置からの取り出し光の強度を模式的に示す図である。 （ａ）は、実施例１の変形例に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な上面図であり、（ｂ）は、実施例１の変形例に係る照明装置からの取り出し光の強度を模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例２に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な断面図及び上面図である。 実施例２の変形例に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な上面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例３に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な断面図及び平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例３の変形例に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な断面図及び平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例４及びその変形例に係る照明装置の波長変換体及びアンテナアレイの模式的な平面図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る照明装置１０の構成を示す図である。図１は、照明装置１０の模式的な断面図であるが、ハッチングを省略している。照明装置１０は、筐体１１に収容された光源１２、整形部材１３、波長変換体１５及びアンテナアレイ１４を含む。本実施例においては、光源１２は、半導体レーザなどのレーザ光源である場合について説明する。しかし、光源１２は、発光ダイオードなど、他の発光素子を含んでいてもよい。

光源１２は、一次光Ｌ１を生成する。整形部材１３は、一次光Ｌ１の強度分布を調節して二次光Ｌ２を生成する。波長変換体１４は、受光面Ｓ１から二次光Ｌ２を受光し、二次光Ｌ２の一部に波長変換を行って三次光Ｌ３を生成する。また、波長変換体１４は出射面Ｓ２を有し、出射面Ｓ２から三次光Ｌ３を出射する。アンテナアレイ１５は、波長変換体１４の出射面Ｓ２上に形成され、周期的に配置された複数の微細な光学アンテナを含む。

本実施例においては、筐体１１には、光源１２を固定する開口と、波長変換体１４を固定する開口とが設けられている。整形部材１３は、光源１２の光出射部と波長変換体１４の受光面Ｓ１との間に配置されている。なお、図示していないが、光源１２は、集光レンズ又はコリメートレンズを有していてもよい。

図２は、光源１２及び整形部材１３の構成を模式的に示す図である。図２を用いて、光源１２及び整形手段１３について説明する。本実施例においては、光源１２は、図２に示すように、ガウシアン型の強度分布を有する一次光Ｌ１を生成する。光源１２は、例えば、一次光Ｌ１として、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの波長帯域（青色）のレーザ光を生成し、当該レーザ光を整形部材１３に向けて出射する。

整形部材１３は、一次光Ｌ１を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光Ｌ２を生成する。すなわち、整形部材１３は、ガウシアン型の強度分布を有する光の成分を、トップハット型の強度分布を有する光の成分に変換する。例えば、整形部材１３からの二次光Ｌ２は、強度分布が均一化されたレーザ光である。整形部材１３は、例えば、マイクロレンズアレイ（フライアイレンズ）、非球面レンズ、回折光学素子（ＤＯＥ）、ロッドレンズ及び導光ファイバ等のビームホモジナイザ光学部材のいずれか又はこれらを組み合わせ光学系からなる。

例えば、ビームホモジナイザ光学部材は、ガウシアン型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換するだけでなく、二次光Ｌ２の放射角、配光、照射形状を制御することもできる。また、整形部材１３は、ビームホモジナイザ光学部材と凹レンズ、凸レンズ、非球面レンズ等の光学部材とを組み合わせることによっても、トップハット型の強度分布を有し、所望の放射角、配光、照射形状に整形された二次光Ｌ２を生成することができる。

図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ波長変換体１４及びアンテナアレイ１５の模式的な断面図及び上面図である。図３（ｂ）は、波長変換体１４の出射面Ｓ２を模式的に示す平面図であり、図３（ａ）は、図３（ｂ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）を用いて波長変換体１４及びアンテナアレイ１５について説明する。

波長変換体１４は、蛍光体を含む板状の蛍光体プレート１４Ａと、蛍光体プレート１４Ａの側面上に形成された光反射膜１４Ｂとを有する。本実施例においては、蛍光体プレート１４Ａの主面の一方は、波長変換体１４における二次光Ｌ２の受光面Ｓ１として機能する。また、蛍光体プレート１４Ａの他方の主面は、波長変換体１４における三次光Ｌ３の出射面Ｓ２として機能する。なお、アンテナアレイ１５は、蛍光体プレート１４Ａの当該他方の主面上に形成されている。

波長変換体１４（本実施例においては蛍光体プレート１４Ａ）は、受光面Ｓ１から二次光Ｌ２を受光し、二次光Ｌ２の波長を変換して波長変換光Ｌ３１を生成する。波長変換体１４は、波長変換体１４を透過した二次光Ｌ２である透過光Ｌ３２と、波長変換光Ｌ３１とを含む三次光Ｌ３を生成し、出射面Ｓ２から三次光Ｌ３を出射する。本実施例においては、三次光Ｌ３は、照明装置１０のから外部に出力される照明光である。

例えば、蛍光体プレート１４Ａは、セリウムを発光中心としたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体の透明な単相蛍光体セラミックプレートから構成されている。また、蛍光体プレート１４Ａは、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体粉末を透明バインダ中に分散させて固めたものであってもよい。

例えば、波長変換体１４は、波長変換光Ｌ３１として、５５０ｎｍ付近にピークを有し４６０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長帯域（黄色）の光を生成する。従って、本実施例においては、波長変換体１４の出射面Ｓ２からは、三次光Ｌ３として、黄色光（波長変換光Ｌ３１）及び青色光（透過光Ｌ３２）が混色された白色光が出力される。

また、光反射膜１４Ｂは、蛍光体プレート１４Ａ内の波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２を出射面Ｓ２に向けて反射させる。従って、波長変換体１４からの光取り出し効率が向上する。光反射膜１４Ｂは、例えば、蛍光体プレート１４Ａの側面上に設けられた金属膜、光学多層膜及び白色樹脂膜などからなる。

なお、波長変換体１４は、光反射膜１４Ｂを有していなくてもよい。また、波長変換体１４は、受光面Ｓ１上に形成され反射防止（ＡＲ）膜やダイクロイックミラー（図示せず）を有していてもよい。反射防止膜を設けることによって、波長変換体１４への二次光Ｌ２の入射効率の向上を図り、光取り出し量を向上させることができる。また、ダイクロイックミラーを設けることによって、受光面Ｓ１に向かう波長変換光Ｌ３１を出射面Ｓ２に向けて反射させることができ、出射面Ｓ２からの光取り出し量を向上させることができる。

次に、アンテナアレイ１５について説明する。本実施例においては、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４の出射面Ｓ２上に形成され、波長変換体１４内における透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）の光学波長よりも大きな周期（アンテナ周期）Ｐで配置された複数の光学アンテナ（以下、単にアンテナと称する）１５Ａを有する。本実施例においては、複数のアンテナ１５Ａは、波長変換体１４内における波長変換光Ｌ３１の光学波長程度の周期Ｐ（例えば３５０ｎｍ）で周期的に配置されている。

これら複数のアンテナ１５Ａの各々は、本実施例においては、柱状又は錐状の金属突起である。また、本実施例においては、アンテナ１５Ａの各々は、円柱形状を有し、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｌ（アルミニウム）及びＮｉ（ニッケル）等の可視光領域にプラズマ周波数を有する材料、並びにこれらを含む合金又は積層体からなる。

また、本実施例においては、アンテナ１５Ａの各々は互いに同程度のアンテナ高さＨ及びアンテナ幅（直径）Ｗを有する。なお、アンテナ１５Ａが柱状又は錐状の形状を有する場合、アンテナ幅Ｗとはアンテナ１５Ａの最大幅をいう。また、本実施例においては、これら複数のアンテナ１５Ａは、波長変換体１４の出射面Ｓ２上において正方格子状に配列されている。

なお、本実施例においては、アンテナ幅Ｗは２００±５０ｎｍである。また、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は約１．８２の屈折率を有し、二次光Ｌ２の波長は４５０ｎｍである。従って、本実施例においては、アンテナ周期Ｐは、２５０ｎｍ以上である。ここで、アンテナアレイ１５は、そのアンテナ周期Ｐに対応する光学波長近傍の光に対して最も高い発光増強効果を示し、長波長側よりも短波長側に向かって増強効果がなだらかに減少する。なお、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は５５０ｎｍ付近にピーク波長を有する。従って、より多くの波長変換光Ｌ３１を照明光として取り出すにはアンテナ周期Ｐは３００ｎｍ〜４２０ｎｍ程度とするのが好ましい。特に、本実施例のように正方格子状に配列したアンテナアレイ１５においては、アンテナ周期Ｐを４００ｎｍ（光学長で７３０ｎｍ）程度としたときに最も高い発光増強を観測した。

次にアンテナアレイ１５の作用について説明する。アンテナアレイ１５の各アンテナ１５Ａに波長変換光Ｌ３１が照射されると、アンテナ１５Ａの表面での局在表面プラズモン共鳴が生ずる。また、アンテナ１５Ａが配置される周期Ｐを波長変換光Ｌ３１の光学波長程度とすることで、波長変換光Ｌ３１が回折を起こし、隣接する個々のアンテナ１５Ａの局在表面プラズモン共鳴が誘発される。これによって、アンテナ１５Ａの近傍の電場強度が増大される。

この電場増強の結果、波長変換光Ｌ２１は、増幅され、また、狭角な配光分布（低エタンデュ）となってアンテナアレイ１５から出射される。すなわち、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４内の波長変換光Ｌ３１を増強し、また、波長変換光Ｌ３１の出射方向を絞ると同時に波長変換光Ｌ３１の光取り出し効率を向上させる機能を有する。

一方、アンテナ１５Ａは、波長変換体１４内における透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）の光学波長よりも大きな周期Ｐで配置されている。これによって、透過光Ｌ３２に対しては、アンテナアレイ１５の上記した作用（アンテナ作用）は生じない。すなわち、透過光Ｌ３２は、アンテナアレイ１５をほぼ透過（素通り）し、整形部材１３で調整された配光特性及び照射形状が照明光でも維持される。

換言すれば、アンテナアレイ１５は、波長変換光Ｌ３１（例えば黄色光）の強度及び指向性を調節する機能を有する。一方、アンテナアレイ１５は、波長変換体１４で波長変換されなかった二次光Ｌ２（例えば青色光）をほぼ透過させる。

図４は、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）の配光、すなわち出射角度に対する強度（光度）を模式的に示す図である。図４は、アンテナアレイ１５の中心から波長変換体１４の出射面Ｓ２の法線方向（正面方向）を０°とし、出射面Ｓ２に平行な方向を９０°としたときの波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の強度分布を示す図である。なお、図４においては、説明及び比較のため、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の出射角度に対する強度（光度）はそれぞれ当該正面方向の強度を１として規格化している。

図４に示すように、波長変換光Ｌ３１は、約６０°以下の範囲内で高い強度を示し、当該角度範囲に光束が集中している。すなわち、多くの光が出射面Ｓ２に垂直な方向に近い方向に進んでいることを示している。また、波長変換光Ｌ３１の強度は、アンテナアレイ１５を設けない場合に比べて大幅に向上していた。これは、上記したアンテナアレイ１５のアンテナ作用（発光増強及び狭角出射に伴う光取り出し効率の向上）によるものであると考えられる。

一方、図４に示すように、透過光Ｌ３２は、整形部材１３によって生成された二次光Ｌ２とほぼ同様の配光特性を維持している。これは、アンテナアレイ１５が二次光Ｌ２に対して局在表面プラズモン共鳴を生じない構成であること、及び波長変換体１４が透明な蛍光体プレートによって構成されていることによると考えられる。また、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２は互いに類似した配光特性を有することがわかる。従って、三次光Ｌ３は、いずれの放射方向においても波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２が同程度の強度比で混合されているといえる。

このように、本実施例においては、照明装置１０は、光源１２からのガウシアン型の強度分布を波長変換体１４の受光面Ｓ１で均一化してトップハット型の二次光Ｌ２を生成する整形部材１３と、波長変換体１４からの波長変換光Ｌ３２の光取り出し効率を向上し、且つ狭角の配光特性を追加するアンテナアレイ１５とを有する。これによって、局所的に二次光Ｌ２が波長変換体１４に集中することなく照射され、波長変換効率が向上する。また、透過光Ｌ３２と波長変換光Ｌ３１とが互いに類似した配光特性を得ることができ、照明光の色ムラが低減される。

なお、本実施例においては、アンテナアレイ１５が正方格子状に配置された複数のアンテナ１５Ａからなる場合について説明したが、アンテナ１５Ａの配列形態はこれに限定されない。例えば、アンテナアレイ１５の各アンテナ１５Ａは、六角格子状に配置されていてもよい。

図５（ａ）は、実施例１の変形例に係る照明装置１０Ａのアンテナアレイ１６の構成を模式的に示す図である。図５（ａ）は、照明装置１０Ａにおける波長変換体１４の出射面Ｓ２を模式的に示す平面図である。照明装置１０Ａは、アンテナアレイ１６の構成を除いては、照明装置１０と同様の構成を有する。照明装置１０Ａは、波長変換体１４の出射面Ｓ２上に形成されたアンテナアレイ１６を有する。

本変形例においては、アンテナアレイ１６は、六角格子状（三角格子状）に配置されたことを除いては、アンテナアレイ１５の複数のアンテナ１５Ａと同様の構成を有する複数のアンテナ１６Ａを有する。本変形例のように、アンテナアレイ１６の各アンテナ１６Ａは、六角格子状に配列されていてもよい。

図５（ｂ）は、照明装置１０Ａから出射された波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の配光、すなわち出射角度に対する強度（光度）を模式的に示す図である。図５（ｂ）に示すように、六角格子状に複数のアンテナ１６Ａを、３５０ｎｍのアンテナ周期Ｐで配置した場合でも、アンテナアレイ１５と同様に、波長変換光Ｌ３１に対してアンテナ作用を示し、透過光Ｌ３２の配光と類似の狭角配光を得ることできる。なお、図５（ｂ）においても、図４と同様に、波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の出射角度に対する強度（光度）はそれぞれ正面方向の強度を１として規格化している。

なお、本実施例及びその変形例においては、例えばアンテナアレイ１５は、各アンテナ１５Ａが波長変換光Ｌ３１の波長変換体１４内での光学波長程度の周期Ｐで配置されている場合について説明した。しかし、アンテナアレイ１５は、複数のアンテナ１５Ａが波長変換体１４内における二次光Ｌ２の光学波長よりも大きな周期Ｐで配置されていればよい。すなわち、アンテナアレイ１５は、波長変換光Ｌ３１にアンテナ作用を示し、二次光Ｌ２をほぼ透過させる周期Ｐで配置されていればよい。

また、本実施例においては、光源１２がレーザ光源からなる場合について説明した。しかし、光源１２はレーザ光源からなる場合に限定されない。例えば光源１２は発光ダイオードからなっていてもよい。また、光源１２は、半導体レーザ及び発光ダイオードの組み合わせからなっていてもよい。

なお、三次光Ｌ３として高い指向性を有する波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２を得ることを考慮すると、光源１２がレーザ光源からなることが好ましい。また、光源１２としてレーザ光源を用いた場合でも整形部材１３によって受光面Ｓ２における二次光Ｌ２の強度分布がトップハット型に調整されているため、波長変換体１４の一部へのレーザ光の集中的な照射が抑制される。従って、波長変換体１４の一部領域で発生し得る温度消光がなくなり、波長変換効率の低下及びレーザ光の外部へ直接放射される危険性がなくなる。

本実施例及びその変形例においては、照明装置１０（又は１０Ａ）は、ガウシアン型の強度分布を有する一次光Ｌ１を生成する光源１２と、一次光Ｌ２を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光Ｌ２を生成する整形部材１３と、を有する。

また、照明装置１０（又は１０Ａ）は、受光面Ｓ１から二次光Ｌ２を受光し、二次光Ｌ２（透過光Ｌ３２）と二次光Ｌ２の波長が変換された波長変換光Ｌ３１とを含む三次光Ｌ３を生成し、出射面Ｓ２から三次光Ｌ３を出射する波長変換体１４と、波長変換体１４の出射面Ｓ２上に形成され、波長変換体１４内における二次光Ｌ２の光学波長よりも大きな周期Ｐで配置された複数のアンテナ１５Ａを有するアンテナアレイ１５と、を有する。

従って、波長変換体１４の波長変換効率と光取り出し効率を上げると同時に、透過光Ｌ３２と波長変換光Ｌ３１の配光をそれぞれ整形部材１３とアンテナアレイ１５で独立して狭角配光に調節することで、狭角配光かつ色ムラのない照明光（混合光）を放射可能な照明装置１０を提供することができる。

図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例２に係る照明装置２０の模式的な断面図及び上面図である。図６（ａ）は、図６（ｂ）のＷ−Ｗ線に沿った断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）を用いて、照明装置２０の構成について説明する。照明装置２０は、アンテナアレイ２１の構成を除いては、照明装置１０と同様の構成を有する。アンテナアレイ２１は、互いに異なるアンテナ占有率を有する第１及び第２の副アレイ２２及び２３を有する。

具体的には、波長変換体１４の受光面Ｓ１は、二次光Ｌ２に照射される被照射領域Ｓ１１と、被照射領域Ｓ１１の周辺に設けられた周辺領域Ｓ１２とを有する。また、波長変換体１４の出射面Ｓ２は、受光面Ｓ１の被照射領域Ｓ１１に対応する第１の出射領域Ｓ２１と、周辺領域Ｓ１２に対応する第２の出射領域Ｓ２２とを有する。

本実施例においては、被照射領域Ｓ１１は、受光面Ｓ１における二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を含む円形状の領域であり、第１の出射領域Ｓ２１は、被照射領域Ｓ１１に対向する出射面Ｓ２の領域である。また、周辺領域Ｓ１２は、被照射領域Ｓ１１の外周部に設けられた受光面Ｓ１の領域であり、第２の出射領域Ｓ２２は、周辺領域Ｓ１２に対向する出射面Ｓ２の領域である。

また、本実施例においては、アンテナアレイ２１は、出射面Ｓ２の第１の出射領域Ｓ２１上に配置された複数のアンテナ２２Ａからなる第１の副アレイ２２と、第２の出射領域Ｓ２２上に配置され、第１の副アレイ２２よりも単位面積当たりのアンテナ占有率が大きな複数のアンテナ２３Ａからなる第２の副アレイ２３と、を有する。なお、少なくともアンテナ２２Ａは、波長変換体１４内における二次光Ｌ２の光学波長よりも大きな周期で配置されている。

例えば、本実施例においては、第１の副アレイ２２の各アンテナ２２Ａは、第２の副アレイ２３の各アンテナ２３Ａよりもアンテナの周期Ｐが大きい。また、第１の副アレイ２２は、アンテナ２２Ａが設けられた領域とアンテナ２２Ａが設けられていない領域とが千鳥状に配置された構造を有する。なお、アンテナ２３Ａは、アンテナ２２Ａよりもアンテナ幅Ｗ（図３（ｂ）参照）が大きくなるように形成されていてもよい。

図７は、実施例２の変形例に係る照明装置２０Ａのアンテナアレイ２１Ａの構成を模式的に示す図である。照明装置２０Ａは、アンテナアレイ２１Ａの構成を除いては、照明装置２０と同様の構成を有する。なお、図７は、照明装置２０Ａにおける波長変換体１３の出射面Ｓ２を模式的に示す平面図である。

本変形例においては、アンテナアレイ２１Ａは、第１の副アレイ２４の構成を除いては、アンテナアレイ２１と同様の構成を有する。アンテナアレイ２１Ａは、第１の出射領域Ｓ２１上に設けられた複数のアンテナ２４Ａからなる第１の副アレイ２４と、第２の副アレイ２３とを有する。また、本変形例においては、第１の副アレイ２４は、アンテナ２４Ａが設けられた領域とアンテナ２４Ａが設けられていない領域とが同心円状に配置された構造を有する。

本実施例及びその変形例においては、波長変換体１４の第１の出射領域Ｓ２１、すなわち二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を含む出射面Ｓ２上の領域のアンテナ占有率を他の領域よりも小さくしている。これによって、透過光Ｌ３２、すなわち波長変換体１４を透過する二次光Ｌ２が第１の出射領域Ｓ２１を多く透過する構成となる。

具体的には、例えば、アンテナアレイ２１を構成するアンテナ２２Ａ又は２３Ａは、二次光Ｌ２の一部を吸収もしくは後方に散乱する場合がある。従って、二次光Ｌ２が比較的多く透過する領域である第１の出射領域Ｓ２１のアンテナ２３Ａの専有面積を小さくしておくことで、二次光Ｌ２のアンテナアレイ２１による吸収もしくは散乱を抑制することができる。従って、透過光Ｌ３２の光取り出し効率の向上を図ることができる。

なお、波長変換光Ｌ３１は、波長変換体１４内を拡散する。従って、第１の出射領域Ｓ２１から放出されなかった波長変換光Ｌ３１は、第２の副アレイ２３を介して外部へ放出される。

また、二次光Ｌ２の透過効率および配光特性の維持を考慮すると、波長変換体１４（蛍光体プレート１４Ａ）は透明な部材から構成されていることが好ましい。

上記したように、本実施例及びその変形例においては、波長変換体１４の出射面Ｓ２は、受光面Ｓ１における二次光Ｌ２の被照射領域Ｓ１１に対応する第１の出射領域Ｓ２１と、周辺領域Ｓ１２に対応する第２の出射領域Ｓ２２とを有する。また、アンテナアレイ２１又は２１Ａは、出射面Ｓ２の第１の出射領域Ｓ２１上に配置された複数のアンテナ２２Ａ又は２４Ａからなる第１の副アレイ２２又は２４と、第２の出射領域Ｓ２２上に配置され、第１の副アレイ２２又は２４Ａよりも単位面積当たりのアンテナ占有率が大きな複数のアンテナ２３Ａからなる第２の副アレイ２３と、を有する。従って、波長変換体１４上の二次光Ｌ２が通過するアンテナアレイ２１の領域の透過光Ｌ３１の光取り出し効率が局所的に向上した高効率な照明装置２０又は２０Ａを提供することができる。

図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例３に係る照明装置３０の波長変換体３１の模式的な断面図及び平面図である。図８（ｂ）は、照明装置３０の波長変換体３１の受光面Ｓ１を模式的に示す平面図である。また、図８（ａ）は、図８（ｂ）のＸ１−Ｘ１線に沿った断面図である。照明装置３０は、波長変換体３１の構成を除いては、照明装置１０と同様の構成を有する。また、波長変換体３１は、蛍光体プレート３１Ａの構成を除いては、波長変換体１４と同様の構成を有する。

なお、二次光Ｌ２は、整形部材１３から、出射点ＳＰを焦点として放射状に出射されるように構成されている。こうすることで、二次光Ｌ２が出射点ＳＰを出射部とする点光源から出射されているとみなすことができる。また、二次光Ｌ２の出射点ＳＰは、例えば適当なホモジナイザ部材と非球面レンズを組み合わせることで構成された整形部材１３を用いることで整形部材１３と波長変換体３１の受光面Ｓ１との間に形成される。

本実施例においては、波長変換体３１は、受光面Ｓ１上に二次光Ｌ２の被照射領域Ｓ１１とその周辺領域Ｓ１２とを有する。また、波長変換体３１は、受光面Ｓ１の被照射領域Ｓ１１内において二次光Ｌ２の光軸ＡＸに対して回転対称に設けられた凹部ＲＣを有する。本実施例においては、蛍光体プレート３１Ａが受光面Ｓ１を構成し、凹部ＲＣは蛍光体プレート３１Ａの主面に形成されている。

本実施例においては、凹部ＲＣは、二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を取り囲むように円環状に設けられている。なお、凹部ＲＣの形成領域は、出射点ＳＰ及び波長変換体３１から出射される透過光Ｌ３２の出射角度が１５°〜３０°の範囲内の領域に対応する。

本実施例においては、実施例１に係る照明装置１０、すなわちアンテナ１５Ａを正方格子状に配置した場合における三次光Ｌ３の色ムラをさらに均一化させる構成を有する。具体的には、図４に示すように、照明装置１０からの三次光Ｌ３は、出射角度が１５°〜３０°の範囲内において、波長変換光Ｌ３１の方が透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）よりもわずかに大きな強度比を有する。すなわち、三次光Ｌ３の出射角度が１５°〜３０°の範囲内において周辺よりも色温度の低い混色光となる。波長変換体３１の凹部ＲＣは、このわずかな強度比の差を低減する、すなわち波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の配光を更に類似した形状に整形する機能を有する。

具体的には、波長変換体３１の凹部ＲＣは、出射角度が１５°〜３０°の範囲内の波長変換光Ｌ３１に対応する二次光Ｌ２の波長変換体３１内での光路を短くする。従って、当該角度範囲において波長変換光Ｌ３１に変換される二次光Ｌ２が減り、該角度範囲における透過光Ｌ３２の成分が増える。これによって、全角度範囲に亘って波長変換光Ｌ３１と透過光Ｌ３２との強度比を高精度で均一化することができる。

このように、本実施例においては、照明装置３０のアンテナアレイ１５は、正方格子状に配置された複数のアンテナ１５Ａからなる。また、波長変換体３１は、受光面Ｓ１の被照射領域Ｓ１１内において二次光Ｌ２の光軸ＡＸに対して回転対称に設けられた凹部ＲＣを有する。従って、色ムラを抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能な照明装置３０を提供することができる。

図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ実施例３の変形例に係る照明装置３０Ａの波長変換体３２の模式的な断面図及び平面図である。図９（ｂ）は、照明装置３０Ａの波長変換体３２の受光面Ｓ１を模式的に示す平面図である。また、図９（ａ）は、図９（ｂ）のＸ２−Ｘ２線に沿った断面図である。照明装置３０Ａは、波長変換体３２の構成を除いては、照明装置１０Ａと同様の構成を有する。また、波長変換体３２は、蛍光体プレート３２Ａの構成を除いては、波長変換体１４と同様の構成を有する。

本変形例においては、波長変換体３２は、受光面Ｓ１上に二次光Ｌ２の被照射領域Ｓ１１とその周辺領域Ｓ１２とを有する。また、波長変換体３２は、受光面Ｓ１の被照射領域Ｓ１１内において二次光Ｌ２の光軸ＡＸに対して回転対称に設けられた凸部ＰＪを有する。本変形例においては、蛍光体プレート３２Ａが受光面Ｓ１を構成し、凸部ＰＪは蛍光体プレート３２Ａの主面に形成されている。

本変形例においては、凸部ＰＪは、二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を取り囲むように円環状に設けられている。なお、凸部ＰＪの形成領域は、波長変換体３２から出射される波長変換光Ｌ３１の出射角度が１５°〜３０°の範囲内の領域に対応する。

本変形例においては、実施例１の変形例に係る照明装置１０Ａ、すなわちアンテナ１６Ａを六角格子状に配置した場合における三次光Ｌ３の色ムラをさらに均一化させる構成を有する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、照明装置１０Ａからの三次光Ｌ３は、出射角度が１５°〜３０°の範囲内において、波長変換光Ｌ３１の方が透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）よりもわずかに小さな強度比を有する。波長変換体３２の凸部ＰＪは、このわずかな強度比の差を低減する、すなわち波長変換光Ｌ３１及び透過光Ｌ３２の配光を更に類似した形状に整形する機能を有する。

本変形例においては、波長変換体３２の凸部ＰＪは、出射角度が１５°〜３０°の範囲内の波長変換光Ｌ３１に対応する二次光Ｌ２の波長変換体３２内での光路を長くする。従って、本変形例においては、当該角度範囲において波長変換光Ｌ３１に変換される二次光Ｌ２が増え、該角度範囲における透過光Ｌ３２の成分が減る。これによって、全角度範囲に亘って波長変換光Ｌ３１と透過光Ｌ３２との強度比を高精度で均一化することができる。

このように、本変形例においては、照明装置３０Ａのアンテナアレイ１６は、六角格子状に配置された複数のアンテナ１６Ａからなる。また、波長変換体３２は、受光面Ｓ１の被照射領域Ｓ１１内において二次光Ｌ２の光軸ＡＸに対して回転対称に設けられた凸部ＰＪを有する。従って、色ムラを抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能な照明装置３０Ａを提供することができる。

図１０（ａ）は、実施例４に係る照明装置４０のアンテナアレイ４１の構成を模式的に示す図である。照明装置４０は、アンテナアレイ４１の構成を除いては、照明装置１０又は２０と同様の構成を有する。図１０（ａ）は、照明装置４０における波長変換体１４の出射面Ｓ２を模式的に示す平面図である。

本実施例においては、例えば照明装置２０（例えば図６（ａ））と同様に、波長変換体１４の受光面Ｓ１は、二次光Ｌ２に照射される被照射領域Ｓ１１と、被照射領域Ｓ１１の周辺に設けられた周辺領域Ｓ１２とを有する。また、波長変換体１４の出射面Ｓ２は、被照射領域Ｓ１１に対応する第１の出射領域Ｓ２１と、周辺領域Ｓ１２に対応する第２の出射領域Ｓ２２とを有する。

また、本実施例においては、第１の出射領域Ｓ２１は、二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を含む中心領域Ｒ１と、中心領域Ｒ１を囲む環状領域Ｒ２とを有する。なお、本実施例においては、第１の出射領域Ｓ２１は、環状領域Ｒ２を内側環状領域とし、内側環状領域Ｒ２を取り囲む外側環状領域Ｒ３を有する。

なお、本実施例においては、中心領域Ｒ１は、波長変換光Ｌ３１の出射角度が０°〜１５°の範囲内の領域に対応する。内側環状領域Ｒ２は、波長変換光Ｌ３１の出射角度が１５°〜３０°の範囲内の領域に対応する。また、外側環状領域Ｒ３は、波長変換光Ｌ３１の出射角度が３０°〜６０°の範囲内の領域に対応する。

また、アンテナアレイ４１は、第１の出射領域Ｓ２１のうちの中心領域Ｒ１内において正方格子状に配置された複数のアンテナ４２Ａからなる第１の副アレイ４２と、中心領域Ｒ１を囲む環状領域（内側環状領域）Ｒ２内において正方格子状に配置され、第１の副アレイ４２よりも単位面積当たりのアンテナ占有率が小さな複数のアンテナ４３Ａからなる第２の副アレイ４３と、を有する。

具体的には、本実施例においては、実施例３と同様に、アンテナの配置形態に基づいた三次光Ｌ３の高精度な色ムラ解消を目的としている。本実施例においては、アンテナの密度（占有率）によって透過光Ｌ３２の出射角度に応じた強度調節を行う。

アンテナアレイ４１は、第１及び第２の副アレイ４２及び４３とも、正方格子状に配置されたアンテナ４２Ａ及び４３Ａを有する。従って、図４に示すように、出射角度が１５°〜３０°の範囲内において波長変換光Ｌ３１は透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）よりもわずかに強度比が大きい。

従って、当該角度範囲に対応する出射面Ｓ２の領域である環状領域Ｒ２においてアンテナ４３Ａの占有率を比較的小さくすることで、アンテナ４３Ａに散乱又は吸収される透過光Ｌ３２をわずかに小さくすることができる。従って、色ムラを抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能な照明装置４０を提供することができる。

なお、本実施例においては、第１の副アレイ４２は、中心領域Ｒ１のみならず、外側環状領域Ｒ３に形成されている。また、第２の副アレイ４３は、内側環状領域Ｒ２のみならず、第２の出射領域Ｓ２上に形成されている。これによって、全角度範囲に亘って波長変換光Ｌ３１と透過光Ｌ３２との強度比を高精度で均一化することができる。

図１０（ｂ）は、実施例４の変形例に係る照明装置４０Ａのアンテナアレイ４４の構成を模式的に示す図である。照明装置４０Ａは、アンテナアレイ４４の構成を除いては、照明装置１０Ａ又は２０と同様の構成を有する。図１０（ｂ）は、照明装置４０Ａにおける波長変換体１４の出射面Ｓ２を模式的に示す平面図である。

本変形例においては、照明装置４０と同様に、波長変換体１４の受光面Ｓ１は、二次光Ｌ２に照射される被照射領域Ｓ１１と、被照射領域Ｓ１１の周辺に設けられた周辺領域Ｓ１２とを有する。また、波長変換体１４の出射面Ｓ２は、被照射領域Ｓ１１に対応する第１の出射領域Ｓ２１と、周辺領域Ｓ１２に対応する第２の出射領域Ｓ２２とを有する。

また、第１の出射領域Ｓ２１は、二次光Ｌ２の光軸ＡＸ上の領域を含む中心領域Ｒ１と、中心領域Ｒ１を囲む環状領域Ｒ２とを有する。また、第１の出射領域Ｓ２１は、環状領域Ｒ２を内側環状領域とし、内側環状領域Ｒ２を取り囲む外側環状領域Ｒ３を有する。

本変形例においては、アンテナアレイ４４は、第１の出射領域Ｓ２１のうちの中心領域Ｒ１内において六角格子状に配置された複数のアンテナ４５Ａからなる第１の副アレイ４５と、中心領域Ｒ１を囲む環状領域（内側環状領域）Ｒ２内において六角格子状に配置され、第１の副アレイ４５よりも単位面積当たりのアンテナ占有率が大きな複数のアンテナ４６Ａからなる第２の副アレイ４６と、を有する。

アンテナアレイ４４は、第１及び第２の副アレイ４５及び４６とも、六角格子状に配置されたアンテナ４５Ａ及び４６Ａを有する。従って、図５（ｂ）に示すように、出射角度が１５°〜３０°の範囲内において波長変換光Ｌ３１は透過光Ｌ３２（二次光Ｌ２）よりもわずかに強度が小さい。

従って、本変形例においては、当該角度範囲に対応する出射面Ｓ２の領域である環状領域Ｒ２においてアンテナ４６Ａの占有率を比較的大きくすることで、アンテナ４６Ａに吸収又は散乱される二次光Ｌ２をわずかに多くすることができる。従って、色ムラを抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能な照明装置４０Ａを提供することができる。

なお、本実施例においては、第１の副アレイ４２は、中心領域Ｒ１のみならず、出射面Ｓ２の環状領域Ｒ２以外の領域、すなわち環状領域Ｒ３及び第２の出射領域Ｓ２２上に形成されている。従って、出射面Ｓ２の全体で高精度に均一化された強度の三次光Ｌ３を得ることができる。

このように、本実施例及びその変形例においては、照明装置４０及び４０Ａは、出射面Ｓ２の第１の出射領域Ｓ２１を複数の領域に区別し、当該複数の領域毎にアンテナ占有率を調節する構成を有する。従って、色ムラを抑制し、高い指向性及び光取り出し効率を得ることが可能となる。

１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、３０、３０Ａ、４０、４０Ａ 照明装置
１２ 光源
１３ 整形部材
１４、３１、３２ 波長変換体
１５、１６、２１、２１Ａ、４１、４４ アンテナアレイ

Claims (10)

1. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光の放射角と配光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、前記三次光に含まれる前記二次光の透過光は前記整形部材によって生成された前記二次光とほぼ同様の配光特性を維持し、出射面からいずれの放射方向においても前記波長変換光と前記二次光の透過光が同程度の強度比で混合されている前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域を有し、
   前記波長変換体の前記出射面は、前記被照射領域に対応する第１の出射領域を有し、
   前記第１の出射領域に配置された前記複数の光学アンテナの各々は、金属突起であり、
   前記第１の出射領域に配置された前記複数の光学アンテナの周期は、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期であり、
   前記アンテナアレイは波長変換光に対し挟角の配光特性を追加し、
   前記第１の出射領域に配置された前記複数の光学アンテナの各々は、互いに同程度のアンテナ高さ及びアンテナ幅を有する
   ことを特徴とする照明装置。
2. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域と、前記被照射領域の周辺に設けられた周辺領域とを有し、
   前記波長変換体の前記出射面は、前記被照射領域に対応する第１の出射領域と、前記周辺領域に対応する第２の出射領域とを有し、
   前記アンテナアレイは、前記出射面の前記第１の出射領域上に配置された複数の光学アンテナからなる第１の副アレイと、前記第２の出射領域上に配置され、前記第１の副アレイよりも単位面積当たりのアンテナ占有率が大きな複数の光学アンテナからなる第２の副アレイと、を有することを特徴とする照明装置。
3. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記アンテナアレイは、前記出射面上において正方格子状に配置され、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域と、前記被照射領域の周辺に設けられた周辺領域とを有し、
   前記波長変換体は、前記受光面の前記被照射領域内において前記二次光の光軸に対して回転対称に設けられた凹部を有することを特徴とする照明装置。
4. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記アンテナアレイは、前記出射面上において六角格子状に配置され、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域と、前記被照射領域の周辺に設けられた周辺領域とを有し、
   前記波長変換体は、前記受光面の前記被照射領域内において前記二次光の光軸に対して回転対称に設けられた凸部を有することを特徴とする照明装置。
5. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域と、前記被照射領域の周辺に設けられた周辺領域とを有し、
   前記波長変換体の前記出射面は、前記被照射領域に対応する第１の出射領域と、前記周辺領域に対応する第２の出射領域とを有し、
   前記アンテナアレイは、前記第１の出射領域のうちの前記二次光の光軸上の領域を含む中心領域内において正方格子状に配置された複数の光学アンテナからなる第１の副アレイと、前記第１の出射領域のうちの前記中心領域を囲む環状領域内において正方格子状に配置され、前記第１の副アレイよりも単位面積当たりのアンテナ占有率が小さな複数の光学アンテナからなる第２の副アレイと、を有することを特徴とする照明装置。
6. ガウシアン型の強度分布を有する一次光を生成する光源と、
   前記一次光を整形し、トップハット型の強度分布を有する二次光を生成する整形部材と、
   受光面から前記二次光を受光し、前記二次光と前記二次光の波長が変換された波長変換光とを含む三次光を生成し、出射面から前記三次光を出射する波長変換体と、
   前記波長変換体の前記出射面上に形成され、前記波長変換体内における前記二次光の光学波長よりも大きな周期で配置された複数の光学アンテナを有するアンテナアレイと、を有し、
   前記波長変換体の前記受光面は、前記二次光に照射される被照射領域と、前記被照射領域の周辺に設けられた周辺領域とを有し、
   前記波長変換体の前記出射面は、前記被照射領域に対応する第１の出射領域と、前記周辺領域に対応する第２の出射領域とを有し、
   前記アンテナアレイは、前記第１の出射領域のうちの前記二次光の光軸上の領域を含む中心領域内において六角格子状に配置された複数の光学アンテナからなる第１の副アレイと、前記第１の出射領域のうちの前記中心領域を囲む環状領域内において六角格子状に配置され、前記第１の副アレイよりも単位面積当たりのアンテナ占有率が大きな複数の光学アンテナからなる第２の副アレイと、を有することを特徴とする照明装置。
7. 前記整形部材は、ビームホモジナイザからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の照明装置。
8. 前記光源は、前記一次光としてレーザ光を生成するレーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の照明装置。
9. 前記波長変換体が、単相蛍光体セラミックプレートであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の照明装置。
10. 前記波長変換体の側面には、光反射膜が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。

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